载人潜水器运行管理机制探析

为了探索深海,不同类型的深海运载装备得以成功开发,并应用于深海科学、资源勘探开发、工程保障及战略安全等不同领域。深海运载装备可以分为载人潜水器(HOV)、遥控深潜器(ROV)、自治式深潜器(AUV)及混合型深潜器,其中以载人潜水器为代表的高技术装备群成为建设海洋强国的重要保障力量。文章对美国"阿尔文"号、俄罗斯"和平I"号和"和平II"号、日本"深海6500"号、法国"鹦鹉螺"号、中国"蛟龙"号载人潜水器运行管理机制进行了阐述,综合比较其优缺点,提出了建立职业化运行保障队伍、优化作业流程,创新组织结构、探索多型潜水器海上作业模式等运行管理机制构架的建议。     

深海ARV在海洋资源调查中的应用及展望

深海自主/遥控式水下机器人（ARV）作为新兴的复合型水下机器人,融合了自主式水下机器人的灵活性和遥控式水下机器人的人机交互性等优势,开启了自主与遥控混合作业的新模式。深海ARV可切换为AUV自主航行模式,独立采集周边区域近海底地形地貌、地质结构以及环境参数等数据,也能下潜至目标区域后切换为ROV遥控模式进行局部观察和采样操作,其探测作业一体化技术代表了具备复杂使命执行力的第三代深海水下机器人的发展方向。通过分析国内外深海混合型水下机器人的发展现状,结合ARV在中国深海矿产资源调查中的主要应用案例和取得的成果,以6 000米级“问海一号”ARV系统的研发为例,给出其关键技术集成以及面对的技术挑战,并对未来深海ARV的应用场景、功能集成和发展方向提出了一些设想和建议。     

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。     

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。     

大深度近海底精细地形地貌探测技术

船载低频多波束测深声纳、侧扫声纳可以对深海海底地形地貌进行快速、高效、大面积探测,但其测量精度有限,难以满足深海科学考察、资源勘探开发对高精度海底地形地貌的需求。随着各类大深度水下移动载体(如深海拖体、水下机器人、遥控潜器和载人潜水器)的涌现,特别是各类耐高压测绘声纳的商业化,使大深度近海底精细地形地貌探测成为可能。首先分析了多波束测深声纳、侧扫声纳和测深侧扫声纳等3种测绘声纳的基本原理,然后分别介绍了各类测绘声纳的国内外典型商业化产品,并通过典型实例分析了其在大深度近海底精细测绘中的应用情况。     

90年代深潜器技术最新进展

深潜器技术是海洋高新技术。利用深潜器可以在海洋深处直接进行海洋生物、物理、化学和地质等科学考察活动,并可勘探深海地形地貌,采集海底样品,支持海洋开发利用。近年来的新发展是:无人遥控潜器逐渐代替有人潜器,无人无缆潜器向大深度发展,并出现了智能型潜器和仿生学潜器。 1 大深度无人潜器 日本继“深海6500”载人潜器下水之后,又     

多水下机器人系统水动力计算的多线程实现

介绍多水下机器人(UUV)数字仿真平台的硬件结构以及单体UUV和多UUV系统的水动力计算流程,在此基础上利用Windows多线程技术实现多UUV的水动力计算,该方法已经用于多UUV数字仿真平台虚拟环境节点的设计中.系统仿真实验表明该方法设计的应用程序具有良好的执行效率和实时响应能力,为以后多UUV半物理仿真平台的水动力计算和实体多UUV系统水动力系数的验证奠定了基础.     

当今深海运载系统发展概况

20世纪70年代以来,随着高新技术的发展,日本、法国、美国、俄罗斯等国的载人深潜器和无人深海探测器技术发展很快,技术功能不断更新,先后研制建造了一批先进的探测装置和各种类型的深海运载器,     

一种新概念潜浮平台操纵性仿真研究

新概念潜浮平台是一种全新的船型,在建造实船之前对其操纵性能进行全面评估非常重要.首先在模型操纵性试验和理论分析的基础上建立考虑波浪干扰力和力矩作用的平台操纵运动数学模型,并用Simulink建立图形化的动力学仿真程序.基于该程序对水面和水下各种操纵情况进行仿真和分析,并就平台在波浪中的操纵性进行研究.仿真结果表明该平台具有良好的操纵性能,从而验证了设计,并为今后运动控制系统的设计提供了一个验证平台.     

深海采矿机器人行走液压系统特性研究

针对深海采矿机器人"鲲龍500"行走液压系统,建立深海采矿机器人行走液压系统理论模型,分析深海高压和低温环境对油液特性影响,并基于AMESim软件平台,建立深海采矿机器人行走液压系统数值模型,研究了0～6 000 m不同作业深度下的行走液压系统泵和马达的动态特性,以及在6 000 m水深时不同牌号液压油和行走启动特性对其行走性能的影响,对比分析了深海采矿机器人水池行走试验和500 m海底行走试验的行走泵的输出压力与流量曲线与其数值模拟曲线。研究表明,随着超过1 000 m作业水深的增加,深海行走液压系统的动态响应性能和稳定性显著降低,通过减小行走输入电压斜坡斜率和减小控制电压可以提高行走液压系统的稳定性,并通过试验验证了行走液压系统数值建模与仿真的正确性,为深海液压系统研究提供理论基础。     

履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。     

基于预应力钢丝缠绕技术的深海超高压试验装置研制与应用

深海超高压环境模拟试验装置是深海关键技术与装备研究中必不可少的测试装置。采用传统的一体式压力筒研制大直径、超高压试验装置时难以克服应力集中的问题,安全性较低且造价昂贵。采用预应力钢丝缠绕技术研制的深海超高压环境模拟试验装置克服了其局限性,该装置是目前国内工作压力最高、可实现筒内环境数据监测且升降压自动控制的压力试验装置。文中简要介绍了该装置的系统组成及研制过程中主要关键技术问题及解决方法,最后介绍了典型实验应用,为深海超高压环境模拟试验装置的研制与应用提供参考。     

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.     

深海采矿潜在环境影响因素及监测技术体系研究

目前深海采矿潜在的生态环境影响引起来了广泛关注,文章针对工业化深海金属矿产资源开采潜在的环境影响监测评估需要,系统地总结了深海铁锰多金属结核、铁锰富钴结壳以多金属硫化物等主要深海资源的基本产状,分析了“物质迁移-羽流产生-声光电磁噪声-耗氧-有毒物质释放”等主流采矿工艺潜在的环境影响因素,基于深海采矿生态环境影响评估调查研究的技术需求,从实施深海采矿环境监测实验工程、建立深海重大装备系统、发展原位监测传感器等方面提出了深海采矿环境监测技术体系建设构架,以期为我国深海采矿生态环境监测保护技术发展提供借鉴。     

基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中,声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化,从而体现采矿车本身的运动,由此建立了一种声呐图像里程计,并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出了一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理,然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准,再结合声呐成像原理构建了声呐图像里程计运动模型,最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程、声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程,利用EKF（extended Kalman filter）算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补,具有一定的有效性和精确性,该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。     

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

通过构建中尺度涡的数学模型,利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算,进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下,中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示,暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果,使会聚区水平距离变大,深海声道深度方向上变宽;冷涡使会聚区上抬,距离变短,对声场散射现象明显。研究结果表明,涡旋环境条件下,声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响,对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。     

Mosaic-based navigation for autonomous underwater vehicles

We propose an approach for vision-based navigation of underwater robots that relies on the use of video mosaics of the sea bottom as environmental representations for navigation. We present a methodology for building high-quality video mosaics of the sea bottom in a fully automatic manner, which ensures global spatial coherency. During navigation, a set of efficient visual routines are used for the fast and accurate localization of the underwater vehicle with respect to the mosaic. These visual routines were developed taking into account the operating requirements of real-time position sensing, error bounding, and computational load. A visual servoing controller, based on the vehicle's kinematics, is used to drive the vehicle along a computed trajectory, specified in the mosaic, while maintaining constant altitude. The trajectory toward a goal point is generated online to avoid undefined areas in the mosaic. We have conducted a large set of sea trials, under realistic operating conditions. This paper demonstrates that without resorting to additional sensors, visual information can be used to create environment representations of the sea bottom (mosaics) and support long runs of navigation in a robust manner.     

基于深度学习的随船波浪测量技术研究

深海极端波浪环境为浮式海洋平台作业时最为关键的海洋动力环境之一。在其作用下,深海浮式平台的运动、气隙以及结构响应等均为近年来的研究热点。然而,在深海环境中,入射波浪环境往往通过X波段雷达进行测量,仅能获得波浪的短时统计值,极大限制了实海域浮动平台动力响应的研究。目前,尚无成熟的方法能够对海洋浮式平台所处海域的入射波时序进行实时测量。针对深远海半潜式平台的波浪时序随船测量问题,结合平台气隙响应与运动响应数据建立基于深层神经网络的波浪非线性解耦模型,准确估计辐射、绕射波浪以及其非线性成分对时序波浪场的影响。研究显示,基于深度神经网络的波浪时序测量技术可以实现从气隙响应到入射波信息的反推,利用该方法计算得到的波浪时序具有较高的精度。     

A Lagrangian particle random walk model for simulating a deep-sea hydrothermal plume with both buoyant and non-buoyant features

This paper presents a computational model of simulating a deep-sea hydrothermal plume based on a Lagrangian particle random walk algorithm. This model achieves the efficient process to calculate a numerical plume developed in a fluid-advected environment with the characteristics such as significant filament intermittency and significant plume meander due to flow variation with both time and location. Especially, this model addresses both non-buoyant and buoyant features of a deep-sea hydrothermal plume in three dimensions, which significantly challenge a strategy for tracing the deep-sea hydrothermal plume and localizing its source. This paper also systematically discusses stochastic initial and boundary conditions that are critical to generate a proper numerical plume. The developed model is a powerful tool to evaluate and optimize strategies for the tracking of a deep-sea hydrothermal plume via an autonomous underwater vehicle (AUV).     

LVP modeling and dynamic characteristics prediction of a hydraulic power unit in deep-sea

A hydraulic power unit(HPU) is the driving "heart" of deep-sea working equipment.It is critical to predict its dynamic performances in deep-water before being immerged in the seawater,while the experimental tests by simulating deep-sea environment have many disadvantages,such as expensive cost,long test cycles,and difficult to achieve low-temperature simulation,which is only used as a supplementary means for confirmatory experiment.This paper proposes a novel theoretical approach based on the linear varying parameters(LVP) modeling to foresee the dynamic performances of the driving unit.Firstly,based on the varying environment features,dynamic expressions of the compressibility and viscosity of hydraulic oil are derived to reveal the fluid performances changing.Secondly,models of hydraulic system and electrical system are accomplished respectively through studying the control process and energy transfer,and then LVP models of the pressure and flow rate control is obtained through the electro-hydraulic models integration.Thirdly,dynamic characteristics of HPU are obtained by the model simulating within bounded closed sets of varying parameters.Finally,the developed HPU is tested in a deep-sea imitating hull,and the experimental results are well consistent with the theoretical analysis outcomes,which clearly declare that the LVP modeling is a rational way to foresee dynamic performances of HPU.The research approach and model analysis results can be applied to the predictions of working properties and product designs for other deep-sea hydraulic pump.