水下滑翔机技术研究最新进展与关键技术

水下声学滑翔机研究进展及关键技术

孙芹东, 兰世泉, 王超, 等. 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): 010-17.

SUN Qin-dong, LAN Shi-quan*, Wang Chao, et al. Key Technologies of Underwater Acoustic Glider: A Review[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(1): 010-17.

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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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

王国晖, 杨亚楠, 王延辉*, 等. 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, et al. 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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大规模水下滑翔机集群区域覆盖探测路径规划

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): 023-29.

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): 023-29.

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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适用于水下滑翔机平台的声矢量传感器设计

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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水下声学滑翔机平台噪声测试与优化

王 超, 韩 梅, 孙芹东, 等. 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, et al. 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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水下滑翔机半实物仿真系统设计与实现

潘昊东, 王志光, 刘纯虎, 等. 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, et al. 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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基于FLUENT的水下热滑翔机相变过程仿真分析

刘鸿瑨, 胡欲立, 杨 威, 等. 基于FLUENT的水下热滑翔机相变过程仿真分析[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(5): 532-537.

LIU Hong-jin, HU Yu-li, YANG Wei, et al. Simulation of Phase Transition Process of Underwater Thermal Glider Based on FLUENT[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(5): 532-537.

固液相变过程是水下热滑翔机汲取利用海洋温差能的关键过程。固液相变过程受多种因素影响, 文中主要考虑在自然对流存在的基础上, 引入了压力对热滑翔机固液相变过程的影响。建立了水下热滑翔机换热热管中的相变换热仿真模型, 并使用ANSYS FLUENT 18.0软件对不同压力下热管换热过程进行仿真计算。研究发现, 压力会改变材料的融化温度, 进而影响材料的相变过程。随着压力的升高, 材料融化温度上升, 在相同温度下完全融化所需时间会变长, 但是凝固所需时间反而变短, 如果融点高于海水暖水层温度, 材料将无法完成相变过程, 热滑翔机将不能稳定工作。仿真结果对于水下热滑翔机相变过程研究具有积极意义。

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海洋温盐深传感器技术自主创新与产业发展的几点思考

李红志,闫晨阳,贾文娟.海洋温盐深传感器技术自主创新与产业发展的几点思考[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(3): 249-256.

LI Hong-zhi, YAN Chen-yang, JIA Wen-juan. Some Thoughts on Independent Innovation and Industrial Development of Ocean CTD Sensor Technology[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(3): 249-256.

温盐深(CTD)是海洋动力环境要素中最基础的环境信息, 海洋调查首先是对海水的温度、盐度随深度分布及变化的调查。所有的海洋观测监测平台都要集成和应用温盐深传感器, 相关测量仪器已普遍应用于台站, 船舶, 浮标, 潜标, 座底式、拖曳式和水下运动平台等。文中分析了国际上海洋CTD测量传感器的应用需求和技术发展动态, 回顾了我国温盐深传感器技术的发展历程, 深度剖析国内CTD传感器应用的“卡脖子”之痛原因之所在。最后, 针对多年来我国该项技术一直依赖于进口、受制于人的现状, 提出实现该技术自主创新和产业发展的思考建议。文中研究可以为未来国产海洋CTD传感器技术的自主创新和产业发展提供一些建议。