多关节水下机器人方案设计与关键技术应用

针对自主水下机器人作业能力不强及现有链式多体水下机器人因推进器外挂而减弱了机器人通过性等问题,文章提出了一种多关节水下机器人总体设计方案,该多关节水下机器人由功能载体与基本载体经连接关节串联构成。文章首先介绍了功能载体与基本载体的结构构成;接着对方案中使用的关键技术原理进行了详细分析,如射流操纵、矢量推进、折叠天线等;最后研制了多关节水下机器人基本载体物理样机,并依次进行了湖上试验与海上试验。在定向变深度航行试验中,深度误差不大于±0.1m,航向误差不大于±1°,试验结果验证了多关节水下机器人基本载体的航行能力,证明了文章所提出的多关节水下机器人设计方案的可行性。

基于自适应交互多模型算法的三维空间水下动态目标跟踪

自主水下机器人(AUV)动态目标跟踪技术是实现目标探测、目标侦察等任务的核心技术之一。为了跟踪机动目标,通常采用基于交互多模型(IMM)算法结合恒定速度(CV)模型和协同转弯(CT)模型;而IMM中的转移概率和CT模型中转弯速率通常根据先验信息固定,可能会导致状态估计不准确。为此,文章基于现有的自适应IMM算法,提出了一种可以自适应调整转移概率的并行IMM算法(APIMM)并结合无迹卡尔曼滤波算法(UKF)对水下三维空间中的机动目标进行状态预测,改进算法基于的模型集选择了CV模型,自适应转弯速率的三维固定中心恒定速率和转向速率(CSCTR)模型和当前统计(CS)模型。仿真结果表明,该算法能更大程度地利用后验信息,拥有更快的模型切换速度,能够对三维空间水下动态目标的状态进行预测,并且预测精度提升了约15%。

基于CFD的槽道推进器对AUV水动力性能的影响研究

虽然具有槽道推进器的自主水下机器人(AUV)机动能力更高,但槽道会对AUV的动力学特性产生影响。因此,进行槽道推进器对AUV的水动力性能影响分析具有重要意义。文章采用计算流体力学(CFD)方法研究槽道推进器对AUV水动力性能的影响。首先,使用三维软件构建了2个AUV模型,其在外形等方面完全相同,仅在是否搭载槽道推进器上有所区别;然后,创建了2套重叠网格,分别用于进行2个AUV的CFD水动力分析;接着,通过计算AUV的平移和旋转运动来获得2个模型的水动力系数,并对比分析其差异,以评估槽道推进器对AUV的影响。计算结果表明,槽道推进器的存在增加了AUV纵荡运动的惯性水动力,但降低了横荡、垂荡、纵摇和艏摇的惯性水动力;此外,槽道推进器还会导致平移运动的黏性水动力增加,以及旋转运动的黏性水动力减小。槽道推进器对AUV的流线形产生了一定的影响,进而导致AUV的惯性和黏性水动力特性改变,因此,在对带有槽道推进器的AUV进行设计时,需要关注槽道对AUV的影响。