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水下无人艇水动力学性能分析

舰船科学技术 2022年第12期44卷 76-82页

作者：刘芳华姚尧江苏科技大学机械工程学院江苏镇江212003

在水下作业时,无人艇工况位姿的频繁变化明显影响艇体受到的工作阻力,对无人艇推进系统设计选型与流场空间模型构建带来困难。为此,应用分析流体力学(CFD)仿真软件Ansys中的Fluent模块对无人艇航行工况的各类位姿变化进行仿真分析,求解... 详细信息

在水下作业时,无人艇工况位姿的频繁变化明显影响艇体受到的工作阻力,对无人艇推进系统设计选型与流场空间模型构建带来困难。为此,应用分析流体力学(CFD)仿真软件Ansys中的Fluent模块对无人艇航行工况的各类位姿变化进行仿真分析,求解其受到的阻力。本文仿真设置模型选用Realizable k-ε湍流模型,并引入壁面函数来减少壁面湍流流动的干扰,优化后的模型能够提高仿真结果的精确度。通过样机试验获取测试数据,对比分析来评价仿真的准确性。研究表明:无人艇在直航过程中时受到较向上作用力,并随着航速提高有较为明显的增加;俯仰运动过程中无人艇的垂向力与俯仰力矩均与航速和攻角的的变化量呈正相关的变化关系;无人艇在水平变向时漂角对航行的所受横向力影响较大,受漂角变化对纵向力的影响不大。试验结果与仿真结果间偏差较小,证明了仿真模型的可信度,为无人艇后续结构改良与推进系统优化提供有效的参考信息。

关键词：水下无人艇水动力学湍流模型仿真分析

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大尺度水下无人艇定深及安全线路跟踪研究

大尺度水下无人艇定深及安全线路跟踪研究

作者：焦林健华中科技大学

学位级别：硕士

随着计算机和智能控制技术的发展,水下无人艇已被应用于科考、军事领域。受限于艇体空间,水下无人艇在续航、携带设备数量、可靠性方面不能满足需求。为了解决这些痛点,具有超大体积、高航速、高系统冗余度特点的欠驱动、大尺度水下无... 详细信息

随着计算机和智能控制技术的发展,水下无人艇已被应用于科考、军事领域。受限于艇体空间,水下无人艇在续航、携带设备数量、可靠性方面不能满足需求。为了解决这些痛点,具有超大体积、高航速、高系统冗余度特点的欠驱动、大尺度水下无人艇应运而生,它具有自主定深定向航行、自主应急功能。本文以大尺度水下无人艇为研究对象,研制一套运动控制系统,使其具有自主定深定向航行和应急上浮安全线跟踪能力,保证水下科研试验的准确性和安全性。大尺度水下无人艇要开展特项水下科研试验,科研试验要求在水下恒定深度进行,因此水下无人艇应具有深度控制能力,能够从水面任意位置出发,跟踪一条设定深度、航向的航线。此外水下无人艇搭载了自主应急系统,具备故障诊断、应急上浮能力,水下无人艇应急上浮过程中速度高,极易与两岸礁石碰撞,因此需在应急上浮过程中对航向进行控制,跟踪安全线路。首先从整体控制系统架构角度对控制方案进行了对比论证。研究了欠驱动系统特点,建立水下无人艇数学模型,在此基础上采用了可变视线距制导和自适应模糊PID控制方法解决定深定向和安全线跟踪问题。为了适配应急上浮时速度迅速下降的场景,在可变视线距制导中引入速度因子,提高了安全线跟踪效果。为了增强大尺度水下无人艇水下生存能力,采用了多备份、冗余化软硬件设计,通过卡尔曼滤波器和多个不同位置深度计计算纵倾角,与惯导测量纵倾角互为冗余。随后完了硬件集成、软件开发和测试,软件采用了分层架构设计模式,并基于半实物仿真平台完成了全系统功能测试。最后在某野外水域顺利完成水下定深定向和安全线跟踪试验。最终的水下试验结果表明,研制的定深定向及安全线跟踪控制系统是稳定、可靠、满足实际试验使用需求的。该系统解决了工程应用中大尺度水下无人艇水下控制精度和安全性问题,为大尺度水下无人艇运动控制研究提供理论支撑,具有较大的工程实际应用价值。

关键词：水下无人艇定深控制安全线跟踪自适应控制欠驱动

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水下无人艇控制网络通信调度算法与软件设计

水下无人艇控制网络通信调度算法与软件设计

作者：何文杰华中科技大学

学位级别：硕士

随着海上无人系统的迅猛发展,水下无人艇具有重大研究意义。基于水下无人艇复杂的控制网络与特殊的应用场景,针对如何保证通信调度的实时性与可靠性,并有条不紊地实现各项功能任务等问题,本文提出了一种基于双主从并发调度的通信调度算... 详细信息

随着海上无人系统的迅猛发展,水下无人艇具有重大研究意义。基于水下无人艇复杂的控制网络与特殊的应用场景,针对如何保证通信调度的实时性与可靠性,并有条不紊地实现各项功能任务等问题,本文提出了一种基于双主从并发调度的通信调度算法,嵌入了完备的通信故障诊断技术与应急策略,并通过软件设计与实验验证了算法与软件的可行性、可靠性与可移植性。首先,针对控制网络通信调度方面的问题,结合水下无人艇控制网络通信调度的研究现状,详细分析了控制系统的功能结构特性与控制网络的通信需求,从而完成了对水下无人艇控制网络的总体架构设计,并基于此架构完成了对通信接口协议以及以太网、串口等通信协议的设计。然后,针对控制网络通信故障诊断与应急策略方面的问题,结合水下无人艇控制网络故障诊断与应急策略的研究现状,详细分析了航行故障与风险,提出了一种基于故障树的故障归因技术与基于多状态错误计数的通信故障诊断技术,从而更为精准有效地定位航行故障,并实现了对通信故障的实时动态监测与诊断;针对多路故障的应急决策问题,提出了一种基于应急专家模型的应急决策技术。最后,针对控制网络通信调度方面的基本问题,详细分析了遥控与自主航行模式下的功能逻辑和调度时序,从而提出了一种基于双主从并发调度的通信调度算法,并设计实现了基于模块化的通信调度软件,通过半实物仿真实验验证了算法及软件的可行性、可靠性与可移植性。

关键词：水下无人艇控制网络通信调度通信故障诊断应急决策实时性可靠性

水下无人艇结构力学特性和性能综合优化初步研究

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水下无人艇结构力学特性和性能综合优化初步研究

作者：陈鹏江苏科技大学

学位级别：硕士

水下无人艇的总体优化设计一般包括耐压壳和轻外壳的强度、稳定性，艇体的快速性、操纵性，能源系统，低噪声等诸多内容，其复杂程度显而易见。在实际工程中，水下无人艇的优化设计问题往往是按照顺序方式处理的，并未充分考虑各个学科... 详细信息

水下无人艇的总体优化设计一般包括耐压壳和轻外壳的强度、稳定性，艇体的快速性、操纵性，能源系统，低噪声等诸多内容，其复杂程度显而易见。在实际工程中，水下无人艇的优化设计问题往往是按照顺序方式处理的，并未充分考虑各个学科之间的相互联系，所以传统的水下无人艇优化设计得到的往往是局部最优解，并非全局最优解。目前，各国已针对水下无人艇的低阻、降噪、艇型、结构等方面进行了单性能、单目标的优化研究，并取得可靠的优化结果。但是，针对水下无人艇结构力学特性和性能综合优化设计这类复杂问题，尚没有可靠稳定的解决办法。因此，对水下无人艇各项性能进行综合优化是其设计工作中的一项重要内容。首先，本文根据所优化水下无人艇的特点，选择43个设计变量，并根据潜艇通用设计规范等构建了其综合优化的约束条件，在综合考虑艇体耐压壳和轻外壳的结构特性、流体性能、能源系统等方面后，建立了水下无人艇结构力学特性和性能的综合优化数学模型。其次，本文借助遗传算法、混沌算法和并行思想，构造了一种并行遗传混沌优化方法，并将该方法与数学模型相结合，通过VC++语言，编制了水下无人艇结构力学特性和性能的综合优化程序。大量的计算数据表明：该优化程序的运行是准确、高效、可靠的。同时，本文通过Fluent软件，计算一定尺度范围内的水下无人艇阻力;本文借助***软件，计算并分析了简单环肋圆柱形耐压壳的结构特性，并将计算结果用于其综合优化数学模型的建立和优化结果的分析中。最后，本文从耐压壳和轻外壳的综合优化、流体性能和能源系统的综合优化、结构力学特性和性能的综合优化等多方面进行了优化求解，并对结果进行了相应分析。大量综合优化计算的结果表明：该综合优化分析方法能有效地解决多目标、多约束和多变量的工程优化设计问题，且运行稳定可靠，为水下无人艇综合优化系统的建立奠定了良好的基础。

关键词：水下无人艇结构力学特性综合优化数学模型并行遗传混沌方法

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基于单片机的水下无人艇手操盒研制

基于单片机的水下无人艇手操盒研制

作者：翁曙成华中科技大学

学位级别：硕士

水下无人艇手操盒是水下无人艇水面监控系统的一部分,具有作业能力的水下无人艇操作技术在一定程度上影响着一个国家的海洋科技的发展水平。我国在发展自己的水下无人艇及其配套装备,对于参与二十一世纪海洋大开发的国际竞争有着重要的... 详细信息

水下无人艇手操盒是水下无人艇水面监控系统的一部分,具有作业能力的水下无人艇操作技术在一定程度上影响着一个国家的海洋科技的发展水平。我国在发展自己的水下无人艇及其配套装备,对于参与二十一世纪海洋大开发的国际竞争有着重要的作用。本文对水下无人艇的手操盒进行了分析以及研制,主要从以下几个方面作了详细的论述和研究:1.设计了基于单片机的手操盒,其中包括控制器的电路设计、网络通信以及软件编程。本文研制的手操盒控制器是一种新型的控制器,外观设计美观,操作方便,便捷携带,同时具备了双电源接入、双屏操作模式及双模通信等特点。2.提出了水下无人艇手操盒控制器的工作原理及组成;对手操盒控制器的组成和功能进行了论述;从供电、操作、通信等方面分析了手操盒控制器可靠性的各项措施。3.研究了水下无人艇手操盒控制器的通信原理,设计了通信模块信号数据处理程序,并使用手操盒进行通信试验,使得手操盒控制器能够与水下无人艇个分系统能够建立通信连接。4.阐述了水下无人艇的发展前景,指出了水下无人艇在海洋国防的重要地位,分析了手操盒研制的必要性,点明了手操盒在水下无人艇中的重要作用。本文对水下无人艇手操盒开展了一系列的研究设计工作,但很多技术还有待完善的地方。此技术的最终实现将有助于水下无人艇的技术开发,可以对我国海洋国防的发展起到一定的帮助。

关键词：水下无人艇手操盒控制器单片机可靠性

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水下3000m无人艇设计与仿真

水下3000m无人艇设计与仿真

作者：耿继晨江苏科技大学

学位级别：硕士

水下无人艇是一种可以潜入到水下,依靠自身所携带的能源进行自驱动的自主式水下无人运动平台,可代替人类在水下危险的环境中完成各种任务。通过搭载不同任务模块,水下无人艇能够实现不同的功能。与普通的水下无人艇相比,深水无人艇可在... 详细信息

水下无人艇是一种可以潜入到水下,依靠自身所携带的能源进行自驱动的自主式水下无人运动平台,可代替人类在水下危险的环境中完成各种任务。通过搭载不同任务模块,水下无人艇能够实现不同的功能。与普通的水下无人艇相比,深水无人艇可在深海的高压环境下工作,执行特殊的深海任务。但特殊的环境也对无人艇提出了更高的要求,还要许多问题需要解决。基于这种情况,本文对水下3000m无人艇进行设计和仿真,内容如下:首先,根据国内外水下无人艇的发展趋势,针对无人艇的设计目标,对无人艇进行总体方案设计,为后续无人艇的详细设计奠定基础。选定无人艇外形为Myring外形,总体布置方式采用横向分段布置,机械系统采用模块化的方法。控制系统采用岸基和舰载相结合的形式,控制算法采用模糊PID算法。其次,运用虚拟样机技术及有限元相关理论,对无人艇机械系统进行详细的设计和仿真,具体包括动力系统、耐压系统、非耐压系统、水平翼的设计。动力系统包括推进系统、转向系统、浮沉系统和电池,其中浮沉系统采用改变油囊体积的形式来调节无人艇的浮力。耐压系统设计采用圆柱形结构的耐压壳,材料选用铝合金7075,通过理论计算和仿真的方法,表明耐压壳具有较高的稳定性。非耐压系统采用薄壳结构,不进行密封,包括头舱、转向舱、浮沉舱和推进舱。水平翼选型为NACA0010翼型。然后,运用Fluent对无人艇的阻力性能进行仿真。建立不同无人艇头部外形和尾部外形的仿真模型进行阻力计算,并绘制外形参数和航行阻力之间的变化曲线。结果显示,当无人艇的头部和尾部较为尖锐,长度较大时航行阻力较小。依据结果对外形参数进行优化,使无人艇的航行阻力趋于最小。最后,在S7-200PLC控制器的基础上对无人艇的控制系统进行设计。无人艇的控制系统包括岸基控制系统和舰载控制系统两部分,两系统之间通过通讯模块进行通讯。根据无人艇的受力和运动状况,建立无人艇的数学模型,并在此基础上设计无人艇的模糊PID控制算法,利用Matlab对算法进行仿真,结果表明模糊PID控制算法具有较好的控制效果。

关键词：水下无人艇机械结构控制系统仿真研究

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水下声通信物理层密钥生成方案

通信学报 2019年第2期40卷 111-117页

作者：刘景美沈志威韩庆庆刘景伟西安电子科技大学通信工程学院陕西西安710071

为确保水下无人艇的通信安全,提出一种基于正交频分复用系统的水下声信道物理层密钥生成方案。首先,提出一个本地导频辅助信道探测协议,解决了由于水声信道中传播时延较大引起的互易性受损问题,保证密钥随机性,增强对邻近窃听者的防御能... 详细信息

为确保水下无人艇的通信安全,提出一种基于正交频分复用系统的水下声信道物理层密钥生成方案。首先,提出一个本地导频辅助信道探测协议,解决了由于水声信道中传播时延较大引起的互易性受损问题,保证密钥随机性,增强对邻近窃听者的防御能力;其次,提出一个双层补偿聚合结合自适应保护间隔的量化方法,提升了密钥一致性且使密钥生成速率维持在较高水平。仿真结果显示,所提方案有效地克服了水声通信中互易性受损的问题,且在密钥一致性优于现有水声密钥生成方案的前提下保证了高密钥生成速率和较高的随机性。

关键词：水下无人艇本地导频密钥生成邻近窃听者补偿聚合量化

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兼顾水面航态UUV性能和功能综合优化设计

舰船科学技术 2020年第12期42卷 36-40页

作者：程占元杨松林汪保江施妍蔡城岐江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003

本文基于一种UUV艇型,对其进行改进设计,使之有效兼顾水面航态,并建立快速性、操纵性和主要功能的优化数学模型。改进优化软件,使用遗传、混沌和粒子群3种优化算法进行不同代数的优化计算,总结了3种算法的计算原理,比较各个计算代数计... 详细信息

本文基于一种UUV艇型,对其进行改进设计,使之有效兼顾水面航态,并建立快速性、操纵性和主要功能的优化数学模型。改进优化软件,使用遗传、混沌和粒子群3种优化算法进行不同代数的优化计算,总结了3种算法的计算原理,比较各个计算代数计算结果的适应度函数最大值,得出最佳参数,并分析了3种算法对约束程度的满足要求。结果表明,粒子群算法相对更优,更易满足约束条件,计算结果为该艇型的水下无人艇的开发研究提供参考依据。

关键词：水下无人艇兼顾水面优化算法粒子群算法

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艇载控制网络实时调度系统设计与实现

艇载控制网络实时调度系统设计与实现

作者：宋子文华中科技大学

学位级别：硕士

由于海洋科技和军事的发展,水下无人艇研究具有重要的意义。本文针对以太网在艇载控制系统通信中的实时性和确定性问题,提出一种基于主从模式的周期性时间触发实时通信调度方案。该方案在不改变以太网网络层和传输层(如UDP/IP)协议的前... 详细信息

由于海洋科技和军事的发展,水下无人艇研究具有重要的意义。本文针对以太网在艇载控制系统通信中的实时性和确定性问题,提出一种基于主从模式的周期性时间触发实时通信调度方案。该方案在不改变以太网网络层和传输层(如UDP/IP)协议的前提下,在应用层实现了艇载控制系统的软实时通信调度。为保证水下无人艇通信的实时性,本文根据目标无人艇的双交换机网络架构特点,设计了一种主从并行通信调度方案。该调度方案在满足艇载控制系统数据交换需求的前提下,在同一时隙并行调度分别连接在两个交换机上的两个控制单元。既避免了交换机中当某端口出现报文发送冲突时存储转发所带来的延时不确定性问题,又有效压缩了一个宏调度周期内微调度周期的数量,提高了通信的实时性。设计实现了负责艇载控制系统通信调度的水下主控单元,该控制单元采用加固工控机硬件和VxWorks实时操作系统,以提高运行的可靠性和实时性。采用了模块化、多任务架构设计实现水下主控单元软件,并利用上述通信调度方案,实现艇载各控制单元之间的周期性数据交换。在总体设计阶段,对软件功能模块进行了划分,给出了软件总体架构;在详细设计与实现阶段,对软件模块的设计流程和涉及的功能函数及接口函数进行了较为详细的说明。搭建了水下主控软件单机测试和系统测试平台,测试该软件的各项功能。测试结果表明本文所设计的水下无人艇实时通信调度方案可以较好的满足水下无人艇的通信调度需求,满足设计要求。

关键词：水下无人艇网络通信调度实时性工业以太网 UDP/IP