基于水下滑翔机平台的湍流观测方法研究

海洋微结构湍流作为常见的海洋运动,对海洋中溶解质扩散、能量转移有显著作用,对海水运动及其温盐特性等有重要影响。作为低能耗、无动力的海洋观测平台,水下滑翔机具有噪声低、航时长,易回收等优点,使得长期不间断低成本观测湍流成为了可能。在本文中,从湍流观测原理的维度出发,研究分析滑翔机运动特性对湍流数据的影响;通过解析滑翔机在垂直面内运动方程,获得适合湍流观测的滑翔机运动参数;利用傅里叶变换从时域与频域分析了滑翔机的振动特性;最后通过海试,验证了基于水下滑翔机的湍流观测平台长时间不间断观测海洋湍流的能力。     

基于遗传算法的碟型水下滑翔机结构优化

以结构质量和应力作为目标函数,结构变形为约束条件,设计碟型水下滑翔机结构优化流程,采用单参数和多参数敏感度分析方法完成关键结构参数的筛选。采用拉丁超立方试验设计方法完成了对设计空间的采样布点工作,利用样本点数据创建了滑翔机结构优化的Kriging代理模型,并对Kriging代理模型进行了联合训练,使模型的拟合达到非常高的可用精度。采用NSGA-2第二代非支配排序多目标遗传算法对滑翔机进行了结构优化求解,得到了优化的Pareto前沿面最优解。优化结果显示,结构质量和应力较优化前分别降低5.57%和14.91%,文中所提方法在滑翔机结构优化设计中具有可行性。     

基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制研究

水下滑翔机是开展海洋无人移动观测的重要平台,其实际航行轨迹往往与预设路径存在较大差异,多台水下滑翔机协同观测时,难以始终保持预设的组网阵列.本研究提出一种基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制算法,根据水下滑翔机群出、入水的异步性调节水下滑翔机入水前的运动参数.基于对水下滑翔机受力分析,利用牛顿力学积分还原水下滑翔机在...     

基于卡尔曼滤波的水下滑翔机组合导航研究

水下滑翔机定位与导航精度的提高对于其完成水下作业任务至关重要。水下滑翔机传统的定位方法是依托于GPS信息的航位推算,定位精度较低,不能满足按既定路径航行的导航要求。为此,本文提出了一种利用卡尔曼滤波的组合导航方法,该方法在传统航位推算技术的基础上采用卡尔曼滤波器融合惯性导航系统数据和深度计数据,得出深度的卡尔曼最佳估计值,以此代替传统航位推算技术中的深度计直接测量值,从而提高航位推算精度。基于该方法,进行了仿真分析,并通过样机水池实验验证了该方法的有效性。     

基于水下滑翔机的湍流观测平台研究

海洋湍流混合过程对大洋热盐环流具有重要调控作用,因此海洋湍流混合特征量如湍动能耗散率等物理量的定量刻画,主要通过现场湍流观测来实现。为满足长期连续海洋湍流混合观测资料的迫切需求及打破国外的技术封锁,自行研制了基于水下滑翔机的湍流观测仪。为了测试滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性,将一个携带有剪切探头的湍流仪安装在滑翔机本体上,并在千岛湖进行了一系列的实验。滑翔机平台的主要噪声来源于浮力调节机构中的油泵,油泵会在接近剖面的底端时开启。三轴加速度谱在30 Hz左右有明显的谱峰,说明滑翔机油泵的振动频率应该是在30 Hz左右,在其他频率点上振动较小。由剖面下潜过程(开泵)的波数谱可知,开泵时虽然对湍流观测有影响,但是振动频率在波数空间中处于无效观测谱一侧,由此说明平台的振动对剪切信号影响很小。剪切探头测得的耗散率在10-7 W/kg量级上,且都与Nasymth理论谱吻合良好,验证了滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性。     

基于水下滑翔机观测数据的西北太平洋混合层特征研究

基于水下滑翔机在2019年8至10月观测到的温盐资料,本研究分析了西北太平洋混合层总体的变化情况,并探讨了混合层异常变化的原因。结果表明,混合层温度总体上呈现随季节转换逐渐降低的趋势,混合层深度总体上呈现随季节转换逐渐增大的趋势。进一步的相关性分析得出,该海域混合层温度、混合层深度的变化特征主要是由外部大气强迫场(海面风场和净热通量)所决定的。水下滑翔机还观测到了混合层温度异常降低、混合层深度异常变浅的现象。通过计算混合层热收支发现,垂向夹卷作用是海洋混合层内温度降低和混合层深度变浅的主要原因。通过进一步计算研究海域冷涡的上升速度与海水垂向夹卷速度的变化情况,并结合卫星遥感资料,得出海洋的中尺度涡旋活动主导了混合层异常现象的发生。     

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。     

基于水下滑翔机平台的海洋声学探测技术发展现状与展望

水下滑翔机作为一种新型海洋监测平台,具有大航程、长时序、高隐蔽性、低成本及通用性强的特点,是用于水下移动目标探测、海洋水文环境精细化测量的优势平台,在海洋勘测与探测、国家海洋安全、海洋环境监测体系建设中发挥着重要作用.详细梳理了基于水下滑翔机平台的海洋声学探测技术的国内外研究进展现状,展望了推动海洋声学探测未来发展的关...     

“海翼号”水下滑翔机盐度数据的热滞后效应偏差订正方法探讨

水下滑翔机可以高效地观测海水的温度、盐度和压强等海洋参数,但由于热滞后效应,盐度数据,特别是在温度梯度较大的温跃层,会出现一定程度的偏差。本研究选取了3种目前常用的盐度热滞后订正方法,对带泵的“海翼号”水下滑翔机,于2019年8月在中北太平洋所观测的盐度数据因热滞后效应引起的偏差进行订正处理,与船载911型温盐深测量仪(Instrument for Measuring Conductivity Temperature and Depth,CTD)观测盐度进行对比,在比较了3种方法对滑翔机盐度订正前后下降和上升剖面偏差的减少程度、订正后剖面与船载CTD观测剖面的偏差大小和下降上升温盐曲线(T-S曲线)的一致程度后,得出了水下滑翔机盐度订正的最优方法,即在订正电导池中实际温度的前提下,采用计算机图形分割方法,最小化滑翔机机载CTD测得的下降和上升两个剖面T-S曲线围成面积所确定的目标函数,来确定合适的热滞后修正振幅和时间常数,从而修正下降和上升两个剖面之间盐度偏差。     

基于南海水下滑翔机观测的业务预报系统温盐分析数据评估

利用2019年7月12日至9月20日“海翼”号水下滑翔机在南海北部的温盐观测数据,对3个海洋业务预报系统（法国Mercator Océan International的PSY4、美国HYCOM Consortium的GOFS3.1和中国国家海洋环境预报中心的CGOFS）的温盐分析数据进行了质量评估。结果表明,3个业务预报系统对温度和盐度都有较好的刻画能力。其中,PSY4系统的温度、盐度在所有评估点处的总体均方根误差分别为0.45℃、0.056,小于另外2个系统,是3个系统中最优的。从总体偏差来看,PSY4与CGOFS温度呈现暖偏差,而GOFS3.1温度呈现冷偏差;3个系统的盐度都呈现负偏差。均方根误差的垂向结构显示,温度均方根误差与偏差最大值出现在水深100 m附近,盐度最大值在水深50 m附近。以上结论为南海北部海域使用分析数据提供参考。此外,大气强迫场的降水量偏多可能导致了CGOFS系统8月的盐度值出现较大的均方根误差和较明显的负偏差,因此在数值预报时需更多地关注强迫场的选取。     

Parametric Geometric Model and Hydrodynamic Shape Optimization of A Flying-Wing Structure Underwater Glider

Combining high precision numerical analysis methods with optimization algorithms to make a systematic exploration of a design space has become an important topic in the modern design methods. During the design process of an underwater glider''s flying-wing structure, a surrogate model is introduced to decrease the computation time for a high precision analysis. By these means, the contradiction between precision and efficiency is solved effectively. Based on the parametric geometry modeling, mesh generation and computational fluid dynamics analysis, a surrogate model is constructed by adopting the design of experiment (DOE) theory to solve the multi-objects design optimization problem of the underwater glider. The procedure of a surrogate model construction is presented, and the Gaussian kernel function is specifically discussed. The Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is applied to hydrodynamic design optimization. The hydrodynamic performance of the optimized flying-wing structure underwater glider increases by 9.1%.     

水下滑翔器主体外形优化设计

对水下滑翔器主体外形的优化设计问题进行研究.首先,在考虑内部机械结构限制的条件下,建立了主体外形优化数学模型,并采用CFX计算了若干主体形状的绕流阻力.在此基础上建立了映射主体外形的尺寸参数与绕流阻力的BP神经网络.然后将建立的神经网络作为优化设计问题的目标函数,采用坐标轮换法对滑翔器主体外形进行了优化设计,确定了尺寸参数的最优解.     

Shape Optimization for A Conventional Underwater Glider to Decrease Average Periodic Resistance

China Ocean Engineering - As a type of autonomous underwater vehicle (AUV), underwater gliders (UG) are getting increasing attention in ocean exploration. To save energy and satisfy the mission...     

Modeling and Motion Simulation for A Flying-Wing Underwater Glider with A Symmetrical Airfoil

The flying-wing underwater glider (UG), shaped as a blended wing body, is a new type of underwater vehicle and still requires further research. The shape layout and the configuration of the internal actuators of the flying-wing UG are different from those of "legacy gliders" which have revolving bodies, and these two factors strongly affect the dynamic performance of the vehicle. Considering these differences, we propose a new configuration of the internal actuators for the flying-wing UG and treat the flying-wing UG as a multi-body system when establishing its dynamic model. In this paper, a detailed dynamic model is presented using the Newton-Euler method for the flying-wing UG. Based on the full dynamic model, the effect of the internal actuators on the steady gliding motion of vehicle is studied theoretically, and the relationship between the state parameters of the steady gliding motion and the controlled variables is obtained by solving a set of equilibrium equations. Finally, the behaviors of two classical motion modes of the glider are analyzed based on the simulation. The simulation results demonstrate that the motion performance of the proposed flying-wing UG is satisfactory.     

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。     

水下滑翔器耐压壳体的设计与优化

采用特征值屈曲分析方法对水下滑翔器耐压壳体的结构参数进行了分析,计算了结构参数在不同取值情况下壳体的临界失稳压力,在分析比较计算结果的基础上,确定了耐压壳结构参数的最优数值。计算结果表明,优化设计得到的壳体即能满足抗压稳定性和机械强度要求,又最大限度地减轻了壳体的重量,与最初的设计方案相比,壳体重量减轻了1.51 kg,同时也使壳体内部空间得到了加大,其中中间段内部空间直径扩大了8 mm。     

水下自主机器人水动力预报方法研究

针对水下机器人操纵性优化设计中水动力系数预报问题,在水下机器人水动力预报中引入艇体肥瘦指数概念,确定了水下机器人艇体几何描述的五参数模型。提出采用小波神经网络方法预报水下机器人水动力,确定了神经网络的结构,利用均匀试验设计方法,设计了神经网络的学习样本。研究结果表明,只要确定适当的输入参数,选择适当的学习样本和网络结构,利用小波神经网络方法对水下机器人水动力进行预报可以达到较好的精度。     

水下滑翔机观测台风“天鸽”过境的海洋响应研究

水下滑翔机作为一种新型移动观测平台,可以对热带气旋过境期间引发的海洋响应进行全方位的观测,利用获取的观测数据能够进一步增强台风预报的准确性。从水下滑翔机相较于其他热带气旋观测方式的优势展开,基于“海燕”系列水下滑翔机观测到的台风“天鸽”(Hato)引起的海洋温盐异常历史数据, 并结合同期卫星的观测数据和 JMA(Japan Meteorology Agency)最佳台风路径数据库,分析研究水平和垂直方向上的海洋温盐异常响应。验证了 4 台“海燕–II”水下滑翔机具有对 2017 年台风“天鸽”引起的海洋响应进行精细化剖面观测的能力,可以完整捕捉台风过境引起的垂直混合现象以及降雨对其观测区域内盐度变化的影响,并分析水下滑翔机观测数据得出台风期间海洋响应的程度与其距离台风的位置有关,即台风期间水下滑翔机观测海域与台风路径距离越近,其温盐异常变化越明显,并且台风路径右侧海域相较于路径左侧海域的温度异常幅度更大。     

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.