大侧斜对转桨水动力及线谱噪声特性分析

对转螺旋桨的噪声是水下航行器的强噪声源之一,低噪声螺旋桨设计可以通过适当增加螺旋桨叶片数和采用叶片侧斜等方式实现,而对其流体动力及线谱噪声特性进行分析是判定设计优劣的一项重要依据。对于水动力特性计算,基于不可压缩流体雷诺时均方程和RSM湍流模型,多旋转区域耦合问题采用滑移网格进行处理,仿真计算得到普通对转桨和大侧斜对转桨的推力、扭矩、航速及效率等相关参数信息。对于线谱噪声特性,采用时域耦合方法进行求解,声场计算模型基于广义K-WH方程,计算得到了两型螺旋桨的线谱噪声特性。通过对比分析,大侧斜对转桨的水动力特性及线谱噪声特性优于普通对转桨,达到低噪声螺旋桨设计的目的。     

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。     

水下航行器大侧斜对转桨水动力性能计算

对转桨具有效率高的特点,大侧斜桨具有噪声低的特点。因此,大侧斜对转螺旋桨通过合理设计,能够兼备两者优势于一体,其水动力性能计算是设计中的一个关键问题。本文基于不可压缩流体"雷诺时均Navier-Stokes方程+RSM湍流模型",采用多重参考系模型处理多旋转区域耦合问题,仿真计算了螺旋桨的稳态流场,得到推力、扭矩、航速及效率等相关参数信息。相对常规对转桨而言,大侧斜对转桨的水动力性能更加优越,适用于水下航行器的推进器领域。     

自主式水下航行器控制技术新进展

自主式水下航行器是一个复杂的智能化机电系统，是能够在复杂的海洋环境中自主执行各种任务的无人平台。近年来，自主式水下航行器（AUV）控制技术取得了长足进展，本文较全面概括了近年来国内外在AUV控制技术领域的最新进展，主要包括基于控制器设计的建模、推进器建模与控制、动力定位控制、推力矢量控制、欠驱动控制等方面，然而目前AUV控制领域面临的难点主要在模型不确定和扰动不确定、传感器信息不足以及欠驱动系统的本质特性（例如可控性）及其控制方法等方面，还需要人们为之付出不懈的努力。     

自主水下航行器网络化控制系统事件触发鲁棒控制

随着自主水下航行器(AUV)功能的日益复杂,基于现场总线的(如CAN总线)的网络化控制系统(NCS)已经广泛应用于国内外的大中型AUV中。AUV系统中网络带宽等计算资源一般是有限的,需要在保证控制性能下进行合理分配。提出了一种考虑网络延迟的AUV空间运动事件触发控制策略设计方法。首先,基于不确定离散切换模型对事件触发传输且具有时变传输延迟的AUV纵向、侧向运动系统进行建模;然后,基于线性矩阵不等式对事件触发机制、控制律进行联合设计;最后,通过仿真实验,评估控制策略性能。结果表明,与基于时间触发的控制策略相比,提出的方法能够使AUV控制系统在满足控制性能要求的同时减少带宽占用率。     

水下射弹的空泡形态特性研究

基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型,建立了水下射弹空泡流动的多相流CFD模型,对水下运动射弹的空泡特性进行了数值模拟,将数值仿真结果与试验数据进行了对比,数值计算与试验结果符合较好.在此基础上,计算了零攻角条件的不同头形空化器及相关参数变化的水下射弹空泡形态特性,分析了空化数、头形、半锥角、空化器直径等对水下射弹运动形成空泡形态的影响.研究结果为进一步研究水下射弹的空泡运动提供了理论参考.     

UUV水下对接过程中非定常流体动力数值仿真

UUV水下对接回收过程中,回收装置和UUV之间存在非定常流体干扰现象。采用有限体积法和非结构动网格技术,运用SIMPLEC算法及k-ε湍流模型,在笛卡尔坐标系下对UUV水下对接过程进行数值模拟,并得到不同速度和攻角下,UUV流体动力随距离的变化规律及相应流场分布。通过UUV与远场实验值进行对比分析,验证了基于动网格技术的有限体积法在处理UUV水下对接过程中流体干扰问题的可行性。     

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。     

带复杂外形附体的AUV流体动力数值计算

自主式水下航行器（AUV）携带复杂外形附体（设备）时,其流体动力参数的精确计算是一个技术难点。利用通用流体动力学仿真软件CFX,采用SST湍流模型,对带有盐温深传感器（CTD）和GPS/北斗天线的AUV流体动力进行了数值计算,得到了3种模型下AUV流体动力的变化规律,分析了不同附体对AUV流体动力的影响。结果表明,带有附体后AUV水平面不对称,在附体处压力及速度变化剧烈,导致AUV流体动力参数及流场有了很大的变化。数值计算结果为AUV工程设计提供了参考依据。     

水下对转螺旋桨空化线谱频率预报与数值模拟

水下高速目标对转螺旋桨常工作在空化状态,其噪声线谱由前后桨相互作用及前后桨 与船舶尾流场的相互作用引起。通过Goldstein 的声相似方程,将空泡看作螺旋桨的一部分,对空 化条件下水下对转螺旋桨的线谱频率进行了理论预报。推导出了远场条件下单极子源性质的声源 所产生的声压表达式,得到了其线谱预报频率。利用Schnerr-sauer 空化模型及RNG k-着湍流模型, 并采用动网格模型对对转螺旋桨进行空化数值模拟。结果表明:预报的DTMB4381 螺旋桨空泡形 态与公开发表实验及数值模拟结果吻合度较好。利用该方法得到的对转螺旋桨空化线谱频率与理 论预报结果完全吻合。     

基于人工矢量场的AUV自主回收路径规划

针对自主水下航行器（AUV）水下自主回收过程中的路径规划问题,采用人工矢量场法规划回收路径。将回收过程划分为回坞导引阶段和入坞阶段,其中回坞导引阶段以入坞预备点为目标点,使用传统的人工矢量场法为AUV规划出一条无障碍路径;而入坞阶段则采用模糊变系数矢量场法,定义回收入口处的3个虚拟目标点,将AUV到回收中轴线的距离作为输入,通过模糊规则调整虚拟目标点的引力系数,使人工引力场的梯度方向指向回收入口,AUV沿光滑的入坞路径以期望的姿态驶进回收入口。仿真结果证明了该路径规划方法的有效性。     

AUV重力加小推冲载荷分离方法

自主式水下航行器是由载荷和运载体组成的一个多体系统。本文在AUV分离运动数学模型的基础上,推导了载荷和运载体初始位置以及初始攻角的计算模型,提出了一种工程实用的重力加小推冲分离方法,其2个阶段的分离过程主要是依靠分离载荷的自身重力进行分离,必要时辅助以一定的推冲力,并对这种分离方法进行了仿真和安全性研究。仿真结果表明,当运载体速度一定时,在一定程度上增大推冲力,可缩短分离时间,减轻载荷与运载体之间相互作用的影响,可提高分离安全性。该分离方法的安全性与预定分离角和分离初始速度有关,分离初始速度减小,有利于提高分离安全性;分离初始速度增大,可减小预定分离角（不大于90°）以确保分离安全。     

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.     

基于自抗扰的自主水下航行器地形跟踪控制

为保证自主水下航行器在进行地形跟踪任务时,可以更好地抵抗外界环境及自身信号传输的干扰作用,提出一种基于自抗扰控制技术的地形跟踪控制方法,可以将地形跟踪转化为水下机器人的纵倾控制,并设计有运动保护机制。在仿真实验中,利用所设计方法,进行了三维运动仿真,模拟了机器人从水面到水下完成地形跟踪任务的全过程,并与基于PID控制方法的控制器进行比较。结果表明,基于自抗扰控制技术的地形跟踪控制方法能够准确完成预定任务,同时,相比于基于PID的跟踪方法,能够更有效地抑制干扰所造成的超调和震颤等现象,具有更优的控制效果。     

未知海流干扰下自主水下航行器位置跟踪控制策略研究

针对存在参数不确定性的欠驱动自主水下航行器 (AUV)水平面位置跟踪控制问题,基于李雅普诺夫理论,利用反步法设计了一种非线性控制器。利用自适应控制技术对模型本身不确定性进行补偿,同时引入自适应模糊控制技术对非线性控制器进行优化;设计了一种针对于缓慢未知时变海流的指数收敛观测器,并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了整个AUV闭环控制系统的稳定性。针对一种新型飞翼式欠驱动AUV进行数值仿真,结果表明所设计控制器可以准确地对期望轨迹进行跟踪,证明了其有效性和鲁棒性。     

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。     

超低速小型AUV外形及流体动力布局研究

超低速自主式水下航行器（AUV）是AUV技术研究的新领域。如何在超低速（〈0.5 kn）情况下获得良好的航行稳定性能是超低速航行器技术研究的主要内容之一。针对超低速小型AUV的水下布放与回收的特点,提出了一种基于回转体外形的超低速小型航行器外形及流体动力布局设计方案,着重解决AUV在超低速航行的高稳定性要求,经过理论估算和FLUENT软件仿真验证,仿真结果满足设计要求,对深入研究低速高稳定性小型水下航行器具有重要的参考价值。