Hydrodynamic and dynamic analysis to determine the directional stability of an underwater vehicle near a free surface

A theoretical methodology to determine the open-loop directional stability of a near-surface underwater vehicle is presented. It involves a solution of coupled sway and yaw equations of motion in a manner similar to that carried out for surface ships. The stability derivatives are obtained numerically through simulation of motions corresponding to planar motion mechanism (PMM) model tests. For the numerical simulation, a boundary-integral method based on the mixed Lagrangian-Eulerian formulation is developed. The free-surface effect on the vehicle stability is determined by comparing the results with that obtained for vehicle motion in infinite fluid. The methodology was used to determine the stability of the Florida Atlantic University’s Ocean EXplorer (OEX) AUV. The presence of the free surface, through radiation damping, is found to suppress unsteady oscillations and thereby enhance the directional stability of the vehicle. With effects of free surface, forward speed, location and geometry of rudders, location of the center of gravity etc. all being significant factors affecting stability, a general conclusion cannot be drawn on their combined effect on the vehicle stability. The present computational methodology is therefore a useful tool to determine an underwater vehicle’s stability for a given configuration and thus the viability of an intended mission a priori.     

基于CAN总线的水下机器人执行节点设计与实现

文中提出了一种基于CAN总线的水下机器人分布式控制系统结构,主要设计其执行节点,包括P87C591单片机为核心的的硬件电路和软件结构设计。     

履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。     

“海龙Ⅲ”号ROV系统深海试验与应用研究

深海水下机器人主要用于深远海地质、矿物资源和生物调查研究,以及海洋石油工程服务等水下综合作业,能够实现深海近底高精度、长时间的定点取样作业及其他精细化调查。结合国内外深海ROV装备和技术发展现状,以新研发的6 000 m级"海龙Ⅲ"号ROV搭载"大洋一号"船执行的2018年南海综合海试和48航次为例,从深海试验流程和方法、浅水区功能测试、深水区功能测试、深海观测及取样功能测试等方面,详细阐述了ROV海上试验和应用作业过程,对作业水深、功率配置、水下运动能力、搭载能力等关键性能指标进行了试验验证。海上功能测试和试验性应用结果表明,"海龙Ⅲ"ROV各项性能指标满足设计要求,验证了系统在不同深度、不同地形条件下的观测取样作业能力,创新了深水ROV作业方法手段,分析得出此类装备目前在国内发展存在的不足之处,并结合实际应用提出后期改进计划,以期为深海ROV的海试应用提供技术参考。     

基于无人机的用海项目施工期悬浮泥沙监测

为实现对用海项目施工期悬浮泥沙扩散的实时跟踪监测,尝试采用无人机携带可见光、多光谱传感器对古雷围填海项目的围堰区进行遥感探测。利用Pix4d软件对无人机携带的可见光及多光谱照片进行处理,结果表明,可见光及多光谱影像对水体中的悬浮泥沙分布均具有一定的识别能力。通过研究分析多光谱影像的光谱特征发现,近红外波段对悬浮泥沙含量的升高较为敏感,运用波段比值公式计算结果显示,围堰内含沙水体经溢流口排入海域后浓度明显降低,并可向南继续扩散约300 m。该方法可克服遥感卫星影像时空分辨率低的特点,为用海项目资源环境影响跟踪监测提供新的技术手段。     

近岸海域大型水母来源与迁移路径分析——以红沿河电厂海域为例

近岸海域水母暴发可导致滨海火/核电厂取水口堵塞,对电厂安全运行造成潜在威胁。寻找水母源地及其迁移路径是水母治理的基础。本文基于拉格朗日质点追踪方法(LTRANS)建立反向追踪模型,并结合水母生态学特性对2015年6—9月聚集在红沿河电厂海域的大型水母进行溯源,获得水母源地及迁移路径,可以为螅状体栖息地寻找和水母拦截打捞提供依据,对近岸海域水母灾害防治具有重要指导意义。溯源结果表明:(1)红沿河电厂及其邻近海域的水母可能来自多个不同源区,辽东湾西部、北部及电厂南北两侧等海域的水母均有可能迁移至电厂附近;(2)受水温和环流影响,6—9月期间到达电厂附近的水母主要源区及迁移路径不同,早期出现在电厂海域的水母很可能是局地产生的,而7—9月持续的高风险水母灾害则主要取决于渤海不同源区水母的物理聚集;(3)根据水母的主要迁移路径,建议在电厂取水口约15km的海域设置一条封闭监测断面,对水母进行实时监测;在距离取水口约30km的外侧海域设置一条调查断面,于7月初至8月中旬,每5天进行一次定点拖网调查。此外,在距离电厂取水口15—20km的西南方向上,对水母进行拦截打捞可大大降低水母入侵风险。     

室内用户语义位置预测研究

位置预测技术可以提前预知用户下一时刻的位置,在基于位置的服务（Location-based Service,LBS）领域中发挥着极其重要的作用。现有的位置预测技术大多仅使用用户的地理轨迹,仅使用地理轨迹挖掘出来的用户移动模式易受地理特性的限制缺乏深层次的语义信息。本文基于某商场群体用户的室内轨迹数据和语义信息预测用户下一个时刻语义位置。语义位置预测包括停留区域识别、停留区域语义匹配、语义位置建模。在停留区域识别阶段,为减少室内停留时间不固定对停留区域识别的影响,本研究提出了一种新型的时空凝聚层次聚类算法（Spatial-Temporal Agglomerative Nesting, ST-AGNES),该算法具有思想简单、超参数少、自动生成聚类个数等优点。在语义匹配阶段,引入了吸引度规则,充分利用停留区域所有轨迹点与室内高密度的商铺名称信息做匹配。最后,采用长短型记忆神经网络模型（Long Short-Term Memory,LSTM）挖掘群体用户的语义位置模式并预测用户未来的语义位置,实验预测正确率达到61.3%。     

点模式条件下的犯罪嫌疑人时空同现模式挖掘与分析

现有时空同现模式挖掘方法因其在空间和时间频繁阈值等参数值的设定上存在困难且缺乏客观依据的问题而难以被应用到犯罪地理研究中。为此,本文通过引入时空状态同现模式和最小时空参与率等概念对现有挖掘方法进行了重新建模,并结合广义Grubbs异常值检验提出了一种点模式分布下的犯罪嫌疑人时空同现模式挖掘框架。基于该框架对中国某省部分犯罪嫌疑人的真实移动轨迹数据的实验分析结果表明,本文所提出的方法能够有效地挖掘出嫌疑人间显著的时空同现模式,且这些模式的时空分布特征不仅与犯罪活动易发生在非农业生产区这一共识基本相符,还与日常活动理论的基本观点相适应。本文拓展了时空同现模式挖掘在犯罪地理研究中的应用,研究成果对公安机关等执法部门在重点监控某些犯罪嫌疑人以及合理分配和部署警力资源方面具有重要意义。     

基于分布式控制力矩陀螺的水下航行器轨迹跟踪控制

基于控制力矩陀螺群(CMGs)的水下航行器具有低速或零速机动的能力。采用基于分布式CMGs的水下航行器方案,并研究其水平面的轨迹跟踪控制问题。通过全局微分同胚变换将非完全对称的动力学模型解耦成标准欠驱动控制模型,并根据简化的模型构建其轨迹跟踪的误差动力学模型,将轨迹跟踪控制问题转化为误差模型镇定问题。基于一种分流神经元模型和反步法设计了系统的轨迹跟踪控制律,该控制器不需要对任何虚拟控制输入进行求导计算,且能确保跟踪误差的最终一致有界性。仿真结果表明该控制器能够实现在不依赖动力学参数先验知识的情况下对光滑轨迹的有效跟踪。     

Nonlinear adaptive control of an underwater towed vehicle

This paper addresses the problem of simultaneous depth tracking and attitude control of an underwater towed vehicle. The system proposed uses a two-stage towing arrangement that includes a long primary cable, a gravitic depressor, and a secondary cable. The towfish motion induced by wave driven disturbances in both the vertical and horizontal planes is described using an empirical model of the depressor motion and a spring-damper model of the secondary cable. A nonlinear, Lyapunov-based, adaptive output feedback control law is designed and shown to regulate pitch, yaw, and depth tracking errors to zero. The controller is designed to operate in the presence of plant parameter uncertainty. When subjected to bounded external disturbances, the tracking errors converge to a neighbourhood of the origin that can be made arbitrarily small. In the implementation proposed, a nonlinear observer is used to estimate the linear velocities used by the controller thus dispensing with the need for costly sensor suites. The results obtained with computer simulations show that the controlled system exhibits good performance about different operating conditions when subjected to sea-wave driven disturbances and in the presence of sensor noise. The system holds promise for application in oceanographic missions that require depth tracking or bottom-following combined with precise vehicle attitude control.