水下航行器热动力推进系统数字仿真研究

为满足新型水下航行器燃料流量闭环控制热动力推进系统设计、研制、试验和验证的需求,建立了较为精确的系统数学模型,应用MATLAB/SIMULINK进行高效的模块化仿真建模与仿真试验,得到了不同工况阶段的热动力推进系统各项参数（如燃烧室压强、发动机输出转速和转矩等）的仿真结果,从而可对热动力推进系统在启动、变深及变速等过程中的动态特性进行分析,弥补了目前功率台架试验仅能提供系统稳态特性的不足,为热动力推进系统的可靠性设计及其控制装置的鲁棒性设计提供必要的参考,并可部分替代半实物仿真及台架试验的功能,降低设计和研制成本。     

基于Matlab/Simulink的水下航行器建模与仿真

为便于对水下航行器的运动弹道和运动控制进行计算机仿真,建立一种基于Matlab/Simulink的水下航行器模型。利用矢量化建模方法,给出水下航行器6自由度空间运动数学模型,详细论述Simulink建模过程和S函数的实现方法,并应用所建立的Simulink模型,对水下航行器的开环运动、操纵性以及闭环运动控制相关问题进行仿真。仿真结果表明,该系统符合水下航行器的实际运动规律。     

基于LQR方法的水下航行器热动力推进系统控制研究

对水下航行器热动力推进系统的非线性模型进行了线性化处理,应用线性二次型控制方法设计了系统的最优控制器,采用极点配置的方法设计了系统的状态估值器。并对系统的恒深变速过程和恒速变深过程进行了仿真计算。仿真结果表明,所设计的最优控制器取得了理想的控制品质,能够大大改善动力系统的性能。     

水下航行器热动カ系统固体药柱燃烧模型与仿真

药柱的几何形状、尺寸和燃烧面积直接决定着水下航行器动力系统的启动特性，也影响着推进剂供应管路的设计，所以对药柱的燃烧特性进行精确建模。在建立药环和2种药柱的燃烧模型的基础上，同时引用其它部件数学模型，建立动力系统启动过程的完整数学模型，并采用Mat-lab进行仿真实验计算，研究2种药柱对启动过程的影响。结果表明，改进后的实心药柱能够很好地改善水下航行器热动力系统启动过程。     

基于Kane方法的波浪驱动水下航行器动力学模型建立

基于多体系统动力学理论,定义并选取适当的坐标系和广义坐标,对波浪驱动水下航行器多体系统进行运动学分析,得到各部分的速度和加速度;基于Kane方法进行动力学分析,计算各部分的偏速度和偏角速度,进而求得系统的广义主动力和广义惯性力。将系统的广义惯性力和广义主动力代入Kane方程中,得到波浪驱动水下航行器多体系统动力学模型。在受力分析中,不仅考虑了惯性力、惯性力矩、重力和浮力以及流体动力,还重点分析了波浪力和多体系统的附加质量力。对波浪驱动水下航行器进行了运动仿真,仿真结果显示航行器航行稳定,所建立的模型是有效的。     

水下涡轮机系统转速闭环控制研究

应用于高速水下航行器的开式涡轮机系统具有耗气量低、焓降大和结构简单等特点,但该系统对工况敏感。采用调节燃料泵泵角的闭环控制策略,建立开式涡轮机动力系统及其泵角执行机构的数学模型,设计合理的控制算法并研制转速闭环控制器,首次实现了水下涡轮机的无级变速控制。半物理仿真试验结果表明,所设计的控制器可保证系统转速在变工况下跟随指令转速,转速调节的过渡时间不大于7 s,最大转速偏差不大于20 r/min,燃烧室压强超调不大于5%,保证了系统的安全性,可以有效地支持航行器新型制导规律的实现。     

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。     

环形气囊水下充气展开过程仿真与分析

为了对水下航行器环形气囊的水下充气过程进行研究,依据控制体积方法基本思想,运用热力学和弹性体弹性本构模型等理论,建立了气囊水下充气过程数学模型,并在此基础上编制计算程序,对该气囊水下充气过程进行了仿真,同时对影响气囊水下快速充气的因素进行分析。仿真结果表明,所建立的模型能基本反映环形气囊水下充气过程相关参数的变化规律,可为后续水下航行器上浮过程的仿真研究提供参考。     

基于压强调节的涡轮发动机系统换速特性研究

基于压强调节阀控制的动力系统换速问题是决定某水下航行器（如鱼雷）热动力系统安全性的最重要的问题。文中从系统对调节器功能的要求出发,提出了速度控制方案,合理建立了系统的机理模型,讨论了比例传递函数的实现,研究了关键结构参数对系统性能的影响,并进一步进行了系统优化,对系统动态过程进行了仿真,仿真结果与试验结果相吻合,所设计的压强调节器,方案可行合理,满足所要求的主要技术指标。     

水下自主航行器半实物仿真系统设计与实现

为了加快某新型水下自主航行器的研制,针对其特点完成了水下航行器半实物仿真系统的设计与实现。概括了半实物仿真系统研制过程,介绍了系统的工作原理和总体设计方案,提出了硬件和软件设计方法,完成了水下航行器半实物仿真系统的工程实现。结果表明半实物仿真系统具有实时性强、仿真精度高、结构紧凑、功能完备的特点。半实物仿真系统对优化水下航行器系统设计、改进制导性能、提升作战效能有着重要的实用价值。     

基于模型参数不确定的欠驱动非对称自主水下航行器全局镇定控制研究

针对欠驱动自主水下航行器水平面镇定控制过程中存在的模型参数未知等问题,设计一种基于非对称模型的全局反馈镇定控制算法。基于仅知模型参数上下界值的自适应模型参数观测器获取模型参数估计值;通过全局坐标变换,将镇定控制系统解耦为推进子系统和偏航子系统分别进行设计,消除了非对称作用项引起的耦合影响;引入2阶滤波器,使得偏航角速度在推进子系统状态未收敛至零点状态下始终具有持续激励特征,保证镇定误差收敛至零点附近的一个有界区域。李雅普诺夫稳定性分析证明了该控制算法能够在模型参数未知情况下,以任意初始条件实现镇定控制目标。数值仿真实验结果表明,该控制算法是有效的,且具有较好的控制精度和一定对未知环境干扰的鲁棒性。     

基于系统论方法的AUV测试系统

随着自主式水下机器人（AUV）实现功能日趋复杂，对其研究引起了人们的极大兴趣，但传统的测试手段已不适应现代的复杂系统。本文简要介绍了开放的复杂巨系统的基本概念，并从系统学的角度出发，提出了一个新的AUV测试系统。该测试系统是一个能够对AUV的体系结构以及编队协同等进行演示验证的实时半实物仿真系统，是开展AUV研发的有效手段。给出了基于web的测试系统的研究模型与总体框架，并对AUV实时仿真模块进行了深入剖析。远程AUV测试系统的采用为提高安全性以及减少试验成本与研发周期提供了有效的解决途径。     

虚拟现实在AUV地形跟踪控制研究中的应用

基于软件平台MultiGen Creator和Vega开发出自主水下航行器（AUV）地形跟踪虚拟仿真系统，详细描述了系统软件的选择、模型的创建、虚拟海洋地形和环境的生成以及地形跟踪控制策略的设计与实现，研究了虚拟现实技术在AUV地形跟踪中的应用。仿真结果表明，该系统能精确模拟现实环境中的环境交互功能，逼真演示AUV地形跟踪的动态过程，为将来的AUV避碰控制和协同控制仿真提供了参考。     

AUV舵面故障的直接自修复控制

为了提高水下航行器（AUV）控制系统的可靠性,提出了基于模型跟随法的直接自修复控制方案,通过寻找故障发生后立即产生作用且与故障的具体信息无关的直接自修复控制规律,使故障AUV迅速恢复正常工作状态。该方案无需故障辨识就可以实现多个舵面故障的完全自修复,在AUV无故障时对其性能没有任何损失,并对扰动有良好的纠偏能力。上述特点和结论均得到了数学上的严格论证和仿真结果的有效支持。     

一种基于单移动GPS智能浮标的AUV导航方法

针对传统全球定位系统（GPS）辅助自主式水下航行器（AUV）导航的局限性,给出了一种基于单移动GPS智能浮标（GIS）的自主水下航行器（AUV）导航方法。利用超短基线（USBL）原理设计了AUV导航天线,通过该导航天线测量GIS与天线上水听器间的角度和距离,并由两者的向量关系和GIS的坐标位置导出了系统的量测方程。应用标准卡尔曼滤波（KF）解算水听器的坐标,进而求得AUV的位置坐标。仿真结果表明,该导航方法能较好地克服GPS在水下导航中的局限性,具有机动性好、隐蔽性强等优点,研究成果有望为AUV远程精确定位、路径规划和多AUV协同导航等方面提供理论基础。     

变缆长拖缆AUV纵向运动建模与仿真

针对拖缆自主水下航行器（AUV）运动过程中引起的拖缆长度变化问题,采用集中质量法建市了拖缆的运动方程,根据刚体动量定理及动量矩定理建赢了拖缆AUV的纵向运动方程,在此基础上补充推导了AUV拖缆运动过程的变缆长边界方程。联市拖缆运动方程、AUV纵向运动方程及边界方程得到变缆长拖缆AUV纵向运动方程。基于此方程,应用4阶Runge—Kutta法对采用相同控制律方程的兀缆及有缆AUV进行了对比运动仿真。仿真结果表明,随着运动过程中拖缆长度的不断增长,拖缆对AUV的作用力不断增大,对AUV各运动参数的影响也不断增大,且对AUV轴向运动速度的影响最为明显。     

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.     

虚拟环境下自主水下航行器的避障研究

为了在虚拟环境下模拟自主水下航行器的水平面避障过程，基于软件平台MultiGen Creator和Vega，在HP工作站上开发了自主水下航行器避障视景仿真系统。提出了一种前视声纳的仿真方法，利用Vega提供的碰撞矢量函数和自定义的Volume碰撞方式，模拟前视声纳的功能，并根据声纳所测得的障碍物相对于自主水下航行器的位置关系设计一个模糊推理系统来求解其避障角度，实现了虚拟环境下自主水下航行器的水平面避障。仿真结果表明，该视景仿真能够使仿真系统更加逼真和接近于实际情况，并且满足系统仿真的实时性要求。     

AUV前视声纳模拟及避障研究

基于软件平台MultiGen Creator和Vega,在虚拟环境下模拟自主水下航行器的避障过程,在HP工作站上开发了自主水下航行器避障视景仿真系统,提出了一种前视声纳的仿真方法,利用Vega提供的碰撞矢量函数和自定义的Volume碰撞方式,模拟前视声纳的功能,并利用声纳所测得障碍物的数据实现了虚拟环境下自主水下航行器的避障。仿真结果表明,该视景仿真能够使仿真系统更加逼真和接近于实际情况,并且满足系统仿真的实时性要求。     

一种水下航行器轨迹发生器的设计与仿真

为了减少水下航行器（AUV）导航系统算法开发过程中跑车试验及半实物仿真等所耗费的资金和时间,提出一种水下航行器轨迹发生器的设计方法。利用所给出的轨迹微分方程,反推得出生成轨迹参数公式和惯性信息公式,同时给出水下航行器在直航、转弯和爬潜等常见的运动状态下轨迹发生器的具体输入,并将生成的惯性量测值（加速度和陀螺值）输入捷联式惯性导航算法。验证结果表明,利用所设计的轨迹发生器可以为研究导航算法提供模拟的数据,具有工程实际意义。