文章来源：水下无人系统学报
水下滑翔机变浮力装置热力学仿真分析
赵宏昌, 黄桥高, 刘静. 水下滑翔机变浮力装置热力学仿真分析[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 567-574.
ZHAO Hong-chang, HUANG Qiao-gao, LIU Jing. Thermodynamic Simulation Analysis of Variable Buoyancy Device for Underwater Gliders[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 567-574.
水下滑翔机变浮力装置在工作时其驱动电机和泵产生的热量会对其内部结构产生影响, 导致装置无法正常运行。针对这一问题, 采用有限元方法, 建立了变浮力装置热力学仿真模型, 先对变浮力装置的活塞在理想匀速运动状态时在不同海水深度下到达热平衡时的温度场分布进行了仿真计算, 获得了变浮力装置的温度随海水深度的变化规律。结果表明: 在所选不同海水深度的工况中, 海水深度为500 m时温度最低, 在海面时温度最高; 在海面处和100 m海深时, 变浮力装置到达热平衡时的最高温度存在于右侧活塞上, 分别为31.49℃和26.90℃, 在所选其他海水深度的工况下装置到达热平衡时的最高温度均存在于泵模型的压盖上。文中同时对不同电机转速到达热平衡时的温度场分布进行了仿真, 获得了1 500 m海深下变浮力装置温度随电机转速的变化规律, 可知电机转速为5 000 r/min时, 装置到达热平衡时的温度最高, 为40.95℃, 存在于泵模型的压盖上。根据仿真结果获得了该装置运行时温度较高的位置, 为判别装置工作时由于温度过高而影响关键部件正常运行的可能性提供参考。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.202109015
工作深度对水下滑翔机运动状态影响研究
叶效伟, 刘艳敏, 张文忠, 等. 工作深度对水下滑翔机运动状态影响研究[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 597-604.
YE Xiao-wei, LIU Yan-min, ZHANG Wen-zhong, LIU Yi-fu, YAO Zhi-chong. Research on Influence of Operating Depth on Motion State of Underwater Gliders[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 597-604.
驱动水下滑翔机运动的净浮力约占水下排水量的0.5%, 其微小变化都会对滑翔运动状态产生重要影响。滑翔过程中, 随深度而变化的海水密度和压力会导致排水量发生变化, 引起净浮力变化, 进而影响水下滑翔机的稳定运动状态。文中利用动力平衡方程研究净浮力变化对稳态滑翔运动状态的影响, 将排水量随深度变化的数学模型和动力学模型相结合, 通过仿真研究滑翔深度对滑翔运动状态的影响。研究表明: 因深度影响, 水下滑翔机的运动是动态平衡的滑翔运动, 而非稳定的平衡滑翔运动; 排水量-深度变化主要影响滑翔速度, 对滑翔姿态影响相对较小; 没有额外调节时, 下潜阶段滑翔速度先减小后增加, 上浮阶段先增加后减小; 此外, 可以通过功耗比较小的内部滑动质量的调节平衡净浮力变化对滑翔姿态的影响。文中的工作可为使用滑翔机进行精准控制开展海洋环境监测和探测提供参考。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.202104016
水下滑翔机中尺度过程空间采样运动仿真
秦悦, 王冠琳, 官晟, 等. 水下滑翔机中尺度过程空间采样运动仿真[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(4): 474-484.
QIN Yue, WANG Guan-lin, GUAN Sheng, WANG Yan-feng, DING Jun-hang. Motion Simulation of Spatial Sampling of Mesoscale Processes for Underwater Gliders[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(4): 474-484.
海洋中尺度过程包括涡旋、锋面和内波等现象, 是海洋中一类重要的动力过程, 在全球气候变化、海洋能量热量和物质输送过程中起着重要作用。对此类过程的观测与研究, 在海洋资源勘测、海洋生物探索以及军事等领域也有着较为重要的现实意义。水下滑翔机已成为近年来观测中尺度过程的重要工具之一。文中以海燕-Ⅱ自主式无人水下滑翔机作为研究对象, 首先, 根据动量和角动量定理建立了其六自由度动力学模型; 然后, 利用Simulink仿真对该模型进行了验证, 由仿真结果可知, 所提出的动力学模型能够较好地实现运动仿真; 最后, 针对几种中尺度过程不同的探测要求, 设计了水下滑翔机的运动方案, 并进行了空间采样运动的仿真, 仿真结果可为日后实际观测应用提供参考和优化参数。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.202112003
王国晖, 杨亚楠, 王延辉, 王树新. 海洋温差能供电水下滑翔机的液电转换过程建模与效率分析[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(4): 451-458.
WANG Guo-hui, YANG Ya-nan, WANG Yan-hui, WANG Shu-xin. Modeling and Efficiency Analysis of the Hydro-electric Conversion Process of Underwater Glider Powered by Ocean Thermal Energy[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(4): 451-458.
海洋温差能供电是提高水下滑翔机的续航里程和在位工作时长的有效技术手段。其能量传递路径的优化与能量转化效率提升对于保证水下滑翔机正常工作至关重要。基于水下滑翔机海洋温差能供电系统中机械能-电能转换过程的能量转换机理与损耗机理, 建立了液压马达以及发电机等关键器件的参数化能量平衡方程、机械能-电能转换模型以及转换效率计算公式, 开展了能量转换过程的效率分析。通过平台试验与模型求解结果对比可知, 压力能-动能、动能-电能的能量转化效率的相对误差较小, 分别仅为6.37%、5.12%。验证了模型的准确性。在此基础上, 通过对模型的效率分析, 对海洋温差能供电系统进行了优化设计与试制。在后续的海试试验中, 试验样机可以收集6701 J的电能, 压力能-电能转化过程的能量转化效率可达38.86%, 验证了系统的有效性。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.012
邹佳运, 曲泓玥, 陈志鹏. 大规模水下滑翔机集群区域覆盖探测路径规划[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(1): 23-29.
ZOU Jia-yun, QU Hong-yue, CHEN Zhi-peng. Path Planning of a Large-scale Underwater Glider Swarm Area Coverage Detection[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(1): 23-29.
在水下滑翔机集群执行搜索任务时, 通过合理设定各平台的搜索路径, 能够有效提高集群的探测效能, 从而实现利用最少平台的最大化探测区域覆盖。为解决大规模集群任务规划中计算量巨大的问题, 文中在栅格法的基础上, 通过几何划定有效覆盖区域并反演栅格序数的方法, 构建了评价覆盖能力的高精度布尔模型, 并以此为支撑, 利用群智能方法实现了大规模集群对广域海区的快速路径规划。在此基础上, 利用序贯思想, 提出了以较小计算量解决集群平台数量最小化的方法。通过仿真试验验证了该方法的可行性。文中的方法可为大规模水下滑翔机集群的探测任务规划提供支持。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.04
王 超, 韩 梅, 孙芹东, 兰世泉. 水下声学滑翔机平台噪声测试与优化[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 396-402.
WANG Chao, HAN Mei, SUN Qin-dong, LAN Shi-quan. Noise Measurement and Optimization of Underwater Acoustic Glider Platform[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(4): 396-402.
为了提高水下声学滑翔机水中目标探测能力, 更好地开展矢量水听器在水下滑翔机上的应用, 文中通过在消声水池对现有“海燕-II”水下滑翔机进行的自噪声测试试验, 定量分析了4种不同工况下平台噪声对矢量水听器各通道接收信号的影响, 由试验结果可知: 水下滑翔机上集成的矢量水听器接收信号会受到严重的平台近场噪声干扰, 特别在500 Hz以下的低频段, 平台噪声对矢量水听器矢量通道的影响较大; 在40 Hz频点处, 由于航向调节机构工作对矢量水听器矢量通道具有最大58 dB的谱级升高。针对水下滑翔机平台噪声测量结果, 从5方面进行了减振降噪处理和优化, 测试结果表明, 平台优化后较之前由航向调节机构对矢量水听器产生的噪声干扰大幅降低, 但在200 Hz以下的低频段, 航向调节机构工作对矢量水听器矢量通道仍具有较大的噪声干扰。所得结论可为水下声学滑翔机在进行水中目标探测时的频率处理范围选择提供参考。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.007
潘昊东, 王志光, 刘纯虎, 连 琏. 水下滑翔机半实物仿真系统设计与实现[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 440-445.
PAN Hao-dong, WANG Zhi-guang, LIU Chun-hu, LIAN Lian. Design and Realization of Hardware-in-the-loop Simulation System of Underwater Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(4): 440-445.
为提高水下滑翔机的研究开发效率, 降低研发成本, 文中设计了一种水下滑翔机的半实物仿真系统。该系统首先仿真水下滑翔机水下运动时的运动状态及水下环境等信息, 然后将其送入水下滑翔机的主控系统, 主控系统输出对应的控制信息, 再经由仿真系统采集处理后送入系统管理软件保存, 方便用户对控制过程进行分析处理。最后, 主控系统通过RS232串口将数据上传到数据接收处理软件, 以仿真水下滑翔机与岸站的通信过程。通过相关测试可知, 文中设计的半实物仿真系统可高效完成水下滑翔机控制系统、通信系统等的工作任务, 满足设计要求, 显著降低了研发成本, 具有理想的应用前景。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.013
孙芹东, 张小川, 王文龙. 适用于水下滑翔机平台的声矢量传感器设计[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(3): 309-314.
SUN Qin-dong, ZHANG Xiao-chuan, WANG Wen-long. Acoustic Vector Sensor Design for Underwater Glider Platform[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(3): 309-314.
针对水下滑翔机缓动平台应用声矢量传感器用于水中移动目标探测时, 传感器姿态不能准确测量导致目标方位输出精度低的问题, 文中设计了一种具有姿态感知能力的声矢量传感器。首先, 将姿态传感器集成应用于声矢量传感器设计, 并对其进行参数测试; 其次, 将声矢量传感器集成在水下滑翔机平台, 并在消声水池对声矢量传感器进行等效噪声声源级测量; 最后, 利用水下滑翔机平台搭载声矢量传感器开展目标探测试验, 试验时以科考试验船为配合目标, 检验声矢量传感器在水下滑翔机平台应用时对噪声源的目标方位估计能力。海试结果表明, 经姿态校正后, 目标方位估计结果与全球定位系统推算方位结果基本吻合, 满足测向精度要求。文中研究可为声矢量传感器在水下滑翔机平台上的工程应用提供参考。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.011
孙芹东, 兰世泉, 王 超, 王文龙. 水下声学滑翔机研究进展及关键技术[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(1): 10-17.
SUN Qin-dong, LAN Shi-quan, WANG Chao, WANG Wen-long. Key Technologies of Underwater Acoustic Glider: A Review[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(1): 10-17.
水下声学滑翔机具有大航程、长航时、高隐蔽性及低成本的特点, 是用于水下移动目标探测、海洋水文环境精细化测量的优势平台, 在全球海洋安全与环境观测体系建设中发挥着重要作用。文章详细梳理了国内外水下声学滑翔机研究进展, 简述其系统组成和功能; 探讨了水下声学滑翔机设计及规模化应用涉及的平台减振降噪、自主控制、多模混合推进、声学传感器设计及应用、目标属性自主判别, 以及安全布放与回收等关键技术。文中研究可为国内同类水下无人探测装备的系统开发提供参考。
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http://sxwrxtxb.xml-journal.net/cn/article/doi/10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.002
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