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面向水下目标搜救的潜器探测模型构建与性能分析

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控制与决策 2024年

作者：于传合高卫华李树奎葛骑岐唐山港集团股份有限公司京东方科技集团股份有限公司上海交通大学电子信息与电气工程学院

水下潜器凭借其强机动性与自主性，已成为海事搜索救援中的必要设备.现有研究普遍通过随机部署潜器方式来实现给定水域目标探测，并没有从理论上对探测航迹与队形进行建模分析.本文首先证明了随机选择起点和移动方向的潜器，直线航迹是... 详细信息

水下潜器凭借其强机动性与自主性，已成为海事搜索救援中的必要设备.现有研究普遍通过随机部署潜器方式来实现给定水域目标探测，并没有从理论上对探测航迹与队形进行建模分析.本文首先证明了随机选择起点和移动方向的潜器，直线航迹是实现最大覆盖和最大目标探测概率的最优航迹.基于上述探测航迹，采用测度理论建立了面向水下搜索救援的潜器探测模型.进一步，考虑潜器通信损耗，证明了潜器感知区域在相切时是最优的探测队形，并严格分析了潜器编队夹角、间距、移动速度与采样周期对目标探测概率的影响.最后仿真结果验证了所构建模型与方法可以有效的提高目标的探测概率.

关键词：潜器搜索救援水下探测编队覆盖

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基于深度强化学习的多潜器编队控制算法设计

控制与决策 2023年第5期38卷 1457-1463页

作者：闫敬徐龙曹文强杨睍罗小元燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004

考虑水下未知信道与不确定模型参数,提出基于深度强化学习的多潜器编队控制算法.首先,提出基于环境采样数据的最小二乘估计器,用于预测在衰落环境下的未知信道;其次,根据信道预测估计器得出的信噪比(SNR),建立通信有效性与编队稳定性的... 详细信息

考虑水下未知信道与不确定模型参数,提出基于深度强化学习的多潜器编队控制算法.首先,提出基于环境采样数据的最小二乘估计器,用于预测在衰落环境下的未知信道;其次,根据信道预测估计器得出的信噪比(SNR),建立通信有效性与编队稳定性的联合优化问题,并给出基于深度强化学习-深度确定性策略梯度算法(DDPG)的编队控制算法;最后,通过仿真与实验结果验证所提出算法的有效性,参考仿真结果并相比于直接编队控制,考虑通信有效性的情况下所提出算法提升了13.5%的通信性能.

关键词：信道预测潜器编队控制深度强化学习联合优化

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基于遗传算法的潜器压载敷设优化方法

中国舰船研究 2022年第2期17卷 109-118页

作者：唐波杨坤周海波周生俊杨振锦武汉第二船舶设计研究所湖北武汉430205 中国人民解放军92578部队北京100161

[目的]针对工程实践中潜器固定压载敷设存在工作量大、随机性强、结果不优的难题,考虑将广泛用于函数寻优的智能算法引入这一领域,提出一种基于遗传算法的潜器固定压载敷设方法。[方法]首先,对典型潜器固定压载敷设横剖面进行研究,通过... 详细信息

[目的]针对工程实践中潜器固定压载敷设存在工作量大、随机性强、结果不优的难题,考虑将广泛用于函数寻优的智能算法引入这一领域,提出一种基于遗传算法的潜器固定压载敷设方法。[方法]首先,对典型潜器固定压载敷设横剖面进行研究,通过有限元方法的逆向思考,构建其等效的简化数学模型,并提取约束函数和目标函数;然后,结合遗传算法进行寻优计算,得到重心较优的固定压载敷设方案;最后,构建不同参数的多个算例进行分析验证。[结果]结果显示,在相同条件下,所提的较好的寻优方案相比一般方案(相当于人工方案)其重心下降约23%,可以很好地同时平衡纵向力矩与横向力矩。[结论]研究表明:所提的模型简化和寻优方法可以有效提高敷设的工作效率,改善最终方案的重心效果;所总结的敷设原则对工程实践有参考价值。

关键词：潜器固定压载数学模型遗传算法压载敷设原则

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海底沙波对潜器水动力性能的影响

中国舰船研究 2023年第1期18卷 89-98,123页

作者：李鹏国瑀秦洪德邓忠超哈尔滨工程大学水下机器人技术国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工程大学烟台研究院山东烟台264006

[目的]研究潜器在海底沙波地形干扰下的水动力特性。[方法]基于计算流体力学(CFD)方法,使用STAR-CCM+软件并结合重叠网格方法对潜器经过海底沙波的过程进行模拟,计算潜器阻力系数和升力系数在此过程中的变化。[结果]结果表明,当潜器近... 详细信息

[目的]研究潜器在海底沙波地形干扰下的水动力特性。[方法]基于计算流体力学(CFD)方法,使用STAR-CCM+软件并结合重叠网格方法对潜器经过海底沙波的过程进行模拟,计算潜器阻力系数和升力系数在此过程中的变化。[结果]结果表明,当潜器近海底航行时,沙波地形会对潜器产生一定的干扰,当艏部运动至波峰附近时,负升力出现最大值,当艉部运动至波峰附近时,阻力出现最大值;在不同航速下,潜器表面压力分布规律的不同会导致升力系数的变化规律不同;随着近海底距离的减小,海底沙波对潜器阻力和升力变化影响显著,当H/D>5时,海底沙波对潜器阻力和升力的影响可以忽略。[结论]所做研究可为潜器的安全及操纵性能提供一定的参考。

关键词：潜器海底沙波水动力性能流场特性

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潜器六自由度运动方程水动力系数敏感性分析

舰船科学技术 2022年第22期44卷 26-31页

作者：水源可可伟王金云邹林李会龙河北汉光重工有限责任公司河北邯郸056000 河北省双介质动力技术重点实验室河北邯郸056000

由于潜器运动方程中水动力系数对潜器运动操纵性参数的影响程度各不相同,为确定流体动力布局中的各因素对操纵规律的影响程度,简化操纵运动方程。通过引入水动力敏感性指数S,量化水动力系数和操纵运动参数间的关系,以潜器六自由度方程... 详细信息

由于潜器运动方程中水动力系数对潜器运动操纵性参数的影响程度各不相同,为确定流体动力布局中的各因素对操纵规律的影响程度,简化操纵运动方程。通过引入水动力敏感性指数S,量化水动力系数和操纵运动参数间的关系,以潜器六自由度方程中各水动力系数为研究对象,求出各水动力系数敏感性指数。结果表明:(角)速度系数和舵角系数敏感性较大,在设计阶段需重点考虑流体动力布局对其参数的影响且在求取其水动力系数时需保证其精度。本文研究成果可为潜器的设计和操纵运动方程的简化提供理论支撑。

关键词：潜器操纵运动方程水动力系数敏感性分析

内孤立波作用下细长潜器发生大幅运动的轨迹和姿态研究

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兵工学报 2023年

作者：刘忻丹勾莹滕斌大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

海洋内部的大幅内孤立波可能会威胁到潜器的航行稳定性和安全性，为探究潜器迎面遭遇内孤立波时的运动特性，建立两层流中细长潜器结构在内孤立波作用下的大幅运动时域求解模型。考虑潜器各运动自由度耦合引起的非线性作用力，潜器受到... 详细信息

海洋内部的大幅内孤立波可能会威胁到潜器的航行稳定性和安全性，为探究潜器迎面遭遇内孤立波时的运动特性，建立两层流中细长潜器结构在内孤立波作用下的大幅运动时域求解模型。考虑潜器各运动自由度耦合引起的非线性作用力，潜器受到的内孤立波力采用Morison方程和Froude-krylov力计算，由内孤立波传播引起的静力变化通过对潜器表面静压强积分计算。通过与CFD数值仿真结果和物理模型试验结果对比验证模型的精度，并计算SUBOFF潜器在两层流中不同潜深、不同航速时迎面遭遇KdV型内孤立波后的运动轨迹和姿态。数值仿真结果表明：内孤立波作用下，位于密度分层界面上方和分层界面处的潜器沿内孤立波传播方向运动，位于密度分层界面下方的潜器逆着内孤立波传播方向运动；垂向上潜器会发生大幅掉深，且先下沉再上浮;不同潜深、航速下潜器表现出不同的运动轨迹和姿态。

关键词：内孤立波潜器非线性作用力运动轨迹 Morison方程

在潜器中加装浮力材料以提升水下初横稳心高的敷设位置研究

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中国舰船研究 2022年第S1期17卷 1-9,18页

作者：唐波周生俊杨振锦郑明明徐正喜武汉第二船舶设计研究所湖北武汉430205

[目的]为了解决在潜器中敷设浮力材料以提升水下初横稳心高尚无定量指导依据的问题,在推导得到浮力材料敷设的临界高度计算公式的基础上,计算确定浮力材料应敷设的垂向高度,并据此进一步给出浮力材料和压载铁敷设的纵向位置建议。[方法... 详细信息

[目的]为了解决在潜器中敷设浮力材料以提升水下初横稳心高尚无定量指导依据的问题,在推导得到浮力材料敷设的临界高度计算公式的基础上,计算确定浮力材料应敷设的垂向高度,并据此进一步给出浮力材料和压载铁敷设的纵向位置建议。[方法]首先,通过推导敷设浮力材料后的全船初横稳心高函数,利用偏微分的数学方法得到浮力材料体积、重心等对稳性的影响方式;然后,通过等价代换的数学手段得到稳性变化临界情况下浮力材料重心理论高度计算式;最后,为了更好地研究和理解这一临界高度计算公式以及其他参数如排水量、敷设前稳心高等的影响,构建典型浮力材料敷设剖面的数学模型,并进行多算例对比分析研究。[结果]结果显示,所设计算例中初横稳心高最好可提升约1.8%,若进一步放开纵横垂向的限制,或将获得更优结果。[结论]所做研究可直接指导浮力材料敷设方案,所得到的一些对工程实际有重要意义、简便实用的浮力材料敷设原则,可供设计人员参考使用。

关键词：潜器浮力材料初横稳心高临界高度公式敷设原则

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潜器浮力调节系统的低功耗控制策略

西安交通大学学报 2018年第12期52卷 44-49页

作者：穆为磊邹振兴孙海亮杨友胜中国海洋大学机电工程系山东青岛266100 北京宇航系统工程研究所北京100070

针对潜器浮力调节系统功耗较高、严重制约潜器续航里程的问题,以剖面浮标为例分析了潜器上浮和下潜的工作过程,发现了上浮过程功耗远大于下潜过程的现象,提出了一种上浮过程的低功耗控制策略。首先推导了柱塞泵额定转速运行时电机输出... 详细信息

针对潜器浮力调节系统功耗较高、严重制约潜器续航里程的问题,以剖面浮标为例分析了潜器上浮和下潜的工作过程,发现了上浮过程功耗远大于下潜过程的现象,提出了一种上浮过程的低功耗控制策略。首先推导了柱塞泵额定转速运行时电机输出转矩与海水压强的函数关系式。采用Matlab/Simulink建立了无刷直流电机的速度闭环控制仿真模型,通过对仿真数据进行回归分析,分别获得了电机启动功耗和稳定运行功率关于输入转矩的关系式;然后在考虑海水密度随深度变化的条件下,推导出总功耗与调节次数的函数关系式。最后通过对总功耗函数进行数值求解,发现总功耗与调节次数呈非线性关系。计算结果表明4km潜器上浮过程调节16次时系统功耗最低,比传统调节一次时节约能量78.883J,理论上节约能量48.3%。

关键词：潜器浮力调节系统低功耗控制策略

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潜器水下碰撞动力响应研究

哈尔滨工程大学学报 2011年第12期32卷 1527-1533页

作者：于昊李陈峰任慧龙林一哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对潜器碰撞问题的特殊性和复杂性,基于非线性有限元方法,考虑碰撞过程的结构接触与摩擦以及潜器水下碰撞的附加水质量的影响,建立了一种预报潜器水下碰撞动力响应的分析方法.通过算例对潜器结构的碰撞特点、结构损伤和吸能特性进行了... 详细信息

针对潜器碰撞问题的特殊性和复杂性,基于非线性有限元方法,考虑碰撞过程的结构接触与摩擦以及潜器水下碰撞的附加水质量的影响,建立了一种预报潜器水下碰撞动力响应的分析方法.通过算例对潜器结构的碰撞特点、结构损伤和吸能特性进行了研究.在此基础上,对主要碰撞参数对于碰撞动力响应的影响进行了分析.研究结果表明,非线性有限元方法可以精确地对潜器碰撞过程进行分析,撞击参数将导致结构损伤和碰撞响应的不同,在潜器结构设计中应予以考虑.

关键词：潜器碰撞动力响应参数分析有限元分析