深海载人潜水器潜航员培养模式探究

为了加快建立深海载人潜水器潜航员体系,实现深海载人潜水器业务化运行,提高我国载人深潜科考作业水平,文章结合"深海进入、深海探测、深海开发"战略需要,分析研究了载人潜水器作业环境、作业需求和潜航员岗位要求。提出了能力、知识、技能三位一体化的培养模式和基于专家系统课程设置架构,实践表明该培养模式科学、严谨,极大地推动了"蛟龙"号载人潜水器潜航员队伍的培育,对未来我国深海载人潜水器潜航员培养具有重要的指导意义。结合培训的实际情况,让潜航员培养工作顺利开展,提出构建科学的管理体制、完善潜航员培养保障机制、建立系统的制度保障制度等建议。     

Adaptive Neural Network Control with Control Allocation for A Manned Submersible in Deep Sea

This paper thoroughly studies a control system with control allocation for a manned submersible in deep sea being developed in China.The proposed control system consists of a neural-network-based direct adaptive controller and a dynamic control allocation module.A control energy cost function is used as the optimization criteria of the control allocation module,and weighted pseudo-inverse is used to find the solution of the control allocation problem.In the presence of bounded unknown disturbance and neural networks approximation error,stability of the closed-loop control system of manned submersible is proved with Lyaponov theory.The feasibility and validity of the proposed control system is further verified through experiments conducted on a semi-physical simulation platform for the manned submersible in deep sea.     

Study on the Overload and Dwell-Fatigue Property of Titanium Alloy in Manned Deep Submersible

China Ocean Engineering - With the rapid development of ocean technology, the deep-sea manned submersible is regarded as a high-tech equipment for the exploration and exploitation of ocean...     

大深度载人潜水器低速大漂角模糊滑模航向控制研究

通过模型试验测量大深度载人潜水器低速大漂角运动时所受到的非线性水动力。基于一种新的模糊滑模控制策略,为潜水器设计了鲁棒航向控制器。在不同的漂角子区间内分别设计局部镇定的滑模控制器,然后通过Takagi-Sugeno模糊推理系统将它们光滑连接,得到模糊滑模控制。仿真计算结果充分显示了该控制策略的有效性。     

一种基于改进蚁群算法的载人潜水器全局路径规划

当前关于使用蚁群算法解决载人潜水器路径规划问题的研究,往往只注重路径的长度和算法收敛速度,容易忽略路径点与障碍物之间的距离和路径的平滑度等要素。载人潜水器过于靠近障碍物航行时容易产生碰撞;按照不平滑路径行驶时,频繁地转向会降低航行效率。为解决这些问题,受人工势场法启发,文中在蚁群算法的概率选择环节引入障碍物惩罚因子φ和转向惩罚因子ψ,对路径点的选择加以限制。仿真测试表明,相比于传统蚁群算法和Dijkstra算法,该算法规划的路径与障碍物之间保持安全距离且转向次数更少,因此载人潜水器按照此路径航行时,安全性和航行效率更高。     

海底管线检修潜水器垂直面控制及自航模试验

论述了纵倾控制律设计及自航模试验。首先选择一系列深度,对同一深度采用频域校正法单独设计控制律,使之对不同的速度和漂角具有足够的稳态精度和抗干扰性,这些控制律被集成统一为纵倾控制器,并根据潜深变化进行切换,对于其它深度采用同样的方法设计。控制器首先通过计算机仿真,然后进行自航模试验验证。设计的纵倾控制系统同时在其他试验项目中(水下管线跟踪和动力定位)发挥了重要的作用。     

载人潜水器在深海科学考察中的应用研究进展

载人深潜技术是深海技术的前沿与制高点,也是深海科考最先进的技术手段之一。20世纪60年代以来,随着高新技术的发展,美国、法国、俄罗斯、日本等国在载人潜水器的研制和应用上取得了快速的发展,先后掌握了大深度载人深潜技术,具备了在复杂海况下进行水下作业的能力,实现了对深海和大洋洋底的现场观察、探测和取样等。目前,深海载人潜水器的考察范围已经遍及全球大陆坡深水区、洋中脊、海山、海沟和洋盆等海底区域,获得了大量的深海地质、地球物理、生物、化学和环境方面的信息或样品,取得了一批重大的发现和创新性的研究成果,推动了深海科学的发展。我国自主集成研制的"蛟龙"号载人潜水器顺利完成了7 000m级海试,并于2013年开始开展了试验性应用,取得了丰硕的科考成果。本文简要介绍了世界载人潜水器的发展现状及其在深海科学考察中的技术优势,综述了国内外载人潜水器在深海地质学、生物学和物理海洋学等领域中的应用情况。     

Path following of underactuated marine surface vessels using line-of-sight based model predictive control

This paper presents a model predictive control (MPC) for a way-point tracking of underactuated surface vessels with input constraints. A three-degree-of-freedom dynamic model of surface vessels has been used for the controller design. In order for the control action to render good helmsman behavior, a MPC scheme with line-of-sight (LOS) path generation capability is formulated. Quadratic programming (QP) is used to solve a linear MPC by successive linearization along the LOS model of the surface vessel. Furthermore, we show that an LOS decision variable can be incorporated into the MPC design to improve the path following performance. The effectiveness of the developed control law is demonstrated via computer simulations.     

载人潜水器在深海海洋测绘中的应用

介绍了载人潜水器的特点及其在深海海洋测绘中的重要作用,详细论述了美、法、日、俄等国的载人潜水器在深海海洋测绘中的应用现状,并对我国"蛟龙"号载人潜水器在深海海洋测绘中的应用进行了展望。     

载人潜水器运行管理考核评价体系构建研究

为对载人潜水器运行管理工作进行科学考核评价,保障重大深海装备安全高效运行,文章以“蛟龙”号载人潜水器为例,分析研究了“蛟龙”号载人潜水器的运行管理特点,针对我国科技管理体制和“蛟龙”号载人潜水器的管理技术要求,在结合“蛟龙”号载人潜水器海试与试验性应用实际工作的基础上,建立了科学合理、具备可操作性的考核评价体系。通过在“蛟龙”号载人潜水器运行管理工作中的试应用,充分证明该体系建设方法的有效性,值得在载人无人潜水器等重大装备管理中推广应用。     

Target Deployment and Retrieval Using JIAOLONG Manned Submersible in the Depth of 6600 m in Mariana Trench

China''s 7000 m manned submersible JIAOLONG carried out an exploration cruise at the Mariana Trench from June to July 2016. The submersible completed nine manned dives on the north and south area of the Mariana Trench from the depth of 5500 to 6700 m, to investigate the geological, biological and chemical characteristics in the hadal area. During the cruise, JIAOLONG deployed a gas-tight serial sampler to collect the water near the sea bottom regularly. Five days later, the sub located the sampler in another dive and retrieved it successfully from the same location, which is the first time that scientists and engineers finished the high accuracy in-situ deployment and retrieval using a manned submersible with Ultra-Short Base Line (USBL) positioning system at the depth more than 6600 m. In this task, we used not only the USBL system of the manned submersible but also a compound strategy, including five position marks, the sea floor terrain, the depth contour, and the heading of the sub. This paper introduces the compound strategy of the target deployment and retrieval with the practical diving experience of JIAOLONG, and provides a promising technique for other underwater vehicles such as manned submersible or Remote Operated Vehicle (ROV) under similar conditions.     

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。     

高精度测深侧扫系统在载人潜水器中的应用

为提升"蛟龙号"载人潜水器海底综合探测能力,介绍一种采用多子阵海底自动检测—子空间拟合的信号参数估计技术的高精度测深侧扫声纳系统。该系统安装于载人潜水器的两侧,能够测量海底的微地形地貌以及海底和水中的目标,同时获得探测区域高分辨率的地形图和地貌图。通过介绍该高精度测深侧扫系统的工作原理、技术指标及系统组成,结合"蛟龙号"载人潜水器试验性应用航次获得的高分辨率地形地貌数据,对该系统在载人潜水器中的应用和海底地形地貌探测结果进行了分析和展望。     

潜水器在深海生物多样性研究中的应用进展

简要介绍了世界主要海洋国家潜水器的建设情况,并重点分析了潜水器在深海不同生境生物多样性研究中的应用,包括热液系统、冷泉、海山、峡谷和海沟等,以及深海生物多样性保护等几个方面。旨在为我国深海生物多样性研究提供参考,并推动我国潜水器在深海科学考察中的应用。     

鳞侧石鳖属(Leptochiton)一物种在西太平洋雅普海沟分布的新记录

蛟龙号载人潜水器在位于雅普海沟北部6 745 m深处的底栖沉积环境中采集到两只石鳖样本,这是石鳖物种分布于此的新记录。形态学和DNA分子标记均支持两只石鳖为鳞侧石鳖属（Leptochiton）同一物种。该种在形态上与L.vanbellei和L.deforgesi接近;在系统发生方面,与L.vanbellei,L.deforgesi和L.boucheti的亲缘关系密切。这是截至目前世界石鳖分布报道的第三深度记录。     

“蛟龙”号载人潜水器运行与保障信息管理系统设计与应用

2017年我国"蛟龙"号载人潜水器完成了为期5年的试验性应用,期间累计下潜100余次,形成和建立了科学完善的应用保障体系和专业的应用人才队伍。以"蛟龙"号试验性应用中运行与保障的实践经验为基础,针对其中设备与备品备件管理、运行作业管理、拆检总装管理、数据资料查询与利用等方面的重要需求,设计开发了一套"蛟龙"号载人潜水器运行与保障信息管理系统,通过信息化平台实现设备资源、作业成果以及经验积累传承之间的高效衔接与复用,最大限度地降低装备运行成本、提高作业效率、保障海上作业安全。文章提出的载人潜水器运维体系能够为我国其他行业或部门的载人潜水器、远程缆控机器人(ROV)、水下自治机器人(AUV)等重大海洋装备的运行与保障提供有益参考借鉴。     

Adaptive input–output feedback linearizing yaw plane control of BAUV using dorsal fins

This paper presents the design of an adaptive input–output feedback linearizing dorsal fin control system for the yaw plane control of low-speed bio-robotic autonomous underwater vehicles (BAUVs). The control forces are generated by cambering two dorsal fins mounted in the vertical plane on either side of the vehicle. The BAUV model includes nonlinear hydrodynamics, and it is assumed that its hydrodynamic coefficients as well as the physical parameters are not known. For the purpose of design, a linear combination of the yaw angle tracking error and its derivative and integral is chosen as the controlled output variable. An adaptive input–output feedback linearizing control law is derived for the trajectory control of the yaw angle. Unlike indirect adaptive control, here the controller gains are directly tuned. The stability of the zero dynamics is examined. Simulation results are presented for tracking exponential and sinusoidal yaw angle trajectories and for turning maneuvers, and it is shown that the adaptive control system accomplishes precise yaw angle control of the BAUV using dorsal fins in spite of the nonlinearity and large uncertainties in the system parameters.     

Autopilot control synthesis for path tracking maneuvers of underwater vehicles

This paper is concerned with the robust control synthesis of autonomous underwater vehicle(AUV) for general path following maneuvers.First,we present maneuvering kinematics and vehicle dynamics in a unified framework.Based on H∞ loop-shaping procedure,the 2-DOF autopilot controller has been presented to enhance stability and path tracking.By use of model reduction,the high-order control system is reduced to one with reasonable order,and further the scaled low-order controller has been analyzed in both the frequency and the time domains.Finally,it is shown that the autopilot control system provides robust performance and stability against prescribed levels of uncertainty.     

载人潜水器圆柱形耐压壳体的优化设计研究

采用分枝定界法和序列二次规划方法,对载人潜水器圆柱形耐压壳体的重量最小化进行了研究.设计变量是壳板的厚度、肋骨的型号、间距和数量,讨论了下潜深度、材料几何参数对重量以及其它特征量的影响.算例计算表明,下潜深度越大,屈服极限越高的材料重量减轻越明显.对于大深度而言,选用高屈服极限材料,可以使得材料能够充分利用.文中还对结构重量占排水量比例随深度变化的情况进行了研究.     

基于层次分析法的载人深潜器潜航员职业特征研究

以层次分析法理论为基础,对载人深潜器潜航员职业特征进行分层次建模,采用3个层次63个要素对潜航员职业特征进行描述,结合与潜航员相关的一线专家队伍调研数据,采用定性判断与定量计算相结合的手段得到各要素之间的重要性量化权重,客观地反映潜航员职业所需的能力、知识、技能等各个层次、各个要素之间的关系,为我国潜航员的科学选拔、科学培养、科学管理提供决策依据。