基于RT-Thread的波浪滑翔器控制系统设计与实现

波浪滑翔器是一种新型海洋无人自主航行器,拥有无污染、能耗低、续航时间长、航程远、生存能力强等诸多特点,已逐步成为国内外研究的热点。控制系统作为波浪滑翔器的重要组成部分之一,它的稳定与准确性直接影响着波浪滑翔器的航行性能尤其是走航和定点的控位精度。介绍了一种基于 RT-Thread 实时操作系统的波浪滑翔器控制系统设计,通过多次海上长时间连续试验表明,基于 RT-Thread 的波浪滑翔器控制系统具有良好的准确性和可靠性。     

“黑珍珠”波浪滑翔器研发综述

通过讲述"黑珍珠"波浪滑翔器的研发进程，总结了波浪滑翔器团队长达8年的发展经验。从国家科技计划全链条资助完成诸项开创式应用、波浪滑翔器型号化/产品化/国产化历程、团队多年发展壮大过程中的结构管理形式与知识产权布局等维度讲述了波浪滑翔器一类的高端海洋装备从由机理研究、关键技术攻关、样机研制、技术固化到工程化建设的发展规律。广大读者能够更多了解波浪滑翔器的当前进展、使用价值及在其海洋环境观测及海上安全保障探测中起到的重要作用。     

“海鳐”波浪滑翔器在水下定位与通信中的应用

“海鳐”波浪滑翔器是我国自主研制的第 1 代波浪滑翔器产品,性能优异,可靠性高,已完成包括海洋环境观测、水下目标探测、跨域通信及信息传递等应用研究。在国家重点研发计划“无人无缆潜水器组网作业技术与应用示范”等领域项目的支持下,“海鳐”波浪滑翔器平台技术成熟度及应用研究上均得到进一步提升,为在我国在军事、海洋环境监测及海洋资源开发利用等领域的应用推广奠定了坚实的基础。介绍了“海鳐”波浪滑翔器在水下声学定位与跨域组网通信中的最新应用进展,总结了应用中的主要技术问题, 对波浪滑翔器装备未来的发展给出了新的研究方向。     

北戴河海滩泥沙捕获实验及其初步结果分析

介绍了利用泥沙捕获器观测破波带泥沙垂直分布结构的现场实验方法和基本程序，以及利用实验结果计算泥沙通量的方法。研究表明，近岸带泥沙运移通量及其在垂向上的分布受破波带相对位置和海滩地形变化的影响。在破波点附近，波浪的搅动和流场作用强，泥沙运移通量增大，泥沙在波浪的作用下可以大量进入垂直水体以悬移和跃移的方式运移。在本实验中，破波点附近的泥沙在距海底100cm的垂直水体中运移，通量垂向向上逐渐减小。远离破波点，泥沙运移通量和进入垂直水体的高度明显下降。在地形变化复杂的有坝海滩，沙坝顶部的泥沙运移通量最大，泥沙进入垂直水体运移的机率增加，而在沙坝问的沟槽内，波浪和海流作用减弱，泥沙通量和垂向进入水体运移的比例下降。     

YSI快速脉冲溶解氧测量技术

自1960年始,YSI商品化的复膜Clark电极就用于测定溶解氧,YSI极谱法测量成为工业标准并为实验室和广大部门所应用。存在的问题是这种方法在使用时,需要不停地摇动样品,使氧分子在通过膜扩散到阴极时已耗尽。为防止信号减小需要补充氧,这样在测样操作时需要不停地搅动。为解决长时期依靠搅动调节的问题,经过多年的研究,YSI公司发明了快速脉冲系统,大大减少了溶解氧测量时对搅动的     

"海鳐"波浪滑翔器研究进展及发展思路

波浪滑翔器是一种能够完全借助自然能源长周期运行的小型水面无人航行器,具有超强的续航能力和一定的控位能力,能够执行长时间、大范围、持续的海洋环境观测,水面水下目标探测,跨域通信及信息传递等任务。在国家“863 计划”和国家重点研发计划等领域项目的支持下,中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所研制的“海鳐”波浪滑翔器在平台技术及应用研究上均取得了重要的进展,整体技术水平处于国内领先、世界先进,为在我国军事、海洋环境监测、海洋资源开发利用等领域的应用推广奠定了坚实的平台基础。同时,波浪滑翔器仍是一种有限能力的小型无人航行器,在实际应用中还有许多需要完善和提高的地方。介绍了“海鳐”波浪滑翔器的最新研制进展,总结了研制过程中的部分关键技术,并根据波浪滑翔器在实际应用中存在的一些问题对其技术的发展方向进行了初步探讨。     

波浪能滑翔器走航式波浪要素测量试验分析

海洋中的海水波动作为海洋中一种重要的运动形式,关乎海洋工程建设、航海安全以及海洋能的利用等,因此波浪要素的测量成为海洋科学研究的重要对象之一。针对传统手段在波浪要素定点测量上存在的测点单一、操作复杂、成本较高等问题,提出一种使用无人自主移动平台波浪能滑翔器挂载测波传感器进行走航式波浪要素测量的方案,并与SBF7-1型测波浮标在同一海域进行比测试验。经过试验数据的对比分析,验证了波浪能滑翔器走航式波浪要素测量方案的可行性及存在的不足,为后期优化波浪能滑翔器走航式波浪要素测量方案,实现波浪要素的精准测量奠定了基础。     

基于海洋监测设备水动力试验的波浪测量系统研制

针对传统分布式波浪测量系统缺乏总体监控管理、采集同步性不高的问题,研制一种新型分布式波浪测量系统。系统由多个前端数据采集器和数据监控管理服务器组成。系统完成上电加载后,数据监控管理服务器首先对前端数据采集器的时间同步。数据采集器对采集进行精确定时、触发和同步控制,从而同步采集多通道数据。数据监控管理服务器实现对波高、周期数据的实时监控、统计分析、存储、查询和下载。多组不同工况比对试验表明,新型波浪测量系统不仅对试验数据具有较好的监控管理能力,且测量准确,具有较好的应用前景。     

利用Fluent仿真分析波浪滑翔器的水动力性能

针对波浪滑翔器前向速度与垂向牵引速度之间的关系进行了仿真研究,分析了在不同牵引速度下波浪滑翔器所受的前向力和前进速度并给出了具体的关系曲线。通过Fluent仿真软件进行编译,使滑翔器翼板绕转轴在0°~90°范围内运动,得到翼板在不同波浪流下的转矩系数CM进而得到转矩M,将转矩M与弹簧相对于转轴产生的力矩相比较,得到翼板平衡时的升角,然后对翼板进行受力分析,计算出翼板所受前向力以及前向速度。仿真结果显示,垂向牵引速度越大,设备所受前向力和前进速度越大。     

波浪驱动推进机构的最优水翼倾角的确定

波浪可以为海上航行器提供运动的能量,实现长时间、大范围的机动运动.一般认为波浪能驱动推进机构的水翼的摆角对推进性能有显著影响.本文提出了一种确定波浪驱动机构最优水翼倾角的方法.基于绝对坐标系和Kane方程建立了通用波浪驱动推进机构的动力学模型,确定了模型中波浪产生的推进力组成,采用"机构冻结"的方法,计算了任意时刻水翼...     

数值波浪水槽消波器的改进与检验

数值波浪水槽技术是一种新兴的水波动力学数值模拟技术, 它能够实现水波现象的精确模拟。作为数值波浪水槽的一个重要功能, 消波技术被用于消除传入波浪在水槽末端的反射效应, 以防止反射波对有效实验区域的污染, 从而保证特定要求的水波实验的精确性。目前被广泛采用的消波技术可分为阻尼消波区和主动消波器两类。     

岛礁附近浮式平台运动响应特性数值分析

利用基于开源平台Open FOAM自主开发的船舶与海洋工程水动力性能求解器naoe-FOAM-SJTU,数值模拟了近岛礁环境下规则波的演化特性以及带有系泊系统的浮式平台在相应波浪作用下的水动力性能。对于平台的水动力性能的研究发现,仿真结果与试验结果在平台自由衰减运动固有周期及RAO(response amplitude operator)方面吻合良好。对于波浪在近岛礁地形下的演化现象的研究,分析了波浪演化不对称性特性的成因,并分别给出了不同参数下波浪在地形上爬升时演化的具体特性,对于波高变化及波浪演化的频率成分进行量化的探究。研究发现,波浪周期越大,波高变化越明显,演化的非线性现象越明显,且波浪随着传播距离的增大演化出的阶数也在增大。     

一种由微机控制的波浪数据采集系统

该波浪数据采集系统应用重力测波仪作传感器,由IBM—PC/XT微型计算机控制,将模拟信号经过A/D转换器进行波浪数据采集。采集到的数据按设计格式存入软盘,以便用处理程序进行统计和谱分析。本系统的数据采集程序在1987年9—11月西太平洋热带海域考察中得到应用,取得了较好的效果。     

受扰欠驱动自主水下航行器的最优扰动抑制控制

针对近水面航行的欠驱动自主水下航行器(AUV),研究了其波浪力作用下的航向控制问题。首先,利用局部微分同胚将AUV非线性系统转换为Brunovsky标准型系统;其次,基于波浪力的Morison方程给出了波浪力干扰外系统模型;然后,根据最优控制理论,基于二次型性能指标设计欠驱动AUV系统的前馈反馈最优扰动抑制控制律,并通过求解Riccati方程和矩阵方程获得。最后,通过AUV系统仿真实例验证了该方法的有效性。     

水下运载器系统快速开盖运动学研究

水下运载器根据其使命,通常内部装载不同战斗载荷,其中上浮开盖过程是其作战流程中非常关键的一个动作过程,水下运载器在其工作过程中受到波浪力、火箭推力、重力、流体阻力等外界因素的影响,而开盖动作又使得水下运载器系统构件之间产生相对运动,其运动特性较为复杂.针对水下运载器系统,利用多刚体Kane方法建立了系统的动力学方程,利...     

风机基础TLP平台在波浪中运动性能的CFD数值分析

随着海上风能的开发向深水发展,支撑风机的载体平台越来越受到关注。在经济性与安全性、稳定性的多重要求下,张力腿平台（TLP）在海洋风能资源的开发中体现出了重要地位。采用基于开源平台OpenFOAM开发的计算流体动力学（CFD）水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU对一座处于中等水深下的风机基础水下TLP（STLP）的运动响应进行了数值模拟与研究。文中使用弹簧锚链模型模拟STLP的垂向系泊锁链系统,模拟该平台在不同波浪环境下的运动响应情况。首先将STLP单自由度自由衰减CFD模拟结果与已有全耦合时域分析结果进行对比,验证了naoe-FOAM-SJTU求解器及使用弹簧模型模拟STLP系泊系统的准确性与可靠性。随后在考虑非线性波浪载荷的情况下研究极端海况下与一般作业海况下STLP的运动响应情况,计算工况中的风机基础所受弯矩及锚链受力情况,并详细展示流场、速度场信息,分析高阶波浪成分、不同海况等条件对于STLP运动性能的影响。研究结果表明,TLP在中等水深中具有良好的运动性能,naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效模拟水中生产平台在波浪环境下的水动力问题,并可以对整个流场进行可视化展示与分析。     

孤立波低顶海堤越浪的数值模拟研究

灾害性波浪是中国沿海地区最具破坏性的自然灾害之一。采用开源程序OpenFOAM中interFoam求解器,对低顶海堤（在风暴潮和海平面上升情况下所面临的不利工况）的孤立波越浪特性开展数值模拟研究。通过孤立波冲击海堤的基准算例,验证模型在模拟波浪爬升和越浪过程中大变形波面以及剧烈波浪力方面的精度。基于验证的数值模型,对孤立波在低顶海堤上的越浪特征以及防浪墙高度对越浪的影响开展参数化研究。结果表明堤顶超高减小导致更为剧烈的越浪。针对尚无低顶海堤孤立波越浪量经验公式的问题,提出新的适用于堤顶超高小或为0的孤立波越浪量经验公式。此外,研究发现增加防浪墙高度可有效减少越浪,但防浪墙所受的波浪力也增大。综合考虑防浪墙减少越浪以及自身所受波浪力,针对文中研究采用的海堤截面和波浪条件,建议无量纲防浪墙高度取为1.00。     

振荡摇摆式波浪能装置数值模拟研究

利用浸入边界法和流体体积法建立基于N-S方程求解器的二维数值模型,运用该模型分析了振荡摇摆式波浪能装置中浮体与规则波的相互作用过程。在该数值模型中,自由表面采用流体体积法进行追踪,固体运动边界利用浸入边界法进行处理,漩涡和紊流则采用直接数值模拟进行处理。应用所开发的数值工具,对浮体周围的自由水面变化、浮体的动态响应以及波浪-浮体相互作用过程进行模拟。结果表明:该数值模型能够较为精准地预报波浪的非线性变形以及浮体的运动特性,合理、有效地复现波浪与浮体相互作用的物理过程。     

基于HUST-Ship的船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法研究

基于自研的HUST-Ship黏性流CFD求解器,提出了一种船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法和网格生成技术。在自研的CFD软件平台中,根据波浪参数(规则波的波长、波高和不规则波的特征周期、有效波高)自动生成船舶耐波性数值试验水池。以结构化重叠网格技术为基础,分别对船舶与水池进行网格划分并进行网格的组装、重叠,实现船舶在耐波性数值试验水池中的数值“试验”,对船舶耐波性进行数值预报。根据波浪种类分为规则波数值试验水池与不规则波数值试验水池,可对各类波浪条件实现精确可靠的数值造波,模拟船舶在各种波浪环境中运动响应、耐波性事件与非线性运动特性。采用参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池能够提高建模和网格生成效率,通过对国际标模进行数值预报并与船模试验结果对比,验证了参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池对船舶在波浪中运动性能的计算精度。     

不同波长下KCS船运动响应与波浪增阻数值研究

准确预报船舶在波浪中的运动和力可以为船舶性能评估提供参考。采用naoe-FOAM-SJTU求解器,数值模拟固定和放开垂荡、纵摇自由度的KCS船在不同波长的迎浪规则波中的运动。首先运用数值造波方法生成不同波浪周期的Stokes一阶深水规则波,与Stokes波的理论值对比确保造波的准确性;然后计算固定或放开垂荡和纵摇自由度的KCS船在0.65 ≤ λ/L（波长/船长）≤1.95的遭遇波中的运动和阻力,研究KCS船的波浪增阻中绕射和辐射成分,且采用傅里叶分析法研究了运动与阻力的线性和非线性成分分布。结果表明,波浪绕射增阻受波长的影响不大,当波长接近船长时,船舶的垂荡和纵摇幅值以及波浪增阻均达到峰值,这主要由船体剧烈运动引起的辐射增阻导致,应避免船舶在此工况下航行。