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。     

基于动态反馈线性化的海洋机器人近水面横摇减摇控制

海洋机器人在近水面低速航行时,在海浪干扰下将产生横摇运动,严重影响机器人安全性能,因此利用零航速减摇鳍系统对横摇运动加以有效控制.针对机器人非线性运动模型及零航速减摇鳍升力模型的特点,利用动态反馈线性化方法设计横摇减摇控制规律.该方法通过将原系统扩展为含有伪状态变量的新系统,实现系统线性化,解决由减摇鳍升力模型引起的系统非线性形式控制输入的问题.理论证明及仿真结果表明该横摇控制规律是稳定有效的.     

基于模糊滑模理论的水面航行器减摇控制

水面航行器运动控制系统中存在很多不确定因素,难以对其建立精确的数学模型,针对这一特点,将模糊滑模算法运用到水面航行器减摇控制中,使控制器保持滑模算法对参数摄动和外界扰动不灵敏、反应迅速和鲁棒性强的特点.同时,引入模糊控制对滑模控制器的抖振进行优化,减弱对舵机和鳍机的机械磨损.在充分考虑舵角和航速等约束条件下,设计分离型舵鳍联合减摇模滑模控制器,进行Matlab仿真对比研究.仿真结果表明:设计的模糊滑模控制器能使船舶具有良好的航向保持和减摇效果,同时,系统抖振相比单独使用滑模控制器明显减弱.     

水下机器人近水面横摇运动的解耦控制

水下机器人在近水面低速航行时,为了有效克服海浪干扰的作用,提高水下机器人横摇控制的性能,依据解耦控制理论和零航速减摇鳍的工作原理,在水下机器人水平面运动耦合模型的基础上运用解耦控制方法进行横摇控制.该方法将水平面运动耦合模型分解为横荡、横摇和艏摇三个子系统进行分析,根据期望性能指标配置横摇子系统模型的极点,并将均方差最小线性递推滤波算法引入到状态信号的反馈通路中.通过对各种海情下水下机器人的横摇运动姿态进行仿真,结果表明:该解耦控制方法可应用于水下机器人近水面横摇运动的控制,其控制结果良好.     

应用零航速减摇鳍的海洋机器人近水面时的横摇减摇控制(英文)

A zero-speed fin stabilizer system was developed for rolling control of a marine robot.As a robot steering device near the sea surface with low speed,it will have rolling motion due to disturbance from waves.Based on the working principle of a zero-speed fin stabilizer and a marine robot’s dynamic properties,a roll damping controller was designed with a master-slave structure.It was composed of a sliding mode controller and an output tracking controller that calculates the desired righting moment and drives the zero-speed fin stabilizer.The methods of input-output linearization and model reference were used to realize the tracking control.Simulations were presented to demonstrate the validity of the control law proposed.     

水面舰船的纵摇稳定性

纵摇最具危害性的船舶运动之一，为提高船舶折操纵性，选择适当减缓纵摇的方式是很重要的。虽然小水线面双体船或大型单体船操纵性较好，但其成本常常太高，因而，针对已有船船，应寻求一些稳定纵摇的方法。     

船舶减纵摇试验研究

利用船上原有的减横摇主动鳍和在船首加装椭圆环形翼，纵列片翼联合减纵摇。根据船模试验结果的实船预报表明，这样的组合减摇装置的减纵摇效率令人满意。     

基于CFD的带附体KCS船在波浪中的阻力及纵摇优化

[目的]为了降低船体在波浪中的阻力并改善其耐波性,将给船体添加合适的附体,如减摇鳍和压浪板.[方法]首先,对仅在船艏添加减摇鳍和在船艉添加压浪板,以及在船艏、船艉均添加附体的3艘船采用黏流求解器naoe-FOAM-SJTU进行数值计算,并将这3艘船各自的阻力及纵摇与未添加附体的KCS船体进行对比;然后,通过改变减摇鳍宽...     

潜艇近水面航行兴波特征研究

潜艇作为一种水下航行器,其近水面运动时产生的绕流场远比无界直航运动时要复杂得多,其近水面航行时对自由液面的影响不容忽视。本文采用粘性流体力学计算方法,对SUBOFF潜艇近水面航行时的粘性绕流场进行模拟,对自由液面的兴波进行计算,并对波形特点进行深入分析。通过本文的研究,得到潜艇近水面航行时自由液面兴波的特点和相关规律。     

潜艇近水面航行兴波特征研究

潜艇作为一种水下航行器,其近水面运动时产生的绕流场远比无界直航运动时要复杂得多,其近水面航行时对自由液面的影响不容忽视。本文采用粘性流体力学计算方法,对SUBOFF潜艇近水面航行时的粘性绕流场进行模拟,对自由液面的兴波进行计算,并对波形特点进行深入分析。通过本文的研究,得到潜艇近水面航行时自由液面兴波的特点和相关规律。     

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.     

基于VOF方法的细线列阵稳定器近水面阻力计算

应用流体体积法（Volume of Fluid,VOF）模型跟踪稳定器近水面拖动时的自由液面的变化,利用计算流体动力学软件FLUENT对线列阵稳定器近水面的阻力性能进行数值模拟,分析研究了近水面兴波对其阻力性能的影响。分别计算了在不同水深的静水和有波浪载荷工况下近水面拖动时不同种类的线列阵稳定器的阻力大小,并将数值模拟的结果与水池实验结果进行对比。结果表明,稳定器在近水面无波和有波情况下的阻力大小均比深水域静水的阻力要大,而且在有波情况与相对浸深为0.3时的阻力性能基本相等。     

中高速船加装减纵摇组合附体模型试验

对某常规单体排水式圆舭导弹护卫艇进行加装减纵向运动组合附体的模型快速性试验和耐波性试验。首先进行了小尺度模型的静水阻力试验和规则波试验，优选出阻力和减摇效果均较优的方案。进行了较大尺度模型的静水阻力试验、规则波试验和不规则波试验。试验结果表明减纵向运动组合附体可显著抑制舰船的纵向运动，包括垂荡、纵摇、艏、中、艉部加速度，以及砰击、上浪、波浪增阻等，经优化设计的组合附体尺度和布局对艇静水阻力基本没有影响。     

基于航速保持的舵减摇控制方法

船舶航行受阻力影响引起航速和能量损耗。研究船舶在静水和波浪中的附加阻力,给出船舶航行时的总体航速损失的计算方法。设计带有航速损失约束的自动舵控制系统,依据舵角协同控制方法设计航向和舵减摇滑模控制规律。综合讨论"航向"与"航向+减摇"两种工作情况,包括横摇稳定、航向精度、航速保持、操舵能量消耗。仿真结果表明:该方法可以有效保持航速;从航行经济性的角度,对于同时安装有减摇鳍和自动舵的船舶,不推荐采用舵鳍联合减摇的控制方法。     

基于降低航行阻力的声呐导流罩外形优化

导流罩突出于主船体的底部或首部之外,可以明显降低水流对声呐探测性能的影响,但在一定程度上增大了航行阻力。本文通过数值方法研究某Ⅰ型船加装导流罩前后航行阻力的变化及导流罩对船速的影响。研究表明,加装导流罩后船底的最大压力和船的航行阻力有所增大,但由于导流罩的排水体积与整个船舶的排水体积相比要小得多,因此加装导流罩对船速影响不明显。为优化导流罩的外形结构和进一步降低航行阻力,提出了4种导流罩外形模型并对其流体动力学性能进行分析。对比结果表明,导流罩外形结构为头部流线型、尾部半圆型的综合性能最佳。     

船舶减摇控制方法综述

本文综述了船舶减摇的几种控制方法.分别讨论了自适应控制、智能控制、鲁棒控制以及变结构控制等几种主要控制方法在减摇鳍、舵减摇以及舵鳍联合控制中的应用,指出了仍然存在的技术难题,并展望了有价值的研究方向.     

自抗扰控制器在潜艇近水面航行深度控制中的应用

基于潜艇垂直面非线性运动模型,模拟近水面情况下潜艇的操纵运动;利用自抗扰控制技术(ADRC),对潜艇深度变换进行控制.仿真表明,相对于现有潜艇的操纵控制,在潜艇深度控制上,自抗扰控制器可以获得较高的控制品质和较理想的控制效果,并且可以实现控制上的零超调.     

减摇航向保持舵的多目标协同优化控制

为使航向保持自动舵在简捷PD控制的基础上具备舵减摇功能,首先建立简捷PD航向保持和舵减摇控制器,以航向保持精度、舵减摇率和舵机能耗3个目标函数,利用NSGA-Ⅱ实现控制系统参数的协同优化。以非线性船舶运动模型为控制对象进行仿真试验,结果显示Pareto优化解集能充分反映多目标函数之间的制约性,与经验参数方案相比,在增加舵机能耗的前提下能够实现更高的舵减摇率和更好的航向保持精度。     

近水面航行物体绕射问题的时域解

本文应用时域方法在线性自由面条件下讨论了水下任意三维物体在波浪中等速直线航行时的绕射问题,导出了作用在物体上的绕射力与相应的反向运动辐射势之间的关系式,从而不须求解绕射势便可得到绕射力,并且对于各种频率的入射波只须解算一次积分方程,大大减少了数值计算时间。时域Green函数的计算采用黄德波提供的快速插值方法,使计算能够在中小型计算机实现。 作为例子,本文计算了圆球和回转椭球体的波浪力,与现有理论计算和实验结果比较,证实了本方法的正确性和计算的准确性。此外,还对时域计算中的一些参数、定常波势以及航速的影响进行了分析讨论。