基于保角变换的自主水下机器人近壁水动力预报

为解决自主水下机器人(AUV)近底水动力干扰的实时预报问题,基于保角变换法对常规势流边界元法进行改进,将海底复杂的边界形状变换为平坦边界,同时解析得到地形诱导的入射势,在简化的边界条件下采用边界元法求解物体表面扰动势,从而计算物体所受水动力。开展水动力数值计算,并将该方法与常规方法进行对比,验证算法的精度和收敛性,得到海底地形对物面压力分布的影响。结果表明,改进算法能避免对无限边界的截断和离散,显著提高计算效率。该方法可进一步用于分析海底地形或障碍对AUV的水动力干扰规律,为近边壁航行AUV的操纵性能优化和控制策略设计提供参考。

智能水下机器人技术展望

智能水下机器人作为一个复杂的系统,集成了人工智能、水下目标的探测和识别、数据融合、智能控制以及导航和通信各子系统,是一个可以在复杂海洋环境中执行各种军用和民用任务的智能化无人平台.由于水下机器人在海事研究和海洋开发中具有远大前景,在未来水下信息获取、精确打击和“非对称情报战”中也有广泛应用,因此水下机器人技术在世界各个国家中都是一个重要和积极的研发领域.基于实践和在相关技术难题上的经验,对智能水下机器人的发展现状和前景进行了描述,对这些问题可能的解决方案提出了建设性的意见.这些相关的技术包括:水下机器人载体设计技术、体系结构、基础运动控制技术、智能规划与决策技术、系统仿真技术、水下目标探测与识别技术、系统可靠性与容错技术等.随着科学技术的发展,人工智能技术将会在智能水下机器人上得到更为广泛的应用.然而水下机器人技术仍然处于基础研究和试验开发阶段,距离全面应用还有很长的路要走.

飞翼式水下滑翔机的性能分析与控制策略优化

相比传统的水下滑翔机,飞翼式水下滑翔机具有更高的滑翔效率,但存在诸多技术难题,值得深入研究。基于以上技术背景,本文探讨了飞翼式水下滑翔机的滑翔性能分析和垂直面运动控制设计问题。建立垂直操纵面的动力学方程,解算水下滑翔机平衡条件下的运动状态,预报飞翼式水下滑翔机的运动性能。针对其操纵性和稳定性较差的特点,设计一个跟踪微分模糊PID控制器,并利用Matlab软件搭建仿真实验平台,从理论上验证该控制器。利用飞翼式水下滑翔机样机进行一系列的水池航行实验,主要包括:垂直面的潜浮切换和纵倾角跟踪。实验结果验证了飞翼式水下滑翔机大滑翔比的特性,结果表明:所设计的控制器可以有效地控制飞翼式水下滑翔机垂直面运动,在纵倾角跟踪和潜浮切换运动具有较好的控制精度和稳定性。

海底沙波对潜器水动力性能的影响

[目的]研究潜器在海底沙波地形干扰下的水动力特性。[方法]基于计算流体力学(CFD)方法,使用STAR-CCM+软件并结合重叠网格方法对潜器经过海底沙波的过程进行模拟,计算潜器阻力系数和升力系数在此过程中的变化。[结果]结果表明,当潜器近海底航行时,沙波地形会对潜器产生一定的干扰,当艏部运动至波峰附近时,负升力出现最大值,当艉部运动至波峰附近时,阻力出现最大值;在不同航速下,潜器表面压力分布规律的不同会导致升力系数的变化规律不同;随着近海底距离的减小,海底沙波对潜器阻力和升力变化影响显著,当H/D>5时,海底沙波对潜器阻力和升力的影响可以忽略。[结论]所做研究可为潜器的安全及操纵性能提供一定的参考。

基于S面控制的无反射造波系统

基于S面控制算法给出了一种新颖的无反射造波策略.采用交流伺服控制技术,设计了单轴无反射造波机控制硬件系统,根据无反射造波控制算法与所用硬件产品的特性,编写了无反射造波控制软件.在简易水槽中进行了规则波的普通造波与无反射造波试验,并与以往的无反射造波方法进行了对比.试验结果表明:采用S面无反射造波方法时,造波机能够长时间地输出稳定的波形,与以往的无反射造波方法相比,S面控制算法体现了更好的吸收效果.给出的无反射造波机系统的设计方法可以为不规则波无反射造波的研究以及水池多轴造波机无反射造波系统的集成提供依据.

不确定性下USV可变自主控制结构及算法

针对水面无人艇(unmanned surface vehicle,USV)在具有不确定性的实际任务形势下实现可变自主的问题,提出一种包含可变自主控制结构和自主等级决策算法的解决方案。可变自主控制结构中考虑了自主等级的划分、自主等级的评价和管理,并设计了基于多属性决策方法的自主等级决策算法。最后在USV导航任务为背景的仿真实验中,证明了可变自主系统控制结构和自主等级决策算法是合理的和有效的,同时显示了可变自主系统研究的实际意义及其对于系统规划性能的提高作用。

无人艇运动控制方法的回顾与展望

无人艇具有巨大的军事和工程应用前景,尤其是在维护国家海洋安全和海洋开发等方面将发挥不可替代的作用。因此无人艇日益成为了国内外的研究热点,其中无人艇的运动控制技术是实现其工程应用的基础。文中针对无人艇的运动控制问题,从全驱动控制和欠驱动控制角度,分别阐述了国内外主要研究成果,其中欠驱动控制主要包括:镇定控制、轨迹跟踪和路径跟踪三个方面。总结了无人艇运动控制方法目前存在的主要问题,并对未来的研究方向进行了展望。

一种自适应人工鱼群算法及其在无人艇控制中的应用

针对人工鱼群算法存在群体协调性差、盲目搜索、收敛缓慢和求解精度低等问题,提出一种自适应人工鱼群算法,并将其应用于无人艇控制系统设计的参数优化中。改进的基本思想为采用蹲守行为以改善群体协调性,并引入人工鱼的消亡与重生机制来增强鱼群的生存和进化能力,从而使群体行为更加突出;采取可变求解域和自适应调整鱼群参数等策略以提高求解精度与收敛速度。仿真对比试验表明:自适应人工鱼群算法具有更强的寻优能力和自适应性,并显著提高全局收敛速度和求解精度。控制系统设计实例也验证该算法的有效性。

欠驱动无人艇直线航迹跟踪的反步自适应动态滑模控制

针对喷水推进型欠驱动无人艇的由艇艏摇非线性响应模型和舵机伺服系统组成的直线航迹控制系统,在考虑模型参数不确定性和外界干扰随机性特点的情况下,研究了一种反步自适应动态滑模控制方法。首先利用全局微分同胚坐标变换将原系统转化为具有下三角特征的非线性系统,然后基于反步设计法和动态滑模控制理论,设计了反步自适应动态滑模控制器,并利用Lyapunov稳定性理论,证明在该控制器的作用下,直线航迹控制系统是全局渐近稳定的。仿真对比试验表明,该控制器对模型摄动和外界干扰不敏感,具有强鲁棒性和自适应性。

基于CFD方法的无人潜水器运动特性分析

以经典的SUBOFF潜艇模型为研究对象,运用商业软件STAR-CCM+收集和分析该艇的速度信息,计算作用在艇体上的水动力。分别进行了斜航运动与纯横荡、纯摇艏运动仿真,求取相应的水动力系数。给出在4.5kn与6.5kn航速下的斜航模拟试验中模型所受的垂向力与摇艏力矩,对它们与速度的关系进行拟合,计算相应的水动力系数。对模型进行纯横荡与纯摇艏数值模拟,通过拟合曲线求得相应的水动力系数。该研究对进一步研究无人潜水器水动力性能和运动控制具有重要参考意义。