水下自航式海洋观测平台技术发展研究

水下自航式海洋观测平台是一种新型海洋观测平台，主要用于无人、大范围、长时间水下环境监测，包括物理学参数、海洋地质学和地球物理学参数，海洋化学参数、海洋生物学参数及海洋工程方面的现场接近观测。其特点是：成本低，环境适应性强，可冲破人工潜水极限而进入现场进行接近观测，免除了ROV需要水面支援母船的累赘，减少作业经费，体积小，使用方便，便于布放回收；可根据水声信号摇控或预置程序控制，按要求进行相关项目观测；有自主动力，水下运行时间相对较长，有源噪声低，可进行隐弊观测，正是基于以上的优点，近几年颇得海洋环境监测和海军方面的青睐，本文介绍了国际上水下自动观测平台的发展历史和现状，提出了我国开展研究水下自动观测平台的重要性及研究的面容。     

我国海洋水下观测网发展战略思考

海洋观测已呈现陆、海、空联合组网观测形式,这是海洋观测发展的必然趋势和未来走向。但我国在海洋水下观测能力方面极其薄弱,特别是与国际海洋发达国家相比存在较大差距,本文主要整理了国外水下观测网发展的有关政策、重点项目及技术装备,并对我国面临的海洋发展形势进行了分析,提出了我国海洋水下观测网发展战略建议,供有关管理人员和科研人员参考。     

基于海洋物联网的快速机动组网观测技术研究

面向重点海域中小尺度过程、突发事件及关键目标观探测需求，以无人机、无人艇、波浪滑翔器、水下滑翔机、AUV、剖面漂流浮标及投弃式观测装备等无人智能移动观测装备为主干节点，结合潜标、 海床基等定点观测装备，提出了基于海洋物联网的快速机动组网观测系统构建方案，探讨了相关关键技术及发展方向。     

水下实时观测潜标系统技术发展

综述了水下实时观测潜标系统及其技术进展。以潜标技术为基础,通过水下绞车、自升降通信浮标、水下滑翔机及波浪滑翔器等技术途径,设计了水下实时观测系统方案,探讨了水下数据实时传输关键技术,开展了水下观测数据实时传输功能验证试验,初步实现了观测数据实时/准实时传输。     

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台, 具有持续性、鲁棒性、自主性等特点, 是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开, 基于国内外海洋学文献综述研究, 重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续, 观测高分辨率、低成本的特点, 满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求; 鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测; 运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现, 国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。     

系缆式水下自动升降平台

系缆式自动升降平台应用到水下定点测量系统中，可以用一套观测仪器完成全剖面的测量，和以往锚系系统单点分层测量方式相比，它具有连续进行剖面测量的先进性和经济性。文章介绍了系缆式水下自动升降平台的应用方式、升降原理、结构组成以及原理样机在实验室和千岛湖进行试验的情况。     

基于双频识别声呐的东港大鹿岛人工鱼礁调查研究

2016年6月,使用双频识别声呐Aris-1800对东港大鹿岛海域内的人工鱼礁进行调查研究,分别采用走航式和定点式观测方法对M型人工鱼礁进行多角度连续观测,对其水下形态特征,鱼类和浮游动物的数量分布的动态变化规律进行了分析,结果表明,使用双频识别声呐对人工鱼礁的水下整体状态进行观测是可行的。声学方法和钓具采样方法相结合,较为客观、全面的反映了礁区水域内生物资源的数量、空间分布和生态行为变动情况,为今后声学方法在人工鱼礁海洋牧场规划建设和效果评估等方面的研究提供了理论基础和科学依据。     

泵喷推进水下滑翔机尾舵设计及仿真分析

泵喷推进水下滑翔机是在传统浮力驱动型水下滑翔机基础上配置泵喷推进器发展而来的一种混合驱动型水下滑翔机。为了提高其机动性,泵喷推进水下滑翔机采用尾舵式结构设计方案。采用数值仿真方法,针对尾舵翼型、展弦比、后掠角、舵轴位置等相关参数开展研究,完成了尾舵水动力结构设计。利用动力学仿真方法,对比分析了泵喷推进水下滑翔机与同尺度下横滚式水下滑翔机的转向性能,仿真结果表明： 尾舵式结构的转向性能明显优于横滚式。     

水下滑翔机的中尺度涡观测方法

设计了一种水下滑翔机对中尺度涡进行水文学、运动学原位观测的方法,以航行过程与观测过程分离为原则。在硬件改进上,为水下滑翔机安装加速度传感器,用于测量水下滑翔机的运动加速度,特别是中性悬停时随着水体运动的加速度,加速度积分计算得到运动速度。在观测方法上,通过海表高度异常资料判断待测中尺度涡的位置、范围和移动方向,利用2台水下滑翔机分别在中尺度涡移动方向和移动方向法向的路径上做正交路径的剖面观测,进行中尺度涡的温盐测量;对温盐测量结果进行即时分析,得到上均匀层、强跃层、下均匀层的位置,控制4台水下滑翔机在这些水层中性悬停,做无滑脱随流运动,进行同步针对性观测。论述了浮力的精确控制方法、由水下滑翔机随流运动速度推导海流速度的过程。本方法不仅测量中尺度涡的温盐分布,还对中尺度涡的三维结构做系统的运动学观测,对中尺度涡观测技术的发展具有重要意义。     

浅海型水下滑翔机技术研究现状分析

美国Teledyne Webb Research公司按照型号系列化、结构模块化和测量多样化的设计思路研制水下滑翔机,其Slocum 200浅海型和Slocum 1000深海型水下滑翔机在海洋环境观测领域具有广泛的客户需求。文中以200 m浅海型和1 000 m深海型两款水下滑翔机为例,详细对比了两者的技术特点,并在此基础上阐述了两者各自适用的海洋环境观测应用范围,两者优势互补,难以取代对方。浅海型水下滑翔机具有锯齿剖面密度大、折返机动性高和平均前向速度快的特点,适合在近海岸、陆架坡折和深海温跃层等区域对高时空变率海洋现象进行观测。近几年,我国深海型水下滑翔机技术取得了惊人进步,同时,我国浅海型水下滑翔机技术也在快速发展,这对推动我国海洋环境监测业务水平的提升意义重大。     

混合驱动自主潜航器续航能力分析

混合驱动自主潜航器融合了自主潜航器机动灵活和水下滑翔机续航能力强的优点,针对自身携带能源有限的问题,对在两种工作模式下如何实现最大航行距离进行了研究.从航行过程中的能源消耗入手,得出航行距离与速度、电子设备功率等的关系,通过理论分析和仿真手段得出最大续航能力的实现方法.在螺旋桨驱动模式下,当以经济航速航行时,可以达到最大航行距离;在浮力驱动模式下,当以最大滑翔效率航行时,水平方向上的滑翔距离最大,并且水平方向上的滑翔距离随着剖面深度的增大而增大,当剖面深度大到一定程度之后,最大滑翔距离趋于恒定.该研究方法可为类似水下航行器电源管理系统的能源分配提供参考,也可为航行器外形的设计和传感器的选型提供理论指导.     

Development of a deep ocean electric autonomous manipulator

This paper describes an underwater 3500 m electric manipulator (named Huahai-4E,stands for four functions deep ocean electric manipulator in China),which has been developed at underwater manipulation technology lab in Huazhong University of Science and Technology (HUST) for a test bed of studying of deep ocean manipulation technologies.The manipulator features modular integration joints,and layered architecture control system.The oil-filled,pressure-compensated joint is compactly designed and integrated of a permanent magnet (PM) brushless motor,a drive circuit,a harmonic gear and an angular feedback potentiometer.The underwater control system is based on a network and consisted of three embedded PC/104 computers which are used for servo control,task plan and target sensor respectively.They communicate through User Datagram Protocol (UDP) multicast communication in Vxworks OS.A supervisor PC with a virtual 3D GUI is fiber linked to underwater control system.Furthermore,the manipulator is equipped with a sensor system including a unique ultra-sonic probe array and an underwater camera.Autonomous grasp strategy based multi-sensor is studied.The results of watertight test in 40 MPa,joint’s efficiency test and autonomous grasp experiments in tank are also presented.     

面向海洋观测的长续航力移动自主观测平台发展现状与展望

南海拥有丰富的渔业资源,其中南海中南部大洋性、上升流区域更是具有很大的开发潜力和商业价值.西沙群岛位于南海中部,是我国海南省三沙市的重要组成部分之一.西沙群岛及其附近海域气候条件优越,拥有丰富的海洋渔业、海洋植被和油气矿藏等海洋资源,其中又以渔业资源的开发潜力最大.在南海问题近年来显著升温的背景下,通过推动加大南海特别是西沙海域的渔业资源开发力度,妥善处理南海争议、更好地维护我国南海主权权益,具有重要的现实意义和深远影响.     

Nonlinear path-following control of an AUV

A new type of control law is developed to steer an autonomous underwater vehicle (AUV) along a desired path. The methodology adopted for path-following deals explicitly with vehicle dynamics. Furthermore, it overcomes stringent initial condition constraints that are present in a number of path-following control strategies described in the literature. Controller design builds on Lyapunov theory and backstepping techniques. The resulting nonlinear feedback control law yields convergence of the path-following error trajectory to zero. Simulation results illustrate the performance of the control system proposed.     

自主水下机器人水下接驳插拔传输与无线感应传输研究现状及对比分析

水下对接传输技术作为自主水下机器人（autonomous underwater vehicle,简称AUV）水下能源补给及数据传输的重要方式,受到国内外的重点关注,目前采用的水下对接传输方式主要分为接驳插拔传输及无线感应传输。在探究国内外AUV水下对接研究概况的基础上,归纳、总结以上两种传输方式的研究现状,分析对比其在对接传输效率、发展限制因素、对接控制技术等方面的区别。通过分析发现,接驳插拔传输在传输效率及功率方面具备优势,无线感应传输则具有更高的简易性、经济性。此发现为不同作业需求下传输方式的选择提供了基础。通过技术发展限制因素对比得出,在未来技术发展方向上,接驳插拔传输技术需提升系统稳定性、灵活性及费效比,无线感应传输需解决能量损耗、系统鲁棒性及涡旋损耗等问题。对两种传输技术未来发展前景及方向的预测,能够为AUV水下传输的发展提供重要参考。     

Dynamic modeling and motion simulation for a winged hybrid-driven underwater glider

PETREL,a winged hybrid-driven underwater glider is a novel and practical marine survey platform which combines the features of legacy underwater glider and conventional AUV (autonomous underwater vehicle).It can be treated as a multi-rigid-body system with a floating base and a particular hydrodynamic profile.In this paper,theorems on linear and angular momentum are used to establish the dynamic equations of motion of each rigid body and the effect of translational and rotational motion of internal masses on the attitude control are taken into consideration.In addition,due to the unique external shape with fixed wings and deflectable rudders and the dual-drive operation in thrust and glide modes,the approaches of building dynamic model of conventional AUV and hydrodynamic model of submarine are introduced,and the tailored dynamic equations of the hybrid glider are formulated.Moreover,the behaviors of motion in glide and thrust operation are analyzed based on the simulation and the feasibility of the dynamic model is validated by data from lake field trials.     

自主水下航行器的软变结构控制

研究自主水下航行器系统的软变结构控制策略问题。首先分析软变结构控制系统的结构特征,利用双曲正切函数,给出控制受限情形的软变结构控制策略。其次利用Lyapunov稳定性理论,讨论自主水下航行器软变结构控制系统的稳定性,然后构造了基于双曲正切函数的软变结构控制器,给出自主水下航行器软变结构控制的具体算法。基于双曲正切函数的自主水下航行器软变结构控制系统调节精度高,响应速度快,有效地削弱了系统抖振。最后通过一个仿真实验,比较了自主水下航行器垂直深度通道的4种控制策略对系统性能的影响,从而验证了研究方法的有效性。     

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。     

小型水下自航行平台控制体系开发

以小型、经济、易扩展为目标,采用模块化设计思想,开发了一种基于CAN总线的递阶一分布式水下自航行平台控制系统,并重点考虑了安全可靠性,对各节点负载进行了优化分配。实际应用表明,该控制系统结构简单、性能可靠、传输率高,能够满足平台工作环境复杂多变的要求。     

水下滑翔机器人系统研究

水下滑翔机器人是一种新型的水下机器人,可以作为水下监测平台用于大范围、长时间的大尺度海洋环境监测作业。文中调查了水下滑翔机器人的国内外发展现状,分析了其可能的应用领域。详细介绍了中国科学院沈阳自动化研究所开发的水下滑翔机器人系统,包括载体外形优化设计、载体结构设计和控制系统设计。分析了水下滑翔机器人定常滑翔运动和空间螺旋会转运动的运动性能。