航行体水动力特性数值计算研究

航行体水中运动达到一定速度时,在航行体肩部及尾部会产生空泡,直接影响航行体的水动力特性及稳定性控制,当空泡进入高压区时瞬间发生溃灭,产生极高的压力冲击对航行体具有很强的破坏作用。本文利用数值计算方法对某航行体水下不同运动速度下的空泡状态、阻力系数进行研究,对该航行体水动力特性及水下载荷研究提供参考。     

潜航器轨迹跟踪与航向预测算法

海况条件较差时,基于水下单点GPS定位系统的潜航器实时定位有较大测量误差,不利于潜航器的轨迹跟踪与航向预测。针对误差服从高斯分布的水下单点GPS定位系统,提出基于改进型扩展卡尔曼滤波算法的GPS跟踪方法和基于回归分析算法的航向预测方法。通过测试与仿真,对定位设备采集到的数据进行对比分析,试验结果表明,上述算法显著提高了轨迹测量精度与航向跟踪能力,准确绘制出了潜航器的实时航行轨迹与航向预测线,可应用于潜航器的轨迹跟踪项目中。     

潜航器轨迹跟踪与航向预测算法

海况条件较差时,基于水下单点GPS定位系统的潜航器实时定位有较大测量误差,不利于潜航器的轨迹跟踪与航向预测。针对误差服从高斯分布的水下单点GPS定位系统,提出基于改进型扩展卡尔曼滤波算法的GPS跟踪方法和基于回归分析算法的航向预测方法。通过测试与仿真,对定位设备采集到的数据进行对比分析,试验结果表明,上述算法显著提高了轨迹测量精度与航向跟踪能力,准确绘制出了潜航器的实时航行轨迹与航向预测线,可应用于潜航器的轨迹跟踪项目中。     

多自主式水下航行器轨迹精准跟踪控制方法

针对多自主式水下航行器轨迹跟踪控制中的不确定性问题,研究多自主式水下航行器轨迹精准跟踪控制方法。构建基于灰色预测的轨迹精准跟踪控制模型,利用灰色预测模型预测航行器航向角,构建一元多项式回归模型,拟合航行器初始航向角同预测航向角间的残差,优化灰色预测模型,提升航行器航向角预测精度。将航向角预测结果代入PID控制器内,通过计算航向角控制率确定位置误差、速度误差与加速度误差,通过控制上述误差实现航行器轨迹准确跟踪控制。实验结果显示该方法可在航行器不同运动特性下准确跟踪轨迹,并具有较好的控制效果。     

航行体头型对气泡附着影响的数值研究

水下航行体穿越水中膨胀气泡时,气泡在一定条件下有可能附着在航行体上形成附着空泡,从而改变航行体水动力性能,为此开展了头型因素对气团附着空泡影响的数值研究。利用数值模拟方法计算了四种头型航行体穿越膨胀气团的过程,结果发现头型是影响气泡附着的重要因素:对于分离角较大的钝头型,气泡容易附着在航行体上形成附着空泡;对于分离角较小的细长头型,气泡受到扰动后就很快与航行体分离而不会附着。     

水下航行体降噪艉翼填角的数值模拟与试验研究

为降低水下航行体噪声,研究了艉翼填角的降噪效果。分析了水下航行体艉翼接合部马蹄涡影响螺旋桨伴流场的特征,认为马蹄涡对水下航行体噪声产生了不利影响。针对某无人水下航行体(UUV)设计了一种艉翼填角,运用CFD方法对该艉翼填角优化螺旋桨伴流场的效果进行了数值模拟,结果显示伴流场轴向速度的周向不均匀度系数下降35%-62%。将艉翼填角应用于该UUV,开展航行辐射噪声测量试验,结果显示艉翼填角使UUV航行噪声总声源级降低3.4 d B,尤其对低频噪声抑制较好。     

水下航行器极区内对准以及格网导航技术

为克服水下航行器在极区航行时地理经线收敛导致的航向角定义失效、定位计算失效等问题,设计了格网惯性导航算法编排方案,以直接获得格网航向,并采用ECEF位置坐标代替传统经纬度进行水下航行器定位。对格网惯性导航的误差进行建模,并据此设计了格网惯导系统的"速度匹配"传递对准算法,以满足水下航行器在极区的对准需求。仿真结果表明,在格网惯性导航下,采用高精度惯性器件,15 min内水平姿态角误差小于0.5′,方位姿态角误差小于0.2′,水平速度误差小于0.5 m/s,ECEF坐标系下的位置误差全程小于200 m;应用"速度匹配"传递对准算法,水平失准角在10 s内即可收敛到1.5′以内,同时,加速对方位失准角有激励作用,30 s内方位对准精度在4′以内。     

超空泡航行体运动过程尾部振荡流场试验研究

为了揭示超空泡航行体运动过程尾部振荡机理,文章采用试验的方法对超空泡航行体自由航行过程进行了研究。试验在水池中开展,采用高速摄影观察自由航行过程超空泡形态演化规律,采用压力传感器测量航行体表面压力,采用内测装置测量了航行体运动参数,获得了超空泡航行体运动过程空泡形态、压力和运动参数变化规律。试验结果表明,在航行体运动过程中,会出现尾部上下周期撞击空泡壁振荡现象,即为尾拍效应,表现为航行体撞击空泡壁瞬间,会形成非定常气液混合区域,相反侧则出现空泡透明区域。同时,稳定空泡内压力并非一定值,泡内压力和泡内空化数均在一定范围内波动,在尾部撞击空泡壁一侧,压力不断增大,出现压力高峰,相反侧则与稳定空泡内压力基本一致。     

水下航行器组合导航蔽障控制器的设计与实现

为了提高水下航行器的蔽障性能,进行组合导航蔽障控制器优化设计。针对水下航行器导航中容易出现横滚误差的问题,提出一种基于横滚小扰动误差补偿的组合导航蔽障控制算法,构建水下航行器组合导航蔽障控制对象模型,进行控制约束参量分析,设计组合导航蔽障的运动方程和控制目标函数,采用小扰动误差补偿方法进行横滚误差抑制,提高控制精度,在纵向运动的弹道模型下实现控制器的优化设计。仿真结果表明,采用该控制方法进行水下航行器组合导航蔽障控制的误差较小,收敛性和鲁棒性较好,性能优越。     

捷联航姿系统航行状态下的组合对准算法研究

由于捷联航姿设备无纬度解算值,导致跨纬度航行时航向误差过大,引入计程仪速度与航姿设备输出姿态、航向一起对纬度值进行计算,航行状态引入计程仪信息后建立数学模型进行初始对准,经航行实验验证,72小时内航向角误差得到了极大的缩小,验证了该数学模型的可行性,可提高设备的精度,具有实际使用意义。     

A novel tracking control approach for unmanned underwater vehicles based on bio-inspired neurodynamics

A novel hybrid control approach is presented for trajectory tracking control of unmanned underwater vehicles in this paper. The kinematic and dynamic controllers are integrated by the proposed control strategy. The paper has two objectives. Firstly, an improved backstep method is proposed to generate the virtual velocity using a bio-inspired neurodynamics model in the kinematic controller. The bio-inspired neurodynamics model is intended to smooth the virtual velocity output to avoid speed jumps of the unmanned underwater vehicle caused by tracking errors and to meet the thruster control constraints. Secondly, a new sliding-mode method is added to the dynamic controller, which is robust against parameter inaccuracy and disturbances. The combined kinematic–dynamic control law is applied to the trajectory tracking problem of two different types of unmanned underwater vehicle. Finally, simulation results illustrate the performance of the proposed controller.     

海洋拖曳系统的船/缆/体耦合模型研究

为进一步提高海洋拖曳系统在不同情况下运动响应的预测精度,将拖曳母船、拖缆和拖曳体三者视为一个相互作用的整体,利用其耦合边界条件,将拖缆顶端和底端的张力及其产生的力矩,分别与船舶操纵性运动方程(MMG模型)和拖体六自由度运动方程相结合,利用拖缆的有限差分方程,建立了船/缆/体三者耦合模型,进而采用数值计算方法,对比分析了该模型与常规算法。结果表明,该模型考虑船/缆/体三者的耦合影响,可更加准确全面地反映拖曳母船的速度、旋回半径、横摇角等操纵性特征以及拖曳体的深度、姿态等信息所受到的影响,从而为准确预报海洋拖曳系统的运动响应提供更为直观、科学的理论依据。     

带漂角和输入饱和的水面船舶航向控制

[目的]为处理水面船舶航向控制过程中受到的非零漂角和输入饱和影响,提出一种基于反步法的航向控制方法。[方法]首先,利用相对速度求出实际漂角,再通过漂角对航向角误差进行修正;然后,采用一种预滤波方法减小航向改变时对航速变化的影响,同时引入双曲正切函数和Nussbaum函数逼近输入约束,结合自适应律对逼近误差和艏摇方向上的扰动进行估计;最后,借助指令滤波器简化反推过程,并通过Lyapunov理论证明控制系统的稳定性。[结果]仿真结果表明,所提控制器有效减小了水面船舶的航向输出误差,且能始终保持较小的控制输入力矩。[结论]研究成果可为水面船舶航向控制设计提供参考。     

船舶水下辐射噪声计算评估方法及应用

本文采用有限元(FEM)和边界元(BEM)相结合的方法对船舶水下辐射噪声进行研究。首先根据船舶的实际情况建立三维结构有限元模型,包括船体结构、压载、主要动力设备及其隔振方式等,然后结合实船测试的柴油发电机组、推进电机机脚振动和轴系中间支撑基座振动数值,及船模试验得到的螺旋桨脉动压力,计算获得流固耦合下结构的响应,最后将船体外壳水线以下结构响应作为约束条件,通过边界元的方法对水下辐射噪声进行计算和分析。从而对船舶设计阶段水下辐射噪声初步评估方法进行修正,同时对比水下辐射噪声实船测试结果,计算准确性较高,修正后的计算评估方法能进一步提高了设计阶段水下噪声的评估精度,为船舶水下辐射噪声控制提供了依据和参考。     

船舶水下辐射噪声特性研究

本文采用有限元/边界元(FEM/BEM)方法对船舶水下辐射噪声特性进行研究.首先应用五种类型的有限单元建立了接近于真实船舶结构的有限元模型(包括机舱动力设备),并应用有限元法完成了流-固耦合状态下,船舶结构振动位移响应数值计算.然后将有限元模型的外表面处理成边界元模型,并由船舶外表面位移响应计算得到用于水下辐射噪声计算的速度边界条件.最后利用边界元技术对船舶水下辐射噪声特性进行研究.本文预估了仅考虑推进柴油机激励、柴油发电机组激励、齿轮箱激励以及所有激励情况下的船舶水下辐射噪声,并将其数值计算与实际测量结果比较,比较结果符合良好.     

分层结构材料顺序对水中冲击波的影响研究

采用分层结构设计是有效提升现代舰船的抗爆炸冲击能力的一种方式。通过建立水下航行器的分层结构模型,采用高压下冲击波在分层介质中的传播理论模型,分析分层结构不同材料的合理排列顺序,并进行验证性的试验研究。研究表明,在为舰船或者水下航行器等装备设计分层结构时,在不影响整体布局的情况下,需重点考虑到材料的排列顺序。     

Station keeping control of underwater robots using disturbance force measurements

Station keeping control of remotely operated vehicles is crucial in the successful completion of underwater missions of work class robotic vehicles. The conventional method of station keeping using the vehicle pose/velocity measurement introduces delay in vehicle control and often leads to instability. In this paper, we present a novel method for measuring the underwater disturbances and controlling the robot for station keeping using a feed-forward control strategy. A strain-gauge based disturbance force measurement is proposed here with suitable algorithms to measure the forces acting on the vehicle due to external disturbances. Using the dynamic models, the vehicle response is predicted and a feed-forward control is implemented for station keeping. The controller activates corrective control action even before the vehicle responds to the disturbances. The performance of the controller is analyzed through simulation studies as well as hardware-in-loop tests. Results show that this approach is an effective alternative for conventional station keeping control of underwater vehicles.     

Robust autopilot with wave filter for ship steering

Research was done to overcome traditional problems associated with automatic steering systems of a ship in a seaway. A ship＇ s dynamic model with wave disturbances was built and a wave filter was designed by means of an extended states observer （ESO）. The model estimated the low frequency motion component from a heading measurement corrupted by colorednoise, so back-and-forth steering caused by high frequency wave disturbances was avoided. At the same time, a robust autopilot system, designed by variable structure control theory, was presented. Simulation results achieved in dangerous sea status show that the wave filter works very well and the autopilot has strong robustness to environmental disturbances and model perturbation, and more importantly, the frequency of rudder adjustments is reduced noticeably.     

Research on integrated navigation method for AUV

The principles of the SINS/DVL integrated navigation system are introduced, and the compass status accuracy is compared. When the heading is changed, the dead reckoning algorithm using the heading information of the SINS （Strapdown inertial navigation systems） and DVL （doppler velocity log） is adopted to substitute the SINS/DVL integrated system. The simulation results show that the method can improve the accuracy of integrated navigation system when AUV （autonomous underwater vehicle） is in motion.     

船艏底部砰击压力概率预报方法研究

在Ochi概率统计方法的基础上探索一种适合于非常规船型船艏底部砰击压力的概率预报方法。该方法在时域中计算船舶在波浪中的运动响应,基于Msc.Dytran计算砰击压力系数,在此基础上采用蒙特卡罗法对砰击压力的概率特性进行预报。分析了砰击时的船波相对速度和波面倾角对压力系数的影响。研究结果表明,船舶在静水和波浪中的砰击压力特性有很大差异,在波峰与波谷处发生砰击时产生的砰击压力大于在波面其它位置产生的压力值,相对速度对砰击压力系数的影响在波面不同位置呈现出不同的特点。