水动浮力

在自然界,存在水静浮力和水动浮力.一个在水下或水面静态的物体承受水静浮力,阿基米德发现水静浮力的定量值等于该物体的排水量.一个在水下或水面对水平面保持某一攻角运动的物体会激起水动浮力.从物理定性看,水动浮力与运动物体的速度、尺度、吃水深度、攻角的角度、水的密度以及体现重力场对流场作用的重力加速度等物理因素密切相关.如果用数学解析式表述水动浮力的定量值,那么它是这些物理因素的函数.人们希望知道水动浮力,为此,提出研究这个问题.本文利用一种新的积分变换求解水动浮力问题,得到水动浮力定量值的解析表达式,该式概括了运动物体相关物理因素对水动浮力的贡献和它们之间的相互制约关系,与物理定性相符合.用本文的结果设计建造的实船,在实航验证时显示:理论计算得到的结果与试验实测得到的数据相符合.这表明,本文的研究结果是符合实际的,具有普遍意义.该方法可解决很多水动力工程的设计和生产问题.本文在最后,对比我们的研究结果,对前人的水动升力近似估算式做了讨论.     

水气浮力发电技术及其应用

介绍了一项新型电站能源装备技术——水气浮力发电技术,是利用压缩空气、管道天然气等压力气体做动力驱动水气浮轮机发电的新技术,与分布式能源技术结合形成环保无污染的节能、蓄能发电模式。本文详细地描述了水气浮力发电机的工作原理和特点;通过水气浮力发电机应用工程组成管道天然气或压缩空气蓄能一水气浮力发电联供系统的先进性分析,说明水气浮力发电技术产品竞争力及开发应用前景。     

基于新型体积再利用技术的一种多频带手机天线设计

本文提出了一种通过开阻抗调谐槽的方法实现对移动终端天线有限体积多次利用的新型体积再利用技术.该技术在保持天线体积不变的前提下,利用开缝技术调谐等效电容、电感,使得天线在工作需要的多个频点产生谐振,实现多频带.利用这种技术,设计并加工制作了一款工作在GSM, DCS, PCS, WCDMA频段的内置手机天线并进行了测试.结果表明,该天线在其工作频带内阻抗匹配良好,辐射效率高.且该多频PIFA天线的体积只和传统双频PIFA天线的体积相当,实现了天线小型化.实验测试结果和仿真结果一致,证明了这种新型体积再利     

新型木棉纤维集合体的浮力性能

研究了采用新方法制作的木棉浮力材料的浮力性能.由于不均衡的结构导致浮力变小,因此研发了由空气梳理法和机械混合法联合制造的新型木棉浮力材料,并比较了这种材料和手工铺絮木棉浮力材料的浮力性能.同时,研究了新方法中切断、加热、形成木棉浮材的一步法过程对浮力性能的影响.结果显示,只有切断会导致浮力损失率的提高,其余对浮力性能都没有影响.这种新的加工方法可以改善木棉集合体的浮力性能.     

自由浮球式蒸汽疏水阀

该产品类属机械型疏水阀,是利用凝结水对自由浮球浮力的升降来工作的,它区别于热静力型和热动力型蒸汽疏水阀,消除了漏汽大、不能排放饱和水的缺陷.     

基于模糊算法的AUV避障与姿态控制

为了实现水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)在水下的避障与姿态的稳定控制,提出了一种基于模糊算法的避障与姿态控制算法.通过分析AUV在水下的水平面和竖直面状况,分别构造满足其水平面和竖直面避障和姿态控制的模糊算法,并设计了相应的控制系统.设计的控制系统主要由2个模糊控制器组成,通过模糊控制器输出AUV的左、右和下潜加速度,利用模糊逻辑系统对其速度进行逼近,并利用AUV的速度信息实现AUV水平面和竖直面的避障与姿态的控制.通过在不同位置放置障碍物构建模拟场景,采用Matlab进行仿真试验.仿真结果表明,设计的基于模糊算法的避障与姿态控制方法能够满足设计要求.     

基于海流观测的欠驱动AUV自适应反演滑模轨迹跟踪

欠驱动自主水下航行器AUV在定深的海域中航行,其模型水动力参数存在不确定性,同时还遭受海流等外来因素干扰,对欠驱动AUV的轨迹跟踪精确带来极大的挑战.本文研究海流环境中欠驱动AUV水平方向上的轨迹跟踪控制问题,通过定义固定坐标系和随体坐标系间的转化关系,将海流速度引入欠驱动AUV运动学和动力学方程,建立海流环境中欠驱动AUV的运动学模型和动力学模型;结合期望轨迹得到欠驱动AUV的轨迹跟踪误差方程.在控制器的设计过程中引入自适应率,得到AUV水平面轨迹跟踪的自适应反演滑模轨迹跟踪控制器(ABSMC),同时为降低海流因素对AUV航行轨迹带来的偏差,设计海流观测器对环境中海流速度进行估计.仿真结果表明,该控制器可实现对由水动力参数不确定和外界时变干扰共同组成的系统总不确定性的估计,并弥补传统反演滑模控制理论中需要精确的模型参数和扰动信息的不足,且海流观测器可提升AUV轨迹跟踪的精度.在理论上证明了由海流观测器和轨迹跟踪控制器共同组成的AUV级联控制系统为全局渐进稳定;仿真对比结果显示所提出的基于海流观测的自适应反演滑模控制器能够克服欠驱动AUV模型中水动力参数不确定性、海流干扰及其他未知干扰的影响,跟踪性能优于基于海流观测的反演轨迹跟踪控制器(BTC).     

基于双闭环的矢量推进器的AUV转向控制方法

水下无人自航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)在对海洋环境进行勘查与测量时,实际航迹与目标航迹的偏差要求控制在一定精度范围内.在传统常采用的航向单闭环方法控制下,基于矢量推进器的AUV在高速转向时存在航迹跟踪效果差的缺点.针对这一问题,设计了一种双闭环自适应转向运动控制方法.该方法基于矢量推进器机动性强的特性,在AUV转向时将航向控制闭环和航速控制闭环设计成双闭环,调整航向的同时依据航向环偏航角差实时控制航速环AUV转向目标速度.理论分析和实验证明:在AUV转向时,该控制算法可以更好地实现航迹跟踪,实际航行轨迹与目标航迹的最大偏差可以控制在10,m以内.     

支撑机构驻留水下航行器着陆策略及影响因素

简单介绍了驻留水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)的概念及工作过程,基于基本力学理论,建立了航行器空间运动的运动学及动力学数学模型;结合本航行器的特点,建立了变浮力系统作用力数学模型、垂推作用力及控制数学模型.在此基础上,建立了航行器着陆过程仿真模型.针对支撑机构驻留AUV,提出了注水自由下潜、支撑机构伸出注水自由下潜、垂推控制、支撑机构伸出垂推控制4种着陆策略,研究了变浮力系统注水质量和位置对着陆参数的影响;对比4种着陆策略,分析了支撑机构和垂推对着陆策略的影响,为着陆及驻留方案的设计和航行器设计及改进提供理论依据.     

基于生物启发反步级联控制方法的多AUV主从式编队

研究了自治水下机器人(AUV)在三维环境中主从式编队控制问题,提出一种基于生物启发反步级联控制方法.该方法利用领航者的位置信息以及期望的队形得到虚拟AUV的航行轨迹和速度信息,引入反步控制实现跟随AUV对虚拟AUV的轨迹跟踪,实现三维水下编队控制;利用生物启发神经网络有界性的特点,解决了速度跳变以及由此引起的驱动饱和问题.仿真结果表明,该方法实现了预期控制效果,并且有较好的有效性和实用性.     

混合驱动水下滑翔器滑翔状态机翼水动力特性

将水下滑翔器和水下自航行器两者功能集合于一身,提出了一种新概念混合驱动水下滑翔器.采用计算流体力学方法对混合驱动水下滑翔器滑翔状态下机翼对滑翔经济性和稳定性的影响进行了数值模拟研究.正交试验表明,其滑翔经济性受机翼弦长影响最为显著;滑翔器的稳定性受机翼的后掠角影响最为显著;对4个具体模型在0°~20°攻角的进一步的数值模拟表明,机翼的位置主要影响滑翔稳定性,对滑翔经济性影响较小.滑翔器在6°左右攻角航行时,具有最大的升阻比.研究为混合驱动水下滑翔器的设计提供了理论指导和参考.     

基于目标层解分析方法的重水潜器多学科设计优化

采用一种新型的多学科设计方法———目标解析分流法进行重水潜器的概念设计。首先利用半经验法建立重水潜器的集成系统模型,并进行目标层解分析（ATC）优化模型;再应用增广拉格朗日惩罚函数松弛化方法,通过改进内外层嵌套式求解策略,减少内层循环病态子问题的求解计算时间,在内层循环得到收敛的同时,外层循环更新惩罚权重来获得可行解;随后改变惩罚函数权重,对比分析各种惩罚函数对求解效率的影响。由实验可得,应用增广拉格朗日惩罚函数松弛化求解的方法,保持计算精度的同时也提高了计算效率。最终获得的系统最优解与多维的一次设计优化问题所得到的最优解非常接近,证明了多学科设计优化能充分利用不同学科之间的相互作用所产生的协同效应,从而获得系统整体的最优解。     

水下机器人改进S面控制及系统半实物仿真

针对S面控制器参数调整困难的问题,研究了改进的粒子群优化(MPSO)算法,自寻优确定S面控制器的控制参数,实现了S面控制器参数优化计算的快速收敛,避免了局部峰值的徘徊.同时,针对某水下航行器的运动控制系统,设计了控制半实物仿真系统,阐述了仿真系统的总体结构和水下机器人空间运动的非线性数学模型.仿真结果真实可靠地反映了水下机器人运动过程,验证了本文控制器对机器人的控制效果,对实际下水实验提供重要参考.     

自主潜航器海洋环境监测发展及运用

 自主潜航器（AUV）能对水下环境进行动态监测,是一种新型海洋环境监测平台。AUV用于海洋环境监测的有效载荷主要是为满足水下探测、测量和通信而配置的水声、电子和光学等设备。按功能任务划分,AUV的海洋环境监测载荷通常包括海洋探测设备、测量设备和通信设备等。介绍了国内外AUV装备研发情况及其海洋环境监测设备,梳理了AUV海洋环境监测运用现状,探讨了AUV海洋环境监测运用发展的方向。     

基于自适应阈值的AUV完全自主温跃层探测方法研究

海洋温跃层是一种重要的海洋现象。本文的研究基于自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）,提出了一种梯度阈值可调的温跃层探测方法,其阈值可根据海洋温跃层分布特性自适应修改,同时针对AUV温跃层探测中水体分层厚度选取的问题,提出了一种根据温度梯度峰值点个数自主确定其大小方法,可实现AUV完全自主探测温跃层。根据AUV外场实验数据,把本文方法同峰值法、平均梯度法以及最优分割法进行了比较分析,结果表明该方法简单有效。     

矢量推进自主水下航行器动力学建模及仿真

采用单矢量推进器进行航向控制的自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV),与采用传统的鳍舵进行航向控制的AUV相比,具有更好的低速操控性及定位精度.根据单矢量推进式AUV的特点,将AUV的推力视为螺旋桨转速及矢量推进器摆角的函数,运用Newton-Euler法建立了AUV的6自由度运动学模型和动力学模型,采用四阶五级龙格-库塔方法对单矢量推进式AUV动力学模型进行了求解,在Matlab环境下对其动力学行为进行了仿真预测,并通过水域试验验证了所建模型的正确性,为控制系统的设计奠定了基础.     

基于神经网络PID的AUV控制方法研究

针对水下机器人各自由度之间存在较强的耦合和非线性特征，其精确的数学模型很难获得的问题，建立了水下机器人空间运动的数学模型，并根据实际需要和控制器设计的方便进行了适当简化，得到了水下机器人自由度运动模型．在此基础上，使用了基于神经网络的PID控制方法．结合水下机器人六自由度水动力模型，建立了基于BP网络的PID的水下机器人控制器，并进行了仿真环境下的试验．试验结果表明，以上控制方法较为适合水下机器人的运动控制．     

水下航行器声通讯安装结构涡流噪声分析

孔腔及凸体作为水下航行器表面的常见结构，其产生的涡流噪声对搭载在水下航行器上的声学仪器的信号精度有不容忽视的影响．根据水下航行器上搭载的声通讯调制解调器安装结构抽象出几何模型，即孔腔、凸体组合结构，采用LES—Lighthill等效声源法对该孔腔、凸体组合结构的流场及声场进行仿真，通过分析不同模型的流动机制及涡流噪声特性，指出了凸体高度对涡流噪声的影响．研究表明，凸体高度与孔腔深度相等时，产生的涡流噪声最小．研究成果为水下航行器声通讯安装结构的设计提供了依据．     

基于灰色理论的自主式水下航行器舵机控制系统设计

本文设计了一种基于灰色理论的AUV舵机控制系统,硬件采用STM32单片机及CAN总线.仿真结果和实际测试表明,在超调量、调节时间等方面,系统性能较传统PID控制得到了明显改善.