UUV水下动态布放回收流体动力性能数值模拟

UUV与水下对接装置对接的过程中存在双体干扰问题,非线性特征强烈。为了探明UUV在对接过程中流体动力随着对接姿态以及运动距离变化规律,本文借助Fluent软件中的动网格技术开展非定常工况下UUV动态回收过程的数值模拟研究。系统分析UUV运动速度、运动姿态(主要是攻角)对其流体动力性能以及流场结构的影响。本文研究成果可为后续样机试验提供技术指导和理论支撑。

基于BP神经网络的非线性流域UUV动态回收过程预测

针对水下无人自主航行器(UUV)回收过程中流域存在非线性干扰问题,提出了一种基于BP神经网络优化UUV回收路径的闭环控制方法。采用计算流体力学(CFD)方法模拟UUV相对于潜艇以不同路径进行回收的水动力系数,将数值模拟结果作为训练BP神经网络的初始数据,利用拉丁超立方法对非线性流域的位置随机采样,采用神经网络输出UUV在采样处的水动力系数,实现非线性流域内UUV动态回收过程的水动力系数预测。结果表明:通过均方根检验神经网络预测水动力系数误差均在10%范围内。将神经网络预测结果与UUV纵向操纵性方程结合,对比回收速度和操舵间隔与理论回收轨迹的误差,优化UUV动态回收路径的闭环控制方案。

海水对UUV WPT系统的影响及耦合机构的补偿研究

针对水下无人航行器(UUV)无线电能传输(WPT)系统的效率和稳定性问题,建立了水下WPT等效电路,并对其工作原理进行了数学推导和分析。以此为基础研究了海水环境对WPT电路性能的影响机理,推导出了WPT系统在海水中的传输功率及效率模型。由于在海浪和海流等水下外界干扰下电能传输机构的收/发端均会产生偏移,从而影响系统电能传输的稳定性和效率。为减小影响,分析了4种典型拓扑补偿电路结构,并给出了最优补偿电路选取原则。最后,在MATLAB平台进行验证,结果验证了数学推导的正确性以及补偿电路设计的有效性。研究结果可为类似水下无线供电系统的设计提供借鉴。

基于遗传算法的UUV应召搜潜路径规划

针对应召搜潜中的两种常见情况,即目标随机机动和已知目标概略航向,建立了目标位置分布模型。针对无人航行器(UUV)对潜应召搜索中目标运动状态难以准确描述的问题,基于隐马尔可夫模型(HMM)建立了目标运动模型,能够在已知目标起始概率分布、转移概率和探测结果时实时更新目标概率分布。针对传统搜索方法难以保证有限搜索时间内发现概率最大的问题,设计了一种基于改进遗传算法的UUV应召搜潜路径规划方法,在常规遗传算法基础上增加删除和增添等操作,保证搜索路径的连通性;设计保留精英基因操作,使算法快速收敛。通过与扩方搜索、巡逻线搜索、随机搜索等常用搜索方法的对比,验证了该方法的有效性。

不同间距和航速下水下航行体近场运动UUV受力分析

为探究不同侧向间距和航速下水下航行体绕流流场对UUV的流体动力干扰规律,以实尺度水下航行体和UUV模型为研究对象,通过数值求解RANS方程,基于重叠网格方法进行水下航行体近场运动UUV的非定常和定常数值模拟研究。首先,简要分析不同侧向间距和航速下UUV作匀速直线运动时轴向力、侧向力和偏航力矩系数随轴向位置的变化规律,在此基础上进一步探讨侧向间距和航速对UUV受力规律的影响并分析二者影响作用的大小。结果表明,对于轴向力,航速和侧向间距均表现出明显的影响,航速的影响作用要略大于侧向间距;而对于侧向力和偏航力矩,侧向间距的影响要远大于航速,航速的影响作用基本可以忽略。

基于BN-AHP的UUV系统效能评估方法

提出了一种结合层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和贝叶斯网络(Bayesian Networks,BN)的新型效能评估方法。首先,梳理提炼了UUV(Unmanned underwater vehicle,UUV)效能评估的五个维度;其次,利用AHP方法为每个维度建立了指标体系,并将其作为贝叶斯网络的节点输入,从而将不确定性因素纳入评估过程;随后,通过贝叶斯推理得出UUV效能评估值;最后,通过计算机仿真与传统AHP法,信息熵和人工神经网络法进行对比,实验结果表明,所提的方法相较于传统AHP方法和信息熵方法的评估结果更具收敛性和集中度,相较于人工神经网络方法可以在数据缺乏的情况下完成评估,同时在效能影响因子分析和方案优选方面更具区分度。

基于响应面方法的UUV耐压舱结构优化

为了提高无人水下航行器(UUV)耐压舱综合性能,平衡结构质量、结构强度和内部空间之间的矛盾,以柱状舱体外形结构参数为设计变量,通过拉丁超立方采样方法(LHD)得到试验样本点,根据耐压舱结构有限元分析结果,构建了具有较高拟合精度的二阶响应面耐压舱近似模型。以结构质量最小、有效体积最大和极限应力最小为目标函数,建立了优化数学模型,采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解。优化后的舱体质量相比于初始方案降低了14.01%,达到了减重目的,并改善了环肋结构尺寸,减少了最大应力。以上研究结果可为UUV的耐压舱体结构优化设计提供参考,上述研究方法同样适用于UUV其它零部件的优化设计。

面向UUV对接的视觉引导三维轨迹跟踪控制研究

[目的]自主对接是无人水下航行器(UUV)协同作业的关键,但受复杂环境和对象特性的影响,精准引导与对接难度很大。为了提高水下对接的准确性和鲁棒性,设计一种基于视觉引导的对接方案,并针对视觉解算和三维轨迹跟踪控制技术开展研究。[方法]首先,结合任务和对象特性分析,设计基于视觉引导的总体对接方案。其次,设计YOLOv5神经网络完成水下对接站的目标检测,并基于EPnP算法实现对接站与UUV之间相对位姿关系的在线测量。接着,结合视觉解算结果,基于三维LOS制导、径向基函数神经网络(RBFNN)、终端滑模控制(TSMC)和李雅普诺夫理论,设计一种高效的三维鲁棒轨迹跟踪控制器。最后,通过数值仿真和水池试验验证该设计方案的有效性。[结果]在水池试验中,视觉引导控制算法能够有效完成水下对接站的在线检测与相对定位,实现UUV的精准水下对接。[结论]研究表明,所提出的视觉引导三维轨迹跟踪控制方案合理、高效,可为UUV水下对接奠定基础。

基于固定时间积分滑模观测器的双闭环UUV轨迹跟踪控制

针对水下无人航行器(UUV)轨迹跟踪控制问题,设计一种基于固定时间积分滑模观测器(FTISO)的双闭环运动控制策略。建立UUV运动数学模型,对运动学外环设计积分滑模控制器,使用非线性微分器获得外环虚拟控制律的导数,以保证航行器位置能够精确收敛。考虑动力学内环存在的模型不确定性和外部干扰难以测量等问题,采用FTISO实现对集总干扰快速估计,同时引入李雅普诺夫函数分析系统的稳定性。在仿真环境下对比基于FTISO的双闭环积分滑模控制与积分滑模控制、RBF网络自适应滑模控制的控制效果。仿真结果表明:基于FTISO的双闭环滑模控制对集总干扰有良好的补偿能力,可提高控制系统的性能及精度,可保证UUV在不同环境下均能实现轨迹跟踪。

基于DoDAF和SysML的潜艇与UUV协同作战概念描述方法

随着UUV等水下无人装备及技术的不断发展,水下无人装备在作战领域逐渐深入,探索潜艇与UUV协同的作战概念对于牵引水下装备发展具有重要意义。基于DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)框架和SysML语言(Unified Modeling Language),建立潜艇与UUV协同作战概念描述方法,对潜艇与UUV协同反舰的作战概念进行了顶层、规范化的描述,可为潜艇与UUV协同作战概念研究提供参考。

Optimal search path planning of UUV in battlefeld ambush scene

Aiming at the practical application of Unmanned Underwater Vehicle(UUV)in underwater combat,this paper proposes a battlefield ambush scene with UUV considering ocean current.Firstly,by establishing these mathematical models of ocean current environment,target movement,and sonar detection,the probability calculation methods of single UUV searching target and multiple UUV cooperatively searching target are given respectively.Then,based on the Hybrid Quantum-behaved Particle Swarm Optimization(HQPSO)algorithm,the path with the highest target search probability is found.Finally,through simulation calculations,the influence of different UUV parameters and target parameters on the target search probability is analyzed,and the minimum number of UUVs that need to be deployed to complete the ambush task is demonstrated,and the optimal search path scheme is obtained.The method proposed in this paper provides a theoretical basis for the practical application of UUV in the future combat.

一种UUV集群的隐蔽水声通信低截获技术

针对当前水下无人航行器(UUV)或水下自主航行器(AUV)集群任务过程中水声通信隐蔽性不足的问题进行研究(简称UUV集群)。首先建立UUV集群的水声隐蔽通信分析模型,明确影响水声通信隐蔽性因素及实现隐蔽通信的技术途径;然后从工程实际的角度给出一种基于时频空及发射功率控制的UUV集群水声隐蔽通信低截获技术实现方法。采用波束定向、宽带混合扩频/编码通信与变步长发射功率控制等综合措施进行水声隐蔽通信系统设计。性能仿真结果表明,上述方法可大大提升UUV集群的水声隐蔽通信低截获性能。

多UUV集群协同作业技术研究现状及发展趋势分析

与单体UUV相比,多UUV集群具有低成本、高容错、高效率和可重构等优点,将会是未来海洋作业任务的趋势。针对多UUV集群协同作业技术梳理了国内外的研究成果,重点对编队控制、任务规划、协调路径规划和目标搜索等领域的协同作业技术进行分析介绍,最后对多UUV集群协同作业的现状进行总结和展望,为今后的UUV集群协同作业技术的发展提供参考和思路。

国外军用UUV发展现状与趋势

作为海洋无人化体系战争中重要的一员,水下无人潜航器(UUV)具有机动性好、隐蔽性强和智能度高等优点,被广泛应用于情报侦查、鱼雷反制以及反潜作战等军事任务中,军用UUV成为各国军事装备争相研制的热点装备之一。文章主要论述军用UUV的发展现状、系统组成以及关键技术,并从扩大军用UUV的应用范围和提高作战效能等方面分析其发展趋势。

基于UUV的水声探测算法设计与实现

在UUV上部署完成复杂的任务载荷以实现UUV平台的高效化、轻量化、智能化,是世界各国和科研组织的重点研究内容。文章从UUV对探测任务的需求出发,分析了基于UUV平台的水声探测算法模块所面临的需求和困难,设计了基于FPGA、GPU等硬件平台的水声探测算法计算模块。在真实水文环境下的多次测试结果表明,该模块可以在两次待处理数据间隔时间内完成所有的计算任务并成功输出可靠的目标探测结果,平均功率为39.36 W,可以部署在UUV平台上。

UUV预防性维修策略优化方法研究

水下无人航行器(UUV)是执行海洋探测和军事任务的重要工具。由于UUV工作时工况的复杂性,其部件易发生故障,导致水下任务失败,甚至造成巨大损失。针对当前缺少对广义环境下UUV预防性维修策略研究的问题,建立UUV预防性维修策略优化模型,提出基于多目标粒子群算法的求解方法,并引入实际数据验证模型和方法的可行性,为UUV运行安全保障和维护提供理论参考。

基于模糊相关向量机的UUV中缓变故障检测方法

作为海洋探索的重要运载平台之一,水下无人航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)中导航系统多数时间以惯性/多普勒计程仪组合方式工作,但仍需要接收GNSS信号以修正累积的导航误差。由于受到无线电信号及卫星信号质量的影响,GNSS信息会存在缓变误差,从而降低UUV的导航精度。针对此问题,论文设计一种基于模糊相关向量机(fuzzy relevance vector machine,FRVM)的状态估计器对新息进行预测,克服了传统方法存在较大检测延时的问题。该方法利用模糊隶属度来模糊化样本,避免过度拟合影响模型的泛化能力。与基于自主完好性监测外推法及最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,LS-SVM)的故障检测方法相比,该方法能够更精确地描述新息与量测信息之间的相关性。试验结果表明,针对GNSS的缓变故障,该方法能够显著降低了故障检测的延时,从而提高UUV的导航性能。

模糊变结构控制策略在UUV航向运动中的应用与分析

无人水下航行器(UUV)在实现预期运动时,被控对象会受到不同性质的扰动,为满足当前UUV水下空间运动的精准控制,要求航行控制系统在完成航向跟踪基本性能的前提下兼备一定的抗扰性能。以变结构控制策略设计为基础,针对非线性控制中的抖振现象,提出一种模糊化控制策略的设计以提高跟踪效果,通过Lyapunov函数设计UUV侧向运动变结构控制器及其模糊化控制器来实现UUV快速精准的航向控制,利用Simulink仿真验证航向跟踪控制性能,并计算分析对比变结构控制策略和其模糊化控制策略下UUV在航向运动中的抗扰性,仿真结果表明了模糊化变结构控制策略在UUV航向控制中具备良好的稳定性与抗扰性等特点,同时能很好地抑制抖振。

UUV水平航行稳定性分析与仿真

UUV水下航行时会受到水流扰动等外部因素的干扰,影响其航行状态,甚至可能引起航行失稳。运用动力系统理论,在流体动力系数存在扰动的情况下,系统分析在比例微分控制下,UUV水平航行的稳定性。采用胡尔维茨定理,推导出系统特征向量表达式,对系统稳定性进行分析,并进行仿真验证。结果表明,对大多数流体动力系数来说,当其扰动值在参考范围内达到某一数值时,就会使系统零解失稳,并给出了确保UUV稳定航行的流体动力参数的取值范围。

基于改进鱼群算法的UUV路径跟踪控制参数整定研究

针对优化算法在无人水下航行器的水平面路径跟踪控制器参数整定中的应用,采用夺食行为、自适应步长、带衰减因子的视野范围等方法改进人工鱼群算法,利于加快迭代后期收敛速度以及跳出局部最优值。使用改进鱼群算法对S面前向速度控制器与S面艏向控制器的5个控制参数进行优化整定,同时在传统S面控制器中引入积分项,以提高控制器性能。经过仿真与试验分析,改进后的鱼群算法具有较快的收敛速度,且跳出局部最优值的能力显著增强,使用整定后参数的S面路径跟踪控制器指标较整定前降低了96%,并在水下实物试验中验证了改进鱼群算法在UUV水平面路径跟踪控制参数整定中应用的可行性与有效性。