大尺度高速水下无人艇控制系统设计与试验验证

[目的]为了在三维空间宽航速段内实现大尺度高速水下无人艇(UUV)的路径跟踪,在考虑无人艇的试验动作要求、控制精度要求及水动力特性的情况下,设计了基于模糊控制理论的自适应制导方法。[方法]基于解耦控制方法,首先将水下无人艇的航行控制分解为航速、航向、纵倾和深度控制问题;然后分别设计积分分离比例—积分—微分控制器(PID控制器),并引入指令及状态滤波器,以改善该水下无人艇动态响应特性;最后,通过湖试验证水下无人艇在不同航速下的控制性能。[结果]结果表明,在6,9,13 kn等试验航速下,水下无人艇跟随目标路径和深度的误差均在合理范围内,验证了该控制体系及控制方法的有效性。[结论]所得结果对新一代试验艇的运动控制技术研究具有一定参考价值。     

滑行艇不同漂角滑行状态下的水动力性能

对于滑行艇的水动力性能研究通常都以船模试验来解决,但是滑行艇由于模型小,航速高,试验条件较为苛刻,这部分研究并不够充分。通过CFD方法能科学的模拟计算其航行情况,克服了试验的局限性,而且,在研究中将空气和水结合起来考虑,更符合实际情况,对进一步深入研究滑行艇水动力性能有重要意义。随着数值模拟技术的发展,用数值方法模拟滑行艇的运动状况来研究其运动性能,将成为具有重要意义的解决方案。本文以斜航试验为基础,建立7个不同漂角下的计算模型,并运用流体力学软件Fluent展开滑行艇在滑行状态下的数值模拟,对数值结果进行计算处理,并通过计算得到水动力系数测定曲线,为滑行艇水动力系数的数值测定提供一种摆脱实验条件限制的参考方法,对滑行艇水动力性能研究有一定的实际意义和参考价值。     

高海况下无人艇回收过程动态特性仿真

无人艇在回收过程中会受到复杂海况及母船尾流的综合影响。因此,开展不同环境条件下无人艇回收过程动态响应特性及变化规律研究,对实现无人艇安全平稳回收具有重要意义。以某型无人艇为研究对象,建立无人艇回收动态仿真数值模型,并通过加载4级海况不规则波,研究无人艇回收过程动态特性。在此基础上,对比分析不同的相对航速、偏移距离对无人艇回收过程动态特性的影响规律。研究结果表明,标准工况下无人艇的回收满足航行稳定性、回收时的快速性和安全性要求。同时,在4级海况及尾流综合作用下,增加无人艇回收航速或增大无人艇与母船中心线偏移量时,无人艇的运动将出现较大波动,稳定性下降。在实际回收过程中无人艇的回收航速不能过高,与母船中心线之间的偏移距离应保持在一定范围内,确保无人艇运动幅值不超过安全极限,避免倾覆现象的发生。     

潜艇近水面航行自由液面干扰效应数值研究

针对潜艇近水面航行艇体水动力呈现显著变化的问题,本文在验证数值计算方法可行性的基础上,开展不同潜深及航速下潜艇粘性流场的数值模拟,获取艇体阻力、垂向力及纵倾力矩随水深及航速的变化规律。模拟结果表明:潜深是影响潜艇近水面与深水状态水动力性能差异的决定性因素,当潜深与艇体直径的比值H/D≤1.3时,近水面效应显著;而当H/D≥2.9时,可认为潜艇水动力性能与深水状态无显著差异;近自由液面条件下(H/D≤1.3),潜艇所受阻力及垂向力系数随航速的增大均呈现明显波动现象,这主要是由于自由面的兴波干扰使得艇体表面压力变化所引起。     

基于实航数据驱动的无人艇操纵运动辨识建模

为快速构建符合海洋航行器实际运动特性的操纵运动模型,开展基于“精海”无人艇实航湖试数据驱动的无人艇操纵运动辨识建模研究。无人艇操纵运动辨识建模的框架以非线性水动力模型和推进器经验模型作为先验知识约束,利用随机舵角序列激励下的航行数据作为训练集,采用支持向量机回归方法完成建模过程,着重探讨了在环境干扰下构建艇体动力学模型的可行性。结果表明,所提出的方法能够快速构建具有非线性特性的无人艇操纵运动模型;先验的模型结构有效降低了实航数据中浪和流的影响,构建的模型能够有效预测回转、Z形等操纵运动的状态变化,具有良好的泛化能力。     

高速单体无人艇航行性能综合优化设计

对高速单体无人艇的航行性能进行综合优化设计分析.首先建立单体无人艇的优化数学模型;其次基于遗传算法开发了一套高速单体无人艇航行性能综合优化的计算程序;最后讨论了优化稳定代数,分析总目标函数随航速和排水量变化的曲线,探讨不同权重分配对总目标函数值的影响.通过大量计算,说明该程序稳定可靠,为高速单体无人艇初步设计提供了一个参考平台.     

滑行艇纵向运动响应与静水航行数值模拟分析

运用CFD软件FLUENT,采用动网格技术,通过编制的运动预报程序求解耦合运动方程,比较滑行艇排水航行、过渡航行、滑行三种不同状态下航行姿态及周围流场情况,分析了滑行艇响应运动过程中重心位置及纵摇角度的变化,并展开对应工况下滑行艇以固定姿态不涉及动网格技术的静水直航数值模拟,将计算结果与运动响应结果比较分析.得出了滑行艇由排水航行状态过渡到滑行状态底部动压力变化.为关于滑行艇水动力性能的研究提供了可靠的计算研究模型.     

无人艇动稳性试验与数值验证

海上高速无人艇具有十分重要的军事价值,能够完成监视、情报收集、侦察、扫雷、武装保护反潜和精确打击的任务。然而无人艇在执行任务时可能会应对恶劣的海况、多变的运动状态,对自主控制的无人艇而言,其安全性能存在巨大挑战。提高稳性性能,避免海上无人艇高航速状态下的倾覆,是其他功能得以实施的重要保证。本文设计并进行了无人艇高速横倾直航实验,通过对无人艇模型航行姿态、稳性的测量,调整、确定无人艇部分参数。对于无人艇的横倾直航实验进行数值验证,为总体布局优化的进一步探索提供依据。     

基于CFD的滑行艇兴波与姿态模拟分析

滑行艇高速航行时伴有强非线性的喷溅,姿态变化剧烈。论文基于CFD,应用重叠网格技术,对滑行艇从排水、过渡到滑行阶段的兴波、航行姿态和水动力特性进行模拟研究。CFD模拟给出了不同航速下的航行姿态与阻力,与Savitsky公式及相关试验进行了比较;获得了不同横剖面处的压力与方尾后中心线处波高的分布规律。研究表明CFD方法计及了粘性的影响,与Savitsky半经验公式相比,能准确模拟滑行姿态,细致描述滑行艇高速滑行兴波与喷溅,为准确地掌握滑行艇水动力特性提供支撑。     

波浪推进艇的集成电机推进器设计及航速预报

为了给现有的波浪推进无人艇研制辅助动力装置,对有桨轴型集成电机推进器进行了相关的设计,包括电机设计、水动力性能和桨叶结构强度计算.首先进行电机的设计和螺旋桨的选型,并通过流固耦合方法对集成电机推进器周围的流场和桨叶应力场进行了计算.然后使用Star ccm+重叠网格法计算了水翼抬离水面工况无人艇模型的静水阻力,并与拖曳试验结果进行比较,验证了CFD计算方法的可行性.最后使用体积力法替代螺旋桨的作用,对安装了首固定水平翼和一个集成电机推进器的波浪推进无人艇在静水和迎浪规则波中航行时的航速进行了预报.     

M船型阻力模型试验研究

为准确评估M船型的水动力特性,掌握该船型的阻力特性和船型特征,对该船型进行阻力模型试验研究。通过测定不同排水量、不同重心纵向位置下船模的阻力值、纵倾角及重心升沉值,研究排水量和重心纵向位置对该船型阻力性能的影响。试验结果表明：M船型具有与常规滑行艇不一样的阻力特性,该船型拥有2个高速阻力峰,当航速持续增大越过第1个高速阻力峰后,阻力值有明显的回落,当航速继续增大越过第2个高速阻力峰后,阻力值基本保持不变,且2个高速阻力峰出现的航速与排水量大小和重心纵向位置的相关性不大。     

静水中并行两船水动力干扰数值研究

为比较分析单船与两船并行航行的水动力差异,探讨静水中两船并行时漂角、船船相对位置对船体阻力、侧向力及摇首力矩的影响规律,文章基于RANS方程采用SST k-棕湍流模型,数值分析了某两船静水并行时船船相互作用。研究表明：不同漂角下两船中对中并行时,船体所受阻力均较单船航行时有所增大且受到指向两船中间的附加侧向力;当两船并行斜航的漂角相反时,同一船舶位于迎流侧较背流侧时船体受力存在一定差异;两船并行直航时,船船相对位置对船体受力有较大的影响,当两船纵向间距小于一倍船长时,船船相互作用较为显著,在不同横向间距下,船体受力随纵向间距的变化规律相同,在一定纵向间距下,船间横向间距越小船船相互作用越强。     

面向AUV自主回收的拖曳装置水动力特性研究

本文根据无人水面艇(USV)回收自主水下机器人AUV需求,设计了一款V型拖曳装置(V型翼)。通过STAR-CCM+流体仿真分析软件,在航速3 kn情况下,采用空间拘束法求解了V型翼的部分水动力系数,建立了V型翼水动力模型,并进行运动稳定性分析。外场试验数据分析结果显示,稳定拖曳状态下,舵角和V型翼纵倾角具有响应关系,对其进行公式推导,将计算值与实测数据进行对比,两者吻合程度较好。     

水面无人艇动态避碰策略研究

针对水面无人艇局部路径规划的局限性,本文提出基于水面无人艇操纵运动模型的动态智能避碰,根据海事规则将局面划分为对遇、交叉相遇以及追越3种局面,在MMG模型基础上,通过避碰模型改变USV的航速和航向,完成USV对动态障碍物的智能避碰.通过实验仿真表明,该方法有效地完成USV对动态障碍物的危险避碰,符合USV实际航行避碰操纵要求.     

船舶进出承船厢水力特性试验

采用遥控自航船模和牵引船模相结合的方法,对船队进出船厢的水力特性进行了试验。成果表明:船队进出厢的航行阻力和下沉量取决于船厢断面系数和进出厢的速度。断面系数减小,航速增加,阻力和下沉量增大;出厢的阻力和艉沉均大于进厢;结合国内的部分研究成果以及国内外的工程实践,初步提出了承船厢尺度的确定原则。     

船舶航速优化原理研究

恒速航行原理是船舶航行节能的一个重要规律。将船舶航速的优化抽象为对目标函数求极值的数学问题,分别建立离散、连续时间模型,分析讨论了固定时间端点与滑动时间端点不同边界条件对模型求解的影响。结果表明,恒速航行船舶总耗功最小;优化航速不仅与航行要求如规定的路程、时间有关,还与推进功率系数及辅助功率有关。研究方法可为船舶航行降低功耗以及制定航行计划提供参考。     

鱼雷定深航行稳定性的分叉分析

鱼雷定深运动方程含有诸多的非线性项，用传统的分析方法对其稳定性进行研究有较大难度。运用非线性科学中的分叉理论，选定鱼雷定深运动方程中的某一流体动力系数扰动值为分叉参数，系统地分析在经典比例微分深度控制系统作用下，鱼雷在退化平衡点处的航行稳定性。利用中心流形定理，推导出系统状态变量解析表达式，对系统 Hopf分叉进行分析，并进行仿真验证。结果表明，流体动力系数变化使定深航行产生 Hopf分叉，并给出了确保鱼雷稳定航行的流体动力参数取值范围。     

基于最优控制的双喷推无人艇路径跟踪方法

针对双喷推无人艇自主航行时的路径跟踪问题,采用最优控制的方法进行求解。根据双喷推无人艇的动力学特性建立双喷推无人艇三自由度运动方程,并由任务需求设定目标函数;在此基础上,根据航行实况建立约束条件,从而得到求解双喷推无人艇路径跟踪问题的数学模型。通过建立含有拉格朗日松弛项的哈密顿函数,将带有复杂约束的优化问题转化为无约束优化问题,采用粒子群优化算法求解最优拉格朗日乘子,并将其代入哈密顿函数;采用广义梯度下降法对数学模型进行求解,得到最优的喷泵电机转速,从而实现对双喷推无人艇的路径跟踪控制。设计实船试验验证方法的有效性,双喷推无人艇路径跟踪试验结果表明,双喷推无人艇实测的轨迹与设定轨迹的最大偏差不超过3m,该方法具有可行性和实用性。     

风帆辅助推进船舶操纵可控区研究

加装风帆后的船舶在低速时的航行特性有别于无帆情形。为确保低速航行安全,基于MMG非线性运动方程,计算了有、无风帆情况下的船舶操纵可控区。运动方程中的船体水动力系数、舵模块参数等由经验公式得到,帆/船整体气动力系数由基于滑移网格方法的CFD手段获得。计算结果表明:不同帆攻角下的船舶自由操控区不同,通过合理的帆/舵联合操纵,可以扩大风帆辅助推进船舶低速航行的可自由操控区,增强其在风中的抗风能力。