水下航行器仿生侧线探测阵列优化布置模型及评估方法

为了解决水下航行器仿生侧线探测系统传感器阵列优化布置的问题,提出了一种结合贝叶斯概率模型及顺序启发式算法的传感器阵列优化布置方法。该方法首先基于贝叶斯概率定理对水下航行器目标位置探测问题进行数学建模;接着构建仿生侧线探测阵列物理模型及其流场仿真数据集,采用顺序启发式算法优化阵列布局位置;然后根据特征筛选方法计算不同阵列布置下目标位置探测信息的相关性,对传感器阵列布局进行冗余度约减及优化评估;最后利用后验概率验证仿生侧线探测阵列优化布置模型,同时估计运动目标物位置。通过仿真实验结果表明,本文提出的阵列优化布置模型及评估方法与传统方法相比,非目标位置的干扰区域探测概率减小到1％以下,有效提高了目标物位置的探测概率,证明了阵列优化方法的可行性与有效性,为水下航行器侧线传感器阵列的优化布局提供了理论与技术支撑。     

引入改进蝠鲼觅食优化算法的水下无人航行器三维路径规划

针对复杂环境下传统群体智能优化算法在求解水下无人航行器(UUV)路径规划的过程中存在路径搜索能力不足、易陷入局部最优等问题,提出了一种引入改进蝠鲼觅食优化算法的UUV三维路径规划方法。首先,根据UUV在水下航行时的实际环境,建立相关地形模型和威胁源模型;其次,对传统的蝠鲼觅食优化算法进行改进,相关改进包括在初始化过程中加入局部反向学习机制优化种群的位置,提高了种群的多样性;根据每次迭代后种群个体适应度的不同,改进蝠鲼翻滚觅食的翻滚因子S,由此实现一种自适应翻滚,有利于跳出局部最优;同时,在蝠鲼螺旋觅食过程中融合莱维飞行-柯西变异策略,扩大了搜索路径和种群搜索范围,提升了算法寻找全局最优的能力;最后,将改进的蝠鲼觅食优化算法引入到UUV的路径规划中,进行相应的实验模拟。实验结果表明：在地形1中采用改进的蝠鲼觅食优化算法所规划的路径相比于灰狼算法和蝠鲼觅食优化算法分别降低了32.49 km和23.88 km,航迹代价分别降低了9.68和4.04;在地形2中采用改进的蝠鲼觅食优化算法所规划的路径相较于灰狼算法和蝠鲼觅食优化算法分别降低了20.83 km和29.95 km,航迹代价分别降低了1...     

水下航行器舱室内废水处理及回用研究

为解决水下航行器舱室内用水需求困难,针对废水水质建立了膜分离废水处理及回用系统,研究了该系统对废水的处理性能及出水回用性能.实验废水为模拟的水下航行器收集到的废水,结果表明,尽管系统进水水质、流量变化较大,但经系统各级处理后,浊度和阴离子洗涤剂(LAS)去除率为100%,COD和氨氮(NH3—N)去除率可达99.9%,出水水质达到回用标准.     

欠驱动水下航行器编队协同控制

针对复杂海况中欠驱动无人水下航行器（UUV）的水平面上编队问题,结合路径跟踪控制和一致性算法构建编队运动控制策略.将编队任务分为两步:1）对于每个UUV个体设计路径跟踪控制器,完成对各自期望路径的跟踪;2）对于多个UUV之间设计一致性协同算法,完成UUV编队的协同运动;编队控制器设计考虑了外界海流干扰及UUV模型参数不确定性等因素.针对海流干扰设计干扰观测器,利用自适应技术对参数不确定性进行在线估计,最后通过仿真验证了所设计编队控制策略的有效性.     

基于多普勒速度声纳的水下航行器导航方法

提出由多普勒速度声纳、姿态测量组件和陀螺罗经组成导航系统,研究了速度解算和误差分析方法,给出了导航卡尔曼滤波算法．实船航行试验结果证明了导航方法的有效性.     

高速水下无人航行器仿生外形设计与阻力数值预报研究

为了研究水下无人航行器（unmanned underwater vehicle,UUV）的外形因素对阻力性能的影响,利用计算流体力学方法对不同航行器外形展开阻力预报及分析。对于水下高速UUV而言,优异的阻力性能对UUV的航速和续航能力的提升都是至关重要的。针对某高速UUV的减阻需求,首先结合SUBOFF标准模型进行了阻力特性数值预报,与试验数据对比验证了预报方法的适用性;在此基础上,模仿鲨鱼和海豚的外形特征设计了2种UUV水动力外形构型,针对2种外形构型分别预报了带有不同附体构型的阻力特性,得到了一种相比SUBOFF艇形具有明显减阻效果的UUV水动力外形。研究对低阻型高速UUV的外形设计具有一定的参考价值。     

浅水域探测型无人水下航行器海洋动能发电装置特性研究

为了解决浅水域探测型无人水下航行器探测模块长时连续工作时对能源的需求,设计了基于海洋动能的晃动发电装置,根据拉格朗日方程建立了航行器与晃动摆耦合的运动方程,最后根据简化的运动方程,采用龙格库塔方法求解并分析了影响晃动发电性能的因素,研究了不同海况下航行器运动幅度、周期、摆长、质量、转动惯量等参数以及不同运动耦合对发电性能的影响。在2级海况下,最佳电机阻尼系数为5.4N·m·s/rad,3种激励运动耦合时发电装置平均功率能够达到0.5W。研究分析表明,提出的基于海洋动能发电装置模型是合理可行的,在一般海况下,能够满足探测模块的能源需求,同时发现运动幅度、周期、摆长、质量以及耦合横摇运动对发电性能影响较大,转动惯量以及耦合垂荡运动对其影响较小。研究结果为后期晃动发电机的研制、工程试验及优化,提供了一定的理论基础与借鉴。     

回转型水下航行器艇体数学建模方法和最小阻力研究

一直以来在水下航行器的艇体外形设计上都采用传统船舶设计方法,尝试采用数学建模方式描述水下航行器的型值,通过计算型值及推导相关参数的计算公式,并根据水下航行器已知设计参数得出不同数值情况下的型值函数,最终通过数学计算方法与图谱查找方式得出最优航行器艇体型状.     

水下航行器自由视角探测的多波束声呐仿真

针对水下航行器运动与水下声学感知过程中因多因素强耦合导致相关联合仿真模型缺失问题,提出一种适用于水下自由视角探测的运动位姿和声呐图像高逼真耦合仿真方法．首先建立多波束图像声呐几何模型,并提出声呐视域简化方法,实现声呐图像快速生成;其次建立水下地形、航行器路径和探测视角耦合的自由扫测模型,实现水下自由视角扫测与成像;最后针对声呐图像干扰的高逼真仿真问题,提出一种基于实测数据拟合的结构化噪声和回波重影建模方法,进一步提高仿真声呐图像的逼真度．实验结果表明：该模型能够有效实现水下航行器自由视角扫测过程的位姿和声呐数据组合仿真,生成具有一定逼真度的多波束声呐图像．     

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.     

海洋动能发电装置在水下探测航行器的安装位置对发电性能的影响

为了研究海洋动能发电装置在水下探测航行器中的安装位置对其发电性能的影响,根据拉格朗日方程建立了水下探测航行器与晃动摆的耦合非线性运动方程,在不同的阻尼系数和横摇激励频率下,采用龙格库塔方法分别对海洋动能发电装置安装位置对发电性能的影响进行了数值分析。研究结果表明:海洋动能发电装置的安装距离(晃动摆的摆动中心到航行器质心的距离)为零时,在横摇固有频率激励下,系统收集能量为零;安装距离不为零时,能量收集系统在固有频率附近呈现振动系统所有的特性;收集的功率与安装距离为二次方关系,且在不同频率时,在安装距离为零附近都有一零功率点,说明发电装置安装距离应尽量避免为零,且这一安装位置与阻尼系数无关,而与频率有关。研究结果将为后期海洋动能发电装置的安装布放提供借鉴。     

分布式控制框架实现水下航行器群协调控制

提出一种两层分布式控制框架来实现水下航行器群体的协调控制目标.这种框架在结构上分为一致协调器网络层和本地控制层.上层的协调器网络通过群体的非线性一致算法使得各航行器的输入参考值渐近达成一致.本地控制层通过线性二次型高斯回路传输恢复(LQG/LTR)控制器实现对参考输入的快速跟踪.证明了非线性一致算法的收敛性并定量地分析了群体拓扑和一致算法参数等因素对收敛速度的影响.仿真实验验证了该方法的有效性和可行性.     

水下航行器大侧斜对转桨设计方法改进

研究基于升力线和升力面理论的对转桨设计方法,对升力面设计的核心部分--螺距和拱弧面的迭代计算方法进行了改进,建立了一套较为高效、准确的大侧斜对转桨设计程序.设计算例及其数值验证结果表明：改进的设计计算方法不仅提高了计算效率,而且能够有效保证设计结果的光顺性;设计方法具有较好的精度,可应用于大侧斜对转桨的设计.     

水下航行器阻力计算及结构设计

随着海洋探索的不断发展,水下作业对水下航行器提出了更高的要求。为了提高某水下航行器的减阻性能,本文基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对预选的多种艏部型线以及舵板进行数值模拟,对比了它们的减阻性能,最终为航行器选择效果最佳的艏部型线以及舵板,并计算配备有最佳减阻效果的艇艏和舵板的航行器总阻力,对比分析其周围压力和流场特性。结果显示,所选的零部件相较于其他选择拥有更好的减阻性能,更适用于本文的水下航行器。本文研究结果可为航行器的结构设计和选择提供一定的参考。     

多自主水下航行器的有限时间无碰撞协调控制方法

研究了多自主水下航行器有限时间协调控制问题,提出一种基于多智能体控制思想的有限时间跟踪一致性控制律。为实现多AUV系统间的避碰,引入一种虚拟力,并且与所设计的有限时间一致性跟踪控制律进行向量合成, 构成总的控制律来实现对多AUV系统无碰撞的协调控制。仿真验证了所提出控制策略的有效性。     

基于四阵元基站的水下航行器自定位方法

随着智慧海洋理念的普及和人工智能技术的发展,自主水下机器人、水下滑翔机等水下航行器在海洋科学调查、资源勘测和信息获取方面取得了重大进展,为了满足小型低成本水下航行器智能感知、自主作业的实际需求,同时降低其自主定位成本,设计并实现了一种基于海底四阵元基阵的自定位方法．首先,针对水声信道的复杂性,设计了具有时频特征明显、高峰值功率的声学频率梳信号作为传输信号,仿真实验证明该信号具有可靠的稳定性和抗噪性;其次,结合倒置的超短基线定位原理,设计了布放在已知参考点的四阵元基站,各阵元发出相互正交的声频梳信号,水下航行器在基阵声学作用范围内接收各个阵元混叠的声学频率梳信号,利用匹配滤波法对各信号单程飞行时间进行粗测;最后,针对声学频率梳的时域和频域特性,推导了接收信号与飞行时间的关系,利用相关分析法对各信号单程飞行时间进行精测,进而获取航行器与基站坐标轴阵元的测距和测向结果,结合倒置的超短基线定位方法,实现航行器的位置实时解算．水下实验结果表明,本方法复用率高、可操作性强,水下航行器只需携带单个接收信标即可完成定位计算,进一步降低了成本和系统复杂度．同时,也证明了声频梳信号的高可靠性,可在水下航行...     

基于轨迹线性化控制方法的全驱动自主式水下航行器轨迹跟踪控制

基于轨迹线性化控制(Trajectory Linearization Control,TLC)方法研究了全驱动自主式水下航行器（AUV）的轨迹跟踪控制.利用微分方程奇异摄动理论中的时标分离思想,将全驱动AUV的轨迹跟踪控制系统分成快、慢回路,分别基于轨迹线性化思想设计出快、慢回路控制器;利用Lyapunov稳定性理论对闭环控制系统进行了稳定性分析,通过AUV爬升转弯过程的仿真验证了该控制方法的有效性.