水下滑翔器的运动建模与分析

介绍了水下滑翔器的工作机理，对其沉浮阶段的滑翔过程进行了动力学分析，推导了滑翔器在垂直剖面上的动力学方程。论文深入分析了水下滑翔器稳态时的运动规律，以水下滑翔器试验模型为例，推导了其稳态运动参数，通过线性化与适当的简化，得到模型在垂直剖面上的运动状态方程，讨论了系统的可控性与可观测性，为水下滑翔器系统的开发设计和控制提供了理论依据，具有重要的指导意义。     

新型无尾翼水下滑翔器升阻比性能的研究

采用标准k-ε两方程涡粘性模型,压力的隐式算子分割算法(PISO)求解时均Reynolds方程(RANS),对三种新型无尾翼水下滑翔器的升阻比性能进行研究。先对滑翔器摩擦阻力的CFD模拟结果与理论计算结果进行对比分析,验证CFD模拟结果的合理性与可靠性;再对不同迎流速度、不同速度攻角下的试验工况进行数值模拟,分析不同试验工况下滑翔器的粘压阻力与升力,得到不同试验工况下滑翔器的升阻比性能。研究结果表明,新型无尾翼水下滑翔器在5°~15°攻角区间内具有良好的升阻比,小攻角下圆碟型和飞碟型滑翔器的升阻比性能优于椭圆型滑翔器,而大攻角下椭圆型滑翔器相对其它两种具有更佳的升阻比性能,为新型无尾翼水下滑翔器升阻比性能的研究提供一定的思路。     

基于GPS的水下导航算法误差仿真研究

首先介绍了水下导航算法,采用GPS和水下参量测算相结合的方案,即当运行器在水下运行时,利用电子罗盘测量运行器的相对航向,水流传感器测算运行器的相对速度大小,利用学习阶段计算出海水流速,在水下运行器潜行时进行船位推算导航,用GPS精准的定位信号进行导航误差的校正。此算法精度的高低很大程度上取决于用来进行水下参量测算的传感器和用来方位校准的GPS。文中从各个传感器的误差着手,通过模拟仿真详细分析了电子罗盘、水流传感器和GPS的误差对导航精度的影响,对工程应用具有实际的指导意义。     

基于自抗扰的双环路UUV航向角控制方法

针对水下无人航行器（UUV）受到海流海浪等外部扰动与内部模型不确定导致航向角控制品质下降的问题,提出一种基于自抗扰（ADRC）的双环路航向角控制方法。首先,建立了 UUV 的六自由度动力学、运动学模型与水平面动力学模型。然后,设计了一种非线性控制器,将自抗扰控制与双控制环路相结合, 针对系统航向控制所受内部与外部等非线性因素的影响,采用扩张状态观测器对“总和”扰动进行观测与补偿。 在采用自抗扰控制的航向角反馈控制回路的基础上,增加航向角速度内环,降低系统对扰动的灵敏度,改造被控对象的传递函数,为外环路提供良好的被控对象模型。最后,通过仿真实验验证了该控制方法的有效性。     

水下滑翔器浮力驱动机构布局分析

水下滑翔器是一种新型海洋测量平台,它采用浮力驱动方式,并依靠调整重心实现姿态控制.文中从研究水下滑翔器纵垂面内滑翔运动的平衡状态入手,通过对将浮力驱动机构布置在滑翔器的艏部和艉部时的平衡状态受力进行对比分析,指出将浮力驱动机构布置在艏部可以有效缩短重心调节重物的移动距离.并分析了两种布局方式的优缺点,为水下滑翔器的结构设计和控制系统设计提供了参考.     

一种基于水天线观测的舰船姿态确定算法

利用鱼眼相机对水天线成像实现舰船姿态解算,为海上天文导航提供水平基准。引入两个欧拉角作为姿态参数,提出一种基于高度角约束的水天线拟合算法,推导了详细的公式。采用实测水天线数据对该算法与基于半视场角约束的水天线拟合算法比较分析,结果表明该算法可有效解算舰船姿态,此外,其对参数初值要求更低,且在参数解算内符合精度和鲁棒性上均有所提升。     

基于倒置声学基阵的INSUSBL组合导航算法研究

文中关注水下潜航器导航定位时,电磁波传播途径中能量衰减、惯导系统长航时积累误差以及提高水下潜航器定位精度等问题。基于倒置的超短基线声学基阵,分析声波往返传播时间(RTT)、平面波近似方法和USBL导航解算方法及其坐标转换过程,结合INS误差方程,建立INS/USBL松组合模型。为进一步提高系统精度、动态性能和抗干扰性,考察USBL的原始斜距、斜距差以及声学基阵的空间分布信息,提出基于USBL原始输出信息的INS/USBL紧耦合组合导航方法。通过MATLAB仿真对导航算法进行验证,结果表明两种算法能充分抑制纯惯导误差随时间积累问题,且有效地估计出姿态、速度和位置误差角;其中紧耦合方法状态估计误差最小,导航参数精度相对松组合提高30%以上,对于提高水下载体导航定位精度、海洋探测具有重大意义。     

水下滑翔器整体外形设计及水动力性能分析

对水下滑翔器的整体外形设计与水动力性能进行研究。在Slocum等几种典型水下滑翔器样机的基础上,对滑翔器的主体和附体进行一体化设计,得到阻力最小的新型水下滑翔器构型设计。利用CFD方法对水下滑翔器进行模拟仿真,通过分析对比五种主体构型,得到了比较合理的主体线型,然后用正交设计方法和曲线拟合法对附体进行了优选工作,最后得到了性能更优的整体载体外形。模拟仿真实验表明,滑翔器在8°左右攻角航行时,具有最大的升阻比;和Slocum等经典样机相比,新的载体具有更好的水动力性能。通过上述研究工作,也可以缩短水下滑翔器研制周期,降低设计成本,并为水下滑翔器的更优设计提供了有力的技术指导和参考。     

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。     

基于实航数据的定常海流动力学模型验证评估

水面水下无人系统的运动控制、航路规划算法设计和仿真中均需要考虑海流影响,定常海流动力学模型应用最为广泛。该模型基于流体力学原理简化推导得到,缺乏验证试验支撑其可信度和准确度。针对这一问题,设计了一种验证试验。试验中记录海流信息和无人潜航器多个航向的实航试验数据,同时设计具有与实航试验相同海流工况的半实物仿真对比试验。最后将实航数据与半实物仿真试验数据对比,对定常海流动力学模型的准确性进行了评估。     

水下滑翔机纵垂面运动姿态分析

在水下滑翔机的设计过程中,为了能够预先估计其水动力特性和操纵特性,避免大量的约束模型实验,需要建立动力学模型以仿真分析水下滑翔机的动力学行为。动力学建模是研究水下滑翔机水动力特性的理论基础,是运动控制的分析依据。通过软件来模拟滑翔机上浮/下潜平衡状态的姿态,并对其进行受力分析得出此姿态对应的理论俯仰角,与实验数据进行了对比,结果基本吻合,为水下滑翔机的设计与控制提供了参考。     

基于水舱结构的UUV平衡液位算法研究

为了解决装配水舱的水下无人航行器在出航前,需人为通过调节水舱液位,使航行器处于零浮力状态的不便捷性问题,提出一种可以自动调整航行器平衡液位的方法。结合航行器自身水舱结构,通过 PID 算法将航行器的姿态信息和水舱液位信息进行整合,调节水舱水量实现航行器密度近似于当前水域密度,寻找满足航行器零浮力平衡姿态下的水舱液位。通过 MATLAB 仿真分析,该算法可以实现自主调节平衡液位的目的。     

扁平型水下滑翔器水动力特性及滑翔性能研究

续航力与水平速度均是水下滑翔器的重要性能指标。采用单位重量滑翔器、单位水平速度所耗功率作为滑翔效率的评价指标，以一新型扁平型水下滑翔器为研究对象，利用 CFD 计算结合模型试验验证的方法获取了所需的流体动力系数，然后进行了滑翔运动分析及垂直面滑翔运动仿真计算，得到了最优滑翔运动参数。 建立的滑翔性能计算方法对扁平型水下滑翔器水动力性能设计及滑翔运动参数优化有着重要的应用价值。     

异构滑翔器水声通信技术研究现状和发展趋势

水下滑翔器和波浪能滑翔器由于其低能耗、长航时、灵活机动的特点,被广泛应用于海洋观探测任务中。单一滑翔器无法满足海洋任务多样性、复杂性的需求,借助水声通信技术可将水下滑翔器和水面波浪能滑翔器的优势相结合,构成异构体滑翔器编队体系结构,建立跨介质信息传输链路,扩展滑翔器的作用范围和监测能力。简要介绍了水声通信技术的研究现状、常用算法及其优劣,综述了异构体滑翔器水声通信技术研究与应用国内外现状,探讨了异构体滑翔器水声通信技术难点和未来研究趋势。对异构体滑翔器水声通信和组网的研究与应用具有重要价值。     

一种改进的捷联惯导二位置初始对准方法

为了提高捷联惯导初始对准的收敛速度,在速度观测的基础上,引入角速度融余观测量,得到一种改进的双位置初始对准模型。推导并比较了在导航坐标系与载体坐标系内的角速度观测方程,尽管二者在理论上是等价的,但前者具有线性、计算量少等优点。根据改进的模型,设计了Kalman滤波算法。仿真验证表明,采用新方法后,系统状态,特别是航向角误差和垂向陀螺零偏的收敛速度得到了显著提高,航向角误差的估计精度在捷联惯导转向完成后,即第40s快速收敛到1'以内。     

基于模糊神经网络理论对水下拖曳体进行深度轨迹控制

以华南理工大学开发的自主稳定可控制水下拖曳体为研究对象,首先通过水下拖曳体在拖曳水池样机中的试验取得试验数据后作为训练样本,采用LM BP算法,建立基于神经网络理论构建的可控制水下拖曳体轨迹与姿态水动力的数值模型。在此基础上设计了一个控制系统,它主要由两部分组成:基于遗传算法的神经网络辨识器和基于模拟退火改进的遗传算法的模糊神经网络控制器。以满足预先设定的拖曳体水下监测轨迹要求为控制依据,由控制系统确定为达到所要求的运动轨迹而应采用的迫沉水翼转角,以此作为输入参数,通过LM BP神经网络模型的模拟计算预报在这一操纵动作控制下的拖曳体所表现的轨迹与姿态特征。数值模拟计算结果表明:该系统的设计达到了所要求的目的;借助这一系统,可以有效地实现对拖曳体的深度轨迹控制。     

水下滑翔机器人运动分析与载体设计

水下滑翔机器人是一种新型水下机器人,具有噪声低、航行距离远、续航时间长、成本低等特点。分析了水下滑翔机器人的驱动机理和运动实现,给出了水下滑翔机器人典型运动的仿真结果,并以正在设计的一水下滑翔机试验样机为研究对象,描述了样机的整体结构布局,详细研究了浮力调节机构、俯仰调节机构和横滚调节机构的实现方法,并就样机中各执行机构的设计实现进行了论述。     

立式翼型主体拖曳式水下潜器的设计及操纵性能

针对现有拖曳式水下潜器控制机构复杂、航向与姿态不容易稳定的缺陷,提出和设计了一种具有航向与姿态稳定的多自由度可控制拖曳式水下潜器样机。该样机主要由鱼雷状浮体、固定水平主翼、转角可控制襟翼、立式翼型主体等部分组成,潜器的深度控制通过控制襟翼的偏转来诱导固定水平主翼攻角的改变来实现;潜器的横荡运动操纵以通过控制两个作为转艏控制器的导管螺旋桨的转向与转速、诱导立式翼型主体产生诱导力矩使其产生横向偏转来进行。文中所提出和设计的样机具有运动过程中自我稳定能力强、航向稳定性好、控制机构简单并具有较高实用价值的特点。     

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。     

基于非线性滤波的水下地形辅助导航方法

为了解决水下航行器惯性导航误差随时间积累问题,利用地形辅助导航技术进行导航位置修正。由于水下地形的非线性,对基于扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)和粒子滤波(PF)3种非线性滤波方法的水下地形辅助导航算法进行研究。针对传统基于单波束声纳量测模型在小起伏地形区域导航精度低、易发散问题,从提高量测地形信息量角度,建立了基于多波束测深声纳的量测模型。使用多波束实测地形数据进行仿真试验,结果表明:无论在粗糙地形区域还是较平坦地形区域,多波束量测模型有效缓解了3种方法易发散问题,提高了导航精度。