AUV水下回收过程中的操纵性仿真研究

在建立自主水下航行器(简称 AUV)六自由度运动模型的基础上,基于势流理论建立了潜艇运动扰动流场对 AUV 扰动力的计算模型,并对回转体 AUV 在回收时靠近潜艇过程中的操纵性进行了仿真,仿真结果显示,AUV 在靠近潜艇的过程中,潜艇扰动流场对 AUV 深度和侧向位移有较大的影响,而对姿态角的影响较小,因此,回转体 AUV 可以稳定地完成水下的回收运动。     

基于数值方法的AUV近水面运动特性研究

为了明确水面回收AUV过程中其自身运动特性,以数值方法作为主要工具,通过控制变量法分析自由液面对AUV运动的影响。建立AUV的近水面运动方程,通过数值模拟PMM,得到AUV近水面运动方程所需的全部水动力系数。最后,通过基于运动方程和CFD方法的水面直航轨迹交叉对比,对所求得AUV近水面运动方程的准确性进行了验证。结果表明,所求得的AUV近水面运动方程准确性良好,可为AUV水面回收过程中的运动控制提供参考。     

AUV模块化对于操纵性的影响分析

AUV在水下的运动复杂且受到水动力的影响,在机械结构上有着模块化设计的AUV安装附加舱段势必会对运动性能产生变化,因此研究AUV在加装舱段后的水下操纵性变化问题。首先通过SolidWorks分别建立AUV与安装附加舱段AUV的几何模型,运用Ansys Fluent分别计算水动力系数;然后利用Matlab软件建立AUV的六自由度运动数学模型,最后以水平面回转运动、水平面Z形操舵运动以及空间定常螺旋下潜运动3个方面的操纵性仿真,对原AUV与加舱段AUV的操纵性进行预报并对比分析结果。结果表明,搭载了舱段的AUV相比原AUV会降低运动性能、应舵性能。     

近水面波浪对UUV航行的影响

低速UUV在水下航行一定的距离后需要上浮到近水面进行导航定位,而在近水面UUV受波浪的影响不能忽略,因此研究UUV在近水面悬停时受波浪的影响是有意义的.本文在建立UUV六自由度运动模型的基础上,基于规则波的波浪理论,建立了波浪力的计算模型.并仿真计算了UUV在近水面悬停时受海洋波浪力的影响.     

水面船舶运动姿态对声散射特性的影响北大核心CSCD

[目的]为了进一步提高鱼雷通过声自导识别复杂水面目标的精度,对随机起伏海面及水面船舶运动姿态下的声散射特性进行模拟研究。[方法]基于Kirchhoff近似和六自由度运动分解合成的方法,建立水面船舶目标多路径声散射简化预报模型。在该模型中,海面波浪对船舶六自由度运动幅度和周期的影响由经验统计值描述,通过旋转矩阵和平移矩阵,实现目标各顶点在连续运动状态下的坐标变换。基于此,利用所建预报模型,分析不同水平探测角下船舶六自由度运动分别对声散射特性的贡献度和影响。[结果]研究表明:横摇和艏摇对正横探测方位角的声散射影响较大,纵摇对艏、艉向声散射影响较大。此外,建立了船舶运动姿态与目标声散射回波特性的关系。[结论]研究结果可为声呐设备对水面目标主动声探测提供技术支撑。     

基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制

[目的]水下机器人(AUV)在近水面航行时,不可避免地会受到海浪的干扰,海浪干扰导致的纵摇和升沉运动不仅会影响AUV的航行姿态,同时也会导致其航行阻力增加,加剧能源的消耗。为实现AUV航行姿态和航行阻力的加权最优,[方法]建立AUV的六自由度模型并进行纵平面运动的线性化。对AUV的纵摇增阻情况进行研究,利用势流理论的方法,推导AUV的纵摇增阻模型。以纵摇增阻为性能指标,确定控制器中的Q矩阵和R矩阵,并设计减小AUV纵摇的线性二次型控制系统(LQR)控制器。[结果]仿真结果表明,加入LQR控制器后,减垂荡和减纵摇效果分别达到46.64%和77.62%,纵摇增阻减小到原来的1/6。[结论]研究结果显示,基于能量优化的LQR控制可实现纵摇增阻和航行姿态的加权最优,节约能量消耗,增加AUV的续航力。     

六自由度液压运动平台的分析与研究

针对目前舰船上运用广泛的多自由度运动结构设计周期长和成本高的问题,为了能更快更好地设计多自由度液压运动平台,采用虚拟仿真技术进行研究分析。以SolidWorks中建立六自由度液压平台模型为基础,通过SolidWorks与Matlab对该平台展开相应运动学仿真分析,对其负载指标、运动指标、机构运动姿态进行分析和计算,并在此基础上建立虚拟样机,验证该六自由度液压平台综合性能指标的正确性。最后通过对各指标进行误差分析,证明了设计模式的有效性,以此为依据研制出六自由度液压实验平台,为研制高精度运动模拟器打下良好的基础。     

船用两自由度运动平台控制策略研究

一种船用并联平台,具有三个支撑点,液压伺服驱动双缸运动,可以完成横摇和纵摇两个运动自由度.介绍了基于铰点坐标的单通道控制与基于自由度的控制策略,建立了Matlab/simulink仿真模型,对自由度控制效果进行了验证,仿真结果表明基于自由度的控制策略可以保证平台运动过程中两套驱动系统协调运动,有效减少侧倾自由度的耦合输出.     

基于对偶四元数法的AUV运动仿真

本文应用对偶四元数法(Dual Quaternions)建立AUV六自由度运动学和动力学方程,然后运用数值积分对所建模型进行仿真.对偶四元数是对偶数与四元数在多维空间中的有机结合,它继承了四元数与对偶数的优点,可以在三维空间中统一表示刚体的旋转与平移,并且没有常规欧拉法存在的姿态奇异性问题.仿真结果表明,对偶四元数法表达形式简单而统一,特别适用于具有大姿态角度运动的AUV运动仿真.     

船—缆拖曳系统操纵性能分析

为获取拖船在拖曳时的操纵性的变化规律。文章采用MMG船舶运动数学模型的建模思想,建立了六自由度拖船运动数学模型,采用有限差分法,建立了拖缆模型。然后,在此基础上建立将船-缆耦合起来以形成整个系统的运动数学模型,并分别采用龙格库塔方法对船舶运动积分求解,采用后向差分法对拖缆运动进行求解。通过对比仿真计算分析了水面拖船在拖带过程中的加速性能、旋回性能及偏转抑制性能。仿真结果表明在拖船与拖缆的相互影响下,拖船的加速性能和旋回性能有所下降而偏转抑制性能有所增强。     

微小型潜器空间运动建模与仿真(英文)

对自主式潜器空间运动进行精确建模和仿真对研究其操纵和控制特性有重要意义,本文以开发的"MAUV-Ⅱ"微小型潜器为对象,基于动量定理和动量矩定理建立了潜器空间运动的非线性数学模型,将潜器受力分解为各个模块并表达为矩阵形式.在运动非线性数学模型的基础上,结合虚拟现实技术建立了运动仿真系统,针对所研究潜器的特点,采用S面控制方法对此"MAUV-Ⅱ"水下运动的艏向控制和深度控制进行了仿真研究,同时进行了基于目标规划的长距离航行仿真试验.仿真结果反映了潜器具有较好的空间操纵性能,也验证了控制软件的可行性和可靠性.     

带吊舱水下机器人运动建模与仿真(英文)

To provide a simulation system platform for designing and debugging a small autonomous underwater vehicle’s (AUV) motion controller, a six-degree of freedom (6-DOF) dynamic model for AUV controlled by thruster and fins with appendages is examined. Based on the dynamic model, a simulation system for the AUV’s motion is established. The different kinds of typical motions are simulated to analyze the motion performance and the maneuverability of the AUV. In order to evaluate the influences of appendages on the motion performance of the AUV, simulations of the AUV with and without appendages are performed and compared. The results demonstrate the AUV has good maneuverability with and without appendages.     

水下潜器改进S面控制及控制系统仿真(英文)

S surface controllers have been proven to provide effective motion control for an autonomous underwater vehicle (AUV). However, it is difficult to adjust their control parameters manually. Choosing the optimum parameters for the controller of a particular AUV is a significant challenge. To automate the process, a modified particle swarm optimization (MPSO) algorithm was proposed. It was based on immune theory, and used a nonlinear regression strategy for inertia weight to optimize AUV control parameters. A semi-physical simulation system for the AUV was developed as a platform to verify the proposed control method, and its structure was considered. The simulation results indicated that the semi-physical simulation platform was helpful, the optimization algorithm has good local and global searching abilities, and the method can be reliably used for an AUV.     

近壁面水动力干扰下的AUV运动控制研究

按自治式水下机器人(AUV)需要接近水下工作站并实现坐落的要求,依据平壁面对AUV水动力干扰的力学机理,建立了AUV在平壁面附近运动时的数学模型,并设计了五个自由度运动PID控制器.在海流影响下,通过系统仿真,实现了AUV的五自由度运动控制和准确坐落,仿真结果验证了控制策略的可行性.     

局部回归神经网络在水下机器人运动控制中的应用

探讨了水下机器人神经网络运动模型的结构,提出了带有局部回归结构的水下机器人神经网络控制器结构及预测控制的实现方法,给出了该神经网络的教师样本生成方法及学习方法,计算机仿真与水池实验结果验证了本文提出方法的有效性和可行性。     

基于神经网络的无人无缆水下机器人运动建模与控制技术研究

对自主型水下机器人（ＡＵＶ）神经网络运动模型的结构进行了理论分析和探讨,提出了非完全回归型神经网络、增加积分层的输出层结构及相应的分步式学习方法。对ＡＵＶ运动过程中目标运动路径和目标运动速度的同时跟踪控制进行了系统研究。提出了由主控网络和伴随网络构成的神经网络控制器结构,给出了通过计算机模拟来生成教师样本的方法,提出了预测控制的思想。计算机仿真及水下机器人“Ｔｗｉｎ－Ｂｕｒｇｅｒ”的水池实验结果验证了本文所提出的建模方法和跟踪控制方法的有效性和可行性。     

KCS迎浪中耐波性的CFD数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)软件STAR-CCM,对国际集装箱标模KCS在迎浪规则波中的运动响应和波浪增阻等主要耐波性能进行数值计算。采用动态重叠网格处理船体运动,同时利用VOF方法模拟自由面波形演化情况。计算结果显示:动态重叠网格具有较强的适应性,能较好地处理船体的大幅运动,计算得到的船体运动幅值能与试验结果相一致,静水和波浪中的阻力计算结果与试验结果能较好地吻合;从自由面波形方面看,KCS船体兴波与来波存在较强的相互干扰,当波峰撞击船首时,波面起伏较大,数值计算能较好地模拟这些流动现象。     

Power efficient formation configuration for centralized leader–follower AUVs control

Autonomous underwater vehicles (AUVs) have rapidly developed in the last few decades due to their autonomous properties in the investigation of an underwater environment. The goal of this paper is to develop a power efficient formation control for the cooperative motion of AUVs with a support vessel as a leader. In this paper, a kinematic algorithm for the joint motion of an AUV with a support vessel was developed and that algorithm was expanded for the formation of AUVs. The AUV yaw, surge and sway control loops were designed for that purpose. The complexing navigation system structure for the AUV was also developed. Simulation results demonstrated efficiency of the proposed kinematic algorithm for the joint motion of AUVs. Also, influence of lateral ocean current was considered. After development of the centralized leader?Cfollower formation control for the group of AUVs with a support vessel as a leader, we optimized a formation configuration in terms of power efficiency. Drag forces caused by AUV motion in the water can significantly influence power consumption. We investigated the relationship between the AUV's formation configuration, underwater coverage efficiency, communication quality and power consumption. As a result of research, we proposed a power efficient formation configuration for typical underwater operations. As a result, the effect of the AUV formation configuration on the power consumption was investigated and a trade-off solution for the optimal AUV positions in formation with minimal energy consumption, high coverage efficiency and small communication power consumption was derived.