基于Matlab的AUV近水面运动模型的建立与仿真

该文运用矢量方法对自主式水下航行器(AUV)近水面的六自由度运动方程进行了推导，得到了一个适于在Matlab环境中仿真的高度矢量化的空间运动模型，并用在Matlab的仿真工具箱Simulink中建立的AUV近水面的六自由度运动仿真模块对AUV的近水面运动进行了仿真，在此基础上分析了波浪力对AUV的影响。该模型的建立和仿真为AUV近水面的稳定性分析和控制系统的设计提供了便利的工具。     

自主水下机器人下潜困难问题的数值仿真与试验研究

自主水下机器人在近水面运动时,受到文丘里效应产生向上吸力的影响,使得潜器初始下潜困难,近水面的深度保持能力也受到影响。为了研究水下潜器近水面下潜困难问题,文章运用计算流体力学（CFD）软件对某AUV主体周围流场进行近水面数值模拟。模拟结果表明,影响升力和抬头力矩的主要因素是初始的下潜深度和速度。水域试验表明随着初始下潜深度的增加,AUV 的下潜将变得越来越容易,这与模拟结果相一致。     

面向一体化系统的USV水面回收AUV的水动力特性分析

针对未来高效的海洋作业方式,提出一种基于AUV(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)和USV(Unmanned Surface Vehicle,USV)的一体化作业系统。基于一体化系统,设计了一种USV水面动对动回收AUV作业流程。以某便携式AUV为研究对象,仿真分析其在水面稳定航行特性,建立其相应的水动力模型,并经过外场试验验证了水动力模型和仿真结果的准确性和可靠性。以三体船型USV为仿真模型,分析USV航行尾流对其后方AUV航行在垂直面上三自由度的影响,通过仿真对比15种工况,得出USV速度、AUV速度以及舵角与回收可靠性之间的关系。     

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。     

潜艇近水面自由水表面条件下的操纵性

由深水域的潜艇运动方程导出了近水面平静水面下的潜艇变系数运动方程,在模型试验确定的不同深度的潜艇水动力系数的基础上,对潜艇近水面的稳定性和机动性能进行了数值模拟计算。结果表明,随着潜艇越接近水表面,其水平面稳定性有所提高而水平面内机动性有所下降,潜艇的垂直面稳定性有所提高。     

水下机器人动态对接中的碰撞与稳定控制

为更好地支持多类型水下机器人（AUV）的功能协同工作,进一步提高AUV的综合作业能力,本文针对喇叭口引导式回收坞站动态入坞过程中的碰撞问题,开展水下机器人动态对接技术研究。首先进行AUV的水下受力状况和碰撞相关参数的分析,在此基础上建立AUV入坞碰撞的物理模型,结合Adams/Matlab联合仿真技术,得到碰撞过程中的最大碰撞力,提高了仿真模型的实用性。同时,为解决动态入坞碰撞过程中AUV与移动坞站姿态变化较大的问题,本文设计一套AUV动态入坞的过程控制系统。仿真实验结果可知,该控制系统能够对AUV进行实时姿态调整,实现AUV在复杂场景下的动态回收任务,减少回收对接工作所需要的时间,更好地支持AUV的水下协同工作。     

受损海事舰船操纵运动粘性水动力的数值模拟

利用传统方法对受损海事舰船操纵运动粘性水动力进行数值模拟计算,存在水动力导数计算误差大,准确性低的问题。针对上述问题,提出一种基于CFD的受损舰船操纵运动粘性水动力数值模拟计算方法。该方法主要分为6步骤:1)建立水动力数值模拟方程;2)确定方程计算域以及边界条件;3)划分受损船舶的计算网格;4)采用有限体积法离散方程;5)利用SIMPLE算法求取方程解;6)借助Fluent软件来对求得的解进行收敛,降低计算误差。结果表明:与传水动力统数值模拟计算方法相比,利用本方法对受损海事舰船进行10次操纵运动粘性水动力数值模拟计算,水动力导数计算误差减小0.02,平均误差降低5.4%。     

三维动态混合网格在AUV发射过程中的应用

为研究AUV从有界流场自航发射到无界流场的运动边界的扰流场,文章采用了三维动态混合网格方法进行数值模拟的策略.混合网格由三菱柱,四面体/六面体网格构成,当AUV运动时,靠近AUV的三菱柱网格随AUV运动,外层是静止的六面体网格,中部的四面体网格随AUV运动而变形或者重构.数值仿真结果给出了不同时刻AUV表面的压力分布、整个航程AUV的阻力系数变化,其值与理论结果吻合.同时研究了直径比对发射管航行的附加质量和阻力系数的影响,这为水下对接AUV提供了有效手段.     

水下爆炸气泡对水面舰船载荷的数值研究

文章基于势流理论采用边界积分法求解拉普拉斯方程,阐述水面舰船附近三维爆炸气泡脉动过程的计算模型.通过数值计算获得气泡运动规律的同时,着重研究爆炸气泡对船体的载荷.计算结果揭示出爆炸气泡对水面舰船的整体破坏作用.     

SUBOFF潜艇回收AUV流场的数值计算

由于水下远距离传递信息困难,以及受自身携带能源的限制,水下无人航行器(AUV)需要通过母船回收进行能源补充与信息传递.为研究AUV水下回收时的复杂流场,本文基于STAR-CCM+软件,采用重叠网格技术对于潜艇回收AUV时的流场进行研究,分析了AUV在回收过程中受到的压力、流场中的漩涡和速度分布等水动力性能,为水下回收AUV提供了有益的参考.     

基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制北大核心CSCD

[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。     

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。     

基于单双目切换的自主式水下机器人视觉定位方法

为了解决以双目视觉为主导的自主式水下机器人（AUV）对接回收过程中出现的单一摄像机遭受遮挡或因水下环境特殊而发生故障的问题，提出一种基于单双目切换的AUV视觉定位方法。该方法通过自适应阈值法区分图像中的光源与背景，通过中心加权质心检测法提取光源中心，并以光源中心点数量为判定条件选取单目或双目视觉定位，添加水体折射参数提高定位精度。试验结果显示，采用该方法的定位耗时相比以往减少约70%，定位结果输出稳定，对接精度在允许范围内。该方法在AUV回收对接过程中通过牺牲部分定位精度来提高对接的实时性和鲁棒性，保障AUV成功对接回收。     

浅谈大型AUV的布放回收

本文结合自主式无缆潜航器(AUV)在深远海搜寻救助领域的应用,以"南海救102"号船为例,介绍了AUV的布放回收系统,通过对布放回收系统的组成、结构和功能分析,以及应用过程中出现问题,为大型AUV布放回收系统的使用、维护和保养等提出建议,同时也可以为今后AUV布放回收系统的设计作为参考。     

矩形结构以一定倾角砰击水面所引起的流体动力特性分析

本文采用VOF和动网格方法、考虑限制水域边界条件的约束因素，利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察一定倾角的矩形结构从一定高度自由落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象，并与无倾角的矩形结构撞击有限水深水域的水面所引起的三维水面波动和水下压力场变化问题做对比分析。数值模拟结果表明采用本文所提出的数值方法可以对大型结构作用于封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟。这一数值方法为工程上分析大型结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象提供了一种实用的手段。     

基于模糊自适应滑模方法的AUV轨迹跟踪控制

针对水下航行环境中自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)航迹精确跟踪问题,提出一种基于模糊自适应滑模方法的AUV航迹跟踪控制算法。在建立AUV系统动力学模型基础上,将其运动通过变结构滑模控制律结合模糊逼近设计出AUV航迹跟踪控制系统,采用模糊系统实现模型未知干扰的自适应逼近,基于Lyapunov稳定性理论,讨论了闭环系统的稳定性。在考虑加入外界干扰的条件下使用Matlab/Simulink软件,进行数值仿真,模拟轨迹跟踪能够达到稳定并且较平滑连续跟踪预定航迹,对干扰有较好的抑制作用。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

重于水型AUV模糊路径规划与优化

为了实现重于水型自治潜器(Heavier-Than-Water Autonomous Underwater Vehicle,AUV)在未知水下环境中的局部路径规划。首先根据AUV的运动方程和机翼升力特性,在Matlab中建立动力学模型。设计模糊控制器,以声呐对障碍物探测得到的距离和方位信息作为输入量,实现了AUV在水下障碍物环境中的路径规划。最后,为提高AUV的能量利用效率,用遗传算法对模糊控制器的隶属度函数进行优化,并通过仿真试验证明了优化后AUV在避障期间能源消耗更少,说明该路径规划方法具有实际应用价值。     

柴油机浮动式活塞销的运动与发热

本文建立了浮动式活塞销的运动方程。通过边界润滑状态下钢与青铜摩擦副摩擦系数的研究与实验,得出计算纯滑动摩擦系数的公式。引入滚滑状况下的摩擦力系数,从而求得活塞销运动方程的数值解。应用本文的方法可以从理论上探明活塞销的运动规律,并计算出各摩擦区的发热量。     

深海应急救生舱波浪中的运动响应数值分析

为探明浮力材料配置体积对深海应急救生舱水面耐波性能的影响,运用CFD软件进行浮力材料3种不同配置体积的深海应急救生舱在水面规则波下横摇和垂荡运动的数值模拟,得到横摇和垂荡运动频响曲线,采用统计分析方法,求得3种深海应急救生舱在三级、四级和五级海况下横摇和垂荡运动幅值。分析结果表明,深海应急救生舱浮力材料配置体积对深海应急救生舱水面耐波性能有较大影响,在满足总体要求和上浮过程安全稳定的基础上,浮力材料配置体积越小,深海应急救生舱的水面耐波性能越好。     

波浪中近水面航行时潜艇波频运动响应的理论预报与验证

用Frank源分布－紧密拟合法对一带鳍潜艇的剖面流体动力进行数值计算，然后通过STF方法妥该潜艇波浪中近水面航行时的波频运动响应。计算结果与中国船舶科学研究国心（CSSRC）耐波性水池首次进行的潜艇自航模近水面耐波性试验的结果进行了比较，相符程度令人满意。证实了本文方法和程序对潜艇近水面运动的波频响应进行预报可获满意的结果，具有实用性。也表明了在耐波性水池中对水客性良好的潜艇自航模，采用自动操舵系统控制浸深和航向，进行近水面耐波性试验是成功的。