水下滑翔机布放回收技术研究现状和趋势

水下滑翔机安全快速的布放回收是水下滑翔机稳健高效执行任务的基础。为水下滑翔机配备安全可靠的布放回收系统是水下滑翔机大规模部署和应用的前提。文章搜集整理国内外水下滑翔机布放回收技术,包括直接吊放式、托架式、滑轨式、牵引绳式、水面无人船/遥控潜水器(ROV)辅助回收式等以及几种方法优势组合,结合不同型号滑翔机详细展开分析不同布放回收技术的优缺点,总结水下滑翔机布放回收的难点和关键技术及引申的科学研究问题,并探讨未来水下滑翔机布放回收的发展趋势。分析结果可为研究和设计安全快速、智能自主的水下滑翔机布放回收系统提供思路,具有一定参考价值。

水下滑翔机轻量化建模及执行器约束下非线性MPC控制器设计

针对现有水下滑翔机模型非线性程度和维度过高以及难以设计有效的工程化控制器的问题,首先根据水下滑翔机的运动机构组成及工作原理,忽略建模过程中的次要影响因素,对水下滑翔机进行轻量化建模以降低模型非线性度及复杂度,并通过对比验证证明了轻量化模型的有效性。随后,针对纵垂面运动进一步精简动力学方程,发挥该模型维度低、计算量小的优点,引入状态和控制量的实际约束,设计了贴合实际的实时线性化模型预测姿态控制算法。数值仿真结果证明,在±17.4°和±22.5°等水下滑翔机常见工况下,所提出的基于轻量化模型的控制算法可有效快速追踪期望姿态,且上升时间和稳态调节时间均比传统控制器提高70%以上。

双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究

混合驱动水下滑翔机虽兼具典型水下滑翔机及传统航行器的优点,但存在能耗高、不利回收等缺点,且在快速推进模式下,滑翔翼的存在不仅会增加航行阻力,降低航行稳定性,也不利于滑翔机回收布放。针对此,提出一种双壳体混合驱动水下滑翔机,其滑翔翼与传统固定水平翼不同之处在于滑翔机可根据实际需求进行收放,以实现对能源的合理分配,从而提高水下滑翔机的综合航行性能。此外,详细介绍了该滑翔机的工作模式、系统组成以及滑翔翼收放原理,并设计了一种蜗轮蜗杆滑翔翼收放装置,建立相应的收放机构技术方案,在此基础上通过数值仿真方法进行了滑翔翼水动力性能分析,得到了合理的机载配置方案。

水下声学滑翔机实时探测通信系统及其近海试验

针对水下声学滑翔机在执行水下观探测任务过程中,需等待当前剖面滑翔结束上浮至水面进行信息交互,无法实时回传数据信息的问题,文中提出一种水下声学滑翔机探测通信系统,利用水声通信技术将水下声学滑翔机探测到的数据信息发送给波浪滑翔器,其作为通信中继可将数据信息透明转发至岸基中心,从而实现近似实时的探测通信数据传输。文中介绍了水下声学滑翔机探测通信系统的结构组成和信息传输链路,着重介绍了水下声学滑翔机的探测通信青岛外海试验情况,并对试验数据进行处理分析。试验验证了水下声学滑翔机探测通信系统的正确性和可行性,为后续国内水下无人平台集群协作及编队组网应用提供参考。

基于黑潮流场背景的水下滑翔机运动控制仿真

近年来,水下滑翔机已广泛应用于各种海洋观测领域,但在对黑潮等强流进行观测时,其运动轨迹往往会受到严重影响,因此文中针对黑潮流域内水下滑翔机运动轨迹控制问题进行研究。首先,以“海燕II”为研究对象,根据动量和动量矩定理建立了其考虑黑潮的动力学模型;然后将HYCOM黑潮区域数据作为干扰,其特点是黑潮流速的大小与方向都会随着位置的变化而改变,并利用Simulink对强流影响下的“海燕II”运动轨迹进行了仿真;最后,将径向基函数(RBF)神经网络与常规比例-积分-微分(PID)控制器相结合,对“海燕II”的偏航与纵倾运动进行控制。仿真结果表明RBF-PID控制器可以在一定程度上提高“海燕II”在黑潮区域运动的跟踪精度,增强抵抗黑潮干扰的能力,可为在强流影响下的水下滑翔机轨迹控制提供参考。

基于水下滑翔机观测的印度洋东南海域环境噪声风关特性

基于“海燕”水下滑翔机在印度洋东南海域实测的环境噪声数据和海面风速再分析数据:分析了此海域4~20 kHz内环境噪声时频特性;验证了滑翔机深度不会显著影响环境噪声的风关特性测量;定量计算了噪声谱级与海面风速的相关系数;利用最小二乘拟合得到各中心频率噪声谱级与风速的线性函数关系。结果表明:在小于4 kHz的频段内,因受所搭载温盐深仪CTD(Conductivity, Temperature, Depth)泵的噪声影响,噪声谱级与海面风速的相关系数在0.2以下;在大于4 kHz的频段内,环境噪声谱级与海表面风速变化趋势一致性较好,且在6~10 kHz频段内相关系数为0.8左右;在5~20 kHz频段内,噪声谱级与风速拟合呈线性函数关系,并且随着中心频率增高,倍频程损失平均为5 dB左右;在10 kHz处,拟合斜率最大,噪声谱级对海面风速变化的敏感度最高。

圆碟形水下滑翔机耐压壳体的优化设计

圆碟形水下滑翔机是一种新型的水下滑翔机,耐压壳体则是滑翔机的重要组件。本文主要研究在不同水深下机身直径、机身高度与机身表面饱和度对耐压壳体表面变形与压力分布情况的影响。通过有限元分析表明在100~300 m水深范围内应减小机身直径,从而降低机身的最大变形量和最大应力。随着机身高度的增加,最大变形量和最大应力的变化规律是先减后增,且随着工作水深的增加,这种趋势越发明显。对于不同机身表面饱和度的圆碟型水下滑翔机,其外壳的最大变形和最大应力分布规律并不统一,机身饱和度较低的圆碟形滑翔机的综合性能较优。本文分析结果可为圆碟形滑翔机在不同深度下的外形设计提供参考。

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。

水下滑翔机投放回收方法综述

水下滑翔机投放回收技术是水下滑翔机展开海洋研究和军事活动的关键技术之一,是水下滑翔机在水下自动化领域的一项重要研究课题。通过对不同载体的收放装置开发及优化以提高水下滑翔机的工作效率成为水下滑翔机投放回收技术的重点研究对象。本文首先阐述了水下滑翔机的出现和发展历史,其次对国内外现有的水下滑翔机收放技术进行详细介绍。最后对提及的水下滑翔机收放方式的优缺点、成本及工作范围进行总结和建议,旨在助力水下滑翔机收放技术的发展。

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。

“海燕”号谱系化水下滑翔机技术发展与应用

水下滑翔机作为一种借助水动力实现水中滑翔前进的无人水下航行器,其技术主要涉及水动力外形、耐压主体等总体设计技术,浮力驱动、姿态调节、能源动力、智能控制和传感集成等单元技术,以及路径规划、协同组网等应用技术。我国最早研制成功的水下滑翔机——“海燕”号由天津大学深海智能装备团队主体研发,自2002年起,经过二十余年的发展,已在工作深度、续航里程和传感集成应用等主要方面实现了谱系化发展。文中综述了“海燕”号谱系化水下滑翔机总体设计、浮力驱动、能源动力、协同组网以及海上试验应用等关键技术、先进方法和创新理论发展的现状,并与仿生赋能相结合,探索预测水下滑翔机技术发展趋势,以期为我国无人水下航行器技术快速发展提供参考。

基于数据驱动的水下滑翔机生物污损监测方法

以我国自主研发的“海燕-L”水下滑翔机为研究对象,针对其长时间运行过程中出现的生物污损问题,提出了一种基于数据驱动的水下滑翔机生物污损监测方法,以指导试验过程中控制参数制定与任务规划.首先,通过动力学模型仿真分析,研究了生物污损对水下滑翔机单剖面运行时间的影响.然后,根据动力学分析结果,结合岸基操控条件以及水下滑翔机的通信方式,提出了一种生物污损监测方法:基于机器学习方法,利用水下滑翔机未发生生物污损时的关键数据,建立单剖面运行时间预测模型;对试验过程中水下滑翔机的单剖面运行时间进行预测,并监测其预测偏差;利用所建立的阻力系数与预测偏差的关系式,预测生物污损引起的阻力变化.最后,通过海上试验验证了所提出方法的正确性与有效性.试验结果显示,单剖面运行时间预测偏差与阻力系数均可以反映水下滑翔机的生物污损程度.当水下滑翔机正常运行时,所提出的方法对其阻力系数的最大预测误差仅为2%,可以实现对生物污损程度的准确监测.该方法只需要使用水下滑翔机运行过程中的部分关键数据,即可快速获取其性能变化,极大提高了监测效率,可以为“海燕-L”的实际海上应用提供支持.同时,该方法也可以为其他类型水下滑翔机的性能监测提供参考.

内波环境下水下滑翔机流场与载荷特性分析

为保障水下滑翔机的作业安全,本文采用k-Epsilon湍流模型,结合自定义场函数建立了密度分层流体中水下滑翔机的流场与载荷特性分析的CFD模型。结果表明:水下滑翔机在工作时不能忽略内波的影响。当滑翔机经过内孤立波时,滑翔机所处的流场流速会增大,涡量也会明显增大;当滑翔机接近交界面时,滑翔机受到的升力和俯仰力矩变化趋势增大,远离交界面时,阻力会逐渐增大;当滑翔机的俯仰角增大时,其受到的阻力幅值会减小,升力幅值变化较小,俯仰力矩的幅值增大。本文揭示了内波环境下水下滑翔机的流场与载荷特性,对经典式水下滑翔机的设计以及作业时遭遇内孤立波的水动力响应预测具有重要的理论和工程意义。

基于缩比模型的水下滑翔机运动相似性研究

利用水下滑翔机缩比模型预报原型运动特征及滑翔经济性的前提是两者运动相似.以天津大学自主研制的PetrelⅡ水下滑翔机作为研究对象,从相似理论出发,基于动力学方程及纳维-斯托克斯(N-S)方程,推导了水下滑翔机原型与模型在运动相似时应当满足相似准则以及相似转换关系.采用计算流体动力学方法计算了不同缩比情况下水下滑翔机的升力系数及阻力系数,得到了尺度相似比与升力系数、阻力系数的关系.分析表明,在稳定滑翔状态下,水下滑翔机缩比模型与原型运动相似需要满足弗劳德准则;在该准则下,在一定的缩尺比范围内,升力系数与阻力系数的尺度效应并不明显,以尺度相似比为0.5设计缩比模型最为合适.通过水池试验获得了缩比模型在一定俯仰角下的速度、升阻比等运动参数,试验结果表明:缩比模型与原型间存在运动相似性;缩比模型在水池试验中得到的横向速度、垂向速度和升阻比与水下滑翔机原型海试结果吻合较好,相对误差满足工程误差要求.论文提出的利用水下滑翔机缩比模型对原型运动参数和滑翔经济性进行预报切实可行,可为大型水下滑翔机的设计提供实验室验证平台,对于缩短研发周期具有重要意义.

基于深平均流预测模型的水下滑翔机路径优化

随着水下滑翔机在海洋调查及声学探测领域的广泛运用,精准、高效控制其路径对精细化海洋观测至关重要。针对水下滑翔机受海流影响产生较大偏航差问题,采用最小二乘支持向量机法(LSSVM)预测深平均流,以单剖面偏航差最小为目标函数,以实际航向与计划航向夹角不超过一定值为约束条件,构建非线性约束极值模型,确定预设剖面最优目标航向及出水点坐标,从而实现路径优化目的。采用“海燕-II”型水下滑翔机历史数据进行验证,结果表明:1) LSSVM法预测深平均流准确性较高,但当局部流向有明显变化时预测效果不佳,取前3个剖面数据作为训练样本时预测效果更好;2)采用文中方法优化后,水下滑翔机路径更稳定,各剖面偏航差平均为281.1 m。

空投水下滑翔机入水冲击载荷研究

因水下滑翔机内部结构精密,空投入水瞬间水下滑翔机的外壳和内部结构会受到巨大的冲击,直接造成水下滑翔机的损坏。针对上述问题,借助STAR-CCM+软件,采用重叠网格方法和VOF多相流模型,分析水下滑翔机的入水过程,计算不同姿态下的水下滑翔机入水时径向力、轴向力和速度变化,同时考虑水下滑翔机外形结构特点,对水下滑翔机外形结构进行减载优化。仿真结果表明:随入水攻角增大,水下滑翔机受到的径向力作用效果大于轴向力;随入水速度的增大,水下滑翔机入水冲击载荷增加。同时,首部导流罩采用较大长短轴比的椭圆曲线,翼板采用折叠翼、柔性翼等折叠结构能够具有明显减载效果。本文研究成果可为水下滑翔机空投条件选择和空投入水结构优化提供参考。

长航程水下滑翔机系统设计及关键参数优化研究

水下滑翔机是一种以浮力驱动方式按“锯齿形”轨迹运动的水下自航行器,在海洋观测领域得到了广泛的应用。当前,跨季度与跨海域的观测应用需求对水下滑翔机的续航能力提出了更高的要求。本文设计了长航程水下滑翔机“海燕-L”,并研究了系统关键参数的优化设计方法,取得的研究成果如下:1.提出了基于航程模型的水下滑翔机关键单元优化设计方法。为了提升系统的航行效率和能源带载,本文提出了多参数耦合水动外形与仿生藕节形耐压壳体优化设计方法,获得了最优的外形尺寸与壳体参数。

声学滑翔机联合的深海水下声源定位

为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性,提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据,分析了宽带脉冲信号的多途传播特性,然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明:在印度洋深海非完全声道条件下,在100 km范围内,使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确,但仍有估计误差较大点;联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度,对于200 m深度的声源,距离估计均方根误差为2.5 km,相对误差小于4%,方位估计均方根误差为2.4°。

基于事件触发的水下滑翔机自适应容错俯仰控制

为确保水下滑翔机俯仰姿态控制对模型不确定性及执行器故障的鲁棒性并降低控制能耗,提出一种基于事件触发的自适应容错俯仰控制算法。在反步控制的基础上,使用动态面技术避免对虚拟控制律求导;利用基于历史输入、输出数据的径向基神经网络对模型不确定项、环境扰动和执行器故障进行逼近与补偿;设计基于相对阈值的事件触发条件,避免控制律的连续更新,从而降低控制能耗。使用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的所有信号满足半全局一致最终有界。仿真实验结果表明,所设计的控制器在实现鲁棒性的前提下进一步节约了控制能耗和通信资源。

随机波浪下波浪滑翔机的动态响应研究

针对波浪滑翔机在实际波浪作用下会产生复杂运动,而目前研究多在规则波浪条件下开展的问题,本文对波浪滑翔机在随机波浪激励下的运动过程和推进性能进行了研究。通过JONSWAP波浪谱及浮体的幅值响应算子(Response Amplitude Operator,RAO),得到了浮体在随机波浪激励下垂荡响应;基于莫里森方程定义了波浪滑翔机运动过程中所受水动力,建立了多体动力学模型;利用数值方法计算了波浪滑翔机在随机波浪下的动态响应。结果表明,和规则波激励相比,随机波浪下波浪滑翔机的翼片转角、缆索摆角、前进速度、推进力等要素的动态响应不再具有周期性,缆索张力以及水上浮体与水下推进机构的运动轨迹也随着随机波浪波高的增、减产生显著变化。