基于混合网格的水下航行器系统航行特性研究

水下航行器系统是包含主体、推进系统和其余附体的整体结构,其航行特性研究是水下航行器系统设计的重要内容.为研究水下航行器系统的航行性能和航行时的表面压力特征和流场特性,基于CFD方法,使用重叠网格和滑移网格相结合的混合网格技术对某自主研发水下航行器系统模型进行直接模拟.结果表明:水下航行器系统在不同大小的推力作用下,会表现出不同的航行性能,通过推力-速度曲线可以插值得到不同推力下的航行点;水下航行器在来流速度不同时其所受表面压力大小不同,但分布规律相似,且具有相同的流场分布特性.     

无人水下航行器的智能航行控制

水下无人航行器是探索未知水域的重要设备,但是传统水下无人航行器的智能航行控制系统,受到水域信号传播限制,造成智能控制范围较小,为此设计无人水下航行器的智能航行控制系统。使用水域深度变换器对智能控制器进行重新设计,根据水域深度变化进行不同方式的控制切换,优化PID控制器,改变水域信号传输方式,根据需求进行多传输方式的切换;使用粒子群算法对智能控制方式进行规划,对不同水域控制方式进行最优选择,实现航行智能控制系统设计。试验结果表明,设计的控制系统能在水下2 000 m内进行有效控制,比传统控制系统多出800 m的有效范围,因此本文设计系统具备极高的有效性。     

自主水下航行器摆翼发电装置设计与仿真

针对自主水下航行器的发电系统,设计3种适用于摆翼发电装置的传动方案,并选出最佳方案.采用仿真软件STAR-CCM+对自主水下航行器在波面收集波浪能量进行仿真,获取发电系统的动力输入数据.设计换向增速齿轮箱,并采用软件ADAMS对齿轮箱进行仿真,以验证其工作原理.将波高0.5 m、波长5 m海况下的工作数据导入ADAMS中,获取动力输出数据.选择适合自主水下航行器的发电机,通过参数匹配得到发电系统的平均功率.     

基于机器视觉技术的船桥防碰撞自动控制系统

为避免船桥发生碰撞事故,设计基于机器视觉技术的船桥防碰撞自动控制系统。利用双目视觉传感器采集船舶航行环境图像,由A/D转换芯片预处理环境图像,再利用双目视觉测距技术结合预处理的环境图像计算船舶与桥墩间的距离;通过全球定位系统采集船舶位置信息,利用改进差分进化PID控制方法得到舵角自动控制结果,再利用异步收发传输器根据控制结果生成自动控制指令,作用于船舵,完成船桥防碰撞自动控制。实验证明：该系统可有效采集船舶航行环境图像,计算船舶三维坐标;在不同航行环境时,该系统均可完成船桥防碰撞自动控制,且自动控制的稳定性较优。     

水下航行器运行系统的SysML模型设计

为在嵌入式水下航行器运行系统中,快速提取舰船通信关系维护所需的传输数据信息,增强通信信息传输稳定性,设计水下航行器运行系统的SysML模型。借鉴民机研制经验,以导航传感器作为核心应用设备,构建必要的导航数学模型,分析水下航行器运行系统的组成特性。定义船舶航行数据,通过构建语义映射关系,确定SysML理念相关的信息扩展能力,实现水下航行器运行系统SysML模型的顺利应用。实验结果表明,水下航行器运行系统SysML模型的舰船通信数据提取速率较快,能够有效增强通信信息传输稳定性。     

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。     

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。     

基于机器视觉技术的船舶航行危险区域自动识别方法

提出基于机器视觉技术的船舶航行危险区域自动识别方法,最大程度规避船舶航行风险。利用机器视觉技术获取船舶航行图像数据,并结合像素平滑滤波和帧间差分法去除原始船舶航行图像所含噪声。采用二阶高斯-马尔科夫机场算法对去噪后船舶航行图像的显著性区域候选节点作信息弥散处理,获取船舶航行图像显著图,通过均值偏移算法处理船舶航行显著图像的特征空间,获得多个分割区域后,在显著图中求解各区域的显著性均值,通过与阈值作比较,实现船舶航行危险区域识别。实验结果表明：该方法可有效提升船舶航行图像的视觉效果;生成的显著图细节完整;可实现不同危险区域的识别,识别效果突出。     

低速水下航行器惯性调节系统的建模仿真

水下航行器低速运动时舵效低,主要通过注、排水来改变质量等惯性参数实现一定范围内的运动姿态调节。为了分析低速水下航行器运动姿态惯性调节策略的可行性,模拟水下低速航行器与其惯性调节系统的耦合动力学特性,本文基于AMESim和Simulink建立了水下航行器的联合仿真模型,实现了水下航行器惯性调节系统的参数化快速建模和工况仿真。以某小型水下航行器为例,通过双环PID控制惯性调节系统,改变航行器的运动姿态,使其在受到海浪等干扰后快速恢复到初始深度,验证了系统的有效性。     

水下航行器水下障碍规避性能分析与仿真

水下航行器的障碍躲避是提高水下航行器生存能力的关键技术,针对信息融合跟踪算法避障容易误差偏差和局部收敛的问题,提出一种基于Kalman滤波量化融合规避的水下航行器水下避障算法。构建水下航行器的运动系统方程,采用方位信息的量化融合方法进行自适应路径规划,结合Kalman滤波进行障碍信息的干扰抑制,采用强跟踪滤波实现障碍参量信息量化融合规避,实现水下航行器水下障碍躲避。仿真结果表明,采用该方法进行水下航行器避障,能有效规避障碍目标,提高对障碍物的方位估计精度,有效规避的准确概率达到最优。     

鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器设计

针对鱼雷型无人水下航行器航行过程中外界环境干扰复杂,航行体系统内部干扰严重的特殊问题,并同时考虑系统参数剧烈变化造成的系统不确定性,设计纵向鲁棒控制器。该控制器采用 PID控制器作为标称控制器控制标称受控对象。利用非线性状态观测器估计受控系统中的不确定性和外界环境干扰,并通过补偿控制律补偿,使整个闭环控制系统具有鲁棒性。将此方法应用于鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器的设计,可大大提高鱼雷型无人水下航行器航行过程中对干扰的抑制和对不确定性的适应能力,保证鱼雷型无人水下航行器在整个航行过程中的姿态稳定,以保证航行任务的完成。     

水下喷水推进器工作特性分析

在充分研究固体燃料涡轮机和高速轴流泵的基础上,提出了应用于水下航行器的喷水推进系统。研究了设计工况时,航行器、轴流泵、发动机的运动学和动力学平衡关系;在定深工况下,分析喷嘴数目变化时航行器的稳定速度;以及不同喷嘴数目时,航行器的变深和变速特性。研究结果表明,喷水推进器能够实现水下航行器大航深、高航速的性能目标。研究结果对喷水推进水下航行器具有重要的参考价值。     

鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器设计

针对鱼雷型无人水下航行器航行过程中外界环境干扰复杂,航行体系统内部干扰严重的特殊问题,并同时考虑系统参数剧烈变化造成的系统不确定性,设计纵向鲁棒控制器。该控制器采用PID控制器作为标称控制器控制标称受控对象。利用非线性状态观测器估计受控系统中的不确定性和外界环境干扰,并通过补偿控制律补偿,使整个闭环控制系统具有鲁棒性。将此方法应用于鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器的设计,可大大提高鱼雷型无人水下航行器航行过程中对干扰的抑制和对不确定性的适应能力,保证鱼雷型无人水下航行器在整个航行过程中的姿态稳定,以保证航行任务的完成。     

水下航行器低速无刷直流电机调速控制

以提升水下航行器低速无刷直流电机调速控制技术水平为目的,提出水下航行器低速无刷直流电机调速控制方法。通过水下航行器低速无刷直流电机数学模型,利用该数学模型输出低速无刷直流电机数学模型调速控制参数,然后设计模糊PID控制参数,利用麻雀搜索算法整定该模糊PID控制参数,通过调节输入值和实际反馈值的偏差,实现水下航行器低速无刷直流电机调速控制。实验结果表明,该方法计算水下航行器低速无刷直流电机电磁功率数值与实际值差值较小,对模糊PID控制参数整定能力较强,并可有效控制水下航行器低速无刷直流电机调速,且响应迅速超调量小,应用效果较佳。     

世界各国竟相发展水下航行器

水下航行器就是指能够在水下航行的器具。潜艇就是一种大型的水下航行器。水下航行器的种类很多,大体上可分为两大类,即载人航行器和无人航行器。水下航行器从控制角度来说,又可分为遥控水下航行器和线控水下航行器,即可分为无缆水下航行器和有缆水下航行器。水下航行器的应用范     

基于全弹道控制分析的水下航行器攻击模型视景仿真*

研究并建立高空滑翔水下航行器的虚拟现实的视景仿真系统,分析水下航行器全弹道控制并在视景仿真平台下实现水下航行器全弹道多状态攻击轨迹模型。高空滑翔水下航行器姿态变化快,背景参数复杂,视景仿真中会出现局部模型快速变化或者模型分离的难题。提出采用DOF和Switch节点相结合的方法,利用其Matlab Simulink仿真模型,计算高空滑翔水下航行器的六自由度数据,通过Matlab的“To Workspace”模块将六自由度数据输出并存档。在VC＋＋6．0环境下编写Vega应用程序,读取运动参数,应用LOD技术在不降低显示速度的同时提高仿真视觉效果。仿真实验和测试效果表明,系统实能实现水下航行器在空中滑翔、低空突防、滑翔翼脱离以及水下攻击等多状态的水下航行器运动弹道轨迹和视景仿真效果,以及运动控制参数的同步跟踪,不再会因局部模型快速变化和模型分离而失真。为分析空投滑翔水下航行器的运动轨迹提供了数据支撑和视景平台支持,对展开高空滑翔水下航行器的弹道控制研究和试验具有重要价值。     

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。     

升力型潜水飞行器水空动力学特性研究

水空两相介质物性的巨大差异为潜水飞机的水下潜航和空中飞行带来诸多难题,本文选择升力型航行器为研究对象,采用数值仿真手段研究其飞行和潜航动力学特性,模拟结果说明:在低速航行时,存在匹配的速度区间使得升力型航行器在空中和水下的各动力学参数随攻角的变化趋势相似并且数值相近,航行器获得相似的飞行和潜航环境;通过对水下高速航行的可行性的探讨,获悉升力型航行器不适宜在水下高速潜航,需采用变体方式改变构型来提高航行器的动力学性能。     

嵌入式无人水下航行器的信号跟踪系统设计

传统水下航行器水下信号分布不规则,容易造成传统信号跟踪系统对航行器信号接收的强度较差。为此设计了嵌入式无人水下航行器的信号跟踪系统。通过建立航行器信号处理模块,对无线接收的水下信号,进行数字高频化处理和高强度串口输出;通过对载波信号频域值域的精密计算,实现载波伪随机码和载波的粗同步。利用Costas锁相环和锁频环建立载波相位频率跟踪模块,接收经过算法处理的高精度定位信号,实现信号捕获并进入跟踪状态。实验证明,设计的信号跟踪系统接收到的航行器跟踪定位信号强度比传统跟踪系统信号强度更高。     

模块化小型水下航行器设计及其水动力学性能研究

基于模块化思想,设计一种小型水下航行器,该航行器共分为艏舱、前侧推进舱、前浮力舱、主控舱、后浮力舱、后侧推进舱和艉舱7个舱室,并在航行器上安装可拆卸式滑翔翼板,由滑翔翼提供向上升力。设计完成后,建立航行器的三维数值仿真模型,采用CFD软件对其进行水动力学性能预报,分析水下航行器的流场分布以及不同攻角下的升力和阻力特性,并通过试验验证数值仿真结果的准确性,为新型水下小型航行器的设计提供研究思路。