混合驱动水下滑翔器滑翔效率及优化研究

续航力与水平速度均是水下滑翔器的重要性能指标。文章以单位重量滑翔器、单位水平速度所耗功率作为滑翔效率的评价指标,给出了混合驱动水下滑翔器滑翔参数最优解寻求的数学方法。文中以一典型滑翔器为例,针对其多种工况(无桨、桨不转、桨随动和桨工作),利用CFD预报了所需的流体动力系数,然后分别给出了它们最优的滑翔参数。研究结果表明,该评价指标物理意义明确,优化方法简单,对工程设计具有很高的参考价值。     

水下滑翔器动力学建模及优化设计

水下滑翔器是广泛应用于海洋观测的新型浮力驱动设备。它通过改变重、浮力的比例实现垂直方向运动,通过固定水平翼以及改变浮心和重心的相对位置实现水平方向的运动。文章使用吉布斯函数和阿佩尔方程建立了水下滑翔器动力学模型并指导水下滑翔器设计。首先获得能够建立水下滑翔器动力学特性和内部各移动重物关系的模型。然后,使用计算流体力学软件Fluent获得模型中水动力参数的数值。考虑固定水平翼位置影响,文中以减小能量消耗为目标,给出水平翼的较优位置设计。最后,通过水下滑翔器模型水域试验数据和仿真的对比,证明了动力学模型和水下滑翔器设计的有效性。     

欠驱动自主水下航行器的镇定及跟踪

针对仅带有轴向推力及偏航力矩的欠驱动自主水下航行器（AUV）,研究了其在水平面内的轨迹跟踪及定点调节问题。基于Lyapunov直接法及串接一反步技术,通过采用一种带有动力学震荡器的跟踪误差变换,设计了一种统一的连续时变状态反馈控制律,并给出了参数自适应更新律以估计AUV的非线性阻力参数,使得AUV的位置及方向角的跟踪误差全局渐近收敛于零点左右的一个邻域内,该区域可以为任意小,并且,AUV的跟踪性能与外界干扰的大小无关。仿真结果证明所提出的方法是有效的。     

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     

深水欠驱动自主水下航行器分布式控制方法

针对传统CAN总线控制方法在欠驱动状态下,出现的控制指令响应速度慢、欠驱动状态下控制指令下达滞后等问题。提出深水欠驱动自主水下航行器分布式控制方法,在传统CAN总线控制方法的基础上建立欠驱动信号指令识别单元与分布式控制指令识别传输单元,实现分布式控制的效果。通过对比实验证明:提出的深水欠驱动自主水下航行器分布式控制方法,能够准确识别航行器的欠驱动状态,并通过分布式控制指令传输方式,完成对欠驱动状态下航行器的稳定、准确控制。     

美国海军研制新型水下无人航行器

美国海军日益看好水下无人航行器的作战潜力,认为水下无人航行器将给21世纪水下作战方式带来一场革命。本文介绍了美国海军水下作战中心对未来水下无人航行器的设想以及为实现这一设想而制订的研制计划。     

温差能水下滑翔机实验水池温度梯度的理论验证与实验

为使试验水池能为研究温差能水下运载器提供稳定可靠的实验环境,根据滑翔机相变材料相过程变模型的数值求解,得出实验水池温度梯度控制目标,并以此为目标设计出一套基于西门子S7-200PLC的温度梯度控制的实验台架,实验表明,水池在长度方向上有1/3区域可获得理想的温度梯度。     

水下航行器新型高效动力系统

从水下航行器对动力系统的要求出发,分析了常规燃料AIP、小堆AIP技术和永磁同步电力推进系统国外发展概况,提出了小堆AIP技术和永磁同步电力推进系统组成的水下航行器新型高效动力系统,在对该系统研究后指出了需要研究的关键技术,原理与配置;展望了应用前景.     

大翼展混合驱动无人水下航行器水动力特性研究

为提高无人水下航行器的操纵性和运动控制算法的高效性,对航行器水的动力特性进行分析尤为重要。基于黏性流体理论,采用高效的计算域分区法提高航行器变攻角网格的生成效率,开展不同攻角和航速下的航行器水动力数值预报与分析,定量给出航行器的升阻力、升阻比和俯仰力矩系数随攻角的变化规律,得到航行器上浮和下潜时对应的最优攻角和动压力中心点偏移量,为航行器的运动的姿态控制提供设计和指导依据。分析攻角对航行器压力场、速度场和涡量场的影响规律,为后续优化航行器构型、提高航行器的水动力性能奠定基础。     

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。     

Phase change analysis of an underwater glider propelled by the ocean's thermal energy

The phase change characteristic of the power source of an underwater glider propelled by the ocean's thermal energy is the key factor in glider attitude control. A numerical model has been established based on the enthalpy method to analyze the phase change heat transfer process under convective boundary conditions. Phase change is not an isothermal process,but one that occurs at a range of temperature. The total melting time of the material is very sensitive to the surrounding temperature. When the temperature of the surroundings decreases 8 degrees,the total melting time increases 1.8 times. But variations in surrounding temperature have little effect on the initial temperature of phase change,and the slope of the temperature time history curve remains the same. However,the temperature at which phase change is completed decreases significantly. Our research shows that the phase change process is also affected by container size,boundary conditions,and the power source's cross sectional area. Materials stored in 3 cylindrical containers with a diameter of 38mm needed the shortest phase change time. Our conclusions should be helpful in effective design of underwater glider power systems.     

Phase change analysis of an underwater glider propelled by the ocean＇s thermal energy

The phase change characteristic of the power source of an underwater glider propelled by the ocean＇s thermal energy is the key factor in glider attitude control. A numerical model has been established based on the enthalpy method to analyze the phase change heat transfer process under convective boundary conditions. Phase change is not an isothermal process, but one that occurs at a range of temperature. The total melting time of the material is very sensitive to the surrounding temperature. When the temperature of the surroundings decreases 8 degrees, the total melting time increases 1.8 times. But variations in surrounding temperature have little effect on the initial temperature of phase change, and the slope of the temperature time history curve remains the same. However, the temperature at which phase change is completed decreases significantly. Our research shows that the phase change process is also affected by container size, boundary conditions, and the power source＇s cross sectional area. Materials stored in 3 cylindrical containers with a diameter of 38ram needed the shortest phase change time. Our conclusions should be helpful in effective design of underwater glider power systems.     

翼身融合水下滑翔机总体设计及性能分析

为了提高水下滑翔机的滑翔效率,本文提出一种翼身融合水下滑翔机。采用融合式的翼梢小翼,减弱翼梢效应;针对高升阻比的设计指标,将升降翼、襟翼特征引入滑翔机设计中,并定量给定各机构的指标参数量值;针对水下滑翔机的设计指标,完成翼身融合水下滑翔机的总体设计;基于模块化设计思想,对水下滑翔机的功能模块分舱独立设计,提高水下滑翔机的故障存活率;针对翼身融合的水下滑翔机的滑翔速度较小,提出大浮力调节装置,大大提高滑翔速度,提升抗流能力;基于有限元理论,对耐压舱室强度与稳定性进行数值计算与分析,结果表明各舱室满足水下工作要求。本文提出的翼身融合水下滑翔机,升阻比性能优越,可以实现对海洋环境的长时序观测任务。     

水下滑翔机QFT鲁棒控制器设计

水下滑翔机以其低功耗、低成本和低噪声等优势在海洋科研、环境监测、资源探测和军事侦察等领域具有广阔的应用前景,由于水下滑翔机长时间、大范围在水下作业,受海洋波浪影响严重,因此要求其具有优良的抗干扰能力.本文首先对水下滑翔机俯仰回路多阶水动力模型进行Pade'降阶,随后针对降阶后的模型设计了QFT鲁棒控制器,系统仿真结果表明在该控制器作用下,系统鲁棒性较强.     

水下滑翔机外形设计与水动力计算

水下滑翔机是一种不依靠外部推进装置的水下自主航行器,它通过改变净浮力和浮心位置进行运动,因此要求其具有优良的水动力性能.本文介绍实验室所研制的水下滑翔机的外形设计,对水下滑翔机斜航运动与定常回转运动水动力进行数值计算,并实施拖曳试验,其计算结果与试验结果吻合较好.同时,在湖泊试验中水下滑翔机相继完成了多组锯齿运动和螺旋下潜运动,进一步验证水动力计算结果的准确性,满足工程应用的要求,其结果对水下滑翔机的设计具有一定的指导和借鉴意义.     

水下滑翔机水平固定翼设计

水下滑翔机以其低功耗、低成本和低噪声等优势在海洋科研、环境监测、资源探测和军事侦察等领域具有广阔的应用前景,水下滑翔机主要用于海洋环境长时间、大范围的实时监测,因此要求其具有优良的水动力性能。文章利用Javafoil程序总结了水下滑翔机水平固定平板翼升阻比与翼型参数之间的特征关系,并基于该关系在综合考虑升阻比和俯仰力矩两方面因素后确定了水下滑翔机水平固定平板翼的参数。此外为改善水下滑翔机稳定性,分析和设计了柔性机翼,对水下滑翔机水平固定翼的设计具有一定指导和借鉴意义。     

水下滑翔机试验样机系统设计

水下滑翔机作为一种新型的水下机器人巧妙地利用了水平固定翼将净重力转换为前进驱动力,从而降低了水下机器人的功耗。在海洋科学研究、环境监测、资源探测和军事侦察等方面都具有广阔的应用前景。文章介绍了水下滑翔机试验样机主体结构设计,姿态调节系统设计,浮力调节液压系统设计和控制系统系统设计。对嵌入式低功耗设计和层次设计做了重点介绍,并且对基于双向流量计浮力调节液压系统进行了详细介绍和仿真分析。     

Review and prospects of underwater glider path planning;

The underwater glider (UG) is a new type of underwater vehicle driven by buoyancy, which has the advantages of low energy consumption, high efficiency, long-endurance, low cost, reusability and so on. The UG can also meet the needs of long-term and large-scale ocean observation and exploration. As an observation platform, the UG needs to carry out path planning and correction continuously in the early stages and during missions in order to better serve the requirements of ocean observation and exploration. First, this paper summarizes the relevant literatures on path planning research methods for UG in recent years. UG path planning algorithms are mainly divided into three categories: traditional algorithms, intelligent optimization algorithms and multi-algorithm fusions. Combined with practical application, the performance of different path planning algorithms is compared. The key technologies of UG path planning, such as environment reconstruction, environment perception, intelligent decision-making and underwater positioning, are then summarized. Finally, the development direction of UG multi-algorithm integration, multi-glider cooperation, multi-dimensional integration of spatiotemporal constraints and high-precision in complex and unsteady environments are prospected. © 2023 The Author(s).     

基于FFD和轴变形方法的翼身融合水下滑翔机外形参数化建模

外形参数化是水下滑翔机外形优化设计的重要内容,针对现有几何参数化方法在翼身融合水下滑翔机外形参数化中存在的问题,本文提出一种基于FFD和轴变形方法的翼身融合水下滑翔机外形参数化建模方法。该方法首先基于B样条方法,建立翼身融合水下滑翔机外形的FFD参数化模型,实现滑翔机外形的自由变形;然后在此基础上,针对FFD参数化方法优化变量多的缺点,提出一种翼身融合水下滑翔机外形的轴变形参数化方法,对FFD控制体进行间接变形操纵,减少优化变量的数目;最后通过实例对所提方法的有效性进行了验证。     

翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析

为了提高水下滑翔机的水动力性能,本文将航空航天领域先进的翼身融合布局引入到水下滑翔机外形设计中,并对其水动力性能进行研究与分析。首先,对比3种具有代表性的水下滑翔机常用壳体形状的几何参数,选用扁平椭球体作为翼身融合水下滑翔机壳体的基本形状;在此基础上,设计出翼身融合水下滑翔机的三维模型;最后,采用计算流体力学（ CFD）的方法对翼身融合水下滑翔机进行仿真模拟并分析其水动力性能,结果表明,采用翼身融合布局的水下滑翔机,其水动力性能得到显著提高。