水下声自导武器目标跟踪建模与仿真

目标跟踪是水下声自导武器智能化发展的重要方向之一。水下主动声自导武器目标跟踪过程具有观测基座运动和观测时变的特点,本文利用水下声自导武器导航定位及航行姿态参数和水下声自导武器检测到的目标信息,基于坐标变换将目标坐标从水下声自导武器坐标系变换到大地坐标系,解决了观测基座运动的问题,通过实时计算采样周期解决了观测时变问题,建立了基于卡尔曼滤波的水下声自导武器目标跟踪模型,分析了滤波初值选取问题,给出了滤波初值选取的工程方法。仿真结果证明,本文所建模型正确,跟踪算法具有较快的收敛速度,跟踪效果良好。     

探测掩埋水雷和临时爆炸装置的磁和电磁方法

探测水下小目标的传统水声方法应该增加新技术即磁和电磁传感器的应用,利用这些技术补充现行的系统对于探测掩埋水雷和临时爆炸装置特别重要。磁性传感器用于探测水下大目标已有很长的时间,并在探测潜艇方面的发展达到可接受的水平。机载(安装在飞机或直升机上的)磁传感器已经成功地得到应用,而装备在无人机上使用的可能性正在验证。探测小型铁磁或非铁磁水下目标是另一个更为复杂的问题。对美、法、北约水下研究中心和波兰在利用磁探方法探测弱磁性水下目标领域所进行研究的精选结果给出了评论,评价了用于探测水下目标的某些计量系统,并选择了最佳的解决方法。同时也给出了有关利用电磁方法探测水雷和临时爆炸装置的非铁磁金属模型的初步研究结果。     

基于图像声纳SLAM算法在AUV组合导航中的应用

为了在有限的体积、功耗及成本范围内提高自主水下航行器（AUV）远程、深海导航定位精度,提出了将基于图像声纳的同时定位与地图创建（SLAM）方法应用于AUV水下组合导航系统,利用图像声纳获取AUV与地形特征点之间的距离和3D方位数据,结合捷联惯性导航系统（SINS）得到的导航数据,通过扩展卡尔曼滤波（EFK）方法对载体状态和地图状态进行连续并行估计和量测,将得到的误差估计反馈回SINS进行修正,可抑制其随航行时间和距离增加的姿态、速度和位置误差。此外,在地形特征点向量中加入声学尺寸元素,可提高特征识别的准确性。仿真结果表明,在持续观测到有效的地形特征点条件下,惯导误差得到了较好抑制,特别是在AUV返程或往复巡航过程中,重复观测到同一地标时,可大幅提高水下组合导航的定位精度。     

基于水下运动目标流场信息的仿生探测原理

鱼类侧线器官利用水介质的流动信息进行环境感知与探测,该原理为水下探测技术提供了新的发展方向。基于鱼类侧线的仿生探测原理,研究以运动目标绕流场为信息源的目标探测原理问题,建立了球头圆柱体绕流的仿真分析模型,结合势流理论分析和仿真规律分析,初步揭示了水中运动体目标特性与运动体绕流场特征参量之间的关联规律,即通过对曲线峰值、谷值、斜率的计算获得了与运动体速度、长度、半径、观测点信息相对应的特征参量,探索了利用水下运动体绕流场信息进行目标探测的可行性。     

基于高频声脉冲到达特性的目标运动参数估计

提出了一种利用脉冲到达强度变化(Strength Variation Of Arrival,SVOA)和到达时间差(Time Difference Of Arrival,TDOA)联合估计运动目标速度和距离的方法。在水下,高频声信号的吸收损失是其传播损失主要影响因素;目标运动会引起脉冲到达时间差的变化。该方法利用目标匀速直线运动过程中所发射声脉冲的SVOA以及TDOA与目标运动状态的关系,解算出目标速度、距离及航路通过的正横距离。与现有的各类水下被动测距测速方法相比,该方法不需要预知目标的方位信息或多普勒频移信息。通过数值仿真给出了不同初始条件下目标运动参数估计结果的统计误差,验证了该方法的有效性。     

国外自治水下机器人发展现状综述

从上世纪90年代中期以来, 自主式水下航行器(AUV) 在海洋科学调查以及军事领域得到越来越广泛的应用。本文阐述了现阶段国外AUV的发展现状, 首先介绍了它在水雷搜索、冰下探测以及水下作业中的最新应用, 接着对AUV的能源、水下承压与密封以及控制与导航等技术现状进行了概括。     

一种利用单信标修正AUV定位误差的方法

针对配置有捷联惯导（SINS）／多普勒速度仪（DVL）／深度传感器组合导航定位系统的自主水下航行器（AUV）的定位误差随时间增大,以及采用GPS修正定位误差引起的AUV隐蔽性降低等问题,提出了一种利用水下固定单信标修正SINS／DVL／深度传感器组合定位误差的方法。该方法首先利用水声测距原理测量出AUV与水下固定单信标的距离,然后基于空间几何关系计算出AUV的实时位置,最后通过卡尔曼滤波连续修正AUV的定位误差。仿真结果表明,该方法可以有效减小AUV的定位误差,有较好的工程应用价值。     

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。     

基于ADAMS仿真的自主水下机器人入坞碰撞分析与导向结构优化研究

结合自主水下机器人(AUV)于千岛湖水下对接试验,对自主研制的水下对接装置导向性能进行研究。在分析AUV水下受力状况和接触碰撞参数基础上,建立AUV入坞碰撞过程的ADAMS物理仿真模型,通过比较试验结果和仿真结果中AUV姿态和前向速度的变化,验证仿真模型的有效性。从AUV入坞偏距和AUV入坞夹角两方面分别探讨凸形罩、锥形罩和凹形罩3种典 型导向结构的导向能力,分析对比仿真结果,对导向罩母线曲率进行改进设计与优化、得到S形罩。 多次仿真发现：在AUV入坞姿态相同条件下,S形罩能够调整的AUV入坞偏距最大为100 cm,比凸形罩提高20 cm;S形罩能够调整的AUV入坞偏角最大为22°,比凸形罩降低1°;但S形罩产 生的碰撞力和AUV入坞时间都有所下降,调整AUV运动趋势效果明显改善。在水池对凸形罩和S形罩分别进行AUV入坞偏距和AUV入坞夹角两方面试验,结果表明S形罩的导向性能有明显改善。     

一种基于时间反转处理的浅海目标监测方法

为了实现浅海环境中对入侵目标实时监测和判断的目的,基于时间反转技术,提出了一种利用时间反转镜在浅海环境中产生一条警戒线的水下目标监测方法,首次从理论上分析了入侵目标强度、深度和与时反阵水平距离等因素对基于时反镜的实时监测系统探测敏感度的影响。针对典型浅海声信道,通过计算机仿真和理论数据计算结果表明,采用时间反转技术的浅海水下目标监测方法的性能优于传统浅海警戒方法,该方法适用于探测小型目标或目标散射回波强度小的物体且不受浅海复杂声道及多途效应影响,具有较强的实用性。     

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。     

基于柔性摩擦纳米发电机的水下仿生胡须传感器研究

为帮助自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)感知周围环境信息,设计一种基于柔性摩 擦纳米发电机的仿生胡须传感器(bionic whisker sensor,BWS)。该传感器通过氟化乙烯丙烯薄膜和导电油墨之间的 接触分离产生电信号,通过分析收集到的电信号,估计外部载荷的方向、位置和大小等特征;为演示传感器的实用 性,将胡须传感器放置在循环水洞中测试其水下的感知能力。实验结果表明,该传感器能够感知包括流动速度、涡 流引起的振荡频率等流场信息。     

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。     

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.     

海流干扰作用下欠驱动AUV航路点跟踪控制

针对海流干扰作用下欠驱动自主水下航行器（AUV）的航路点跟踪控制问题,建立了水平面内欠驱动AUV三自由度数学模型,以相对于水流的前向速度和角速度为虚拟输入,设计了航路点跟踪控制的运动学控制律,然后基于反演方法设计了动力学控制律,得到控制力和控制力矩。在航路点跟踪控制仿真研究中,指定AUV依次通过惯性坐标系内一系列航路点,仿真结果表明,所设计的控制律有效,欠驱动AUV能较好的完成航路点跟踪任务,并到达最终目标点。     

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。     

基于EASY5的AUV热动力系统建模与仿真

在实现水下航行器的智能化,优化弹道,提高技战性能等方面,水下航行器热动力装置采用闭环控制相对于开环控制具有明显的优势。该文以新型多速制燃料流量闭环控制水下航行器热动力系统为原型,研究了基于EASY5的水下航行器热动力系统建模与仿真,建立了仿真对象的数学模型和规范的模块化仿真模型,进行了水下航行器热动力系统设计工况（稳态）、启动过程及变工况的实时仿真。通过将仿真结果与水下航行器台架试验数据进行对比分析,结果表明,所建立的模型较为完整、准确,仿真运行可靠,研究成果满足工程需求。     

水下航行器INS/GPS/DVL组合导航方法

针对自主水下航行器（AUV）受水下环境的局限难以提高导航性能的问题,提出了一种融合多传感器信息的INS/GPS/DVL组合导航方案,利用分散化滤波中的联邦Kalman滤波来实现AUV组合导航方案,通过动态信息分配系数优化了各子系统的导航信息,增强了AUV的导航性能。仿真结果表明,该方案充分提取了导航传感器的信息,有效地提高了AUV的导航精度和水下定位能力。     

逆合成孔径处理技术的水池实验

近年来随着海洋开发及现代高技术条件下海战要求的不断提高，基于合成孔径技术的水下无人航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）目标感知技术研究成为信号处理领域的研究热点之一。针对AUV有限的空间尺和水下航行的特点，给出了基于重叠互相关器阵的聚焦合成孔径处理算法，通过利用重叠阵元冗余的相位信息有效补偿了因运动造成的相位偏差，使得阵列能够同相叠加输出，有效的扩展了孔径。计算机仿真结果以及随后在消声水池中进行的逆合成孔径实验验证了算法的有效性。结果表明：在空间相关长度大于合成孔径长度以及信号时间相关长度大于合成孔径所需时间的水下或海洋环境里，合成阵增益与等长的物理阵增益基本相等。