大深度潜航器水下空间运动建模与仿真

分析大深度潜航器水下空间运动特点,建立描述其空间运动的数学模型,并以数学模型为基础利用 MATLAB\Simulink 软件完成潜航器空间运动仿真模型的开发。在搭建的仿真模型基础上,通过数学仿真手段分析了潜航器在螺旋下潜、抛载过渡、定角爬升、稳定至水面航行状态下的水下运动全过程,给出了具有弧形翼板的潜航器外形设计方案的运动能力仿真评估,为后续潜航器运动能力优化设计提供仿真依据。     

下凹和上凸型海洋内孤立波对遥控潜航器的作用力研究

遥控潜航器在海洋环境勘测、钻井支持和水下救援等领域得到了广泛应用。遥控潜航器在陆架和陆坡处工作时很容易遭遇海洋内孤立波（Internal Solitary Waves, ISWs）。海洋内孤立波在传播过程中会诱发水平向和垂向流,从而对正在下放、回收和作业状态的遥控潜航器施加作用力。本文分别利用连续分层e KdV和KdV方程估算2个振幅相近的下凹和上凸型海洋内孤立的流速场,进而利用莫里森公式（Morison’s equation）估算这2个海洋内孤立波对1个遥控潜航器的作用力,比较遥控潜航器在不同类型海洋内孤立波流场中的受力差别。研究表明：下凹和上凸型海洋内孤立波均会对遥控潜航器施加较强的水平向力,且不同类型海洋内孤立波在相同深度上对遥控潜航器施加的水平向力的方向不同;对下凹型海洋内孤立波,遥控潜航器在上、下层所受水平向力的大小相差不大;对上凸型海洋内孤立波,遥控潜航器在下层所受水平向力是上层所受的水平向力的2倍;2种类型海洋内孤立波对潜航器施加的垂向力都较弱。     

基于失效机理的UUV结构贮存寿命评价

针对贮存环境下无人潜航器(UUV)结构的贮存寿命评估问题,以某型无人潜航器主要耐压结构件材料 5A06 为例,分析无人潜航器耐压壳体结构实际使用环境因素和贮存寿命期间腐蚀失效机理,提出了一种评价无人潜航器壳体贮存寿命的加速寿命试验和评价方法。结果表明：该方法考虑了该类型无人潜航器环境应力对贮存寿命的影响,采用腐蚀加速寿命试验的评价方法可行,具有准确度和可信度高的特点。     

大型无人潜航器的发展与军事用途

随着新型军事需求的牵引和新型技术的进步,美、俄等国逐步重视大型无人潜航器的发展,无论从概念、技术、样机还是验证阶段,均取得了突破性的进展。梳理了大型无人潜航器的国外发展现状,总结了大型无人潜航器的关键技术及军事用途,展望了我国大型无人潜航器的发展前景。     

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。     

重力梯度仪辅助惯导导航的误差分析

研究了重力梯度仪辅助惯导的导航误差方程,计算某区域重力异常、垂线偏差和二阶的扰动重力张量,并在此基础上对扰动重力补偿惯导系统误差进行了仿真计算,与无重力梯度仪辅助惯导的误差进行数值比较,结果表明采用重力梯度仪辅助导航之后,扰动重力引起的惯导误差有了明显的改善。     

美国无人潜航器反制措施研究现状

简要分析了无人潜航器反制措施的必要性,从探测分类、软杀伤对抗和硬杀伤对抗 3 个方面总结分析了美国无人潜航器反制措施研究现状。美国无人潜航器探测目前主要依靠反蛙人探测系统,但是反蛙人探测系统存在告警距离短、响应时间不足的问题。因此,美国海军寻求利用海洋哺乳动物和海洋生物探测和分类潜航器的方法。软杀伤对抗主要包括 UUV 捕获、欺骗、干扰及网络对抗;硬杀伤对抗主要介绍了通过超空泡子弹破坏、摧毁 UUV。     

潜艇内人员质量对重力梯度探测影响分析

潜艇在水下进行重力梯度探测与导航过程中,利用重力梯度仪测量所在位置的重力梯度张量来感知周边海底地形起伏以及规避障碍物,由于潜艇中人员具有一定的质量,人员在理论上会对重力梯度测量值产生影响.为分析人员质量对重力梯度测量的影响,将人体简化为立方体模型,计算人体在潜艇内不同高度处的重力梯度异常分布情况,分析其对重力梯度探测的...     

大深度无人潜航器研究现状及发展趋势

大深度无人潜航器是深渊科研、工程及军事应用领域的重要技术装备。介绍了大深度无人潜航器的国内外研究现状及其应用领域,分析了有待重点突破的总体设计与集成、深海结构与材料、高效能源动力、高速水下通信、组合定位导航、自主感知与控制等关键技术,并展望了大深度无人潜航器的未来发展趋势。     

基于重力梯度的潜艇探测方法研究

提出了一种基于重力梯度探测潜艇的新方法。借助计算机代数系统Mathematica,计算了模拟潜艇在不同位置产生的重力垂直梯度,分析了其变化情况,结果表明如果现有的重力梯度仪精度为10-4E,即使下潜深度达300m,在海面上100m范围内也能够探测到;当重力梯度仪的精度达到或超过10-6E时,可在海面上1000m范围内实现探测。     

扰动重力补偿惯性导航系统误差分析

重力扰动是高精度惯导系统的主要误差。 讨论了减小扰动重力场对惯性导航系统影响的方法,以分辨率为 1''×1''的某区域垂线偏差数据为背景场,对采用实时补偿扰动重力数据的情况进行仿真。 建立梯度仪补偿惯导系统的扰动重力模型,与无重力梯度仪辅助惯导的误差进行数值比较,讨论同一重力异常背景场扰动重力对惯导系统影响,最后建立基于重力梯度仪的 Kalman 滤波方程,结合惯导系统对引入梯度仪补偿扰动重力的情况进行估计,结果表明可以很好的抑制扰动重力引起的速度误差。     

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。     

飞行器状态观测误差对运行轨迹预报精度影响

飞行器状态观测误差大小直接决定了其运行轨迹预报精度。根据飞行器运行状态方程,分析了不同量级初始状态观测误差对飞行器运行轨迹解算影响。通过仿真试验评估了飞行器状态观测误差造成的影响,结论表明:飞行器初始位置和速度误差越大,对运行轨迹解算精度影响越严重,呈现出线性变化趋势。因此,对飞行器进行测控时,应尽量减小飞行器初始状态观测误差,提高飞行器运行轨迹解算精度。     

利用海洋磁力梯度数据重建总场的方法研究

通过分析影响磁力梯度仪的4大误差因素,认为地质信号主要分布在低频率段里,时变信号主要出现在中间频率段里,系统噪音主要出现在高频率段里,据此推断算法相应的定性行为。用正交相关函数法,计算了主从传感器之间的LAG值的范围。利用TVSA剖面积分法用于重建总场的研究,并把研究方法直接应用到了海上磁力梯度测线的重建总场中,恢复的结果显示方法是可行的。     

基于单水声信标距离量测的匹配定位方法

水声通信和测距能力是实现水下航行器准确定位的重要技术手段。当前基于水声定位的方法主要有利用测距和测向功能的水声定位技术以及水声测距辅助导航技术,二者的系统物理复杂度都比较高。本文提出了一种基于单水声信标距离量测的匹配定位方法,航行器在水声信标测距覆盖范围内,利用航行过程中多次测距信息构建测距圆序列形成位置约束,基于航位推算导航信息,将航行器在连续测距时间段内的相对航迹在圆序列上进行最优匹配,从而获得位置估计,通过对测距误差进行补偿可进一步提升定位精度。本方法所需物理系统结构复杂度低、可操作性强,仿真实验表明,该方法可以独立实现较高精度的定位。     

Analysis of a possible sea floor strain measurement system

Abstract

A logical approach to large area sea floor strain measurement is to use a set of precision acoustic transponders interrogated successively from a large number of different positions by a near‐bottom survey vehicle. Limiting errors in such an approach can be segregated into two classes implying two different scales on which averaging should be carried out. First are those arising from individual travel time and vehicle depth measurements. Second are those associated with imperfect knowledge of the sound propagation speed. The first are essentially independent from one measurement to the next; for the second, statistically independent observations must be separated by the order of 100 m. Several thousand observations of successive travel times to individual transponders would thus be smoothed to produce the equivalent of a smaller number (few hundred) of sets of simultaneous range observations, and then these sets would be used to determine the transponder array geometry. Computer simulations using realistic assumptions show that centimeter‐level accuracy can be achieved over areas several kilometers across.     

无人艇载多波束组网测量系统

为了提高传统多波束测量的效率,开展无人艇载多波束组网测绘系统总体设计以及测绘/航行一体化、组网拼接、伴随控制等关键技术的研究。试验表明,该测量系统中两艘无人艇可伴随母船航行以及多波束设备实现了组网测量,测量效率提高二倍,数据精度符合相关规范。本文所实现的测量系统极大地提高了水深测量数据快速获取的能力,所研究得到的航行/测量一体化技术对于测绘无人艇的开发具有参考意义,所提出的组网测量作业方式对海洋测量、调查作业有着借鉴和启发意义。     

Dynamical analysis and robust control for dive plane of supercavitating vehicles

The high-speed supercavitating vehicle (HSSV) utilizes advanced technology that enables an underwater vehicle to reach its unprecedented high speed. The vertical motion control of the HSSV is challenging problem because of its complex dynamics with nonlinear planing force, parametric uncertainties, external disturbances, actuator saturation, and sensor noises. This paper deals with dynamical analysis and a robust H∞ loop-shaping synthesis with modified PID (proportional-integral-derivative) algorithm to control the dive plane maneuver of the HSSV. Typically, the control scheme has the low order structure and provides robustness against dynamic uncertainties, which can be implemented using the bilinear matrix inequality (BMI) optimization of an equivalent Schur formula. Simulation results show that the controlled vehicle system provides good performance and high robustness against uncertainties, ensuring no-overshoot and fast in time-domain responses. In addition, the control algorithm can decouple the dynamic interactions in the multi-input multi-output (MIMO) system, overcoming parametric uncertainty, planing force, and actuator saturation while minimizing the effect of the strong external disturbances and measurement noises.