鱼雷形水下机器人水动力试验研究

水下机器人的水动力参数是建立其空间运动数学模型的重要基础,文章对某鱼雷外形的水下机器人,在循环水槽进行了模型水动力试验,得到水下机器人阻力曲线、绘制出了水平斜航和垂直斜航受力随攻角和漂角变化的曲线并将其回归成与漂角或攻角相关的表达式,得到了与操纵性能相关的主要水动力系数,在此基础上对水下机器人的运动稳定性进行了分析,研究结果表明水下机器人能够满足运动稳定性的要求,同时试验得到的水动力参数为水下机器人的操纵性分析及运动控制提供依据.     

水下机器人水动力性能分析与仿真

水下机器人在海洋勘测和军事侦探等领域具有重要作用。本文主要研究水下机器人水动力性能分析和仿真。通过分析静稳定性和动稳定性找出水下机器人处于自适应稳定下的充分必要条件。最后设计了水下机器人稳定仿真平台,通过实验结果表明,水下机器人自适应稳定运动可行。     

新型消防用水下搜救机器人研发设计

介绍了一种消防用水下搜救机器人的设计,该水下机器人具有价格低廉、功能齐全、实用可靠和操作简便的特点,可完成水下多自由度方向运动、水下定位,不同目标的可视化探测和成像识别等作业。本文完成了消防用水下机器人的总布置设计,设计了电子舱的结构并对其进行了强度校核,评估了机器人水下稳定性,设计和论证了机器人的推进系统。     

基于Labview的PID算法在小型水下机器人中的应用

主要讨论基于图形化编程语言(Labview)的PID控制算法在小型水下机器人中的应用.利用PID算法对小型水下机器人的航向角和深度进行控制,从而提高其稳定性.实验表明,通过PID算法对机器人运动的控制,能实现水下机器人对目标进行锁定观测.通过本文的控制方案,不但简化了控制系统,同时也大大改善了小型水下机器人的工作性能,从而使其能适应较复杂的工作环境.     

基于Labview的PID算法在小型水下机器人中的应用

主要讨论基于图形化编程语言（Labview）的PID控制算法在小型水下机器人中的应用。利用PID算法对小型水下机器人的航向角和深度进行控制，从而提高其稳定性。实验表明，通过PID算法对机器人运动的控制，能实现水下机器人对目标进行锁定观测。通过本文的控制方案，不但简化了控制系统，同时也大大改善了小型水下机器人的工作性能，从而使其能适应较复杂的工作环境。     

基于指数趋近滑模控制的水下机器人-机械手系统轨迹跟踪

针对水下机器人-机械手一体系统需要快速、准确实现预定轨迹跟踪以实现作业的要求,提出一种基于指数趋近律的滑模变结构控制方法,以期提高系统的响应速度与控制精度,并减小系统抖振,实现对系统运动轨迹的控制。为此本文首先建立水下机器人-机械手系统整体动力学模型,并基于指数趋近律和滑模变结构控制建立系统的控制器,通过李雅普诺夫稳定性理论对控制系统的稳定性进行验证。然后在Matlab环境中对水下机器人-机械手系统进行轨迹跟踪控制仿真。仿真结果表明,建立的滑模控制系统响应快,控制误差小,能够有效地实现水下机器人-机械手系统的运动轨迹控制。     

斜流作用下清洗机器人流场大涡模拟

针对清洗机器人受水流作用的工作稳定性问题，采用大涡模拟方法对雷诺数Re分别为300、3 000、30 000等3种来流条件下的水下机器人流场动力学特性进行数值模拟，分析其时均流场、瞬态涡结构和受力特性。结果表明：紧贴船壳壁面的水下机器人周围流场稳定性很高，壁面效应使机器人尾涡脱落受到抑制；随雷诺数增加，流体边界层厚度减小，阻力系数和侧向力系数逐渐增大；雷诺数为30 000时，阻力系数为0.53，侧向力系数为0.28，侧向力控制是水下机器人后续研究的重点。研究结果能为清洗机器人工作过程的稳定性研究提供理论依据。     

海流干扰下水下机器人快速动态响应的控制方法

为清晰掌握水下机器人的响应运动状态,提出海流干扰下水下机器人的快速动态响应控制方法。利用平面坐标系,确定机器人的主体运动方程,完成海流干扰下水下机器人的运动建模。在此基础上,通过计算海流动力混编结果的方式,换算水下机器人的响应控制推力,并确定动态响应边界条件,完成海流干扰下水下机器人快速动态响应控制方法的搭建。对比实验结果表明,与现有技术手段相比,应用新型控制方法后,水下机器人响应运动速度曲线、加速度曲线与理想曲线间的差值明显缩小,整体响应运动状态得到清晰描述。     

嵌入式系统在船舶水下识别中的应用

水下目标的识别是水下机器人领域的一项非常关键的技术,对水下机器人起到导航、监测和规避障碍的作用,对水下机器人的发展具有十分重要的意义,已成为视觉领域一项具有实际研究价值的课题。本文基于嵌入式实时操作系统VxWorks设计一种水下目标识别系统,整个系统由主控PC机、PC/104目标机和显示机3个部分组成。本文针对几组特定的水下微光图像进行模拟识别实验,以此来测试系统的目标识别率、稳定性和可靠性。     

海底电缆巡检水下机器人的模块化控制系统

为了提高海底电缆巡检水下机器人操控稳定性,进行控制系统的模块化设计,在嵌入式ARM下进行海底电缆巡检水下机器人控制系统优化设计,控制系统分为上位机模块、下位机模块、探测模块、传感信息采集模块、智能信息处理模块和通信传输模块等,将照明传感器和压力传感器置于机器人控制系统的下位机部分,进行图像和环境数据采集,对采集的海底电缆分布信息在智能信息处理模块中实现加工和判断,采用MSP430F149嵌入式控制芯片进行中央控制单元开发,上位机模块实现数据上传和远程通信,采用超低功耗16位单片机MSP430F149进行机器人控制系统的集成信息处理和控制指令传输,实现系统的硬件模块化开发。测试表明,该控制系统具有很好的水下机器人稳定性控制性能,提高对海底电缆的准确巡检能力。     

水下拖曳系统水动力特性的计算流体力学分析

提出了一种新型的水下拖曳系统三维水动力数学模型。在该模型中拖曳缆绳的控制方程由Ablow andSchechter模型给出,Gertler and Hargen的水下运载体六自由度运动方程被用来描述拖曳体的水动力状态。通过对拖曳缆绳和拖曳体的控制方程在连接点处进行边界条件耦合,从而构成整个拖曳系统的水动力数学模型。在研究中,拖曳系统的水动力数学模型通过时间与空间的中心差分方程来逼近,每一时刻拖曳体所受的水动力通过求解Navier-Stokes方程得到。所提出的模型特别适用于拖曳体为非回转体、非流线型的主体,或必须考虑拖曳体各组成部分的水动力相互影响的情况。计算结果与相应的实验室样机试验结果的比较表明,所提出的模型可以有效地预报拖曳系统的水动力特性。利用所提出的水动力模型,对华南理工大学提出的自主稳定可控制水下拖曳体在实际海况下的数值模拟结果显示,所分析的拖曳体具有良好的运动与姿态稳定性,是一种值得开发研究的新型水下拖曳体。     

基于扰动压力与速度测量水中目标航向与航速的新方法

从不可压理想定常流动的伯努利方程出发,依据水中航行体对水中某点的扰动压力与扰动速度的相关性,提出了基于水中航行体对水中一点的扰动压力与扰动速度测量该航行体的航行速度与航向的新方法。船模实验表明,该方法能较准确地测量出水中航行体的航向与运动速度,航向测量误差在5%以内,速度测量误差在20%以内,说明该方法具有实际应用前景。     

通气超空泡形态及视景仿真研究

超高速航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式和运动特性完全不同于常规水下航行器。为了分析超高速水下航行器运动的稳定性,本文对超空泡生成机理进行研究,给出描述超空泡形态的数学模型,得到不同影响因素作用下超空泡形态的变化规律。为验证超空泡实时生成效果和超高速水下航行器运动过程各种动作功能,采用Vega Prime构建三维虚拟环境,在此基础上设计超空泡视景演示系统,通过ADI仿真系统实时解算超空泡和水下航行器运动数据来驱动超空泡视景系统,逼真地演示超空泡动态生成过程以及水下航行器高速运行轨迹和“空泡+航行器”的相对运动关系等关键技术。     

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。     

舵机非稳态激励识别及瞬态声辐射分析

当水下航行器利用舵机改变航向时,舵机的开启会产生很大的瞬态辐射噪声。因此,在舵机安装之前,有必要对舵机的源特性进行评估。文章基于某水下航行器的舵机振动测试试验,应用频域载荷识别中的最小二乘法方法和短时傅里叶变换的信号处理技术,对舵机操舵过程中舵机与试验台架连接的机脚点处的瞬态最大激励力和整体平均激励力分别进行了间接估算,并将估算结果的准确性和可行性进行了验证。考虑到加肋圆柱壳是水下航行器的基本结构形式,文中将估算的激励力结果作为辐射声计算的近似输入,以一个两端简支的加肋圆柱壳体作为水下航行器的一个舱段的计算模型,分别计算了舵机操舵过程中水下瞬态最大和整体平均辐射噪声的大小,提出了一种利用短时傅里叶变换信号处理技术来评估舵机水下瞬态辐射噪声的方法。     

水下航行体水动力参数智能辨识方法研究

通过水下航行体的状态方程和试验观测方程,利用智能辨识技术对水下航行体的模拟运动数据进行了仿真辨识,求得了10个水动力参数.结果表明,智能算法简单有效,对目标函数没有可微性和连续性要求,避免了复杂的梯度矩阵计算,适合在复杂的非线性水动力系统辨识中应用.     

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。     

弹性垫形式的水下弹性体发射动力学分析

弹性垫会对水下运载器发射动力学产生影响,文章针对弹性垫形式,利用Lagrange方程推导了新型适配关系下的发射动力学方程,同时考虑了运载器的刚体运动、弹性变形、弹性垫变形与接触对发射过程的影响。利用文中的方法,建立了水下运载器发射动力学模型,对发射过程的载荷进行了求解,研究了弹性垫数量、刚度、位置等参数对运载器弹性振动的影响。结果表明文中方法是有效的,可用于水下运载器发射动力学分析。     

基于鲁棒滑模控制的水下航行器运动控制仿真研究

基于水下航行器六自由度空间运动模型,研究应用非线性鲁棒滑模控制方法的自动操纵控制方案。对水下航行器在分离式尾舵且首舵收回状态下的操纵控制方案进行仿真试验,通过数值仿真分析验证所提出算法的有效性。     

水下无人航行器外挂吊舱水动力试验及操纵性分析

在循环水槽开展了某带吊舱水下无人航行器的水动力试验,绘制出了航行器阻力曲线,得到了与操纵性相关的主要水动力系数,在此基础上对水下无人航行器的运动稳定性进行了分析,并与不带吊舱情况下的水下无人航行器操纵性进行了比较。试验结果可为水下无人航行器推进系统设计及运动控制与仿真提供依据。