水下航行体推进器设计方法研究

为了保持水下航行体的横向稳定性,避免在螺旋桨驱动时航行体发生横滚,提出了一种扭矩平衡式推进系统及其数值设计方法.推进器利用与保护导管相连的扭曲后置定子产生反扭矩来平衡螺旋桨旋转产生的扭矩.设计方法中,采用基于面元法理论的数值设计方法设计出螺旋桨,并通过数值迭代设计出导管和后置定子以满足推进器扭矩平衡的条件,最后进行总推力或总功率的校核完成设计工作.文中给出了某鱼雷和某水下机器人推进器的设计过程.通过面元法理论进行了设计参数的研究.设计范例表明了所提出的扭矩平衡式推进器数值设计方法的有效性和优越性.     

水下航行体舵角自动测量装置概述

本文介绍了在航行体的自动检测中舵角的自动测量装置,对自动测量的原理和电路进行了详细说明。     

水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.     

水下通气空泡航行体结构模态及冲击响应研究

将航行体水下通气空泡简化为空气弹簧,并基于结构水下附加质量与空气弹簧作用原理,推导了水下通气空泡航行体在局部通气空泡包裹下的流固耦合振动方程.基于该振动方程,对通气空泡航行体在不同空泡长度包裹下的模态频率以及冲击载荷作用下的结构响应进行了分析,并将结果与将通气空泡简化为真空情况的计算结果进行对比.研究结果表明,结构的模态频率随通气空泡长度的增大而波动增大;通气空泡刚度对结构模态频率的影响随模态阶数的增大而减小;在冲击载荷作用下,通气空泡长度越大,响应幅值越小、响应频率越高.     

水下航行体垂直出筒流体动力特性研究

采用数值仿真的方法研究了水下航行体垂直发射出筒过程多相流场和流体动力特性演化规律．结 合动网格技术,采用多相流Mixture模型、Singhal空化模型及标准的A—s湍流模型,对混合流场的RANS方 程进行求解,进而求解了水下航行体运动的固体边界与运动流场相互作用形成了流一固耦合问题,使用此方 法,实现了在重力影响下水下航行体垂直发射出筒过程和流体动力特性进行数值模拟研究,分析了高压气团 对航行体出筒过程中的水弹道及其流体动力特性的影响,分析了航行体压差系数、粘性系数和总力系数波动 的原因     

水下航行体垂直发射过程气幕形态特性研究

采用VOF多相流混合模型和标准k-ε湍流模型对水下航行体气幕垂直发射过程中气幕形态特性进行了深入研究．研究了气幕的形态、长度和夹断点距离随马赫数的变化规律,与实验结果进行了对比分析,分析结果说明了本数值方法的正确性和可靠性．得到了气幕垂直发射过程中的气幕的长度和夹断点距离在Ma<1.1时随马赫增大逐渐增加, 而Ma≥1.1时,介于21～22之间的气幕夹断点距离随马赫数的增加而基本不再变化．获得的气幕形态轮廓随马赫数的增大而增大．     

波浪模拟及其对水下航行体出水过程影响

为了研究波浪对水下航行体出水过程的影响,将二阶Stokes波的波面运动速度耦合到入射边界条件中,得到了与理论值吻合良好、精度较高的非定常数值波浪;研究了五级海情条件下,水下航行体模型水下垂直发射时波浪对其流场、力学特性等的影响.结果表明,水下航行体近水面时,受波浪引起的旋涡的诱导作用,航行体两侧附体旋涡位置、尺寸等差别...     

活性剂对水下航行体减阻特性的影响

为减小水下航行体的阻力,研究通活性剂溶液的水下航行体湍流减阻的流动特性.通过从航行体头部向航行体边界通活性剂溶液的方法,分别对不同质量浓度和不同速度情况进行减阻实验研究,并分析了不同攻角下活性剂溶液对阻力和升力的影响.实验中活性剂溶液质量浓度分别为200、400、600、800和1 000 mg/L,流速为4~10 m/s,对比分析了阻力系数.实验结果表明:在活性剂溶液质量浓度为200 mg/L时航行体减阻效果较弱,当活性剂溶液质量浓度增加到1 000 mg/L时,减阻百分比高达40.8%;在活性剂质量浓度为1 000 mg/L时,当水流速度从4 m/s逐渐增大到10 m/s,减阻百分比在12.5%和40.8%之间变化;活性剂对有攻角的航行体仍然有减阻效果并且对升力产生较小影响.     

水下超空泡航行体纵向机动运动控制研究

针对超空泡水下航行体机动很难控制的问题,通过对滑水力、尾翼受力的分析,完善了超空泡航行体模型,使用反馈精确线性化方法对非线性系统模型进行线性化处理,使用多输入多输出极点配置法为航行体设计控制器,采用空化器和尾翼分段延时控制的方法,对超空泡航行体在纵平面内的航行深度进行控制.仿真证明,改进的水下超空泡航行体的模型符合实际...     

水下航行器壳体结构的多目标模糊优化设计

提出了水下航行器壳体结构的多目标模糊优化设计方法。以某水下航行器为例,将壳体结构分为头部、中段和尾部三部分,分别建立其质量最小的目标函数,并采用多目标模糊优化设计方法求出水下航行器整个壳体结构质量最小的有效解,其结果与安全系数法设计的结果相比,壳体质量约降低１５％。本文提出的水下航行器壳体结构的设计方法不但考虑了壳体的结构特点,而且还考虑了设计变量和约束条件的模糊性,具有一定的理论先进性,对提高壳体结构设计水平有着重要的意义,对其它壳体结构设计也具有参考价值。     

自主式水下机器人试验平台研制与实验研究

为了进行自主式水下机器人智能行为的研究,自行研制了“海狸”水下机器人试验平台．介绍了“海狸”水下机器人的系统结构,在分析推进器性能的基础上,通过数字罗盘、加速度计以及深度计等传感器获得的运行速度、角速度等位姿信息,建立了水下机器人前向运动模型,进行了水下机器人运动控制与状态监测系统的实验研究．水池实验结果表明,“海狸”水下机器人可实现自主式水下机器人的基本运动控制,所建立的水下机器人前向运动模型能够描述水下机器人试验平台的动态行为,状态监测算法能够识别水下机器人的典型故障,从而验证了所提算法的有效性,同时也验证了作为水下机器人智能行为研究载体的试验平台的有效性和可行性．     

滑模观测器在水下机器人推力器故障诊断中的应用

水下机器人运行在未知复杂的海洋环境下,一旦发生事故就可能造成巨大的财产损失,这就要求水下机器人具有应付突发事件的能力,即自动故障诊断和实现容错控制的能力．将滑模观测器应用于水下机器人推力器故障诊断,通过滑模观测器输出与实际传感器的输出构造残差信号．从残差中提取故障信息,实现推力器故障的检测与分离．提出采用模糊诊断方法分析残差信号,克服了阈值判断法误报率高的弱点．仿真结果表明,提出的方法可以区分系统的状态变化和状态异常,能有效诊断出哪一个推力器发生故障以及故障发生的时刻．该方法为水下机器人执行器的故障诊断提供了一种可选方案。     

Inverse speed analysis and low speed control of underwater vehicle

Inverse speed is a reversible maneuver.It is a characteristic of underwater vehicle at low speed.Maneuverability in the vertical plane at a speed lower than inverse speed is different from one at higher speed.In the process of underwater working for observation,AUV＇s cruise speed is always low.Therefore,the research on inverse speed is important to AUV＇s maneuverability.The mechanism of inverse speed was analyzed,and then the steady pitching equation was derived.The parameter expression of track angle in vertical plane was deduced.Furthermore,the formula to calculate the inverse speed was obtained.The typical inverse speed phenomenon of the flat body and the revolving body was analyzed.Then the conclusion depicts that,for a particular AUV with flat body,its inverse speed is lower than that of revolving body.After all the calculation and the analysis,a series of special experiments of inverse speed were carried out in the simulation program,in the tank and in the sea trial.     

Maneuverability simulation of a mini autonomous underwater vehicle

In order to simulate the under water motion of a mini autonomous underwater vehicle( AUV) and an- alyze its maneuverability,the dynamical characteristic of the mini AUV was researched. The 6-DOF motion equations were founded. Through model experiment with accessory bodies,the hydrodynamics of AUV body including resistance,main inertial and viscous hydrodynamic coefficients was obtained. The hydrodynamics of rudders was gained through theoretical calculation. Simulation computation of the vehicle was carried out through numerical integration of the motion equations. A motion simulation system was constructed. Four typical maneuvers in horizontal and vertical planes were simulated and the maneuverability of the mini AUV was forecasted. The simulation results reflect the basic motion characteristic of mini AUV and validate the feasibility and correctness of the whole system. The simulation system can be a testing platform for the design and debugging of motion controller and an effective tool for the development of AUV.     

水下目标探测中的激光技术

通过对声波与光波在水中传播特点的分析以及声、光两种探测方式的比较,表明了激光在水下目标探测中的独特优势和应用前景。根据存在的问题,对水下探测中采用的关键技术进行了具体分析。     

激光水下目标探测系统信噪比分析

采用激光水中传输的唯像方程 ,对水下探测的信号、散射和信噪比进行了计算机模拟和分析 ,并通过提出的最佳参数匹配算法 ,实现了探测系统获得高信噪比回波的目标 .通过探测实验对接收视场角的匹配选取进行了验证 :在中等清洁水质情况下 ,最佳视场角为 3°左右 ,偏离这个值的选取将导致探测信噪比的恶化 .结果表明 ,针对不同应用环境按该算法进行系统参数的匹配选取有助于获得系统最大探测能力 .     

一种有效的水下机器人并行定位标图方法

提出了一种水下机器人并行定位标图的方法.首先对声纳扫描数据进行直线特征提取.在特征的匹配过程中,引入3种几何约束:一元约束,二元约束和刚性约束来保证观测特征和模型特征的正确匹配.在并行的定位与标图中进行了机器人的位置修正和地图修正.应用该方法,机器人在较为复杂的环境下,仅使用前视声呐和多普勒速度仪,依靠不精确的地图,实现了自主的定位和导航,同时修正了地图的精度.仿真和物理试验证明了该方法的正确性.     

水下航行器动力电池建模与参数识别

水下航行器能否顺利的完成指定的任务,达到设计的航程、航速,依赖于其中高效的动力电池,因而建立合理的电池模型对于研究动力电池的性能,保证水下航行器的运作而言有着非常重要的意义．本文根据锂离子电池的特性,从电池电化学角度分析,建立了电池的等效电路模型．通过实验方法对电池模型中的各个参数进行了辨识,并与实验数据进行了对比,验证了所建模型的可靠性．