水下发射超空泡射弹对UUV平台姿态影响分析

超空泡射弹武器能够突破普通射弹水中运动极限，有效打击水雷等水下目标。针对水下发射超空泡射弹武器的平台适应性开展了初步研究，建立了超空泡射弹武器及 UUV 搭载平台仿真模型，计算分析了水下超空泡射弹武器在不同方位、不同角度发射时 UUV 平台姿态角的变化，得到了水下发射超空泡射弹对 UUV 平台姿态的影响规律，为水下超空泡射弹武器系统及其平台适配性研究提供了依据。     

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。     

海洋水下作战仿真系统的设计研究

水下作战对抗已经成为信息化海战的重要方面,但水下战场的特殊性和复杂性使对水下作战对抗的论证评估、演示分析和实验研究等都面临着更多的困难,设计研究水下作战仿真系统,对于水下作战对抗体系构成的验证、水下作战对抗模式的演示以及对抗效能分析和关键技术发展导向等都具有重要价值。在水下作战对抗的应用背景下研究设计了水下作战仿真系统,分析了系统的总体架构,重点从节点对象类、节点运动模式属性类以及功能属性类等方面对系统的模型体系进行设计,给出了系统的接口关系设计和驱动机制实现,仿真实例表明系统并能够为水下作战提供有效的论证评估手段和演示分析研究平台。     

基于柔顺机构的双驱动仿生水母设计

水母以其高效的运动性能和灵活的感知功能,近年来在仿生学领域受到了广泛关注,可广泛应用于海洋探测和环境治理等领域。基于仿生学原理,从模拟水母的运动特性和趋光功能的角度出发,提出了一款双驱动的仿生水母,通过基于柔性机构的仿生鳍条实现水中扑动推进,通过基于管状折纸机构实现水下喷射推进,通过双驱动结构的协同驱动设计,有效提升水母推进效率。实验结果表明：双驱动模式下的仿生水母推进效率更高,摆动推进和喷射推进的最大推进力之比约为 2.7︰1,最大运行速度可达 100 mm/s,能够实现灵活的水下全向运动。模拟水母趋光特性,结合机器学习算法构建趋光控制系统,能够实现水下的趋光运动。     

AUV重力测量的运动加速度建模及平台优选

针对适合捷联式重力仪的AUV搭载平台的选型问题,基于国内AUV实际航行数据,分析了多推进器组合、推进器和浮力舱组合、推进器和鳍舵组合等3类AUV的定深航行运动特性;推导了AUV水下航行在3个坐标轴方向上对重力仪产生的运动加速度计算公式,得到运动加速度与AUV水下6个自由度运动要素的解析表达式;基于运动加速度分析,讨论了适用于水下移动重力测量的AUV平台和推进装置设计,进行了AUV搭载平台的优选,并给出了重力仪安装位置建议;选定的AUV实验平台实施移动重力测量验证试验重复线精度达到0.42mGal,验证了搭载平台优选的有效性。     

深海机器人视景仿真系统研究

以载人深潜器的各种水动力参数和实际尺寸为基础,根据几何空间坐标方程建立了其运动学模型,采用MultiGen公司的Creator建模工具和Vega视景环境完成了在深海虚拟环境下的系统仿真。该系统可以实现深海机器人的可视化,更加直观、生动和实时的反映其位姿状态和水面、水下巡航过程。该系统实际应用在中国科学技术馆深海机器人展馆项目上,一方面展示载人深潜器的水下工作过程,同时也使得观众有机会亲身体验潜水器的操纵与驾驶。实际运行结果表明,该系统逼真地演示了载人深潜器水面备航、无动力下潜以及近海底巡航等仿真过程,能够满足系统仿真的实时性要求。该系统还可以应用到深海环境模拟研究、水下机器人运动仿真、控制系统调试以及操纵驾驶训练等中。     

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。     

温差能驱动的水下滑翔器设计与实验研究

论文设计开发了一种新型的温差能驱动的水下滑翔器,并对它做了水域实验研究。文章讨论了温差能驱动的滑翔器运动机理及其在垂直剖面的运动分析,得到稳态运动的参数解。结合能够把水域温差能转变为机械能的热机设计以及滑翔器的主要机械结构和控制硬件系统设计,完成了滑翔器的初步设计与开发。滑翔器在千岛湖进行了水域实验,实验结果表明,此水下滑翔器完全能够利用温差能实现预定的滑翔运动。     

数据驱动的水下潜航器在线建模及运动控制技术

面向未来高机动水下潜航器对精确运动控制的需求,考虑到现有控制方法所面临的动态跟踪能力差、耦合系统控制精度低等不足,研究基于模型的控制方法。水下潜航器水动力非线性强、建模困难,研究了数据驱动的水下潜航器运动建模方法,可实现对潜航器未来运动的长时精确预报。面向微小型水下潜航器难以安装声学测速及推进器转速测量装置,研究了无声学传感信息下线速度多步预报技术,仅需惯导数据及推进器、舵角控制信号,实现对不同航次线速度长时精确预报。基于该建模方法,研究了水下潜航器 MPC 及基于模型的强化学习运动控制技术,基于仿真平台及无人机实物平台验证了控制方法的有效性。     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

20kg级便携式自主水下机器人(AUV)设计与实现

便携式AUV具有结构紧凑、机动性好、制造和使用成本低等优点,本文设计AUV的底层控制系统和自主导航系统,并进行仿真验证和人工湖试验,结果证明底层控制系统具有很好的鲁棒性,基于AHRS、数字罗盘和GPS的惯性导航算法能够通过浅水节点潜航方式实现AUV自主导航。     

Stability Analysis on Speed Control System of Autonomous Underwater Vehicle

The stability of the motion control system is one of the decisive factors of the control quality for Autonomous Underwater Vehicle (AUV).The divergence of control,which the unstable system may be brought about,is fatal to the operation of AUV.The stability analysis of the PD and S-surface speed controllers based on the Lyapunov' s direct method is proposed in this paper.After decoupling the six degree-of-freedom (DOF) motions of the AUV,the axial dynamic behavior is discussed and the condition is deduced,in which the parameters selection within stability domain can guarantee the system asymptotically stable.The experimental results in a tank and on the sea have successfully verified the algorithm reliability,which can be served as a good reference for analyzing other AUV nonlinear control systems.     

可着陆式水下机器人的多体动力学建模与仿真

可着陆式水下机器人由于变浮力机构的设计要求,其外形与结构较之传统的水下航行器更为复杂。在设计阶段对可着陆式水下机器人进行仿真和操纵性分析具有重要意义。文中采用多体系统动力学方法分析可着陆式水下机器人动力学特性,将作用在系统各组成部分上的流体动力、推进力以及其它作用力分别计算和考虑,建立了多体动力学模型,并进行了三维空间运动仿真。该方法为具有较复杂附体结构的水下机器人设计和动力学仿真提供了有效途径。     

Three-dimensional visualization of mission planning and control forthe NPS autonomous underwater vehicle

The Naval Postgraduate School (NPS) is constructing a small autonomous underwater vehicle (AUV) with an onboard mission control computer. The mission controller software for this vehicle is a knowledge-based artificial intelligence (AI) system requiring thorough analysis and testing before the AUV is operational. The manner in which rapid prototyping of this software has been demonstrated by developing a controller code on a LISP machine and using an Ethernet link with a graphics workstation to simulate the controller's environment is discussed. The development of a testing simulator using a knowledge engineering environment (KEE) expert system shell that examines AUV controller subsystems and vehicle models before integrating them with the full AUV for its test environment missions is discussed. This AUV simulator utilizes an interactive mission planning control console and is fully autonomous once initial parameters are selected     

Discrete-time quasi-sliding mode control of an autonomousunderwater vehicle

This paper presents a discrete-time quasi-sliding mode controller for an autonomous underwater vehicle (AUV) in the presence of parameter uncertainties and a long sampling interval. The AUV, named VORAM, is used as a model for the verification of the proposed control algorithm. Simulations of depth control and contouring control are performed for a numerical model of the AUV with full nonlinear equations of motion to verify the effectiveness of the proposed control schemes when the vehicle has a long sampling interval. By using the discrete-time quasi-sliding mode control law, experiments on depth control of the AUV are performed in a towing tank. The controller makes the system stable in the presence of system uncertainties and even external disturbances without any observer nor any predictor producing high rate estimates of vehicle states. As the sampling interval becomes large, the effectiveness of the proposed control law is more prominent when compared with the conventional sliding mode controller     

Robust control based on feedback linearization for roll stabilizing of autonomous underwater vehicle under wave disturbances

In the case of Autonomous Underwater Vehicle(AUV) navigating with low speed near water surface,a new method for design of roll motion controller is proposed in order to restrain wave disturbance effectively and improve roll stabilizing performance.Robust control is applied,which is based on uncertain nonlinear horizontal motion model of AUV and the principle of zero speed fin stabilizer.Feedback linearization approach is used to transform the complex nonlinear system into a comparatively simple linear system.For parameter uncertainty of motion model,the controller is designed with mixed-sensitivity method based on H-infinity robust control theory.Simulation results show better robustness improved by this control method for roll stabilizing of AUV navigating near water surface.     

On-line learning control of autonomous underwater vehicles usingfeedforward neural networks

A neural-network-based learning control scheme for the motion control of autonomous underwater vehicles (AUV) is described. The scheme has a number of advantages over the classical control schemes and conventional adaptive control techniques. The dynamics of the controlled vehicle need not be fully known. The controller with the aid of a gain layer learns the dynamics and adapts fast to give the correct control action. The dynamic response and tracking performance could be accurately controlled by adjusting the network learning rate. A modified direct control scheme using multilayered neural network architecture is used in the studies with backpropagation as the learning algorithm. Results of simulation studies using nonlinear AUV dynamics are described in detail. The robustness of the control system to sudden and slow varying disturbances in the dynamics is studied and the results are presented     

Maneuvering modeling and simulation of AUV dynamic systems with Euler-Rodriguez quaternion method

The purpose of this study is to develop maneuvering models and systems of a simulator to improve the motion performance of autonomous underwater vehicles (AUVs) at the preliminary design stages in advance. The AUVs simulation systems based on the standard submarine equations of motion in six-degree-of-freedom (6-DOF) integrated with the Euler-Rodriguez quaternion method for representing singularity-free AUV attitude and time-saving calculation, and with a nonlinear control model for maneuvering and depth control simulations, time-marching in the fourth-order Runge-Kutta scheme. For validation of the simulation codes, results of the ISiMI AUV open-loop tests including turning test and zigzag test as well as an AUV simulator on the basis of Euler-angle method were used to compare with the quaternion-based AUV simulator. The computational results from the proposed simulator agree well with those from both the ISiMI AUV experiments and the Euler-angle based simulations. Additionally, a new maneuvering procedure, namely "put-out" was implemented to test directional stability for a large-scale AUV in the proposed AUV simulator that can be considered for vehicles in space as well as in constrained planes.     

水下机器人推力器布置及控制仿真研究

针对自治水下机器人(Autonomous underwater vehicle,AUV)推力器布置和控制仿真的困难性及以往电机仿真难以进行的缺点,提出1种进行多推力器运动仿真的方法,该方法建立的模型克服了推力器推力控制系统不能与电机结合的问题,能较好地反映推力器布置和电机的响应情况,可为AUV的运动控制、布置设计及控制系统开发等提供验证模型.针对流线型AUV CRanger-2的推力器布置情况,在对其建立推力器模型的基础上,利用模型对设定推力下的推力器控制进行仿真.仿真结果表明:该方法能够有效地模拟推力器布置既定情况下的电机运动与推力控制,可为水下机器人控制策略优化提供仿真平台.     

水下机器人运动的S面控制方法

由于水下机器人的强非线性以及系统存在不确定性，同时考虑到港湾环境下水声的噪声大，因此，水下机器人进行精确作业时的运动控制一直是其实用化过程中困扰人们的问题，通常水下机器人的控制方式有PID控制器，神经网络控制器和模糊逻辑控制器三种，但是，由于这三种方法在实际应用中都存在一些参数难以确定的缺陷，为了解决这一问题，本文从模糊逻辑控制方式出发，借鉴PID控制的结构形式，推导出一种全新而简单有效的控制方法，定义为S面控制法，从水下机器人的水池试验和海上实验来看，不论是定点的控制精度还是运动过程中的控制效果都较令人满意，尤其是在风浪，潮流都比较大的海上实验中得到验证，鲁帮性很好。