自主式水下航行器载荷水下浮力解脱分离方法

携带正浮力载荷的自主式水下航行器( AUV)是由正浮力载荷和运载体组成的一个多体系统,在载荷释放时必须保证载荷不能与运载体发生碰撞。在研究AUV载荷分离运动数学模型的基础上,结合工程实际,提出载荷浮力解脱分离方法。仿真结果验证了在该浮力解脱分离方法下,载荷可以安全分离,且分离运动简单。该方法在工程上比较容易实现,具有工程参考价值。     

自主水下航行器的分离运动安全性研究

为给自主水下航行器(AUV)的分离方式选择提供理论依据,对重力解脱方式和推冲分离方式下AUV的分离运动安全性进行了定量分析。考虑到载荷与运载体之间相互影响的差异,利用多刚体力学原理,建立了两种方式下的AUV分离运动方程。根据彻底分离后载荷与运载体之间的相对距离检测,提出了一种分离安全度模型。结果表明,当载荷的重力大于浮力时,前种方式下的分离安全度随着分离前速度或辅助推力的增加而提高,预定分离角过大或过小会使其降低;对于后种方式,在低速、大推冲力条件下其分离安全性较前种方式高,在高速时则可能导致碰撞。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种资源约束下的AUV编队系统动态任务规划方法

动态任务规划是协调复杂环境、自主水下航行器（AUV）有限资源以及动态任务之间耦合,提高编队协同能力的关键技术。针对资源约束下的AUV编队系统动态任务规划问题,提出了一种基于不公平度的资源均衡方法,兼顾资源均衡和效能最大2个目标,建立了基于合同网的多约束多目标任务规划数学模型,基于着色Petri网实现了系统的形式化建模/仿真/验证一体化。仿真结果表明,该方法能够有效地解决以效能最大为目标的资源选择原则导致的优者负载过重和以平均执行任务数为核心的负载平衡算法带来的任务等待时间延长问题,提高了系统的效能。     

车载炮底盘载荷分离设计技术

发射载荷的传递控制是车载炮轻量化高机动设计的关键,一直是火炮研究领域的热点问题。为了控制发射载荷的传递,依据车载炮的构型特点,提出了发射载荷作用下底盘的载荷分离设计技术,构建了发射载荷分离满足的约束条件;基于车载炮的拓扑结构,建立了车载炮发射的动力学模型,给出了边界条件、放列协调条件和约束条件;通过对比车载炮发射过程关键部件的受力和响应的计算结果和试验测试结果,验证了所建立模型的正确性;不同支撑结构条件下轮胎受力以及射击稳定性分析结果表明：车载炮的载荷分离设计不仅可免除车载炮发射载荷对底盘轮桥系统的影响,为车载炮具有与底盘相同的可靠性提供了保障;此外,载荷分离设计对车载炮性能提升也有很好的作用,由此验证了载荷分离分析原理的有效性,可实现车与炮功能上的一体化、性能上的解耦设计。车载炮载荷分离设计实现了轻质底盘承受发射强冲击载荷的功能,是远程火炮高机动发射的理想方法。     

升力式航天器再入最优轨迹研究

从无量纲飞行器质点运动方程出发，引入了能量参数对运动方程进行推导，使得运动方程和优化问题易于处理．通过将气动力假设为能量参数的分段连续线性函数。并且采用Runge-Kutta数值计算方法，将轨迹优化问题转化为多维非线性规划问题．应用广义乘子法对其进行数值求解．针对给定不同最大航迹角的2种情况，获得了总加热量最小，满足终端要求以及过载、动压、热流约束的最优轨迹，分析了返回最优轨迹的特点。     

新型远程自主水下航行器侧向滑模变结构控制

根据新型远程自主水下航行器操纵机构的组成和特点，建立了其侧向运动的非线性数学模型，并进行了线性化处理。在此基础上，基于变结构控制理论，分别研究了基于垂直舵的侧向低速巡航控制和高速巡航控制及基于前、后侧向推进器的悬停转向控制。仿真结果表明，该控制器可满足水下航行器侧向巡航控制和悬停转向控制的需要，并对参数不确定性和未建模动态都具有良好的鲁棒性。     

基于复杂约束条件的欠驱动AUV三维路径规划

为解决欠驱动自主水下航行器（AUV）在复杂水域下的三维路径规划和避碰问题,结合欠驱动的运动特性与自身约束条件,提出一种改进的蚁群结合3次B样条曲线拟合的算法,模拟现实海域环境信息进行水下空间环境建模。针对传统蚁群算法规划出的全局路径转角大、曲折多所造成的欠驱动AUV舵轮使用寿命低的问题,采用垂直面安全域设置的方法,设计基于低崎岖度的适应度函数结合路径长度与平缓度的双边评价体系规划出全局路径。采用3次B样条曲线,基于原型值点及目标点速度矢量约束拟合出一条曲率连续、无碰撞的优化路径。仿真结果表明,在保证收敛速度和全局搜索能力的前提下,所规划的路径合理,满足欠驱动AUV运动条件。     

Optimal Guaranteed Cost Control Algorithm for Automatic Chain Shell Magazine

The automatic chain shell magazine is the primary subassembly of the automatic ammunition loading system of a big-caliber howitzer. Due to the change of the shell amount in the magazine during firing, its positioning control is a kind of control problem of systems with uncertain parameters. In order to realize accurate control of shell position, an optimal guaranteed cost control algorithm based on linear matrix inequality (LMI) theory was put forward. The motion equations of the magazine were built, and the motion equations for four special load situations were linearized; according to the basic theory of the guaranteed cost control, the motion equations were written as the standard forms for linear uncertain systems; the optimal guaranteed cost control law for the position control of the magazine was obtained by use of LMI toolbox in MATLAB package. Using this control law, the controlled dynamic simulation of the shell magazine was carried out. The simulation results indicate that the control algorithm has high control precision.     

柔性弹箭飞行力学建模研究

结合传统弹箭刚体飞行动力学理论,基于大运动弹性体浮动框架建模方法,采用混合坐标建立了飞行力学模型,该模型考虑了柔性弹箭惯量矩阵时变效应,通过小参数摄动法确定了柔性变形引起的空气动力变化.采用了合适的浮动框架--线性化Tisserand框架,使得浮动框架引出的约束方程自动满足,飞行力学求解由微分代数混合方程组化为微分方程组;通过分析变形运动方程,给出了在转速变化较慢的被动段时系统临界状态的条件和临界转速.     

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。     

机动武器系统的含间隙动力学研究——中篇:间隙铰模型

基于前一部分建立的矢量形式的含摩擦碰撞模型 ,分别建立了旋转间隙铰模型和滑环间隙铰模型。在这两个模型中 ,间隙内的运动状态被描述为统一形式 ,间隙铰对系统的作用被分解为一般几何约束和非线性弹性连接关系两部分 ,分别用约束方程和相对位移—相互作用力关系来描述。此模型不需要对接触状态进行判断 ,便于应用于复杂系统中。文中模型都是在三维空间中构造的 ,在二维问题中可以得到简化     

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。     

水下编队航行机器人的前馈加反馈控制器设计

介绍了一种能够实现水下机器人编队的分布式控制方法。在基于跟随机和领航机间的相对运动模型上,首先设计了前馈控制器及其内部模型以补偿视为外部信号的领航机信息,然后利用反推法设计了反馈镇定控制器,同时还设计了能够观测所有误差信号的状态观测器以实现反馈控制。算例仿真表明了应用设计的编队控制律,各个水下机器人能够较快地形成希望的编队,并按希望编队队形稳定航行,仿真结果验证了此种控制方法的有效性。     

多AUV嵌入式控制结构的研究

AUV运动模型的复杂性、高维传感数据和计算密集的处理对其体系结构及其系统实时性提出了很高的要求.针对这种情况,文中设计了一种基于传感器的四层混合控制结构,并以实时操作系统VxWorks为软件平台开发AUV控制系统.研究表明,这种分层结构具有模块化的思想,且采用VxWorks设计软件使风险、成本以及开发时间都减至最小,能满足系统的要求.     

双领航多自主水下航行器移动长基线定位最优队形研究

基于距离量测提出了多自主水下航行器 (AUV) 移动长基线定位系统,融合内部与外部传感信息进行从AUV水下定位。针对定位系统中AUV队形对定位性能造成的影响,基于Cramer-Rao下界(CRLB) 和Fisher信息阵(FIM) 建立了多AUV移动长基线定位系统定位性能评价函数,通过评价函数极大化实现定位性能最优化。重点研究了双领航者定位系统的最优队形,其最优队形为两个领航AUV与从AUV以90°分离角相对运动,且最优队形与AUV间的距离无关。仿真实验分别从间距及分离角两个方面对结论进行了验证。