水下无人航行器高速航行下的运动特性及仿真控制研究

水下无人航行器具有水下活动范围大、机动性好优点,主要用于大范围地形地貌勘探,水下高速长航程航行时,水下航行器运动特性和姿态控制是研究重点。本文建立水下航行器垂直面航行运动模型,分析高速航行下的运动特性。为保证高速航行高效稳定,提出PID方法控制纵倾和滑模方法控制深度的组合控制策略。通过仿真试验,开展高速航行运动仿真研究。研究结果表明,在高速航行下,水下航行器会产生一定纵倾,且随着航速增加,纵倾影响会越大,高速状态放大了水下航行器外形上下轻微不对称的特性,诱导产生的垂向水动力及力矩增大,进而引起纵倾;在高速航行条件下,水下航行器能稳定保持定深度长距离航行,控制策略具有很好的适用性。

自主水下航行器集群组网技术发展与展望

自主水下航行器(AUV)可借助水声通信、协同探测和控制决策等关键技术实现集群组网,形成同构或异构集群进行协同作业。通过集群组网,可以充分发挥不同航行器平台的能力优势,实现多平台之间的信息共享、任务协同和资源整合,从而自主完成更复杂的海上作业任务。这种集群化的作业方式不仅提高了任务执行效率,还可降低作业成本,并提升海洋领域的探测、监测和应对能力。文中介绍了国内外AUV集群组网研究现状,总结了集群组网通信、集群感知、控制决策等关键技术和挑战,并针对AUV集群组网的应用需求,其在探测、通信、控制方面的发展趋势进行了展望,为开展AUV集群基础理论研究与实践应用研究提供参考。

基于事件触发机制的多自主水下航行器协同路径跟踪控制

针对考虑外部海洋环境扰动和内部模型不确定性的多自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV),研究其在通信资源受限和机载能量受限下的协同路径跟踪控制问题.首先,针对水声通信信道窄造成的通信资源受限问题,设计一种基于事件触发机制(Event-triggered mechanism,ETM)的协同通信策略;然后,针对模型不确定性和海洋环境扰动问题,设计一种基于事件触发机制的线性扩张状态观测器(Extended state observer,ESO)来逼近水下航行器的未知动力学,并降低了系统采样次数;最后,针对机载能量受限问题,设计一种基于事件触发机制的动力学控制律,在保证控制精度的前提下,降低了执行机构的动作频次,从而节省了能量消耗.应用级联系统稳定性分析方法,分别验证了闭环系统是输入状态稳定的且系统不存在Zeno行为.仿真结果验证了所提基于事件触发机制的多自主水下航行器协同路径跟踪控制方法的有效性.

水下航行器视觉控制技术综述

视觉控制是通过视觉信息进行环境和自身状态感知的一种控制方式,文中将该技术应用于水下航行器控制,并对不同应用场景下的相关研究进展、难点与趋势进行分析。首先介绍水下航行器视觉控制技术发展现状与任务场景,然后对水下图像增强、目标识别与位姿估计技术进行介绍,并从水下视觉动力定位与目标跟踪、水下航行器对接及水下目标抓取作业等3个任务场景,对水下航行器视觉控制技术发展现状进行总结和分析,最后梳理了水下航行器视觉控制技术的难点与发展趋势。

基于模型预测的海缆铺设用水下航行器最优避障控制

[目的]自主水下航行器(AUV)在海底复杂地形环境下执行独立铺缆作业时,需要兼顾铺缆质量和自身安全,即在避障的同时还需要保持船体与海底平面的相对高度。为此,设计一种基于模型预测的海缆铺设AUV最优避障控制方法。[方法]首先,基于模型预测控制(MPC)建立AUV的路径跟踪模型,将海底不规则障碍物分类为凸起和凹陷地形,并分别建立障碍物的工程简化数学模型;然后,根据不同地形和海缆铺设要求来设计多个目标优化函数;最后,根据地形特征点迭代计算与海底平面保持稳定高度且路径最短的最优避障路径。[结果]仿真结果表明,该方法响应性能好、可靠性高,能够使AUV选择最短路径并避开意外障碍物。[结论]在复杂的海底环境下,该方法既保障了AUV作业过程中的自身安全,又极大提高了海缆的铺设质量。

海洋盐度对水下航行器热尾流行为的影响

针对海洋中的盐度环境对于水下航行器热尾流浮升扩散的影响,本文基于重叠网格技术,建立了水下航行器热尾流三维模型,分别对热尾流在均匀盐度与分层盐度环境下的浮升扩散过程进行了数值模拟,采用浮频率数表征盐度环境特征,研究了海洋盐度对于热尾流的影响。结果表明:盐度分层环境对潜艇冷却水浮升具有明显抑制作用,该环境下海面温度特征随盐度梯度的增大而减弱。

高速水下航行器低比转速轴流推进泵设计方法

对于水下航行器轴流泵喷水推进系统,现有升力法设计的高比转速轴流泵无法满足在浅水高速工况下正常工作的需求,为解决这一问题,提出一种针对低比转速轴流泵的设计方法。考虑所选NACA66_(a=0.8)翼型的叶栅特性,通过改变攻角和升力系数等参数的设计关系,建立适用于高航速工况的轴流泵模型,并运用SST k-ω湍流模型和多重参考系模型对设计泵的流场运动情况进行仿真。结果表明:设计工况下,设计泵的扬程和水力效率与设计值误差均控制在8%以内,同时测试了设计泵在不同水深下的抗空化性能,进一步探索设计泵工作的最小航深。

静音水下航行器的水动力特性数值研究

为了克服传统螺旋桨推进航行器推进效率低、灵活性差和噪声大的缺点,针对一种仿生柔性体推进的水下航行器的水动力特性进行数值研究,分析柔性体波动的振幅和波数对水动力特性的影响、仿生表面对水动力性能的影响以及整体设计对水动力特性的影响。数值结果表明,增大振幅将显著地增大静水推力,同时增加推进阻力;增加波数则显著地增加推进阻力,并减小静水推力。此外,使用仿生表面和现有的前尖端设计,可以减小推进阻力。研究结果有利于进一步优化航行器,提高航行器推进效率。

水下无人航行器发电及储能技术研究

自水下无人航行器出现以来,关于其发电和储能系统的研究就从未停止。对适合长期部署的自供电水下无人航行器的需求一直在增长,需进一步研究小规模海洋梯度能源系统。本文综述了利用海洋热能(海水温差、相变材料和热电发生器)和海洋环境能(风能、太阳能和波浪能)的发电技术,总结其优缺点。同时,介绍目前及未来用于水下无人航行器的储能电池,包括锂电池、燃料电池、半燃料电池等。最后,对水下无人航行器电池的未来发展方向进行讨论,为其发电及储能技术发展提供一定参考。

水下无人航行器多目标优化设计研究进展

水下无人航行器设计具有参数多、目标性能相互耦合的特点,传统设计方法在平衡各个设计目标过程中占用过多时间和计算资源,影响设计进程。多目标优化方法通过多性能的参数化建模给水下无人航行器的优化设计提供了简洁有效的解决方案,提升了设计效率与质量。本文对多目标优化方法在水下无人航行器设计上的研究进行整理与总结,首先概述多目标优化方法的优化机理,强调水下无人航行器多目标优化设计的优势性;其次围绕外形、结构、动力推进等几个设计方向上的多目标问题,总结归纳了当前的研究进展;最后结合未来发展趋势,提出水下无人航行器多目标优化设计的发展设想,旨在为相关技术研究提供有益借鉴与参考。

不同温度下的基于BPNN-AUKF的新型自动水下航行器SOC估计器

本研究提出了一种基于反向传播神经网络(BPNN)和自适应无迹卡尔曼滤波器(AUKF)的SOC(state of charge)估计方法。首先针对电池SOC与端电压之间在不同温度下的关系,研究设计了一系列温度补偿策略,以提高在低温、低SOC条件下的估计精度。其次,利用反向传播神经网络(BPNN)建立了一个耦合了温度补偿策略的电池模型。这个模型能更好地适应低温和低SOC条件下的电池状态变化,提高了SOC估计的准确性。最后,基于BPNN电池模型建立了BPNN-AUKF的SOC估计框架,通过利用测量值与测量预测值之间的信息和残差序列,对系统过程和测量噪声协方差进行估计修正。通过实验验证,发现该方法在低温环境下具有明显优势,相比传统方法能够更准确地估计电池的SOC,且具备较好的泛化能力。这种基于BPNN-AUKF方法的SOC估计器不仅适用于自主无人潜水器(AUV),而且对于其他在复杂环境中工作的车辆也具有广泛的应用价值。

输入受限下自主水下航行器路径跟踪控制

针对欠驱动式自主水下航行器AUV的三维路径跟踪控制问题,设计了一种按设定误差性能指标函数收敛的反演滑模控制器。首先基于航行器的运动学和动力学模型将路径跟踪问题转化为非线性系统的镇定问题;然后,利用反演法和李雅普诺夫稳定性理论逐步修正虚拟控制律,从而使控制器能够保证系统的稳定性和鲁棒性。为解决舵执行器的速率受限的问题,通过调整跟踪误差的收敛过程速度的方法设计了控制器。仿真结果表明,上述控制器能够实现对三维直线路径的精确跟踪,而且明显降低了控制系统执行器的速率要求。

基于CKF-SLAM改进的无人水下航行器动态目标跟踪算法研究

针对容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filter,CKF)同步定位与建图(simultaneous localization and mapping,SLAM)算法在动态目标跟踪(object tracking,OT)的应用中,存在算法实时性不高、计算复杂以及对动态目标物跟踪精度较低的问题,提出基于平方根容积卡尔曼滤波SLAM的无人水下航行器(unmanned underwater Vehicle,UUV)目标跟踪算法(SRCKF-SLAM-OT).该算法将CKF-SLAM-OT中复杂的计算部分,利用3阶容积准则选取一组相同权值的容积点来近似计算,再利用数值积分法计算非线性方程模型的后验状态估计平均值和方差,并对协方差矩阵的平方根因子进行更新.仿真结果表明:SRCKF-SLAM-OT算法简化了计算量和改善了数值精度,提高了UUV在未知水下环境中自身定位的精度和动态目标物跟踪的能力.

水下航行器自主导航定位技术前沿进展

导航与定位技术是自主水下航行器(AUV)预设任务并安全返航的前提,由于水下环境的限制,目前广泛采用多系统组合导航的方式来实现AUV的准确定位。面向AUV的工况特点,详细介绍了水声测速系统、水声定位系统以及地球物理场辅助导航技术的特征与技术难点,分析了用于水下自主导航时多源组合导航方法的最新进展,随着相关测量仪器领域的研究进展,基于精确测量地球物理场特征的辅助导航技术成为具有极强竞争力的方案之一。多AUV协同导航方案同样适用于复杂的水下环境,被视为未来AUV导航技术重要发展方向。

水下无人航行器编队协同搜索研究综述

随着水下无人航行器(UUV)及相关技术的发展,UUV已被广泛用于执行扫雷、侦察、情报搜索及海洋探测等任务。通过多UUV编队协同,可克服单UUV探测、捕获目标能力有限、作战效能不高的弱点,以满足应对多种复杂任务需求。作为UUV编队协同关键任务之一,UUV编队协同搜索是当今水下协同研究中的一个重要方向。本文综述UUV编队协同搜索的应用研究和方法研究进展情况,分析探讨了UUV编队协同搜索面临的挑战和应用进展。研究成果对进一步发展未来水下无人集群协同具有一定参考意义。

基于MPC-DO的自主水下航行器轨迹跟踪控制

针对欠驱动自主水下航行器在速度约束和未知外界环境干扰下的轨迹跟踪问题,提出一种基于模型预测控制算法和干扰观测器的复合控制方案。首先,基于模型预测控制算法设计一种考虑速度极限约束以及速度增量约束的轨迹跟踪运动学控制器。其次,针对海洋作业环境下存在的外界干扰,设计干扰观测器对其进行实时估计,并基于所设计的干扰观测器,设计精确跟踪期望速度的动力学控制器,并对控制方案进行了严格的理论分析。最后,进行数值仿真,仿真结果证实了该控制方案的有效性。

船用水下航行器移动轨迹自动跟踪研究

针对复杂运行环境扰动导致水下航行器轨迹跟踪结果产生偏差的问题,研究船用水下航行器移动轨迹自动跟踪方法。构建船用水下航行器空间运动模型(包含运动学模型与动力学模型),设计船用水下航行器移动轨迹自动跟踪控制器,其中主要包含自适应可变参滑模控制器与扰动观测器两部分,利用扰动观测器在复杂运行环境下未知扰动的准确观测;在扰动观测器的基础上,设计自适应可变参滑模控制器,滑模控制器构建误差滑模面的同时,在当前水下环境未知扰动估计结果的影响下获取预期的虚拟控制,并针对指数项趋近系数造成的周期振动问题,将指数项趋近系数转换为自适应可变参。实验结果显示,该方法能够有效实现船用水下航行器移动轨迹自动跟踪过程中位置与速度的准确跟踪。

高速水下无人航行器仿生外形设计与阻力数值预报研究

为了研究水下无人航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)的外形因素对阻力性能的影响,利用计算流体力学方法对不同航行器外形展开阻力预报及分析。对于水下高速UUV而言,优异的阻力性能对UUV的航速和续航能力的提升都是至关重要的。针对某高速UUV的减阻需求,首先结合SUBOFF标准模型进行了阻力特性数值预报,与试验数据对比验证了预报方法的适用性;在此基础上,模仿鲨鱼和海豚的外形特征设计了2种UUV水动力外形构型,针对2种外形构型分别预报了带有不同附体构型的阻力特性,得到了一种相比SUBOFF艇形具有明显减阻效果的UUV水动力外形。研究对低阻型高速UUV的外形设计具有一定的参考价值。

基于神经网络的自主水下航行器滑模控制方法

针对传统滑模控制在自主水下航行器(AUV)的控制过程中存在抖振以及执行机构饱和对其控制性能的不利影响,提出一种基于神经网络的滑模控制方法。采用径向基函数神经网络(RBFNN)和自适应观测器对运动模型中的不确定项和未知外界干扰进行在线估计,削弱滑模抖振;采用RBFNN对控制输入受限前后的差值进行逼近,克服执行机构饱和引起的控制振荡。仿真结果表明,该控制方法相较于传统滑模控制具有更好的适应性和控制精度。

水下航行器尾部NACA0015型襟翼舵水动力性能分析

水动力参数是水下航行器操纵性设计的重要参数。针对一款水下航行器使用的襟翼舵展开水动力性能分析。首先利用流体力学(CFD)对襟翼舵在不同工况下的水动力性能进行有限元分析,得到了襟翼舵的升力和阻力特性参数。然后通过对这些参数的比较分析,得到襟翼舵在不同工况下的最佳效率角度及最大升力角度。这些性能参数可为后续的水下航行器襟翼舵最佳控制策略提供重要的参考依据。