水下旋翼式平台近水底扰动定深控制方法研究

针对水下旋翼式平台在近水底工作时的时变非线性干扰问题,提出一种基于干扰观测器的动态面控制器以实现水下旋翼式平台的近水底定深控制。首先,采用水下航行器建模理论并结合牛顿欧拉方法建立水下旋翼式平台的运动学和动力学模型;然后,采用动态面控制方法处理系统的非线性特性,引入一阶滤波器对虚拟控制律进行滤波,以此来代替复杂的微分运算,同时,通过非线性干扰观测器对系统内外部总扰动进行观测估计,并通过李雅普诺夫理论证明系统的稳定性;通过仿真实验验证所设计控制策略在白噪声模拟的随机干扰和参数不确定条件下的有效性;最后,设计开发实验样机,并在不同期望深度的近水底开展定深实验。研究结果表明:在水底反冲击力的作用下,相比动态面控制和串级PID控制,采用所设计的控制策略,平台姿态通道和深度通道的控制精度均有不同程度的提高,说明所提出的控制方法具有较好的鲁棒性,可有效解决近水底扰动问题。

水下机器人移动式对接的全局路径规划方法

针对无人自主式水下机器人与母艇动态对接时面临的自主式水下机器人欠驱动操纵特性对全局路径的多几何约束要求,以及母艇运动带来的交会点动态变化导致路径的终端约束动态变化等难题,本文提出了一种自主式水下机器人的自主对接路径规划方法。该方法主要分为约束求解、运动规划和状态估计3部分。利用自主式水下机器人的动力学模型分析了在对接过程中的运动约束与终端约束;在运动约束和终端约束条件的前提下,基于势场法的思想分别设计了位置约束和姿态约束下的全局路径规划算法,同时提出母艇的位置、速度和姿态估计方法,并依此开展基于全局预测的路径规划方法的仿真。仿真结果表明:本文方法运算速度快、对母艇的状态具有很好的鲁棒性,并且满足运动约束和终端约束,可以在试验模拟真实自主式水下机器人归航时得到一条满足约束条件的光滑路径的路径规划算法。

自主式水下机器人滑模容错自动化控制方法

针对因水下机器人工作环境噪声影响较大、难以提取故障特征点,导致控制精准度较低的问题,该文提出一种滑模容错自动化控制方法。建立机器人五自由度空间方程以及故障执行器的动力学方程,计算机器人每个关键滑模点的不确定性因素变化矢量,推导得到机器人的离散故障状态方程。根据机器人在期望状态下的滑模特性,将故障状态参数代入后,识别定位到故障点,提取机器人线性反馈的控制规律,设定机器人在滑模容错控制函数中的双曲正切函数,计算产生滑模动态的控制输入值,实现自动化控制。实验结果证明,所提方法在第25 s处即发现故障,输出信号幅值稳定在-28 Hz~28 Hz之间,具有良好的自动化控制能力。

翼身融合飞翼式水下滑翔机的水动力性能研究

本文依据翼身融合式飞行器的设计理念设计一种飞翼式水下滑翔机,及其主要设计参数。通过计算发现该飞翼式水下滑翔机较传统水下滑翔机拥有更大的升阻比,可达到15以上。流场分布结果显示飞翼式水下滑翔机在特定速度0.1 m/s、0.3 m/s和0.5 m/s下,机翼周围并未出现明显的流动分离,且机翼表面压力较大程度取决于攻角的大小。对比了不同雷诺数下的机翼表面涡脱落情况,发现随着攻角增大涡的脱落急剧增多,且翼梢小翼尾部涡脱落最为严重,极大影响滑翔机的水动力特性。

全电式水下阀执行器多电机协同控制策略研究

水下采油树全电执行器多电机协同工作时,由于误差等导致减速器发生振动。为了减少同步误差导致传动系统发生振动的情况,通过对多电机协调策略进行研究,从控制算法层面提出了一种基于改进粒子群算法优化模糊PI补偿器的多电机协同控制策略。使用Logistic混沌映射并结合中心耦合游移的策略改进粒子群算法,采用改进后的算法离线优化模糊控制器的隶属度函数。为了得到最小的同步误差,在适应度评价函数中引入同步误差项。为了验证该方案,建立了Simulink/Adams联合仿真模型,在Adams中以轴套力柔性连接替换理想约束,建立了联合仿真模型和传动机构动力学模型,对传动机构的振动情况进行了仿真。研究结果表明,该方法通过减小同步误差,能有效减轻传动系统的振动情况。所得结论可为多电机协同控制提供参考。

自主式水下航行器水下生存力关键技术

自主式水下航行器(AUV)作为一种新型水下无人作战平台,是当今世界主要海军国家重点发展的水下作战装备,保证并提高AUV水下生存力是持续推进并加强水下战斗力建设的重要一环。本文主要针对AUV水下生存力问题,对内部因素和外部因素等相关的影响因素进行分类和分析,提出提高AUV水下生存力的关键技术。对于解决AUV的生存障碍、提高其水下实战化能力具有重要参考意义。

中尺度涡观测任务中自主式水面水下航行器的进化神经网络控制器研究

针对现有观测手段难以实现中尺度涡目标性强、高机动性、高随机性以及时空同步的高精度观测这一问题,本文采用自主式水面水下航行器(ASUV)这一现场观测的新手段,通过进化神经网络控制器,实现对中尺度涡的高精度实时跟踪,从而进行水下垂直结构的采样观测。同领域内最新的控制算法相比,进化神经网络的方法对中尺度涡跟踪的精度更高,对卫星数据依赖更少。仿真实验结果表明,ASUV在整个跟踪过程中都能够达到1 km附近的跟踪精度。本文给出了中尺度涡跟踪精度的详细量化评价结果,并在仿真环境中控制ASUV对中尺度涡的水下垂直结构进行了采样,为实现中尺度涡现场三维精细化观测奠定了基础。

面向应用于林业采运输油管道检测的水下机器人的设计

为应用于林业采运输油管道的自主巡检,进行水下林业采运输油管道的定期巡检工作,设计了一款面向应用于林业采运输油管道检测的水下机器人。介绍了水下机器人的机械结构部分、控制部分、管道巡检部分设计。水下机器人使用的是STM32F407ZGT6单片机作为主控MCU,使用Open MV作为视觉电路板。经过实验验证,设计的水下机器人可以完成采运输油管道的巡检工作。

自主式水下航行器:基于人工智能协作模式的设计形态研究

作者阐述:随着大交叉、大融合时代的到来,生成式人工智能的飞速发展引起了设计方法的更新迭代,不断涌现的新工具逐渐成为设计形态研究的新媒介,促进了设计学核心领域的研究新范式。本研究从设计形态学理论出发,结合仿生设计、拓扑研究、产品族研究等跨学科理论,协同生成式人工智能工具,如Midjourney、Stable Diffusion、Chilloutmix等开展研究,并采用参数化设计、双向渐进拓扑优化、遗传算法与仿真分析等技术方法,总结了针对工业设计领域的AIGC关键词公式,并结合双钻模型框架提出了以“找形”和“造型”为核心的七步设计形态研究方法。

一种水下足式机器人的设计方案研究

海洋蕴含着丰富的自然资源,对海洋资源的合理开发与运用可以极大地缓解能源短缺问题,但由于海洋的复杂环境所带来的资源开发难度也不容忽略;针对这系列问题,对一种新型水下航行器进行研究,开展了水下足式机器人的总体设计分析,并通过三维建模对机器人进行结构设计;利用ANSYS对机器人关键运动部件进行应力分析,对机器人的设计进行完善;利用FLUENT软件进行流体模拟仿真,计算得到机器人腿部在水下运动时的受力特性;使用Adams软件对机器人的运动进行动力学仿真,计算机器人腿部扭矩输出特性;结合仿真结果对机器人的硬件系统进行选型,完成水下足式机器人的总体设计。

多学科设计优化方法在水下无人航行器中应用

为了提高水下无人航行器工作的可靠性和稳健性,本文采用多学科设计优化方法开展航行器的总体设计优化。首先开展水下航行器在总体设计阶段的学科设计,分析了各学科内部的模型和计算方法,明确了各学科输入、输出和耦合关系;开展了学科内参数建模,确立了总体设计的设计变量、系统参数和约束条件。然后以航行器质量最轻和机动性能最强为优化目标,获得设计变量计算最优解和优化设计主要输出结果值。设计变量优化计算值有效提高设计方案满足约束的能力,优化设计主要输出结果为水下无人航行器设计方案的选择提供了定量依据。

基于单双目切换的自主式水下机器人视觉定位方法

为了解决以双目视觉为主导的自主式水下机器人(AUV)对接回收过程中出现的单一摄像机遭受遮挡或因水下环境特殊而发生故障的问题,提出一种基于单双目切换的AUV视觉定位方法。该方法通过自适应阈值法区分图像中的光源与背景,通过中心加权质心检测法提取光源中心,并以光源中心点数量为判定条件选取单目或双目视觉定位,添加水体折射参数提高定位精度。试验结果显示,采用该方法的定位耗时相比以往减少约70%,定位结果输出稳定,对接精度在允许范围内。该方法在AUV回收对接过程中通过牺牲部分定位精度来提高对接的实时性和鲁棒性,保障AUV成功对接回收。

关于水下绑扎式软体排预制块护坡关键施工技术研究

我国水利工程建设项目日益增加,这与水利工程建设各项施工技术的发展有着密切关联。水利工程建设中为了减少水流对河岸边坡的冲刷影响,需要合理采取护坡技术,通过护坡技术的应用可较好地保护边坡。本文结合引江济淮某标段工程实例对水下绑扎式软体排预制块护坡关键施工技术予以分析,结合工程特点,对其关键施工技术加以分析,为更多类型工程经验提供参考。

欠驱动条件下自主水下航行器轨迹跟踪动态性能预设控制

为满足欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)在复杂扰动和参数不确定条件下高性能轨迹跟踪需求,提出预设动态性能及收敛时间的三维轨迹跟踪控制方法。首先,对欠驱动AUV的前向位置道进行扩维,构建面向控制的一体化多输入多输出轨迹跟踪模型。然后,结合动态过程函数与预设时间控制理论,建立动态性能预设轨迹跟踪控制系统,使得AUV轨迹跟踪暂态品质可由动态过程函数直接决定,而跟踪误差的实际收敛时间也可由单个控制参数准确预设。最后,为避免控制奇异现象和“微分爆炸”现象,控制系统设计过程中分别融入绝对值修正法和径向基函数网络(radial basis function neural network,RBFNN)拟合法。数值仿真结果表明,所提出的控制方法可显著提升欠驱动AUV的抗扰性和暂态品质,实现快速平滑的高性能三维轨迹跟踪。

基于响应面法的水下滑翔机联翼布局优化设计

为分析水下滑翔机联翼布局对水动力性能的影响,提出一种联翼布局的外形参数化方法,选取几何展弦比为6的联翼式水下滑翔机为初始构型,采用单因素法对各参数对滑翔机水动力性能的影响进行分析,并采用响应面设计中的效应面法(Box-Behnken Design,BBD)对滑翔机的联翼布局进行优化设计。结果表明:相比于初始构型,响应面法优化后的构型在保证稳定性的基础上将升阻比有效提升了8.19%。研究成果可为水下滑翔机联翼布局设计提供一定参考。

AUV水下分离运动及分离方式研究

自主式水下航行器是由载荷和运载体组成的一个多体系统,在载荷被释放时要保证其不能和运载体发生碰撞。推导了载荷和运载体初始位置和初始攻角的计算模型。在此基础上,对载荷在推冲分离方式和重力解脱方式下的运动进行了仿真和分析,结果表明,在推冲分离方式下,载荷的上浮运动和俯仰角的变化规律使其与运载体相撞的机会增加;重力解脱方式下,由于载荷没有上浮运动且具有合适的姿态,从而使得分离非常安全。仿真结果与试验数据的一致性,验证了所建模型的实用性与有效性。

自主式水下潜器导航技术发展现状与展望

系统地回顾了自主式水下潜器导航技术的发展 ,主要包括航位推算、声学导航、地球物理导航、组合导航等技术的应用及限制。

智能自主式水下航行器技术发展研究

自主式水下航行器(AUV)具有自主性、隐蔽性、环境适应性、可部署性和高效费比等优点,被广泛应用于民用、军用和商用等领域。智能化是目前AUV技术的研究热点,智能AUV具有更先进的"智能"技术,能够极大地拓展海上无人装备的任务范围,提高作业能力。结合典型智能AUV设备,对近年来智能AUV的发展现状进行阐述,对智能AUV的关键技术以及未来发展情况进行详细分析,研究成果对开展智能AUV设备技术研究和发展具有一定借鉴意义。

多自主式水下机器人的路径规划和控制技术研究综述

自主式水下机器人(AUV)是海洋资源勘探和开发的重要工具,在民用和军用领域都发挥着重要作用。随着AUV技术的逐步成熟,通过构建多自主式水下机器人(MAUV)系统,令多个AUV协作完成水下作业任务已成为当前的发展趋势。MAUV系统对提高水下机器人的智能化水平及发展海洋化装备具有重要的理论研究意义和实用价值。介绍目前MAUV系统的应用现状和科研进展,并对MAUV协同路径规划和集群协同控制技术等研究热点进行系统化梳理,着重分析人工智能优化和编队协同的关键技术。最后,对MAUV系统未来的发展方向进行展望。