小型水下自航行器自沉浮装置设计与研究

文中对水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)的自沉浮装置进行了详细设计与研究。通过对已有的自沉浮装置方案进行对比研究,设计了以高压气体吹除压载水舱的新型自沉浮装置,该装置具有结构简单、可靠性高和可维护性好的特点,并可实现模块化设计。最后,对装置的主要设计参数进行了计算与优化。     

AUV总体概念设计中的多学科和多目标优化研究

针对水下自主式航行器(AUV)在总体概念设计阶段的多学科和多目标优化问题进行了研究。基于MDO的概念将AUV的设计要求分解为系统控制层和5个子系统,考虑了有效负载长度和总质量两个目标函数。采用多学科可行解方法(MDF)和多目标遗传算法(MOGA)给出了多学科的Pareto最优解,并且和经典的多目标方法进了比较。     

面向海洋观测的长续航力移动自主观测平台发展现状与展望

南海拥有丰富的渔业资源,其中南海中南部大洋性、上升流区域更是具有很大的开发潜力和商业价值.西沙群岛位于南海中部,是我国海南省三沙市的重要组成部分之一.西沙群岛及其附近海域气候条件优越,拥有丰富的海洋渔业、海洋植被和油气矿藏等海洋资源,其中又以渔业资源的开发潜力最大.在南海问题近年来显著升温的背景下,通过推动加大南海特别是西沙海域的渔业资源开发力度,妥善处理南海争议、更好地维护我国南海主权权益,具有重要的现实意义和深远影响.     

基于水下自主航行器（AUV）的神狐峡谷谷底块体搬运沉积特征及其对深水峡谷物质输运过程的指示

海底峡谷是陆源物质向深海运移的重要通道。对于远离陆地的海底峡谷,通常认为浊流是物质搬运的主要营力。受限于探测精度和复杂作业环境影响,使用常规地球物理资料对深水海底峡谷尤其是对谷底沉积体的形态和结构特征的刻画不够精细。基于水下自主航行器（AUV, Autonomous Underwater Vehicle）采集的高分辨率多波束、旁扫声呐和浅地层剖面资料,对神狐峡谷群中的一条峡谷的谷底表面及部分浅部地层的沉积特征进行了分析。结果表明,峡谷谷底浅部地层并不像它平滑的表面那么简单,而是由大量内部杂乱弱反射、厚度在8.4 m及以下的块体搬运沉积体组成。峡谷中下游块体搬运沉积体大都沿峡谷走向整体呈条带状展布,不是直接来源于相邻的峡谷脊部。研究认为在特定沉积环境下（例如高海平面时期）,陆坡限定性峡谷谷底的块体搬运沉积过程的重复进行是峡谷谷底物质输运的重要途径,与浊流共同雕刻了峡谷的地形地貌。基于AUV的地球物理探测技术将是研究海底浅表层沉积过程和保障海底工程施工的重要手段。     

多级可分离式AUV系统设计与仿真分析

多级可分离式自主水下航行器(MS-AUV)可搭载多种不同功能的载荷舱,并在目标海域完成载荷舱布放。其在海洋探测,海防等领域具有较高的应用价值。对MS-AUV进行了主体结构和分离机构的设计和研究,其中功能载荷舱与航行器本体采用真空连接方式,实现多级连接,降低了机构的复杂性,提高了载荷舱分离运动的稳定性和安全性。为了研究载荷舱与航行器分离的安全性,采用CFD和六自由度(6-DOF)刚体运动学的耦合方法来模拟其在水下的分离运动。在仿真过程中,采用弹簧光顺和局部重构混合网格生成方法的非结构化动态网格可以很好地适应大距离多体分离运动。仿真结果表明,在一定工况条件下,提高MS-AUV初始航行速度V0和分离机构弹簧刚度K有利于载荷与航行器本体分离。通过上述研究工作,验证了载荷分离方法的可行性,缩短研制周期,降低设计成本,对多级可分离式AUV样机的设计制造具有重要的参考价值。     

Stability Analysis on Speed Control System of Autonomous Underwater Vehicle

The stability of the motion control system is one of the decisive factors of the control quality for Autonomous Underwater Vehicle (AUV).The divergence of control,which the unstable system may be brought about,is fatal to the operation of AUV.The stability analysis of the PD and S-surface speed controllers based on the Lyapunov' s direct method is proposed in this paper.After decoupling the six degree-of-freedom (DOF) motions of the AUV,the axial dynamic behavior is discussed and the condition is deduced,in which the parameters selection within stability domain can guarantee the system asymptotically stable.The experimental results in a tank and on the sea have successfully verified the algorithm reliability,which can be served as a good reference for analyzing other AUV nonlinear control systems.     

基于视觉的水雷目标识别方法研究

水下目标识别一直是目标识别领域的研究热点,为此,以水雷目标识别为需求背景提出了一种基于视觉的水雷目标识别方法。该方法从水雷目标形状的本质特征出发,根据几何矩的物理意义,结合区域特征和边界特征构造了三个适合于水雷目标形状描述子,采用阈值判决的方法,实现水雷目标的识别。实验结果表明,该方法比基于不变矩的方法识别率更高,具有较好的稳定性,尤其适用于水下特定形状的目标识别和目标受到部分遮挡的情况。其中水下图像处理和特征的定义方法对水下目标识别具有指导和借鉴意义。     

一种小型水下自航行器推进系统设计与分析

从系统角度考虑,整体优化,设计了水下自航行器推进系统.通过外形优化减小轴向阻力,根据阻力和综合分析设计螺旋桨,并由敞水池试验验证螺旋桨的性能,在此基础上完成了推进控制系统的分析与优化设计.试验结果证明系统设计方法正确,推进系统性能良好.     

基于改进量子粒子群算法的AUV路径规划研究

针对海洋环境下自主水下机器人（AUV）的路径规划问题,提出了一种基于框架四叉树的改进量子粒子群算法（QPSO）,首先使用框架四叉树的方法对障碍物建模,该方法提高了建模的精度且对后续算法的效率也有极大的改进,之后设计改进的量子粒子群算法,并且结合水下环境的特殊性设计适应度函数,综合考虑航线路径长度、偏转角度以及海流影响,使得算法可以在水下环境中寻得能耗最短的解路径。最后通过仿真试验验证,相比于传统的栅格法和粒子群算法,改进量子粒子群算法的运算时间更短,收敛速度更快,其独特的适应度函数可以使AUV能更好适应水下多变的环境,且能利用海流设计能耗更小的路径,具有很大的实用价值。     

Dynamic modeling and motion simulation for a winged hybrid-driven underwater glider

PETREL,a winged hybrid-driven underwater glider is a novel and practical marine survey platform which combines the features of legacy underwater glider and conventional AUV (autonomous underwater vehicle).It can be treated as a multi-rigid-body system with a floating base and a particular hydrodynamic profile.In this paper,theorems on linear and angular momentum are used to establish the dynamic equations of motion of each rigid body and the effect of translational and rotational motion of internal masses on the attitude control are taken into consideration.In addition,due to the unique external shape with fixed wings and deflectable rudders and the dual-drive operation in thrust and glide modes,the approaches of building dynamic model of conventional AUV and hydrodynamic model of submarine are introduced,and the tailored dynamic equations of the hybrid glider are formulated.Moreover,the behaviors of motion in glide and thrust operation are analyzed based on the simulation and the feasibility of the dynamic model is validated by data from lake field trials.     

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。     

Development of the AUV ‘ISiMI’ and a free running test in an Ocean Engineering Basin

The Korea Ocean Research and Development Institute (KORDI) has developed a small AUV named ISiMI. The mission of ISiMI is to work as a test-bed AUV for the development and validation of various algorithms and instruments required to enhance the AUV's functions. The design concept of ISiMI is that of a vehicle small enough to cruise the Ocean Engineering Basin (OEB) of KORDI and to be handled by one or two people. The downsized design and the cruising ability in its tank enable fast experimental feedback on AUV technologies and a shorter development period for new technologies. This paper presents a review of our research work on the development of ISiMI, with a performance evaluation by simulation and an experimental test. After the design and implementation of ISiMI, including its positioning system in the OEB, are presented, a series of test results in the OEB and discussions of the results are presented, with comparisons of the simulation and experimental outputs.     

自主水下航行器的软变结构控制

研究自主水下航行器系统的软变结构控制策略问题。首先分析软变结构控制系统的结构特征,利用双曲正切函数,给出控制受限情形的软变结构控制策略。其次利用Lyapunov稳定性理论,讨论自主水下航行器软变结构控制系统的稳定性,然后构造了基于双曲正切函数的软变结构控制器,给出自主水下航行器软变结构控制的具体算法。基于双曲正切函数的自主水下航行器软变结构控制系统调节精度高,响应速度快,有效地削弱了系统抖振。最后通过一个仿真实验,比较了自主水下航行器垂直深度通道的4种控制策略对系统性能的影响,从而验证了研究方法的有效性。     

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6000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。     

拖曳式多参数剖面测量系统水动力与控制性能研究述评

综述了拖曳式多参数剖面测量系统水动力学研究的最新进展。对拖曳缆绳、拖曳体以及将两者耦合起来所构成的整个系统水动力及控制理论进行述评,分析了各种理论的优缺点从中简要地描述了拖曳式多参数剖面测量系统水动力研究的发展概要。     

便携式AUV水下对接过程中的碰撞分析与罩式对接平台优化设计

以便携式自主水下机器人(AUV)和罩式导向对接平台的水下对接过程为研究对象,将碰撞力大小和对接时间作为评价指标,研究导向罩形状、对接管尺度以及AUV与对接管的偏心距对整个对接过程的影响。在三维建模的基础上,使用ADAMS软件进行动力学仿真分析,结果表明,减小导向罩开口角度、增大对接管直径、减小偏心距可以适当减小碰撞力和对接时间。通过对上述影响因素与评价指标建立函数关系,利用多目标优化设计的方法并结合实际情况对参数做出合理的分析和筛选,为水下机器人对接平台提供设计依据。     

Application of particle filter combined with extended Kalman filter in model identification of an autonomous underwater vehicle based on experimental data

This study proposes a method for identification of the nonlinear dynamic model of an AUV while some states are unmeasured; hence, it concentrates on a nonlinear “state and parameter estimation” issue. In this method, a local linearization is used for solving the nonlinear dynamics based on the extended Kalman filter (EKF), and a particle filter (PF) is used to minimize errors and variances of the nonlinear system. In other words, the PF is combined with the EKF in the form of the extended Kalman particle filter (EKPF). The EKPF method is independent of the initial values and satisfies the limits of the parameters and also the assumption that the hydrodynamic coefficients are constant. Hence, it is shown when the ranges or signs of some parameters are known, the EKPF is a more accurate estimator than the EKF. Moreover, a new simulation is done using the model estimated by the EKPF and the results are compared and validated with the measured data of a new experimental test. It is shown that the obtained model can predict the trajectory path with the total normalized root-mean-square error (NRMSE) of 14% and the surge mean speed with the NRMSE of 5%; and it describes the 6DOF motion of the AUV more accurate than the EKF model.     

Experiments on vision guided docking of an autonomous underwater vehicle using one camera

This paper introduces an underwater docking procedure for the test-bed autonomous underwater vehicle (AUV) platform called ISiMI using one charge-coupled device (CCD) camera. The AUV is optically guided by lights mounted around the entrance of a docking station and a vision system consisting of a CCD camera and a frame grabber in the AUV. This paper presents an image processing procedure to identify the dock by discriminating between light images, and proposes a final approach algorithm based on the vision guidance. A signal processing technique to remove noise on the defused grabbed light images is introduced, and a two-stage final approach for stable docking at the terminal instant is suggested. A vision-guidance controller was designed with conventional PID controllers for the vertical plane and the horizontal plane. Experiments were conducted to demonstrate the effectiveness of the vision-guided docking system of the AUV.     

水下滑翔器整体外形设计及水动力性能分析

对水下滑翔器的整体外形设计与水动力性能进行研究。在Slocum等几种典型水下滑翔器样机的基础上,对滑翔器的主体和附体进行一体化设计,得到阻力最小的新型水下滑翔器构型设计。利用CFD方法对水下滑翔器进行模拟仿真,通过分析对比五种主体构型,得到了比较合理的主体线型,然后用正交设计方法和曲线拟合法对附体进行了优选工作,最后得到了性能更优的整体载体外形。模拟仿真实验表明,滑翔器在8°左右攻角航行时,具有最大的升阻比;和Slocum等经典样机相比,新的载体具有更好的水动力性能。通过上述研究工作,也可以缩短水下滑翔器研制周期,降低设计成本,并为水下滑翔器的更优设计提供了有力的技术指导和参考。