深海小型履带式机器人转向动力学建模与分析

为预测复杂海底环境下的小型履带式机器人转向运动性能,运用履带与土壤之间的剪切应力-剪切位移关系,考虑履带滑转以及转向离心力因素,并将水中浮力和水阻力参数引入构建履带式机器人深海底质土壤环境下的稳态转向动力学模型。将海底土壤参数、机器人结构参数代入动力学模型迭代求解,分析得到影响海底履带式机器人运动性能的因素。以一款深海小型履带式机器人为研究对象,在动力学仿真软件Recurdyn中构建动力学模型,通过动力学仿真得到的数据与理论计算数据具有较高的一致性,最后通过水池试验对比验证了动力学仿真的正确性。本文提出的稳态动力学模型可以作为海底履带式机器人不同机械结构参数、土壤条件下通过性预测的理论依据。     

海翼水下滑翔机测流应用

水下滑翔机其通过集成生物、化学、物理传感器可以测量如温度、盐度、溶解氧等多种海洋基础水文要素,其利用卫星定位系统获得实际出水速度和理论出水模型获得理论出水速度之差可以计算深度平均流,。本文利用海翼水下滑翔机获得温盐场及卫星定位数据评估深度平均流,结果显示利用温盐场获得深度平均地转流与水下滑翔机获得深度平均流相关系数0.95,表明其流场的一致性,同时根据船载观测ADCP误差分析法估算深度平均流误差约为0.036 m/s。借助深度平均流可以估算绝对地转流,包括正压地转流和斜压地转流。在零动力面的假设下,我们选取了海翼号水下滑翔机在南海的一组实验对流量误差进行了评估。该实验为2019年1月3日-2月16日海翼号水下滑翔机自南向北穿越西沙群岛附近一个中尺度涡观测。观测结果表明,该中尺度涡为冷涡流核,在涡心以南,绝对地转流为东向流,最大流速约为0.48 m/s;涡心以北,绝对地转流为西向流,最大流速约为0.47 m/s,稍弱于南侧。受不均匀时空观测计划影响,本文未对流量做出估计。     

水下机器人在极地科学考察中的应用

本文首先介绍了当前极地科学考察的背景与技术现状,重点阐述了水下机器人在极地科学考察中的作用及其应用的必要性。其次调查了国内外水下机器人在极地考察中的研究和应用现状,描述了我国研制的“海极”号水下机器人在“中国第二次北极科学考察”中的作业情况,对极地考察水下机器人的未来发展趋势做了分析。最后,本文针对极地环境和极地科学考察的需求,对极地考察水下机器人的一些关键技术进行了探讨。     

自治水下机器人机械手系统协调运动研究

简单描述了自治水下机器人搭载的三功能水下电动机械手的设计,鉴于自治水下机器人-机械手系统运动学冗余、内部可能干涉以及载体圆筒式外形等特点,将惩罚调节因子引入系统运动学伪逆矩阵,保证了关节在允许范围内运动,避免载体大幅度姿态变化及载体与机械手之间的干涉,同时采用梯度投影法优化海流作用下的系统推力。仿真表明,该算法在解决系统冗余度的同时,有效地协调多任务下的系统动作。     

国产水下滑翔机2014年南海海试实验数据分析

水下滑翔机(Underwater Glider)是将浮标、潜标技术以及水下机器人技术相结合并依靠自身浮力和重力作为推进方式的一种新型海洋调查系统.文中详细介绍了中国科学院自动化研究所研制的水下滑翔机的组成部分及其工作方式和原理,并对2014年6月南海海试的数据进行了分析.结果表明,Glider的下降和上升速度主要分布在0.1～0.2 m/s之间,占整体分布的85％以上;该速度分布对获取高质量的数据提供了极大保障.单剖面完成时间以及出入水的水平距离主要受滑翔机的预设浮力以及俯仰角的变化以及洋流的影响.获取的高分辨率温盐数据结果表明,Glider发现了南海表层存在的一个中尺度暖涡过程,并就该暖涡分析了其锋面结构.海试总体结果表明,国产Glider的各项性能指标已经能够满足在深海海域实现无人值守的长时间自主海洋调查.     

水下滑翔机器人运动机理仿真与实验

对水下滑翔机器人SEA-WING的定常滑翔运动和空间定常螺旋回转运动进行机理分析,针对其特定水动力系数进行仿真,得出其运动机理特性.在此基础上,通过湖试实验数据对仿真结果进行验证,认为对于定常滑翔运动,以约36°航迹角滑行可得到最大水平速度;在相同航迹角航行情况下,水平方向速度随净浮力的增大而增大.对于定常回转运动,回转半径由载体的质量、俯仰角、水动力参数、横滚角确定.在质量和俯仰角保持不变条件下,横滚角对回转半径的影响较明显,系统的回转半径可以通过控制横滚角来实现的.     

水下机器人主动升沉补偿系统研究

介绍一种基于水下机器人常规液压收放绞车的主动升沉补偿系统,利用加速度传感器获得母船的升沉运动信号,控制绞车的运转来降低母船的升沉运动对水下机器人的影响。通过理论计算建立主动升沉补偿系统的数学模型,仿真分析绞车运动对水下机器人升沉运动的补偿效果,并利用主动升沉补偿系统实验台验证基于常规液压收放绞车的主动升沉补偿方案的可行性。     

深海生物原位实验与生态监测研究进展

深海在黑暗、高静水压、低温(黑烟囱等热液系统除外)和寡营养的极端环境下形成了特殊的生境。对深海生物/微生物的研究,不仅可以揭示各种深海生物的生理代谢特性和动态变化规律,而且有助于深海生物资源的开发利用,特别是深海微生物碳循环机制的相关研究可为全球实现碳中和目标提供新的路线图。研究深海生物的首要条件是获得大量保持原位特性的样本,然而传统深海采样手段的局限可能导致深海相关研究结果无法反映深海环境下真实的生命过程,亟需发展满足深海生物原位研究的采样方法和生态监测技术。本文对深海生物研究现状,相关科学问题和原位组学研究进展,以及原位生态监测装备研发和应用进行综述,并对深海原位生物实验室进行了展望。     

Development and experiments of the Sea-Wing underwater glider

Underwater gliders,which glide through water columns by use of a pair of wings,are efficient long-distance,long-duration marine environment observatory platforms.The Sea-Wing underwater glider,developed by the Shenyang Institute of Automation,CAS,is designed for the application of deep-sea environment variables observation.The system components,the mechanical design,and the control system design of the Sea-Wing underwater glider are described in this paper.The pitch and roll adjusting models are derived based on the mechanical design,and the adjusting capabilities for the pitch and roll are analyzed according to the models.Field experiments have been carried out for validating the gliding motion and the ability of measuring ocean environment variables.Experimental results of the motion performances of the glider are presented.     

基于卫星测高数据的海洋中尺度涡流动态特征检测

为了最终实现对海洋中尺度涡流(简称中尺度涡)的自动采样,首先应该发展中尺度涡动态特征识别技术。本文基于SLA(Sea Level Anomaly)数据,实现了对中尺度涡动态特征的检测算法。主要内容是制定了一个判别相邻两组SLA数据中的涡流,是否为同一涡流子在不同时刻的状态的标准,即判别下一时刻SLA数据中是否存在涡流是由上一时刻确定的被检测涡流演化而来的。通过确定这种进化关系,可以得到被检测涡流的一系列动态状态信息,例如:面积变化速率、中心移动情况以及其他情况。本算法的计算量不大,从而可以应用到实时涡流跟踪的环境中。值得注意的是,本文中的算法不仅仅局限于应用SLA数据,SSH(Sea Surface Height)等大部分反映海洋高度的数据也可以使用。