水下仿生扑翼机器人的发展现状综述

参照蝠鲼等鱼类游动方式所研制的水下仿生扑翼机器人具有效率高、机动性强、负载能力大等多方面优势。由于其广阔的应用前景,水下仿生扑翼机器人已逐步成为水下航行器领域的研究热点。本文系统地将蝠鲼的生物学特性、机器人的结构设计、动力学模型、单体运动控制、集群运动控制以及实验研究等方面的国内外研究进展进行了总结和梳理。已有的研究表明：水下仿生扑翼机器人正在朝着软体化、集群化、 高机动等方向发展,新兴的水下仿生扑翼机器人及仿生集群能够更加精确的模拟真实生物的游动姿态,并开展相关任务。当下的研究为水下仿生扑翼机器人性能的进一步优化与提升奠定了坚实的理论与实践基础。     

“蛟龙”号载人潜水器运行与保障信息管理系统设计与应用

2017年我国"蛟龙"号载人潜水器完成了为期5年的试验性应用,期间累计下潜100余次,形成和建立了科学完善的应用保障体系和专业的应用人才队伍。以"蛟龙"号试验性应用中运行与保障的实践经验为基础,针对其中设备与备品备件管理、运行作业管理、拆检总装管理、数据资料查询与利用等方面的重要需求,设计开发了一套"蛟龙"号载人潜水器运行与保障信息管理系统,通过信息化平台实现设备资源、作业成果以及经验积累传承之间的高效衔接与复用,最大限度地降低装备运行成本、提高作业效率、保障海上作业安全。文章提出的载人潜水器运维体系能够为我国其他行业或部门的载人潜水器、远程缆控机器人(ROV)、水下自治机器人(AUV)等重大海洋装备的运行与保障提供有益参考借鉴。     

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。     

载人潜水器运行管理机制探析

为了探索深海,不同类型的深海运载装备得以成功开发,并应用于深海科学、资源勘探开发、工程保障及战略安全等不同领域。深海运载装备可以分为载人潜水器(HOV)、遥控深潜器(ROV)、自治式深潜器(AUV)及混合型深潜器,其中以载人潜水器为代表的高技术装备群成为建设海洋强国的重要保障力量。文章对美国"阿尔文"号、俄罗斯"和平I"号和"和平II"号、日本"深海6500"号、法国"鹦鹉螺"号、中国"蛟龙"号载人潜水器运行管理机制进行了阐述,综合比较其优缺点,提出了建立职业化运行保障队伍、优化作业流程,创新组织结构、探索多型潜水器海上作业模式等运行管理机制构架的建议。     

基于深海运载器的小型岩芯取样钻机发展现状分析

深海岩芯取样钻机是开展海洋科学研究、深海资源探测和海底地质取样所必备的关键性装备,随着深海运载器的大规模应用,利用运载器优势发展深海运载器小型岩芯取样探测技术得到了国内外学者的关注,并形成了研究热点方向。在深海运载器作业工具应用认识基础上,首次聚焦运载器岩芯取样钻机研究,对国内外运载器岩芯取样钻机的发展现状、技术特点进行了全面综述。同时,基于"蛟龙"号岩芯钻机研制及应用经验,讨论了发展运载器岩芯取样钻机的关键技术。最后总结了后续发展方向,以期为我国深海运载器岩芯钻机的研发和应用提供技术参考。     

"蛟龙"号载人潜水器的布放回收系统及其关键技术

“蛟龙”号是我国首台载人潜水器,也是全球下潜深度最大的作业型载人潜水器。为使“蛟龙”号具有更大的作业空间,其布放回收系统须满足三级海况下布放和四级海况下回收的作业需求。文章介绍“蛟龙”号布放回收系统的系统组成和关键技术,并对其实际应用情况进行分析和总结。研究结果表明：“蛟龙”号的布放回收系统主要包括A形架、拖曳绞车和升降轨道车;拖曳绞车和A形架主吊缆的恒张力控制系统实现布放回收系统的升沉补偿功能,可满足“蛟龙”号三级海况下布放和四级海况下回收的需求;升降轨道车同时可作为“蛟龙”号日常存放、保养和维修的载体。     

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。     

高海况下无人水下航行器的横摇运动分析

为明确高海况下海况等级对无人水下航行器横摇运动的影响,得出满足某型无人水下航行器安全回收的海况条件,对高海况下无人水下航行器的横摇运动进行分析。运用频率响应法,分别在4级、5级和6级海况下,根据海浪谱密度函数和该型航行器的横摇频率响应函数,求得其横摇运动谱密度函数。再运用公式推导,得到其横摇运动的时域函数。使用MATLAB仿真软件对该型航行器进行横摇运动仿真,得到3种海况条件下,其横摇运动的时域函数图像,并验证仿真结果的准确性。仿真结论:高海况下的海况等级对无人水下航行器的横摇幅度有较大影响,满足其安全回收的海况条件为5级海况。     

局域椭圆偏振光束强聚焦性质的研究

数值计算了局域椭圆偏振光束强聚焦时在焦平面上的横向场强分布、纵向场强分布、横向能流以及纵向角动量分布.结果显示在焦平面上光束总的纵向角动量为零,但在不同象限光束具有不同方向的纵向角动量.当相位延迟角度在0到π之间变化时横向场强分布基本不变,但纵向场强分布有很明显的变化.液晶相位延迟器由外部电压控制,使其相位延迟角度能在0到π之间可以连续取值.因而液晶相位延迟器的外接电压可以实现对焦平面上的纵向场强以及纵向角动量的实时调控.     

取土器几何尺寸对饱和软黏土样结构的扰动研究

基于颗粒流软件模拟,以吹填淤泥为例,分析了取土器的内径、切角、壁厚等尺寸参数对高黏性软土微观动力学特性的影响;通过分层方法,比较了7组土样层间颗粒特征拐点的运动行为。模拟结果表明:土样的颗粒在底部形成对流位移场,对流处上方颗粒主要受拉膨胀,对流处下方颗粒主要受压收缩,由此造成孔隙率的规律变化和层理的弯曲变形。7组参数对应土样的孔隙率曲线与初始孔隙率曲线的交点同颗粒位移场的对流位置存在协同关系。土样层理表现为向下弯曲变形,层间颗粒位移行为存在特征拐点,拐点之间颗粒扰动行为不明显;反之,颗粒扰动行为较大,这种变形特征可拟合为下开口的旋转抛物面,且曲面方程的曲面形状拟合系数a值能初步评估7组土样的扰动程度。层间特征拐点的连线可再拟合为旋转抛物面,抛物面体积与土样体积的比值可用来评估土样的原状性。