自主式水下航行器载荷分离运动仿真研究

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.从其功能仿真模型出发,研究了载荷和运载体的分离过程.通过分析分离过程中航行器受到的约束和流体动力的影响,利用多刚体动力学的方法理论,建立了在载荷和运载体存在约束情况下的航行器纵向运动方程,同时根据刚体运动的6自由度方程,给出了载荷与运载体分离后达到安全距离过程中的功能模型.基于上述模型进行了仿真,比较了不同速度和不同顶定分离角对载荷和运载体分离过程的影响.仿真和分析结果证明了模型的合理性和有效性,对实际工程应用具有一定的参考价值.     

基于VRML的浮力驱动式航行器运动原理仿真

针对传统的水下航行器控制仿真研究以图表曲线方式给出结果,抽象而缺乏直观性的缺点,介绍了虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML的概念、特点和结合MATLAB虚拟现实工具箱进行视景仿真的应用方法.以一种浮力驱动式水下航行器作为仿真对象,分析了它的运动规律,给出了垂直平面内航行器运动学方程,应用VRML语言构建了航行器的虚拟现实三维模型,并在MATLAB环境下驱动模型在虚拟水下场景中进行了运动原理视景仿真.结果表明,所述仿真方法不仅可以校验模型的正确性,而且形象而直观地表现了航行器在水下环境的运动过程.     

混合驱动水下航行器水平推进模式水动力特性

关于水下航行器结构设计优化问题,混合驱动水下航行器(HUG)是一种新型水下航行器,实现了自治式水下航行器(AUV)与水下滑翔机(AUG)结构和功能的集成,具有航速大、航程长、机动性好等特点.混合驱动水下航行器所受水阻力与机动性是其水平推进模式(AUV模式)下的重要性能指标.针对混合驱动水下航行器的要求与结构特点,采用计算流体力学方法,分析了航行器在AUV模式下的航行水阻力和机动性.研究表明,混合驱动水下航行器在集成AUV与AUG功能优势的同时,在AUV运行模式下,航行阻力将增大约30％,航行机动性降低约15 ～25％.结果为混合驱动水下航行器的外形设计提供了依据.     

水下航行器极区内航行控制关键技术

随着极区经济利益和战略意义日益凸显,水下航行器在极区作战使用的需求逐步清晰。基于极区特殊的气候条件和地理环境,指出了水下航行器在高纬度及跨极区航行时,需要重点考虑导航、控制、仿真试验等多个问题。仿真试验结果验证了基于格网导航算法的水下航行器跨极区控制和导航策略及仿真方法的可行性。     

水下无人航行器的研究现状与展望

本文首先介绍了水下无人航行器的研究背景、特点、分类与国内外研究现状。随后,阐述了国内在该领取得的标志性成果,包括几款AUV和ROV产品,其中重点介绍了一款大深度AUV和深海作业型ROV的技术特点与技术难点。接着,对该领域未来的发展趋势进行了展望。最后,对全文进行了小结。     

混合驱动水下滑翔器主从互转式应急控制技术研究

水下滑翔器是一种长续航新型水下机器人,利用其高效的驱动方式能够航行数月,因而相比其他无人水下自主航行器,滑翔器控制系统的可靠性显得尤为关键。根据水下滑翔器长续航的工作需求,结合其分布式控制系统的架构形式,设计了一种主从互转式应急控制技术。通过CPU互监控以及建立公共存储区等手段,实现了控制器异常情况下的非复位式热切换,保证了滑翔器重要动作部件的正常运行。试验结果表明,利用主从互转式控制方式,可以极大的减小了控制系统中主CPU宕机对滑翔器自主运行的影响,增加水下滑翔器的安全性能。     

基于灰色预测的无人水下航行器目标跟踪

针对无人水下航行器目标跟踪控制问题,基于无人水下航行器传感器信息进行目标运动预测来实现跟踪控制。从目标预测理论出发,将灰色动态预测模型的建模原理引用到目标预测中,在对传感器进行数据滤波、小样本灰色建模与灰色动态预测的基础上,实现对目标运动的预测,文章详细阐述了基于灰色动态预测的传感器故障诊断的具体实现方法和步骤,对目标进行匀速运动、匀加速运动、变加速运动三种典型运动进行仿真研究,通过预测值与实际值之间的比较显示灰色预测方法能快速、准确的预测出目标的位置信息。     

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。     

基于卡尔曼滤波的自主式水下航行器大尺度编队控制

针对网络环境下环境噪声对自主式水下航行器编队控制的影响,提出一种利用卡尔曼滤波实时估计AUV最优运动状态的编队控制方法.将空间间隔较远的多AUV系统建模为多智能体系统,从大尺度上研究其编队控制问题.为了得到每个AUV速度状态的最优估计值,每个AUV都嵌入一个全局卡尔曼滤波器,利用该全局滤波器进行最优估计从而计算出噪声环境下其自身的最优位置.仿真结果验证了所给出的控制策略的有效性.     

便携式自主水下机器人动力学建模方法研究

针对50公斤级便携式自主水下机器人（AUV）的精确控制和研究,本文介绍了一种基于计算流体力学（CFD）和非线性最优化辨识的动力学建模方法．着重推导了便携式AUV动力学模型,并使用计算流体力学方法代替水池实验获取辨识所需数据和通过非线性最优化方法获得合适的模型结构和模型参数．最终建立了便携式AUV数学模型,并通过对仿真数据与试验数据的对比,证明了该模型及方法的有效性．     

带翼水下机器人运动控制的动力学建模

根据水下机器人运动的一般方程,分析了其所受线性和非线性水动力的影响,进而推导出水下机器人控制系统的运动方程．讨论了螺旋桨和舵、翼的推力解算方法和整个系统的动力学响应过程．为分析控制系统的物理学特性提供了理论依据．     

Development and Control of Underwater Gliding Robots: A Review

As one of the most effective vehicles for ocean development and exploration, underwater gliding robots (UGRs) have the unique characteristics of low energy consumption and strong endurance. Moreover, by borrowing the motion principles of current underwater robots, a variety of novel UGRs have emerged with improving their maneuverability, concealment, and environmental friendliness, which significantly broadens the ocean applications. In this paper, we provide a comprehensive review of underwater gliding robots, including prototype design and their key technologies. From the perspective of motion characteristics, we categorize the underwater gliding robots in terms of traditional underwater gliders (UGs), hybrid-driven UGs, bio-inspired UGs, thermal UGs, and others. Correspondingly, their buoyancy driven system, dynamic and energy model, and motion control are concluded with detailed analysis. Finally, we have discussed the current critical issues and future development. This review offers valuable insight into the development of next-generation underwater robots well-suited for various oceanic applications, and aims to gain more attention of researchers and engineers to this growing field.      

水下滑翔机器人运动调节机构设计与运动性能分析

描述了水下滑翔机器人3个运动调节机构的设计，即浮力调节机构、俯仰调节机构和横滚调节机构，分析了运动调节机构与运动之间的关系．提出了采用CFX水动力计算软件分析水下滑翔机器人运动性能的方法．根据CFX计算结果，用最小二乘法参数辨识方法辨识出定常滑翔运动的水动力参数．简化了空间螺旋回转运动过程，通过CFX水动力计算方法进行回转特性分析，估算回转半径．     

一种仿生水下机器人的设计与动力学分析

设计了一种基于波动长鳍推进的仿生水下机器人, 两侧长鳍对称安装于机器人本体两侧. 两侧长鳍分别由十个舵机驱动, 并按照余弦函数波动. 设计了实时控制器, 通过调整鳍条的振动频率和幅值达到控制长鳍运动的目的. 加速度信息和角速度信息由一个惯性测量单元采集. 为获取机器人游动性能与振动频率以及振动幅值之间的关系, 本文给出了长鳍波动运动的运动学分析和动力学分析. 本文通过将长鳍分割成若干小单元并单独计算作用于每个小单元上的作用力, 再计算所有小单元作用力在一个波动周期内的合力的方法, 获得了整个长鳍产生的平均推力. 通过前进游动和旋转游动实验, 验证了机构设计、运动学分析和动力学分析的有效性, 最后讨论了游动性能与波动参数之间的关系.     

基于OpenCV的水下机器人单目定位技术研究与仿真

针对水下机器人自主回收对接时的定位问题,提出了一种基于OpenCV的单目定位技术研究与仿真方法;首先确定回收装置在回收侧的光源标记点坐标信息;然后借助OpenCV算法库,通过对水下机器人自带摄像机的标定,得出反应摄像机固有信息的内参数,通过摄像机对回收装置光源标记点的识别,得出光源标记点在图像上的像素坐标,结合其世界坐标,得出反映回收装置在摄像机坐标系下位置和姿态信息关系的平移向量和旋转向量,进而确定水下机器人在回收装置坐标系下的位置和姿态信息;最后运用CATIA软件对摄像机拍摄模型进行建模和仿真,结果表明,所提方法不仅能快速地获得水下机器人的位置和姿态信息,而且定位精度高,满足水下机器人在自主回收对接时的设计要求。     

两关节仿生水下航行器SPC-III 的推进与机动性

为评估尾鳍推进机构的实用性,以SPC-III 机器鱼作为研究平台,在同等排水量下分别使用尾鳍推进 器和螺旋桨推进器,比较两者的功率和机动能力．在海试条件下,对尾鳍推进器和螺旋桨推进器的功率及机动性进 行了测试,表明前者的转弯半径约为后者的2/5,在2.2 kn 速度下,前者的功率比后者低约7%．SPC-III 仿生水下航 行器携带多参数水质探测仪在太湖完成了航程为49 km 的水质探测实验,得到了太湖水域的蓝绿藻浓度分布数据．     

万米级水下机器人浮力实时测量方法

提出了一种适用于万米级水下机器人的实时浮力测量方法,主要解决大于一万米水深环境下密度变化、新材料力学参数不确定等因素造成浮力计算困难的问题．该方法基于推进器和加速度计进行浮力测量．为了减少相关动力学参数不确定性对测量结果的影响,水下机器人需要在海底执行特殊的运动动作．文中讨论了该方法的特点和适用情况,并使用“海斗”号自主遥控水下机器人（“海斗”ARV）在近10900 m深的海底中进行了实验验证．实验结果表明,该方法测量得到的结果与参考值的平均误差为0.3 N,满足预期要求．