基于颜色校正和深度信息去雾的水下感知系统

针对水下距离感知任务真实训练数据缺乏,水下目标感知任务目标模糊、密集、多尺度的问题,提出一种基于颜色校正和深度信息去雾的水下视觉感知系统。设计了一种改进的融合增强方法,并建立了一个水下单目图像数据集,以解决距离感知任务数据不足的难点。设计了一种基于深度信息的去雾方法,结合水下成像模型对图像进行去雾处理,提升图像质量。设计了一种基于中心点检测的通道重排网络,将卷积神经网络中浅层的详细特征完全集成到深层中,且无需锚框,增强对小目标、密集目标的特征提取能力。实验表明,该系统可从水下图像中恢复真实陆地色彩,准确感知水下场景相对距离,并实现域内和跨域高精度目标感知,在URPC数据集上取得了78.2%的域内目标检测精度,比基准CenterNet高出4.6%,在UTTS数据集上取得81.5%跨域目标检测精度,证明了该系统的有效性。

降低圆柱升力脉动的智能自适应旋转控制

针对圆柱绕流的闭环主动控制问题,采用强化学习获得自适应的控制策略,利用圆柱下游的6个速度测点作为状态反馈,通过施加旋转作用来降低圆柱的升力脉动.为了获得高保真的流场时空演化历程,采用基于格子Boltzmann方法的求解器,其中结合多块网格以获得足够大的计算域并增强对近场流动的解析效果,以及多重直接力浸没边界方法以准确处理旋转圆柱边界.基于该控制回路和高保真数值环境,实现了降低孤立情形下圆柱升力脉动92.5%,降低阻力脉动44.3%的效果,同时尾流回流区长度增大了36.4%.通过局部线性稳定性分析发现,施加控制后流动的绝对不稳定性区域延长36%,此时尾流绝对不稳定区域最不稳定扰动频率偏离涡脱落频率.此外,基于策略迁移学习,在上游圆柱尾流干扰的情形下实现了降低下游圆柱升力脉动95.9%的控制效果,但同时也带来阻力增加约1倍的代价.本研究为降低圆柱升力脉动提供智能自适应旋转控制方案,并为未来开展复杂流动的智能控制提供详细案例参考.

水下航行推进系统水动力性能仿真分析

为准确获取水下航行推进系统的水动力性能,掌握水下航行体对推进器水动力的影响,基于计算流体力学的多域网格、滑移网格和混合网格技术,分别对不同转速时单独推进器和水下航行推进系统的推力、扭矩等水动力参数进行数值计算。结果表明,由于水下航行体的耦合作用,单独推进器的最大推进效率为50.79%,而水下航行推进系统的最大推进效率为42%,水下航行推进系统的推力较单独推进器时有所减小,其推力减小量随着螺旋桨转速的增大而增大,推进器工作前后的推力减额分数为20.84%。因此,在对水下航行推进系统的推进器进行选型时应考虑水下航行体对推进器推力的抑制性影响,至少需要增加20.84%的推力裕量。

基于差分-灰狼算法的水下航行器路径规划方法

水下航行器因其自主灵活、安全可靠的特性已被日趋广泛地应用于各类海洋探测任务中。然而,其路径规划仍面临着算法求解效果不佳、路径安全性不足等问题。本文以路径安全性为约束条件,路径总长度最小化为目标函数建立了水下航行器路径规划模型。针对该模型的求解需求,本文将差分进化算子引入灰狼算法中以改善其全局探索能力,并称改进算法为差分-灰狼算法。仿真实验结果表明,本文所提出的差分-灰狼算法可以为水下航行器规划安全经济的路径,并在规划效果与收敛速度方面较差分进化算法和灰狼算法有明显优势,具有广阔工程应用价值。

碳纤维复合材料在水下耐压舱上的应用

为实现水下耐压舱的功能化应用,并达到轻量化的目标,针对耐压舱的结构以及材料进行研究。采用碳纤维复合材料与钛合金材料设计制备水下双层圆柱形水密结构耐压舱,碳纤维层选择[90°/90°/0°]_(s)的铺层方案,与纯钛合金制备的耐压舱相比重量可减少23%。基于Abaqus有限元分析软件对耐压舱受到的实际工况进行强度、刚度分析,结果表明筒体满足强度要求,并通过屈曲分析可得到耐压舱发生失稳的临界载荷为22.15 MPa。加工出实物,对实物进行加压实验,实验结果满足强度、刚度、密封性要求。分析表明碳纤维复合材料是制作水下耐压舱的重要途经。

新型磁流变智能隔振系统实验研究

针对新型磁流变弹性体智能隔振系统进行了仿真分析和实验研究,研究了隔振系统的隔振力学特性和磁致动态力学特性,探讨影响其动态特性的主要因素及作用规律.搭建振动实验平台,测试磁流变智能隔振器的固有振动特性及磁致隔振力学特性;基于MTS实验平台,测试智能隔振器的幅值相关、频率相关及电流相关的磁致动态力学特性,并开展基于BP神经网络的动力学建模研究.结果表明:磁流变智能隔振系统的磁致移频范围可达20%,其隔振效果最高可达49.6%;在动态激励下,磁流变智能隔振系统表现出变刚度、变阻尼的动力学特性,建立的动力学数值模型可较好地描述其磁致力学特性.可为新型智能隔振系统实验测试、数据处理与分析、设计制造一体化技术等方面提供本科教学和大学生科研创新训练素材,较好地拓宽实践教学范围.

欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真

为解决欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)移动式回收控制问题以及无法直观展示移动式回收过程的情况,本文设计了一套半物理仿真系统并通过视景仿真模块实时显示AUV与移动式回收装置在虚拟海洋环境中的位姿变化。首先介绍了移动式回收任务的流程;然后设计了一种新的前向速度导引律,并利用基于AUV模型的轨迹跟踪控制方法计算控制指令;最后搭建了半物理仿真系统且由视景仿真界面实时展示移动式回收装置与AUV的位置与姿态信息。仿真结果表明:当AUV由不同位置出发时基于模型的轨迹跟踪控制方法都能控制AUV顺利地靠近移动式回收装置、安全稳定地完成移动式回收任务。

基于自适应干扰观测器的水下机器人—机械臂系统反步控制

针对水下机器人-机械臂系统的强耦合、建模不确定性和环境扰动复杂的特点,提出了一种自适应干扰观测器的反步控制方法。将海洋多源干扰用线性外系统描述,设计自适应观测器进行估计。针对实际驱动器存在的输入饱和问题,设计了辅助动力系统。在此基础上,进一步设计了反步控制器,并通过李雅普诺夫理论分析了闭环跟踪系统的有界稳定性。最后通过2关节水下机器人-机械臂系统进行仿真验证,结果表明与传统的比例积分微分控制相比,文中方法能够更好地使机器人-机械臂系统跟踪预定轨迹,且具有更好的抗干扰能力。

水下作业机器人滑模自抗扰控制方法研究

水下作业机器人浮游状态抗流作业过程面临流场强扰动、机械臂与本体内力耦合干扰、运动特性不确定等问题。本文提出一种基于线型扩张观测器的水下机器人滑膜自抗扰控制方法,该方法能够将复杂控制系统解耦为多个串联积分子系统,主要采用线性扩张观测器对作业机器人所受流场干扰因素进行自适应补偿。在此基础上,利用滑膜控制对系统参数摄动不敏感性,增强控制系统的抗干扰性能。最后,结合李雅普诺夫理论分析作业机器人有界稳定控制。仿真结果表明,本文提出的方法相比传统的滑模控制和自抗扰控制方法具有更好的动态跟踪和抗干扰能力。

一种面向无人水下航行器的多普勒自主导航方法

针对无人水下航行器自主导航需求,文中设计由多普勒计程仪(DVL)、深度计、电子罗盘(ECP)和低成本惯性量测单元(IMU)组成的航位推算导航系统,提出一种DVL自主导航方法。该方法通过传感器一体化集成克服安装误差和时间异步问题,采用ECP/IMU融合方案获取高频姿态参数,在此基础上,制定DVL异常数据处理、高动态误差修正以及全球导航卫星系统辅助策略。所提出的方法在“海为一号”自主水下航行器上得到应用,试验结果表明自主导航定位精度约为航程的1.5%(圆概率误差),可以为相关研究和应用提供参考。

电液驱动水下发射筒开关盖装置高精度跟踪控制方法

发射筒盖是潜射导弹发射装置的重要组成部分,目前主要采用调速阀进行开关盖速度控制,由于其无法保证动作精度,制约了系统的进一步发展。为提高开关盖过程的速度控制精度,以伺服阀代替调速阀进行开关盖动作控制;以开关盖装置为被控对象,设计高增益观测器观测系统状态量,抑制非线性对系统精度的影响,结合滑模控制器进行自适应控制,并将提出的控制算法分别应用于两种控制阀组。实验表明,开关盖装置结合伺服阀可实现更好的控制效果,采用高增益观测器的滑模控制速度跟踪效果较传统PID控制提升30%。

水下承载结构缩比样机的静态试验与设计计算

水下承压结构承受复杂环境载荷作用,缩比模型试验是可靠性验证与结构寿命预测的重要方法。为保证缩比模型能够准确表征原模型的力学行为,进行了缩比模型试验和有限元缩比模型分析的结果对照,确定了缩比模型的具体缩放比例。进而通过缩比模型试验确定水下承载结构在承载过程中结构的易损关键部件及非易损部件,为后续有限元分析计算提供理论依据,即易损关键部位的局部重点研究和非易损部件的简化,进而提高了计算效率和计算结果的准确性。该方法通过有限元缩比模型的有限元分析计算推导出缩比模型的缩放比例,进而通过缩比模型试验确定水下承载结构的承载特性,对有限元缩比模型进行局部重点研究和局部简化,在保证后续计算准确性的基础上,大大提高了计算效率。

水下爆炸条件下装置冲击环境研究

水下非接触式爆炸产生的冲击波会对艇载设备产生冲击,研究其非接触水下爆炸的冲击环境对于装备设计有着很高的工程应用价值,仅依靠理论仿真计算对于储运筒、航行体等艇载设备冲击环境研究远远不够,需进行水下爆炸冲击试验,验证计算方法,校验仿真模型,改进减震设计。本文介绍某比例缩比爆炸冲击试验,分析储运筒及航行体试验数据获取载荷特性。通过动力学数值仿真,计算结果与试验数据校验,验证计算方法的可行性,仿真模型的有效性,为全尺寸装置冲击环境深入研究提供理论支撑。

水下低保障锁定机构设计与分析

受水下无人系统搭载平台续航能力、布置空间、机动性等要求限制,水下发射装置应满足轻量化、小尺寸、低保障等需求。本文设计一种水下弹射与解锁一体化发射装置的锁定机构,降低了平台保障,简化了负载发射流程,提高了发射反应速度。利用AMESim软件建立仿真模型,验证了解锁气缸结构参数与一体化设计的一致性,实现了先解锁后弹射的时序匹配,并对解锁气缸的气缸缸径、弹簧初始预紧力、气缸封闭腔容积等特性对解锁时间的影响进行了分析,为弹射与解锁一体化设计提供理论指导。

均匀旋转对圆柱水动力及流动结构的影响

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0~10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响.结果表明,随着转速比增大,圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构;阻力系数时均值先减小,随后在转速进入单侧涡区间后增大,升力系数与力矩系数的时均值均单调增加,同时,在出现涡脱落的两个转速区间内,水动力出现了明显的波动,且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明,圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态;旋转会对流动稳定性产生影响:在未充分发展阶段,旋转对流动稳定性的影响不显著,而在充分发展后,各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段,随着转速比的增大,流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱,且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时,因此,通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.

北极冰下双自主水下机器人协同地形匹配导航

针对自主水下机器人北极冰下远距离航行存在较大定位偏差的情况,本文提出利用单波束协同地形匹配导航方法改善定位性能。针对粒子滤波出现粒子退化和粒子耗尽,导致测量更新失效问题,本文设计一种地形自适应双自主水下机器人协同地形匹配导航方法,根据地形高程标准差计算地形置信度,将地形置信度融入双自主水下机器人协同地形匹配导航系统中,提高了导航方法的鲁棒性。通过模拟仿真对该方法进行验证,结果表明该方法能够有效提高定位的精度及鲁棒性。

误差实时检测的水下LED光通信技术

为降低水下作业环境通信终端安装误差和机动目标指向误差的影响,给出了水下光通信系统架构,提出了一种基于气泡智能剔除的光斑识别定位算法,较好地解决了气泡对水下光通信链路稳定的影响,仿真结果显示该算法具有较好的鲁棒性。结合水下蓝绿光衰减较小的特点,设计了一种6个蓝光450 nm灯珠合束发射方案,提出了一种基于误差参量的链路模型;并在纯海水模拟信道环境下,通过仿真及等效实验表明:对于发射光强为平顶分布,偏轴误差在发散角10°以内情况下,经过50 m信道衰减后,接收端接收功率>-20 dBm,眼图张开良好;反之,通信性能急剧下降。

水下航行器的悬停与回旋特性研究

悬停和回旋是水下航行器重要的运动状态,保持悬停和回旋运动的稳定是水下航行器设计的关键,因而研究水下航行器的悬停和回旋运动具有重要的意义。在建立水下航行器六自由度运动方程的基础上,运用Matlab/Simulink模块对水下航行器的悬停与空间回旋状态进行了数值仿真,并对影响悬停和回旋特性的主要因素进行了分析,得到了水下航行器悬停和回旋运动的规律,所得结论可直接应用到水下航行器的操控。

基于韧性损伤的水下传动装置磨粒磨损与性能退化研究

本文采用基于不可逆热力学原理的韧性金属复杂应力损伤演化模型,对ABAQUS二次开发将损伤模型引入有限元计算,实施含腐蚀传动装置磨粒磨损分析;磨粒-传动轴-配合面耦合模型中,磨粒采用三维球形分形模型,对点蚀和面蚀配合面与磨粒微观接触时损伤演化及传动特性变化进行模拟,发现磨粒挤入配合面后应力三轴度增大,传动轴转动数周后接触面即出现凸峰与沟犁,而且缺陷间存在损伤连通趋势,使结构传动运动能力快速下降;考虑环境温度循环,温度升高使磨粒局部产生应力梯度,对结构传动能力也有不利影响。基于材料损伤演化模型建立细观磨粒磨损与宏观传动装置统一的模拟方法,实现了海洋环境下小间隙配合面磨粒磨损计算,有效预测了传动装置性能退化过程。

高强度钢(921A)聚能切割数值仿真与试验研究

基于有限元分析软件Ansys/LS-DYNA对4种不同炸高工况下的铜聚能切割索切割921A钢板过程进行数值模拟,其中炸高分别为0 mm、2 mm、4 mm和6 mm,钢板厚度为4 mm。根据仿真结果得出4 mm炸高最接近最优炸高,在这种工况下的切割效果最好。进行了4 mm炸高下921A钢板聚能切割试验,试验结果与数值仿真结果吻合度较高。研究结果可为解决工程实际问题提供参考。