载人潜水器发展现状及趋势研究

随着我国综合国力的提升和战略安全环境及新空间的需求,习总书记提出了“海洋强国”的战略目标及深海进入、深海探测、深海开发的发展三部曲战略构想。海洋强国的发展离不开大型运载装备的进步,载人潜水器不仅对资源调查与科学研究做过杰出的贡献,而且在军事界领域也产生过深远的的影响。本文对国内外载人潜水器的应用发展现状进行了重点研究,对世界范围内重型深海载人潜水器及轻型中浅海载人潜水器的应用进展现状进行了全面调研研究,同时介绍了我国蛟龙号、深海勇士号等载人潜水器应用发展情况,也对世界范围内载人潜水器的技术性能和应用情况进行了分析对比,在此基础上,展望了载人潜水器的发展趋势,并讨论了潜水器装备的未来技术进展。     

大深度载人潜水器浮力材料的应用现状和发展趋势

在所有海洋装备中,大深度载人潜水器代表深海技术的制高点,而大深度载人潜水器的研制所要解决的关键问题之一就是浮力材料的选择。文章概述浮力材料的分类以及浮力材料在三代大深度载人潜水器上的应用情况,并对能够满足大深度尤其是全海深载人潜水器需求的浮力材料进行对比研究。研究结果表明:微珠复合泡沫虽然能满足7 000m载人潜水器的需求,但应用在全海深载人潜水器时存在密度大和吸水率高的缺点,且不能满足1.5倍安全压力要求;陶瓷等新型浮力材料的密度小和吸水率低,是未来浮力材料的重要发展方向。本研究可为大深度载人潜水器浮力材料的选择提供一定的理论支持。     

深海载人潜水器潜航员岗位要求研究

深海载人潜水器潜航员是国家载人深潜工程的重要战略性人才,针对潜航员这一特殊岗位特点,从思想素质与职业兴趣、专业基础与综合技能、心理素质与身体机能等三个方面开展分析,结合国外潜航员队伍选拔与应用现状以及国内相关领域专家调查结果进行研究,能够明确潜航员岗位的具体要求与人才培养方向,对我国潜航员队伍的科学选拔、科学培养、科学管理具有重要意义。     

大深度剖面式潜水器浮力驱动系统研究

本文提出一种新型的高压浮力驱动系统,具有体积小、重量轻、调节体积大、调节精度高和能耗低等优点,能够改善目前剖面式潜水器浮力调节系统的工作性能。文中首先介绍了剖面式潜水器浮力驱动系统的研究现状,分析总结了目前浮力驱动系统的优势和不足;然后基于深海机动浮标,考虑海水密度变化和耐压壳体压缩量的影响,系统阐述了新型浮力驱动系统的工作原理、设计过程和关键技术等核心问题;最后,对浮力驱动系统的工作过程进行系统的测试/试验,通过分析结果得到该浮力驱动系统具有较好的工作性能的结论。本文设计和研制的浮力驱动系统为独立的工作单元,模块化度高、性能强劲,能够在一定程度上推进我国大深度剖面式潜水器的发展。     

自适应LQR方法在载人潜水器动力定位中的应用研究

根据我国正在研制开发的某深海载人潜水器的特性及其对载人潜水器动力定位控制的要求,采用最优控制方法LQR与递推辨识系统参数相结合的方法———自适应LQR方法进行控制。仿真结果表明这种方法具有良好的控制效果。     

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。     

我国载人潜水器海试突破3700米水深

<正>中华人民共和国科学技术部、国家海洋局8月26日在北京联合宣布,中国第一台自行设计、自主集成研制的"蛟龙号"载人潜水器3000米级海试取得成功。"蛟龙号"最大下潜深度达到3759米,并创造出水下和海底作业9小时零3分的记录。     

“蛟龙”号载人潜水器 再创7020米水深纪录

6月24日,“蛟龙”号载人潜水器7000米级海试现场再传捷报——“蛟龙”号在马里亚纳海沟完成第四次下潜任务时首次突破7000米,最大下潜深度达到7020米,再创我国载人深潜新纪录。海试完成后第一时间,国家海洋局在京举行了“蛟龙”号载人潜水器7000米级海试第四次下潜视频慰问活动。     

“蛟龙”号载人潜水器安全保障制度构建研究

为实现国家投资重大深海装备——"蛟龙"号载人潜水器的安全高效运行,文章分析研究了"蛟龙"号载人潜水器安全保障管理特点,针对我国科技管理体制和"蛟龙"号管理技术要求,提出了"三位一体"制度体系的构建方法,在"蛟龙"号海试与试验性应用规范要求的基础上,建立了由管理规定、实施办法、操作规程和技术手册组成的多层级"蛟龙"号管理制度体系。通过大洋37航次的试验性应用,充分证明该体系建设方法的有效性,可为我国其他深海装备管理制度体系建设提供参考方案。     

基于磁力耦合器的载人潜水器电力推进装置研究

基于磁力耦合传动技术,对载人潜水器电力推进装置进行了系统设计与传动特性研究。采用电磁场有限元方法研究了永磁式磁力耦合器的运行机理和矩角特性,分析了其稳定传动区域和失步条件;分析了螺旋桨的负载特性,采用切比雪夫多项式研究了螺旋桨的四象限全工况动态模型;建立了水下无刷直流推进电机的数学模型和传递函数,设计了推进电机的转速闭环控制系统以抑制转速波动,提高输出推力的平稳度。完成了样机的设计与制造,通过水池试验验证了该推进装置在载人潜水器上的可行性与适用性。     

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。     

基于模糊PID的深海采矿机器人路径跟踪控制

深海采矿作业中,由于海底软泥稀软,采矿机器人极易打滑,以及海底地形、海流等干扰,采矿机器人容易偏离预定路径。针对采矿机器人的海底作业过程中路径跟踪问题,设计并分析了深海采矿机器人的路径跟踪控制系统。首先提出了艏向控制实现采矿机器人路径跟踪的控制算法,通过采矿机器人与当前目标点相对位置计算采矿机器人的目标艏向角,后基于运动学模型建立模糊比例积分微分(PID)的控制方法控制采矿机器人两侧转速差值进而控制采矿机器人艏向,从而使机器人按目标路径行走;同时为了防止输入过大引起打滑,基于动力学模型数值分析了采矿机器人主动轮角加速度与打滑率之间的关系,采取限制主动轮角加速度方式防止采矿机器人过度打滑;最后通过Matlab/Simulink建立系统模型对系统进行仿真分析。仿真结果表明,该控制算法能够良好地完成采矿机器人的路径跟踪任务。     

Expanded adaptive fuzzy sliding mode controller using expert knowledge and fuzzy basis function expansion for UFV depth control

Generally, the underwater flight vehicle (UFV) depth control system operates with the following problems: it is a multi-input multi-output (MIMO) system, it requires robustness, a continuous control input, and further, it has the speed dependency of controller parameters. To solve these problems, an expanded adaptive fuzzy sliding mode controller (EAFSMC), which is based on the decomposition method designed by using an expert knowledge and the decoupled sub-controllers and composition method designed by using the fuzzy basis function expansions (FBFEs), is proposed. To verify the performance of the EAFSMC, the depth control of UFV in various operating conditions is performed. Simulation results show that the EAFSMC solves all problems experienced in the UFV depth control system online.     

Design of a sliding mode fuzzy controller for the guidance and control of an autonomous underwater vehicle

This work demonstrates the feasibility of applying a sliding mode fuzzy controller to motion control and line of sight guidance of an autonomous underwater vehicle. The design method of the sliding mode fuzzy controller offers a systematical means of constructing a set of shrinking-span and dilating-span membership functions for the controller. Stability and robustness of the control system are guaranteed by properly selecting the shrinking and dilating factors of the fuzzy membership functions. Control parameters selected for a testbed vehicle, AUV-HM1, are evaluated through tank and field experiments. Experimental results indicate the effectiveness of the proposed controller in dealing with model uncertainties, non-linearities of the vehicle dynamics, and environmental disturbances caused by ocean currents and waves.     

Robust sliding mode control of a mini unmanned underwater vehicle equipped with a new arrangement of water jet propulsions: Simulation and experimental study

This paper presents dynamical modeling and robust control of a Mini Unmanned Underwater Vehicle (MUUV) equipped with a new arrangement of water jet propulsion. The water jet propulsion includes some advantages comparing with a propeller one, such as, reducing the number of required motors, desired number and arrangement of the propulsions, removing adverse torque and cavitation due to propeller rotation and etc. In order to model the proposed MUUV, the gray box method is used in such a way that the dynamical equation of motion is derived analytically by Euler-Lagrangian method, and then the hydrodynamic coefficients (such as added mass and drag coefficients) are derived by performing some tests in a Computational Fluid Dynamic (CFD) software. The dynamical model is used to simulate the MUUV system and also to design the proposed controllers, which are Feedback Linearization Controller (FLC) and Sliding Mode Controller (SMC). In order to investigate and compare the performance of the MUUV and the applied controllers, three types of tests including a desired signal tracking case and two desired path tracking cases are designed. To do so, a method is presented to obtain the desired signals from a desired path under predetermined conditions. Then, an MUUV prototype is designed and constructed in order to investigate the performance of the proposed water jet propulsions and controllers for regulation and tracking desired signal purpose, experimentally. As it is expected, the simulation and experimental results show better performance of the SMC compared to FLC. Furthermore, the experimental results reveal that the water jet propulsion is implementable to practical prototypes and also can be produced in an industrial level.