子母式AUV多载荷布放机构设计与性能测试

目的针对水下搜救、战时布防、密集攻击等场合对负载能力、响应速度、多体协同的特殊要求,提出一种子母式AUV的概念。方法设计高负载率内藏式的载荷携带形式、多点组合推冲的弹射出舱方式以及前后舱段错位交替的多载荷布放方法。构建一套适用于载荷布放的笼式悬挂系统以及多载荷次序布放机构,并开展一系列实验室及湖上试验。结果结果表明：单个子AUV能在0.2 s内成功出舱,经过0.5 s的姿态变化成功与母AUV分离,6个子AUV在30 s内从母AUV中安全分离,布放冲击对母AUV影响较小。结论所提出的子母式AUV及其载荷布放方法具有良好的可行性和可靠性,可顺利实现多载荷的安全可靠布放。     

凸台对多载荷AUV载荷段阻力的影响

为了研究凸台对多载荷AUV载荷段的阻力影响,基于SST k-ω湍流模型,分别对原始模型和带凸台结构模型进行了流场的数值计算.通过分析凸台截面形状及尺寸对流场的影响,研究了凸台减阻机理.结果表明,尾部凸台的出现能够避免过早的发生流体分离,降低模型尾部形成的尾涡强度和尺度,从而减小模型的压差阻力,达到减阻效果.并且,圆柱形凸台的减阻效果并不是随着尾部凸台的直径和长度增加而单调增加,而是有一个较合适的直径及长度进行匹配,从而达到最佳的减阻效果;半球形凸台对模型减阻效果很好,但在一定范围内减阻效果不随直径的增加而增强;组合型凸台的减阻效果比单纯圆柱形凸台和半球形凸台都要好,减阻量可以达到50％以上.     

基于MPC-MRAC的用于子母式AUV投放的子AUV控制算法

针对水下搜救、水下集群作业等场合对负载能力、响应速度和多体协同的特殊要求,提出一种子母式自主水下航行器（AUV）概念。针对子母式AUV中的子AUV平台进行投放过程设计与分析,并对不同运动模式下的子AUV进行受力分析和建模。根据子AUV运动特性设计一套基于模型预测控制-模型参考自适应控制算法（MPC-MRAC）的子AUV控制算法,并进行仿真。结果显示：该算法具有较快的响应速度和控制稳定性,适用于子AUV投放后的自主运动控制;其响应速度比反演滑模控制算法快42.48%,比比例积分微分（PID）控制算法快87.05%;控制精度比反演滑模控制算法高77.54%,比PID控制算法高76.19%。针对该系统设计制作样机并开展湖上试验,结果表明,子AUV控制算法具有良好的可行性和可靠性,可顺利实现子AUV投放后运行的安全可靠。子AUV在出舱后经过短时间姿态变化,成功与母AUV分离并顺利进行定深任务,最终达到近似等距分布的效果。研究成果可为用于子母式AUV投放的子AUV提供控制算法基础。     

水翼法推进的仿生AUV研制及实验

为丰富水下推进方式,进行了海龟水翼法推进技术仿生及实验研究.基于生物原型运动机理和本构特性分析,研制了仿水翼运动机构、仿蹼翼运动机构和仿生水翼法推进AUV,并进行了仿生AUV水池转首性能测试实验等,验证了运动参数变化对AUV所受纵向力分量和平面转首力矩的影响.实验结果表明,水翼拍旋角速度ω1对于AUV转首速度的影响呈降加速度正比趋势;AUV样机双翼反向差动转首因增加了涡漩阻力,比单肢转首运动的效率提高约60％等,这些为仿生AUV运动控制策略研究提供依据.     

AUV导航-规划-控制技术研究

AUV导航、规划和控制技术是实现其自主航行和作业的核心内容和关键环节。本文从硬件组成、算法对比角度归纳分析AUV导航技术的发展,从传统算法、智能算法角度归纳分析AUV避障规划技术的发展,从控制算法、控制分配策略角度归纳分析AUV控制技术的发展。最后,对AUV自主航行技术的未来发展趋势和挑战进行了展望。     

弱磁型四旋翼AUV的深度与姿态控制

为对磁性敏感的实验装置提供一个无磁干扰、具有一定深度以及姿态稳定的水下测试环境,设计一款基于经典比例积分微分（PID）算法控制的弱磁型四旋翼水下自主航行器。本文通过外形设计,对该自主航行器进行三维建模,从而建立该AUV的运动学模型,进行稳定性分析。通过电气系统以及控制系统的设计与组装,调整各控制参数,成功搭建该自主航行器并进行水池实验。通过实验可知,基于PID控制的弱磁型四旋翼水下自主航行器通过无浮力缆与上位机连接,可以实现定深以及定姿态的功能。同时将各个误差值控制在理想范围内,验证了该控制系统的稳定性以及鲁棒性。     

舱内爆炸冲击载荷特性实验研究

为探讨舱室抗爆结构设计,采用典型舱室结构进行了舱内爆炸模型实验,研究了舱内爆炸下的冲击载荷及其作用过程,分析了舱内爆炸载荷的强度及舱内爆炸载荷作用下舱室板架结构的失效模式.结果表明:舱内爆炸载荷与敞开环境下的爆炸载荷有较大区别,由于舰艇结构的影响,舱内爆炸下,舱室板架结构承受的冲击载荷除壁面反射冲击波外,在舱室角隅部位还有强度远大于壁面反射冲击波的汇聚冲击波,以及这些冲击波的多次反复作用;舱内爆炸下舱室板架中部结构所承受的初始冲击载荷强度与敞开环境爆炸下壁面反射冲击载荷强度相当,而角隅部位舱内爆炸载荷的强度远大于敞开环境爆炸下壁面反射冲击载荷;舱内爆炸下舱室板架结构的主要失效模式是沿角隅部位发生撕裂失效并发生大挠度外翻变形.     

一种隧洞探测型AUV及其图像拼接方法研究

裂缝是输水隧洞最普遍的缺陷和潜在威胁,AUV巡检与拍摄输水隧洞中的裂缝,通过拍摄的水下图像进行处理,以确定裂缝位置。但由于水下环境极大限制了光视觉图像可视范围与分辨率,单幅水下图像所获得的视角范围有限,所以本文提出了基于SURF算法的AUV水下图像拼接方法研究。该方法首先在图像预处理阶段对水下图像进行去畸变与限制对比度自适应直方图均衡化处理,用于解决水下图像存在的畸变、对比度低、噪声严重等问题。接着将SURF特征点检测算法应用于水下图像配准当中,并与RANSAC算法相结合对特征点进行精确匹配,然后应用线性渐变融合算法实现水下图像融合,有效去除拼接缝隙,完成水下图像拼接,最终通过水池与外场实验拼接图像来验证该方法的正确性。     

一种AUV水下接驳站的研究

AUV水下接驳站为AUV提供能源补充、信息交换,是AUV提升续航力,扩展作业内容、降低作业成本的重要保障。本文介绍了一种包容式的AUV水下接驳站,基于接触式插拔传输技术对插拔机构进行独创性设计。经试验验证,接驳站运行稳定无故障,插拔机构对接成功率高,具有良好的工程应用前景。     

AUV自救系统可靠性研究与实现

介绍自治水下机器人自救系统的研制与实现,选用低功耗单片机MSP430为核心控制芯片,以水声通信自救为基本自救方式;通过合理设定自主自救深度值在关键时刻实行深度自救;通过日历芯片PCF8563设置自主自救时间,时间延后于作业时间,当机器人遇到意外时能及时自救.整套系统参加过两次海试,效果良好.     

螺旋桨-冰接触工况下载荷试验研究

船舶在冰区航行时,经常会发生碎冰在艏部下沉,并沿着船体滑入螺旋桨前的流场中,导致高速旋转的螺旋桨与冰发生切削作用,使得螺旋桨桨叶发生严重变形和损坏。为了进一步分析和研究螺旋桨-冰切削过程中的各种载荷,文中首先在拖曳水池中搭建了螺旋桨-冰切削试验平台,详细叙述了测量设备和模型冰推送装置。然后,通过重复性分析以及与其他学者的研究进行对比分析,验证了试验平台的可行性和可靠性。最后,对螺旋桨-冰在空气中以及在水中切削时受到的载荷情况进行了详细的分析。试验结果表明:螺旋桨-冰切削试验平台的搭建具有可行性,能够较好地测量螺旋桨-冰的切削载荷;模型冰移动的速度越快,螺旋桨受到的挤压载荷越大;螺旋桨-冰切削过程中接触载荷的详细描述对冰级螺旋桨的结构设计具有重要的工程意义和应用价值。     

弧形防浪墙波浪力的试验研究

在斜坡式防浪建筑物中,为满足越浪与稳定要求,减少工程投资,常在堤顶设置防浪墙。通过三分力天平对常用的直立式、不同墙底高程和墙高组合下的圆弧式防浪墙进行物理模型试验,直接测量作用其上的波浪力,分析不同形式下防浪墙的整体稳定性,讨论防浪墙形式引起的波浪力的变化关系。     

双体船连接桥波浪载荷的试验研究

利用模型试验方法来决定作用在双体船连接桥结构上的波浪诱导载荷，探讨了航速、浪向及双体片体间距对连接桥所受垂向弯矩、扭矩的影响。     

水下自主机器人航向控制算法应用研究

为了提高AUV航向控制系统的控制品质,研究基于模糊理论的参数自调整PID算法。该算法在AUV原控制器的基础上对控制器参数进行在线调整,使控制器具有了一定的自适应特性。分析模糊控制规则对控制效果的影响,提出一种基于非线性函数的尺度变换方法对模糊控制器输入数据进行处理,简化了模糊控制器输入数据的量化过程。通过湖上试验,验证了模糊PID控制算法的有效性。对比试验结果显示,改进后的算法在AUV航向控制中能够获得更好的控制效果。在大角度转向中,该控制算法的优越性明显,系统响应快,超调小,航向误差均方差小。     

254SMO超级不锈钢焊接工艺试验研究及应用

文章针对254SMO超级不锈钢管材的性能,从其化学成分及力学性能分析,对焊接工艺方法、焊接材料、焊前准备、坡口形式设计、焊接顺序及工艺要领等方面进行了研究,并进行了254SMO超级不锈钢管材的焊接试验。通过焊接性、力学试验和腐蚀试验等证明了该研究能够获得高质量的焊接接头,满足项目相关技术要求,并在实船应用方面获得满意效果,经RT和PT无损探伤检测合格率100%。     

多约束模型预测控制在AUV深度控制中的应用

针对AUV深度控制,提出深度偏差转换为指令纵倾的算法,基于拉盖尔网络逼近的模型预测控制理论,设计了舵角舵速硬约束和纵倾软约束条件下的纵倾运动模型预测控制器。仿真结果表明,该控制方法具有良好的动态控制性能,并可快速处理多种约束条件的二次规划问题。     

远洋船用柴油机缸套工作过程的分析与研究

目前,船舶正朝着大功率,大型化发展,需要船舶的主动力装置船舶柴油机具有高可靠性和耐久性.活塞环和缸套是柴油机的关键部件,直接决定柴油机性能的优劣,必须投入力量进行研究.     

不同浸没深度下水平圆柱体的水动力特性试验研究

顺应式的漂浮柔性圆柱型结构物,如深海养殖结构物的浮圈结构、波浪能发电装置的浮体部分等,大多是部分浸没的。目前,学术界和工程界对部分浸没圆柱的水动力特性了解甚少,也使这些新型结构物在设计和分析时面临着一系列的困难。文章利用在拖曳水池中对水平圆柱进行强迫振荡的试验方法,研究了不同浸没深度的水平圆柱体在流、波浪以及波-流耦合作用下的水动力特性,获得了拖曳力系数和附加水质量系数在不同浸没深度下与Reynolds数、KC数和Vr的关系。通过研究发现:(1)在纯流作用下,由于自由液面的存在,超过半浸没的圆柱体的拖曳力系数在超临界范围内将大于全浸没圆柱;(2)在波浪作用下的半浸没圆柱的水动力系数完全不能等同于全浸没圆柱的一半来进行考虑;(3)流的存在对水动力系数的影响比较显著,会导致惯性力系数的增大。     

带空腔圆柱结构入水射流冲击实验研究

入水问题是一个极为复杂的流固耦合问题,一般的数值手段很难进行完整的模拟,而实验手段则能够完整、准确地观测到结构入水的一系列复杂现象。本研究以实际导弹尾部出现的空腔结构为研究背景,以高速摄影技术为手段,设计多组实验,探究空腔结构参数对于入水砰击过程的影响。通过不同模型实验的对比,得到入水过程中空腔直径和空腔深度对于抨击射流的形成、冲击位置、腔内气体排出规律及自由液面飞溅等现象的影响规律。