远程AUV近水面运动纵向模糊滑模控制

针对自主水下航行器（AUV）近水面航行过程中波浪扰动的问题,研究了模糊滑模控制在AUV近水面纵向运动控制中的应用。在AUV六自由度非线性模型的基础上进行合理的近似和简化,建立了线性化纵向运动方程。根据随机长峰波理论和波浪谱密度函数对AUV受到的波浪力和力矩进行了数值计算和仿真。基于滑模控制方法设计了AUV纵向运动控制器,对1阶波浪力扰动下的深度控制性能进行了分析,并通过在滑模控制器的基础上引入模糊逻辑解决1阶波频扰动引起的控制输入高频抖动问题。近水面深度控制计算机仿真结果表明,所设计的模糊滑模控制器在保持良好的控制性能的基础上能够达到减弱舵角高频抖动的目的。     

拖缆对水下航行器的操纵性能影响

为探究拖缆对水下航行器的操纵性能影响,基于集中质量法建立了拖缆的动力学方程,利用边界耦合条件,将拖缆首端产生的张力影响计入水下航行器的六自由度运动方程组,建立了拖缆-水下航行器耦合运动模型。通过数值仿真计算,对比分析了拖缆对航行器直航、回转和下潜运动时的操纵性能影响。数值分析结果表明：航行器加装拖缆后,航行器在直航、回转和下潜运动时的速度有所降低;航行器回转运动时,拖缆会减小回转半径;航行器下潜运动时,拖缆降低了航行器的下潜稳定性,且减小了航行器弹道倾角的绝对值,增大了航行器达到预定深度的距离,同时由于航速降低,导致航行器达到预定深度的时间会增加,从而也降低了航行器下潜性能。     

拖缆对拖曳系统中飞行器动稳定性的影响

采用简化的拖曳系统纵向小扰动运动方程,计算分析了拖缆对拖曳系统中飞行器纵向扰动运动模态的影响.采用未经简化的拖曳系统纵向小扰动运动方程,通过仿真计算的方法,与上述分析方法和计算结果进行了对比.结果表明,相时于独立的飞行器,拖曳系统中飞行器纵向扰动运动的短周期模态特性变差,半衰期延长;长周期模态性质可能改变,由周期模态变为非周期的,甚至是发散的模态.     

波浪作用下系留系统纵向运动仿真研究

系留系统包含系缆和系留体两部分,分析波浪扰动力对系留系统运动参量的影响需要建立适用的系留系统运动模型。依据牛顿第二定律建立系缆的纵向运动控制方程,在此基础上采用集中质量法建立系缆的离散运动数学模型。基于刚体动量定理及动量矩定理建立回转体型系留体的纵向运动方程。联立系缆和系留体运动模型并补充相应的边界方程即得到系留系统纵向运动模型。采用4阶Runge Kutta法对二级波浪力作用下的系留回转体系统进行了运动仿真,仿真结果显示系留系统在波浪力作用下做周期性摆动。     

大潜深AUV纵向变结构控制研究

针对大潜深AUV大幅变深时弹道参数变化显著、小扰动线性化模型偏差大的问题,提出了一种易于实现的纵向运动变结构控制方法.设计了控制切换函数和控制算法,分析了系统在状态空间内的运动,证明了切换面的可到达性和控制算法的稳定性,给出了消减控制抖振的改进方法.应用Simulink编程,进行了AUV六自由度运动仿真.仿真结果表明,采用改进的纵向变结构控制,AUV变深速度快、航迹平滑,控制效果好.     

AUV载荷水下分离方法研究

文中建立可封闭求解的AUV分离运动方程,给出各种初始参数的计算方法;并基于该方程对某AUV的载荷分离进行仿真试验,仿真结果很好地反映了AUV的载荷分离运动.     

四旋翼碟形自主水下航行器运动方程建立与流体特性仿真研究

四旋翼碟形自主水下航行器（AUV）是一种新型水下航行器。为研究此航行器的流体动力特性,建立了四旋翼碟形AUV的三维模型,并定义了参考坐标系和广义特征参数;在其体坐标系中根据动量和动量矩定理,建立了广义参数定义的AUV六自由度动力学方程和运动学方程;采用计算流体力学方法,基于Ansys CFX流体分析软件,在的0°~90°攻角范围内,对航行器运动过程中的流体动力特性进行了仿真研究,并绘制了其特性曲线。仿真结果表明：在0°~15°攻角范围内,航行器具有较低的流体阻力,适宜做定深运动;在30°~50°攻角范围内,航行器具有良好的升力特性,适宜完成曲线潜浮运动。     

半潜式航行体拖曳系统收放过程动态响应

在半潜式航行体拖曳系统收放拖体过程中,半潜式航行体、拖缆及拖体之间的相互作用使半潜式航行体难以保证稳定准确的航速与姿态,导致水下拖缆或拖体偏离,将严重影响整个系统的安全。以加拿大遥控猎雷系统中的"海豚"半潜式航行体及水下拖曳系统为原型,分别建立半潜式航行体、拖缆及拖体的运动方程组,通过拖缆边界条件将半潜式航行体及拖体耦合,研究不同缆长收放拖体时系统的动态响应,对半潜式航行体及拖体的姿态控制及水下拖曳系统收放装置的设计提供参考。     

一种基于量测伪距的EKF移动长基线AUV协同导航方法

在移动长基线(MLBL)定位中,由于水声信号在水中传播速度较慢,以及被定位AUV的白身运动,导致AUV与不同浮标的距离是在不同时间不同位置测量产生的,所以应用移动长基线会产生一定的时间延迟定位误差.本文针对该定位误差,提出了一种基于量测伪距的EKF移动长基线时间延迟算法,该算法利用扩展Kalman滤波,通过对AUV的位置状态的前推,重构了系统的量测方程,实现了量测方程同系统的量测量在时间上的一致性,有效地解决了时间延迟产生的误差.理论分析与仿真结果均表明,该方法可以显著提高导航定位精度.     

AUV与平台对接过程水动力干扰数值计算

AUV在与平台对接过程中会受到平台的非定常干扰作用,与AUV在宽阔流域中的受力特性有很大差异。基于RNGκ-ε湍流模型,采用有限体积法和非结构动网格技术,在不同雷诺数下和不同攻角下数值模拟了AUV对接过程中的非定场流场。仿真结果表明干扰力随AUV与平台的间距减小而增大,随着运动速度或者雷诺数的增大而减小,随攻角的增大而增大。     

Simulation of the Movement of Long-distance AUV

In order to study the movement of the long-distance torpedo-like autonomous underwater vehicle （AUV） which is controlled by the dynamic positioning system （DPS）, by adopting momentum theorem and the angular momentum theorem, the appropriate movement math model for the long-distance torpedo-like AUV has been built and the thrust of DPS is distributed. Several representative movements of AUV are simulated, such as transferring between two random points and pointing circumrotation movement. The simulation result is analyzed. It shows that DPS including five thrusters can control the AUV movement steadily at low velocity.     

无人水面艇自主部署自主水下机器人平台技术综述

自主水下机器人(AUV)和无人水面艇(USV)作为组建海底空间站和观测网的重要工具,在近30年间,其相关技术蓬勃发展,逐步由单体控制向多海洋平台协同协作方向发展,其中利用USV自主布放回收AUV成为新的研究热点。综述了基于USV对AUV进行动态部署平台的最新进展;基于系统学观点从拖曳稳定性、拖曳动对接准确性和拖曳对接快速性3个方向来阐述USV部署AUV平台关键技术的研究和应用现状,总结了提高部署平台拖曳稳定性的措施,并对USV自主部署AUV平台的研究方向和研究重点进行了展望。     

重力静压梯度场中通气空泡形态研究

基于连续方程,动量方程,能量方程,状态方程和标准k-ε方程,实现了重力静压梯度场中通气空泡流的数值求解;将来流边界温度定义为时间的函数关系,研究了重力静压梯度场中海洋垂向温度场对空泡形态影响规律;通过对等温通气空泡流进行数值研究,得到了重力静压梯度场中空泡长度和空泡直径随弗劳德数和空化数的变化规律。计算结果与已有经验公式和实验结果符合良好,证明该方法能够有效地预测重力静压梯度场中通气空泡形态。     

自主水下航行器回收过程中螺旋桨推力特性分析

在自主水下航行器 (AUV) 水下回收过程中,螺旋桨的推力特性对AUV的稳定性控制及安全性能等影响非常明显。主要基于计算流体力学方法,采用多块混合网格技术结合RNG k-ε湍流模型,对AUV在不同回收工况下的螺旋桨推力特性展开数值模拟。建立AUV及螺旋桨的三维几何模型;基于多块混合网格方法对计算域进行空间离散,同时采用动网格技术实现螺旋桨与回收管的相对运动及自身旋转运动;利用有限体积法展开数值计算。基于计算数据与试验数据的对比及数值无关性测试,表明所使用的多块混合网格方法能够对AUV回收过程螺旋桨推力特性进行准确计算,为AUV水下回收过程的控制及安全性能评估能够提供理论参考。     

事件触发的多AUV编队模型预测控制算法

针对复杂环境中自治水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)编队的避障控制问题,提出一种基于事件触发的模型预测控制(model predictive control,MPC)算法。建立水下机器人运动模型,结合领航-跟随式队形控制方法,利用领航AUV的位置信息和编队期望队形得到虚拟AUV的航行轨迹及速度信息,将其作为跟随AUV的航行参考轨迹;对传统人工势场法(artificial potential field,APF)进行适应性改进,以满足AUV编队在障碍物环境中避障规划的需求;设计一种基于跟随AUV轨迹预测值与实际值误差的事件触发机制来减少求解优化问题的计算量,降低计算负担。结果表明：与其他算法相比,该算法仿真结果具有可行性和有效性。     

新型随控布局水下航行器近水面运动非线性模型研究

采用随控布局的新型水下航行器配备有多个不同方向的推进器,实现了直接升力控制和直接侧向力控制,具有巡航和悬停2种运动模式。文中详细分析并建立了不同运动模式下的流体动力模型以及环境因素的扰动作用模型,建立了新型水下航行器的6自由度非线性低频运动模型以及波浪作用下的高频运动模型,并进行了计算机仿真。仿真结果表明,该模型不仅可以模拟航行器的巡航以及悬停运动状态,还可以描述航行器的低频运动和高频运动状态,为航行器近海面运动的控制系统设计与仿真提供了参考。