深海自持式剖面浮标水动力特性分析

利用CFD技术对浮标上浮下潜运动进行数值模拟实验分析,流场求解基于Navier-Stokes方程和RNG k-epsilon湍流模型,压力和速度的耦合采用SIMPLE方法解耦,流场的控制方程采用有限体积法离散且分离式求解。在此基础上揭示了浮标上浮下潜运动过程的流场特性;得到浮标水下运动过程阻力随速度变化的规律,并将仿真结果与浮标海试试验结果进行了对比分析,验证了该方法的可行性。为浮标控制和浮标外形结构的优化提供了理论依据。     

一种新型水下声学浮标在目标探测中的应用

针对海上目标探测问题, 将矢量水听器和Argo浮标相结合, 可构建一种具有水中目标探测能力的新型水下声学浮标平台。该浮标平台可多次上浮和下潜, 具有在位时间长、隐蔽性能高、成本低等特点, 单台水下声学浮标即可实现海上目标探测, 利用多台水下声学浮标可快速形成大面积区域覆盖能力。为进一步验证水下声学浮标对海上目标探测性能, 2019年8月在南海海区开展了多台水下声学浮标海上试验, 数据处理结果表明: 南海夏季典型声速剖面下, 水下声学浮标对船长42m航速8.4kn的水面航船目标最远探测距离可达13.8km, 目标估计方位均方根误差最优可达5°, 在水面航船距离最近的1.9km处, 目标估计方位标准差可达2°。     

一类水下自治漂流浮标的定深控制技术研究与应用

针对一类未配置推进器,仅依赖于舱体内的水泵和控制阀进行油体输送和浮力调节的水下自治漂流浮标系统,研制设计了定深控制技术方法。首先介绍了水下自治漂流浮标的浮力调节系统及其浮力调节原理,然后根据控制目标设计了关于深度跟踪误差和期望速度的特征函数曲线,进而基于试差法设计了水泵和控制阀的自动控制率,实现了浮标系统的定深控制。海上试验应用结果验证了所设计控制方法的有效性。     

基于卫星的水下载体实时水声定位模型

为适应水下载体高精度实时导航定位的需求,提出了基于卫星导航定位的浮标水声定位系统定位模式,主要讨论了长基线固定浮标定位系统和超短基线单体智能浮标系统的工作原理和点位计算模型,分析了水声定位系统定位的准确度和误差源,对促进全球海域实现全天候高精度完全水下自主定位具有一定的指导意义。     

自持式剖面循环探测漂流浮标水下运动过程实例分析

文章对正在研制中的“自持式剖面循环探测漂流浮标”完成一个剖面测量任务的过程,进行了运动分析和数值计算。数值计算结果与试验数据的对比显示,数值计算结果是可信的,这对了解浮标在水下的运动状态提供直观的帮助,并为浮标的海上试验提供了参考依据。     

基于水下绞车的实时传输潜标研制及海上试验

针对“透明海洋”工程对水下实时、长期、连续观测的迫切需求,开展基于水下绞车的实时传输潜标研制。该型潜标采用水下绞车牵引卫星通信浮标的方式,将潜标上搭载的测量仪器观测数据通过铠装通信缆传输到卫星通信浮标,当卫星通信浮标浮出水面时,再通过卫星通信传输至数据接收处理装置,完成数据传输后,水下绞车牵引卫星通信浮标至海面以下50 m,从而实现潜标系统的实时传输功能。本文详细介绍了基于水下绞车的实时传输潜标系统设计及关键组部件设计,并通过海上试验验证了该型潜标海上应用的可行性。     

新型表层漂流浮标体设计分析

表层漂流浮标在应用于海洋调查研究时,浮标体外形对浮标通讯稳定性及数据回收等会产生一系列影响,也直接制约浮标使用寿命。为此,考虑减少风阻和水阻,减小浮标体对水帆运动的影响,提出了一种新型的适用于近远海海洋观测的表层漂流浮标体葫芦形外形设计方案。结合流体力学理论分析,运用Solid Works软件分别对葫芦形浮标体和常用的圆柱形浮标体建模,并利用Workbench软件CFX流体分析模块开展了流体分析和比较,结果表明葫芦形浮标体所受压力更均匀,其水下部分压力值较圆柱浮标体减小约28%,证明葫芦形外形浮标体更具可靠性。     

一种新型海洋环境监测系统的静力分析和姿态计算

介绍了将浮标与潜标相结合的一种新型海洋环境监测系统的静力分析和姿态计算方法,结合MAT-LAB编程给出了在0～2 m/s流速范围内主浮标、主潜标和缆绳的受力、倾角情况,为确保系统能在水下长期可靠地工作提供了理论依据.     

波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计

移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人(ROV)、自治水下机器人(AUV)等移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制,影响了它们长时间和大范围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型波浪能驱动的机动浮标,该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成,利用波浪垂荡运动,推动水下推进机构叶片的摆动,引起水下推进机构在水平方向向前的升力,使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计制造了波浪驱动机动浮标的实验样机,并进行了海试。实验表明,在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。     

军民两用的海洋水下观测技术

综述了近年来国外重点发展的自持式剖面浮标、水下滑翔器、水下自航式观测平台等几种军民两用的海洋水下观测高新技术,分析了它们的特点和关键技术。介绍了国内上述技术的发展概况,提出了相应的对策建议。     

定位浮标在波浪中的动态响应

定位浮标是为满足水下蛙人部队定位要求而设计的。定位浮标的升沉和横摇运动对海水中换能器阵的水声定位精度影响较大，而使定位浮标产生这两种振荡的主要激励源是波浪。在不考虑流和风对浮标作用的前提下，以规则波作为激励源，研究了定位浮标在波浪激励下的两种运动模型，然后用计算机对横摇和升沉运动模型进行了仿真，最后从运动模型出发提出了减少浮标振幅的有效办法，这对定位浮标结构设计有重要意义。     

Survey of underwater robot positioning navigation

Underwater robot positioning and navigation achieve autonomous underwater robot movement based on the premise that positioning obtains the coordinates of the relative position of the underwater robot using a sensor, and navigation yields a known location to the destination path planning. Due to the location of an underwater robot and the complex and changing environment in which it operates, it is difficult to achieve precise positioning using the traditional positioning method. This paper systematically analyzes and summarizes several typical localization and navigation methods of underwater robots, such as multisensor information fusion technology, underwater acoustic localization and navigation methods, GPS buoy, underwater vision, SLAM and coordinate localization and navigation of multiple underwater robots. Multisensory information fusion technology integrates the advantages of the above methods, enhances the system stability and robustness, overcomes the disadvantages of traditional positioning and navigation, and enables the autonomous navigation and positioning of underwater robots. Underwater acoustics enable flexible and convenient positioning, whereas GPS can achieve high-precision and high-positioning navigation information, and visual positioning effectively overcomes the problem of error accumulation. Multirobot cooperative positioning resolves the problem of positioning failure caused by the collapse of a single system and completes complex tasks that cannot be completed by a single robot, thus enhancing the stability and robustness of the system. This paper systematically describes the realization of these methods, presents an actual analysis of their respective advantages and problems, and discusses the development of the field of research prospects and application prospects.     

基于单水声信标距离量测的匹配定位方法

水声通信和测距能力是实现水下航行器准确定位的重要技术手段。当前基于水声定位的方法主要有利用测距和测向功能的水声定位技术以及水声测距辅助导航技术，二者的系统物理复杂度都比较高。本文提出了一种基于单水声信标距离量测的匹配定位方法，航行器在水声信标测距覆盖范围内，利用航行过程中多次测距信息构建测距圆序列形成位置约束，基于航位推算导航信息，将航行器在连续测距时间段内的相对航迹在圆序列上进行最优匹配，从而获得位置估计，通过对测距误差进行补偿可进一步提升定位精度。本方法所需物理系统结构复杂度低、可操作性强，仿真实验表明，该方法可以独立实现较高精度的定位。     

四点长基线深海定位模型建立方法及精度分析

高精度水下定位技术对于维护国家海疆安全、海洋权益和国民经济建设具有十分重要意义和实际应用价值。根据射线在水中的传播特性,利用双曲面定位方法建立长基线深海定位模型,通过计算机仿真获得4 000 m水下信源在10 km~2正方形范围内的定位误差精度及分布规律。结果表明:浮标网络中心位置定位精度最高,可得到亚米级;离中心位置越远,定位精度越差。     

一种基于视觉的水下机器人动力定位方法

以7 000 m载人潜水器的工程需求为背景,以水下单目摄像机为视觉传感器,进行了水下机器人动力定位方法研究。该动力定位方法利用视觉系统测量得到水下机器人与被观察目标之间的三维位姿关系,通过路径规划、位置控制和姿态控制分解,逐步使机器人由初始位姿逼近期望位姿并最终定位于期望位姿,从而实现了机器人的4自由度动力定位。通过水池实验验证了提出的动力定位方法,并且机器人能够抵抗恒定水流干扰和人工位置扰动。同时,该动力定位方法还可以实现机器人对被观察目标的自动跟踪。     

三锚浮标系统研究

海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施。它具有全天候、全天时稳定可靠的收集海洋环境资料的能力,并能实现数据的自动采集、自动标示和自动发送。海洋浮标与卫星、飞机、调查船、潜水器及声波探测设备一起,组成了探测海洋奥秘的主体监测系统。论文详细阐述了水面浮标采用的新型三锚系留系统的组成、优点、以及克服的技术难题。     

水下升降式准实时通信潜标控制系统研制

为实现长期、连续、定点、低成本的上层海洋垂直剖面要素的准实时观测,提出了一种以STM32单片机(microcontroller unit,MCU)为主控器、采用国产温盐深传感器(conductivity temperature depth,CTD)和声学多普勒剖面流速仪(acoustic doppler current profilers,ADCP)等仪器进行剖面观测、搭载铱星通信模块或其他通信设备、适用于近海和远海的低功耗水下升降式准实时通信潜标控制系统设计方案。介绍了潜标的结构组成、控制系统硬件和软件设计,以及服务器接收软件的设计;实现了基于无线双向通信的数据补发机制和对潜标的远程控制;提出了一种适用于霍尔无刷直流电机(hall brushless direct current motor,HBLDCM)的堵转保护方法。近海和远海试验表明,该型潜标可以实现海洋垂直剖面的连续观测和数据的准实时传输,验证了潜标控制系统设计方案的可行性与稳定性。     

水下滑翔机器人研究进展及应用

水下滑翔机器人（AUG）是一种将浮标技术与传统水下机器人技术相结合的新型水下机器人,可用于长时间、大范围的海洋环境测量和监测,具有较高的可控性和机动性。在欧洲地区海洋环境安全（MERSEA）中水下滑翔机器人扮演了重要的角色,未来其应用领域将更加广泛,性能更加先进。     

A tension measurement method of a towing cable or a buoy cable

An indirect tension measurement method of a towing cable in midwater or a buoy cable is proposed using underwater acoustic positioning systems, etc., to give the in-water cable tension. The most simple and traditional cable tension measurement method is to apply a mechanical tension meter at the one end of the cable, but the method has limits in the aspects of continuous monitoring and manual operation. However, the technique in this study is to apply the Pode's analysis of the equilibrium configuration and tension of a flexible twine, in which the cable tension is given as a function of the geometric positions of both ends of the cable. A set of nonlinear integral equations is formulated and solved numerically by the Newton-Raphson method. Then the inclination angles and the tensions at the lower and the upper ends of the cable could be obtained. The derived method enables us to track a towed object, to measure the tension of a towing cable or a buoy cable and is also applicable to the remotely operated vehicle (ROV) tethered to a mother ship.