基于垂向推进方式的AUV低速近底稳定航行

针对低速状态下自治水下机器人(AUV)翼舵力不足的问题,提出了一种基于垂向推进方式的AUV低速近底稳定航行控制方案.基于航速因素,对比分析了翼舵和垂向推进器的推力特性,设计艏艉槽道垂向推进器布置方案.在此基础上通过改进PID(比例-积分-微分)控制策略,优化参数完成垂向运动控制.最后利用某型AUV进行湖上试验,对比翼舵推进方式,得出垂向推进器驱动方式具有更好的低速状态下近底定高航行操控性,实现了控制航行体高度均方差在0.1 m、纵倾均方差在0.5?以下的稳定航行.     

水下机器人粘性类水动力数值计算方法研究

通过对通用流体动力学仿真软件CFX的研究，提出了一套水下机器人粘性类水动力的数值计算方法．该方法采用标准k-ε湍流模型计算位置力系数，采用标准k-ω湍流模型计算旋转力系数及其它耦合水动力系数．对“CR-02”6000 m自治水下机器人的计算表明，通过这种方法获得的水动力系数具有较高的精度，可以满足水下机器人方案设计阶段的操纵性设计、运动预报和仿真等需求．     

基于滑模理论的水下机器人定深控制算法研究

水下机器人操控性能指标中对定深控制性能有较高要求,而水下机器人的运动具有强的非线性和耦合性,使得不同航速下的定深控制成为难点;建立了水下航行器的运动学模型,基于滑模理论设计了深度控制器和纵倾控制器,在MATLAB SIMULINK环境下搭建了深度控制仿真系统,数值仿真结果表明:滑模变结构控制器对于不同航行条件具有较强的适应性,同时深度的控制效果明显优于PID控制器。     

一种新型的超空泡航行器流体动力布局

超高速水下航行器运行于巡航阶段,为减小其阻力,减小航行器的沾湿部分,会使得横滚运动的阻尼变小,加大横滚通道的控制难度.针对航行器的静稳定特性,采用艏部空化器作为俯仰和偏航运动的操纵面.由于横滚干扰力矩主要来源于航行器机动时产生的离心力,采用不对称方向舵的方式来消除横滚干扰力矩.复合抗横滚控制舵片形成方向舵的上下不平衡,同时还作为横滚控制的操纵面.采用流体动力布局形式完全摒弃了尾部安定面和操纵面,明显减小航行器航行阻力,降低横滚控制舵机的功率要求,有利于机构的小型化.同时放宽了对超空泡外形和人工通气量的准确度要求,方便了超高速水下航行器的工程实现.     

回转体自然空化阻力特性数值仿真

针对水下航行器壁面出现自然空化现象影响航行速度问题,为了研究由自然空化引起的局部空泡对水下航行器阻力系数的影响.根据标准k-ε双方程,采用混合模型对不同空化数下回转体自然空泡特性以及阻力系数在Fluent6.3软件上进行了数值仿真.结果表明,局部空化的出现增大了总阻力系数.由于存在一临界空化数,使得航行器表面出现自然空化,存在另一临界空化数,使得压差阻力系数达到最大,并且此空化数与总阻力系数达到最大时的空化数相差不大.求解结果证明,方法的正确性和有效性.     

基于高速水下航行体的时空联合目标检测算法

研究高速水下航行体对主动目标检测的运动失配技术问题。由于航行体运动的复杂特性,传统水下主动目标检测算法未考虑航行体高速运动对主动目标检测能力造成的影响。为改善由此而损失的检测能力,提出建立高速水下航行体基阵各阵元的信号输出模型,将运动时变参数引入空域波束形成过程的相位参量中,而后将空域波束形成的输出通过时域匹配滤波进一步提高处理增益,进而解决了航行体具有较高变化速率情况下的水下主动目标时空联合检测的匹配性问题,并对环形搜索方式与快速正弦跟踪方式进行了仿真。对仿真结果进行了分析,结果表明,采用改进算法可以将以上两种工作方式的检测能量分别提高约10dB与6.6dB,从而提供了一种适用于高速水下航行体的主动目标检测有效方法。     

基于六面体网格的水下航行体流体动力分析

本文建立了一种534.4口径的水下航行体物理模型,基于有限体积法和六面体结构化划分网格的技术,进行网格合并,完成了对水下航行体数值研究。通过计算得到了水下航行体各攻角条件下的阻力系数和俯仰力矩系数,分别使用所计算的零升阻力系数与经验公式计算结果、1:1.5缩比模型水下试验结果进行对比,对比分析之后,发现划分六面体网格并进行流体动力计算是一种可靠的流体动力数值仿真方法,可以为水下航行体的控制系统提供较准确的流体动力参数,可以应用于工程实践,具有很好的实际意义。     

航行船舶的运动估计在海浪预报中的应用研究

研究航行中的船舶运动估计及时性不高的问题.由于在海上航行的船舶受海浪运动的随机性和多向性影响,船舶的运动估计信号较复杂且难于提取.传统的方法是从船舶的运动交叉谱中逐一计算提取运动估计信号,存在计算量过大不能及时预报海浪的问题.为解决上述问题,提出了最大似然估计法完成海浪及时预报.根据船舶运动是窄带平稳随机过程的特点,采集船舶的实时横摇、纵摇、垂摇运动时间序列,并将船舶的运动交叉谱作为约束条件,采用最大似然估计法提取出隐含的运动估计信号,避免传统方法对交叉谱的逐一大量计算,然后利用船舶运动估计结果完成海浪的预报.实验表明,提出的方法能够快速获取航行船舶的运动估计信号,可及时完成海浪的预报.     

高空滑翔UUV气动参数估算与气动特性分析

研究水下航行器,针对无人水下航行器无法同时大幅度提高航速和航程的现状,为优化无人水下航行器气动特性,增强系统的稳定性,提出了高空滑翔无人水下航行器(UUV)总体气动布局进行设计.对气动特性进行分析,根据飞机和导弹气动参数的估算方法,通过类比的方式,对升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数、航向静导数、动导数和操纵导数等主要气...     

水下航行器X字型舵面故障分析与仿真

X字型舵水下航行器与十字型舵水下航行器相比,舵机系统具有功能冗余性.目前国内对舵机系统的故障诊断主要是针对十字型舵,而对于X字型舵的研究还比较少.针对上述情况,论文分析了X字型舵与十字型舵水下航行器舵面布局的差异以及X字型舵水下航行器流体动力特性,建立了X字型舵水下航行器力及力矩模型,研究了X字型舵在舵面故障情况下动力特性的改变,给出了X字型舵舵面损伤时横滚角的动态变化.仿真结果表明,X字型舵水下航行器在舵面损伤时横滚角趋于发散,通过设置合适的观测器,就能检出该故障,对进一步研究X字型舵水下航行器的故障诊断具有重要的作用.     

后轴双电机扭矩矢量控制研究

车辆的横摆响应受到转向系统、悬架系统、制动系统及驱动系统影响,传统车辆主要以转向输入进行主动控制,随着线控底盘的发展,ESC、后轮转向、扭矩矢量等技术逐步参与到车辆横摆的主动控制中;相对于ESC以制动力差产生横摆力矩,扭矩矢量可在不降低总驱动力的前提下产生横摆力矩,不会引起车辆的制动效应;通过后轴双电机扭矩矢量控制（TVC）产生主动横摆力矩,旨在改善车辆横摆响应,TVC采用前馈与反馈结合控制,基于二自由度车辆模型、目标稳态增益K及横摆角速度-速度修正因子K1建立目标横摆角速度;利用车辆模型逆函数计算横摆力矩前馈值,PID计算横摆力矩反馈值,总横摆力矩转换得到左右车轮纵向力调整量;纵向力调整量与驱动力分量叠加获得左右轮总纵向力;左右轮驱动力过大时可能会受到滑移率、电机扭矩等限制,为保证横摆力矩偏差在要求范围内,需要根据限制情况对左右轮纵向力进行调整;通过仿真验证,TVC可明显改变车辆横摆响应     

Stabilizing underwater vehicle motion using internal rotors

As a case study of a particular control methodology and as a practical contribution in the area of underwater vehicle control, we consider the problem of stabilizing an underwater vehicle using internal rotors as actuators. The control design method comprises three steps. The first step involves shaping the kinetic energy of the conservative dynamics. For the underwater vehicle, the control term from this step may be interpreted as modifying the system inertia. In the second step, we design feedback dissipation using a Lyapunov function constructed in the first step. In the third step, we include a general model for the viscous force and moment on the vehicle and we show that these effects enhance stability. We first apply this method to a vehicle whose centers of buoyancy and gravity coincide and then to a vehicle with noncoincident centers of buoyancy and gravity.     

Simulated effect of driver and vehicle interaction on vehicle interior layout

Digital human modeling is an essential tool to reduce cost and to save time in a design process where humans take the part of users of the design. Considering this phenomenon for a vehicle interior, the importance of the seat track location and adjustment ranges become important. This paper presents the effect of driver and vehicle interaction on vehicle interior layout based on simulation approach. This simulation method includes two optimizations. The first optimization problem is the physics-based seated posture prediction. In order to represent physical drivers, 4,500 virtual drivers are generated based on an anthropometric database-ANSUR. Interaction forces between the digital human and pedal, seat, ground, and steering wheel are incorporated in the physics-based posture prediction. Three different pedal reaction moments (0, 20, and 40 N m) are implemented into the formulation to examine the effect of pedal reaction moment on driver seat location and adjustment ranges. To study the effect of shear forces, the physics-based posture prediction is compared to kinematics-based posture prediction. After posture predictions are completed, individuals' preferred seat locations are used in a second optimization problem to predict the seat track location and adjustment ranges. For a specific vehicle with 20 N m pedal reaction moment, adjustment ranges are predicted as 223 mm and 82 mm in horizontal and vertical directions, respectively. Also, it was shown that shear force due to the interaction between the driver and the seat pan and the pedal reaction moment are both influential to the seat track location and adjustment ranges.Relevance to industryThe simulation model presented in this paper is useful in vehicle and seat design and can be easily used for virtual design assessment in vehicle design.     

基于Radon变换的水声图像矩特征提取与分类

成像声纳采集的水声图像分析是自动水下潜器研究中的一个重要课题，该文提出了一种基于图像边缘Radon变换的水声图像矩特征提取和分类方法。使用一种形态学边缘提取算子和细化算法提取二维图像中目标的轮廓，构造目标轮廓在 Radon变换空间的平移、比例和旋转矩不变量，应用于3类水下物体的分类中，实验仿真结果表明该方法在运算速度上优于Hu’s不变矩和图像目标面Radon投影空间不变矩，具有很好的性能和较高的实用价值。     

旋转式水下机器人的空间运动方程

本文提出了一种旋转自主式水下机器人的构想，简要说明了其系统结构和工作原理，分析了其在空间运动中所受力和力矩的情况，推导出其空间运动方程．通过计算机仿真对所推导的水下机器人空间运动方程进行了验证     

齿轮箱吊杆节点刚度对轴箱内置式高速列车驱动系统动态特性影响研究

为探明齿轮箱吊杆节点刚度对驱动系统悬挂节点力和驱动系统振动加速度的影响规律,以某型轴箱内置式高速动车为研究对象,基于多体动力学理论,建立了考虑驱动系统和齿轮啮合的车辆系统动力学模型,研究了齿轮箱吊杆节点刚度对齿轮箱吊杆节点力、电机吊点力、齿轮箱车轴铰接力、车辆平稳性和驱动系统振动加速度的影响.研究结果表明：由于1、2位驱动系统的齿轮啮合力方向不同,1位驱动系统悬挂节点的垂向力比2位驱动系统悬挂节点的垂向力大.齿轮箱吊杆节点刚度在1～30 MN/m增大时,1位齿轮箱吊杆节点力增大,1位电机吊点力减小,1位齿轮箱车轴铰接纵向力增大、横向力减小;2位齿轮箱吊杆节点力增大,2位电机吊点垂向力增大,纵向力和横向力减小,2位齿轮箱车轴铰接纵向力减小,横向力增大.齿轮箱吊杆节点刚度在30～100MN/m增大时,各悬挂节点力变化不明显.此外,车体的平稳性指标、电机和齿轮箱的振动加速度受齿轮箱吊杆节点刚度变化的影响较小.     

刚柔耦合重型汽车建模及通过连续减速带的平顺性分析

建立了考虑车架柔性的刚柔耦合重型汽车整车模型,通过与刚性车对比,验证了所建刚柔耦合车辆模型的正确性.依据实际需求建立了三组连续减速带模型,以车身垂向加速度和各轮垂向轮胎力为评价指标,分析车辆行驶速度、减速带高度和宽度对汽车行驶平顺性的影响.研究表明,减速带的高度与车身垂向加速度和垂向轮胎力成正比,减速带宽度与车身垂向加速度和垂向轮胎力成反比,对于限速60 km/h的道路,宽度为600 mm,高度为8 mm的减速带能起到良好的限速效果,同时还能保证车辆行驶的平顺性.     

浮力驱动式水下航行器建模与控制仿真研究

基于浮力驱动式航行器的巨大潜在应用价值,针对其独特的运动特征和可行的控制策略展开仿真研究.对浮力驱动式航行器的水动力学基本特点进行了深入分析,进而由此建立三维空间运动数学模型.在此基础上,重点研究了航行器纵平面的运动特性及其控制规律,建立了稳态参数表达式,将纵平面运动模型线性化,提出了利用线性二次调节器方法设计航行体控制器的方案.并以一组典型的航行体总体参数为例,通过仿真计算证明了控制方案的可行性和有效性.为浮力驱动式航行器总体和控制系统设计的工程应用提供了一定的理论基础与技术支撑.     

Velocity-based Lateral Stability Control for Four-wheel Independently Actuated Electric Vehicles with Homogeneous Polynomial Approach

This paper presents a control strategy to enhance the lateral dynamics stability and handling performance of the four-wheel independently actuated (FWIA) electric vehicles (EVs). The vehicle longitudinal velocity uncertainty and controller saturation are considered, a double layers control scheme is adopted. In the upper layer, the homogeneous polynomial parameter-dependent approach is introduced to track the uncertainty problem, and a multi-objective controller is designed to obtain the desired external yaw moment. In the lower layer, an optimal force distribution method with considering the distribution error and tire workload is employed to allocate the desired external yaw moment into forces of the four in-wheel motors. Simulation results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

     

机动超空泡水下航行器纵平面运动特性分析

超空泡水下航行器机动运动由于有空泡的时间延迟效应和重力效应的存在,使得航行器与直航超空泡航行器的运动特性有很大的不同;进行纵平面运动分析,是对航行器实施深度控制和姿态控制的前提;考虑时间延迟效应和重力效应引起的空泡轴变形,建立超空泡航行器机动航行纵平面运动模型,推导纵平面运动传递函数,并以某小口径(约200mm)超空泡水下航行器的特征参数为例分析其运动特性;纵平面运动特性分析为超空泡水下航行器机动运动的系统设计和控制提供了重要参考。