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UUV水下自主回收技術(精) 版權信息
- ISBN：9787030673732
- 條形碼：9787030673732 ; 978-7-03-067373-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
UUV水下自主回收技術(精) 內(nèi)容簡介
本書針對UUV水下自主回收技術的流體動力特性、操縱性、運動控制等問題進行了系統(tǒng)、深入的研究，基于CFD技術和勢流理論，建立了UUV回收過程中流場和附加質(zhì)量計算數(shù)學模型，分析了流體動力特性；針對UUV回收過程運動特性，基于剛體動力學理論建立了空間運動數(shù)學模型，仿真分析了回收過程UUV運動和操縱性；結(jié)合UUV回收過程的導引方式，給出了回收路徑規(guī)劃；探討了UUV自主回收控制方法，給出了基于聲學定位系統(tǒng)和光學系統(tǒng)的水下回收控制模型，分析了各種路徑跟蹤方法在回收中的應用；建立了波浪擾動力數(shù)學模型，針對復雜海洋環(huán)境下波浪對UUV回收過程的影響展開研究；設計了UUV水下回收流體動力測試裝置，并闡述了實驗原理和實驗方法。 本書可為高等院校和科研院所開展UUV水下自主回收技術研究提供參考，也可用于船舶與海洋工程、兵器科學與技術等相關專業(yè)的研究生教學。
UUV水下自主回收技術(精) 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 UUV水下回收的意義 1
1.2 UUV回收的分類及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進展 2
1.2.1 水面艦船回收 2
1.2.2 水下基站回收 3
1.2.3 水下潛器回收 4
1.3 UUV水下自主回收技術的發(fā)展趨勢 8
1.3.1 流體干擾計算技術 9
1.3.2 操縱性能及控制技術 10
1.3.3 水下精確對接導航定位問題 10
參考文獻 11
第2章 基于CFD技術的UUV回收過程流體動力計算 14
2.1 CFD理論模型 14
2.1.1 RANS控制方程 15
2.1.2 湍流模型 16
2.1.3 壁面函數(shù) 18
2.1.4 數(shù)值方法 20
2.2 潛艇擾流對UUV流體動力的干擾 22
2.2.1 計算模型建立及網(wǎng)格劃分 22
2.2.2 干擾計算 25
2.3 UUV平行于潛艇縱軸線運動時的流體動力干擾 53
2.3.1 CFD網(wǎng)格生成 53
2.3.2 不同相對速度對流體動力的影響 54
2.3.3 不同間距對流體動力的影響 56
2.4 UUV垂直于潛艇縱軸線運動時的仿真 58
2.4.1 CFD網(wǎng)格生成 58
2.4.2 不同相對速度對流體動力的影響 59
2.4.3 UUV橫向靠近潛艇運動時其流體動力的變化 64
2.4.4 UUV橫向遠離潛艇運動時其流體動力的變化 67
2.5 基于二維模型的UUV在極限流域運動的流場分析 72
2.5.1 計算模型建立及網(wǎng)格生成 72
2.5.2 流場特性與計算分析 73
2.6 基于三維模型的UUV在極限流域運動的流場分析 81
2.6.1 計算模型建立及網(wǎng)格生成 81
2.6.2 流場特性與計算分析 82
參考文獻 88
第3章 基于勢流理論的UUV回收過程附加質(zhì)量計算 90
3.1 勢流理論模型 90
3.1.1 數(shù)學模型 90
3.1.2 面元法 91
3.2 面元法求解附加質(zhì)量 94
3.2.1 附加質(zhì)量導出 94
3.2.2 附加質(zhì)量基本性質(zhì) 96
3.2.3 數(shù)值方法 97
3.3 無界流域中UUV附加質(zhì)量計算 98
3.3.1 單個球體和橢球體附加質(zhì)量計算 98
3.3.2 UUV附加質(zhì)量計算 103
3.4 有界流域?qū)UV附加質(zhì)量的干擾 106
3.4.1 平壁面對球體附加質(zhì)量的干擾 106
3.4.2 平壁面對UUV附加質(zhì)量的干擾 109
3.4.3 圓柱壁面對UUV附加質(zhì)量的干擾 114
參考文獻 118
第4章 UUV回收運動與操縱性 120
4.1 UUV空間運動數(shù)學模型 120
4.1.1 坐標系與坐標轉(zhuǎn)換矩陣 120
4.1.2 運動學方程 122
4.1.3 動力學方程 124
4.1.4 流體動力 128
4.1.5 六自由度運動模型 133
4.2 流體動力干擾下UUV操縱性分析 133
4.2.1 流體動力干擾下UUV縱向操縱性分析 133
4.2.2 流體動力干擾下UUV側(cè)向-橫滾操縱性分析 144
4.3 UUV靠近對接裝置運動仿真 161
4.4 UUV進出管安全性分析 162
4.4.1 安全性分析建模 163
4.4.2 求解過程 168
4.4.3 仿真結(jié)果分析 169
參考文獻 174
第5章 UUV水下回收導引技術 176
5.1 導引方法 176
5.1.1 尾追法 177
5.1.2 固定提前角法 180
5.1.3 平行接近法 183
5.1.4 比例導引法 184
5.1.5 逐次變提前角導引法 187
5.1.6 *優(yōu)導引法 188
5.2 回收導引過程規(guī)劃 191
5.2.1 導引策略分析 191
5.2.2 初始陣位分析 193
5.2.3 回收導引仿真的實現(xiàn) 195
5.3 回收導引過程仿真 196
5.3.1 單一導引法回收導引過程仿真 196
5.3.2 組合導引法回收導引過程仿真 206
參考文獻 213
第6章 UUV水下回收控制技術 214
6.1 基于聲學定位系統(tǒng)的UUV水下回收控制技術 214
6.1.1 基于USBL系統(tǒng)的回塢定位 214
6.1.2 基于偶極勢場的回塢導引與控制 218
6.1.3 自適應非奇異終端滑模跟蹤控制 223
6.1.4 仿真分析 227
6.2 基于光學的UUV水下回收控制技術 238
6.2.1 基于光學的水下航行器相對位姿和目標速度估計 238
6.2.2 基于位姿估計的欠驅(qū)動UUV光學伺服控制 248
6.2.3 基于位姿估計的欠驅(qū)動UUV光學伺服控制仿真與分析 257
參考文獻 262
第7章 波浪對UUV水下回收的影響 263
7.1 波浪概述 263
7.1.1 波浪 263
7.1.2 波浪理論 263
7.1.3 風力、海浪等級表 264
7.2 基于勢流理論的波浪力計算 265
7.2.1 海浪線性自由面條件 265
7.2.2 線性波理論 266
7.2.3 隨機波理論 270
7.2.4 運動物體的波浪擾動力一般計算模型 275
7.2.5 運動物體在規(guī)則波中線性響應的定解條件 276
7.2.6 UUV波浪擾動力數(shù)學模型 280
7.3 基于N-S方程的波浪力計算 283
7.3.1 海浪數(shù)學模型的建立 284
7.3.2 三維區(qū)域的波浪模擬 287
參考文獻 298
第8章 UUV水下回收流體動力測試實驗 299
8.1 流體動力測試裝置設計要求 299
8.1.1 流體動力測試裝置的總體要求 299
8.1.2 流體動力測試裝置總體設計方案 299
8.2 流體動力測試裝置模型設計 300
8.2.1 UUV模型及回收管模型設計 300
8.2.2 力學傳感器的選擇及靜校 301
8.2.3 流體動力測試系統(tǒng)裝置設計 306
8.3 水下回收流體動力測試裝置水池實驗 309
8.3.1 實驗目的 309
8.3.2 實驗設備 309
8.3.3 實驗原理 310
8.3.4 實驗流程 312
參考文獻 313
彩圖
前言
第1章 緒論 1
1.1 UUV水下回收的意義 1
1.2 UUV回收的分類及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進展 2
1.2.1 水面艦船回收 2
1.2.2 水下基站回收 3
1.2.3 水下潛器回收 4
1.3 UUV水下自主回收技術的發(fā)展趨勢 8
1.3.1 流體干擾計算技術 9
1.3.2 操縱性能及控制技術 10
1.3.3 水下精確對接導航定位問題 10
參考文獻 11
第2章 基于CFD技術的UUV回收過程流體動力計算 14
2.1 CFD理論模型 14
2.1.1 RANS控制方程 15
2.1.2 湍流模型 16
2.1.3 壁面函數(shù) 18
2.1.4 數(shù)值方法 20
2.2 潛艇擾流對UUV流體動力的干擾 22
2.2.1 計算模型建立及網(wǎng)格劃分 22
2.2.2 干擾計算 25
2.3 UUV平行于潛艇縱軸線運動時的流體動力干擾 53
2.3.1 CFD網(wǎng)格生成 53
2.3.2 不同相對速度對流體動力的影響 54
2.3.3 不同間距對流體動力的影響 56
2.4 UUV垂直于潛艇縱軸線運動時的仿真 58
2.4.1 CFD網(wǎng)格生成 58
2.4.2 不同相對速度對流體動力的影響 59
2.4.3 UUV橫向靠近潛艇運動時其流體動力的變化 64
2.4.4 UUV橫向遠離潛艇運動時其流體動力的變化 67
2.5 基于二維模型的UUV在極限流域運動的流場分析 72
2.5.1 計算模型建立及網(wǎng)格生成 72
2.5.2 流場特性與計算分析 73
2.6 基于三維模型的UUV在極限流域運動的流場分析 81
2.6.1 計算模型建立及網(wǎng)格生成 81
2.6.2 流場特性與計算分析 82
參考文獻 88
第3章 基于勢流理論的UUV回收過程附加質(zhì)量計算 90
3.1 勢流理論模型 90
3.1.1 數(shù)學模型 90
3.1.2 面元法 91
3.2 面元法求解附加質(zhì)量 94
3.2.1 附加質(zhì)量導出 94
3.2.2 附加質(zhì)量基本性質(zhì) 96
3.2.3 數(shù)值方法 97
3.3 無界流域中UUV附加質(zhì)量計算 98
3.3.1 單個球體和橢球體附加質(zhì)量計算 98
3.3.2 UUV附加質(zhì)量計算 103
3.4 有界流域?qū)UV附加質(zhì)量的干擾 106
3.4.1 平壁面對球體附加質(zhì)量的干擾 106
3.4.2 平壁面對UUV附加質(zhì)量的干擾 109
3.4.3 圓柱壁面對UUV附加質(zhì)量的干擾 114
參考文獻 118
第4章 UUV回收運動與操縱性 120
4.1 UUV空間運動數(shù)學模型 120
4.1.1 坐標系與坐標轉(zhuǎn)換矩陣 120
4.1.2 運動學方程 122
4.1.3 動力學方程 124
4.1.4 流體動力 128
4.1.5 六自由度運動模型 133
4.2 流體動力干擾下UUV操縱性分析 133
4.2.1 流體動力干擾下UUV縱向操縱性分析 133
4.2.2 流體動力干擾下UUV側(cè)向-橫滾操縱性分析 144
4.3 UUV靠近對接裝置運動仿真 161
4.4 UUV進出管安全性分析 162
4.4.1 安全性分析建模 163
4.4.2 求解過程 168
4.4.3 仿真結(jié)果分析 169
參考文獻 174
第5章 UUV水下回收導引技術 176
5.1 導引方法 176
5.1.1 尾追法 177
5.1.2 固定提前角法 180
5.1.3 平行接近法 183
5.1.4 比例導引法 184
5.1.5 逐次變提前角導引法 187
5.1.6 *優(yōu)導引法 188
5.2 回收導引過程規(guī)劃 191
5.2.1 導引策略分析 191
5.2.2 初始陣位分析 193
5.2.3 回收導引仿真的實現(xiàn) 195
5.3 回收導引過程仿真 196
5.3.1 單一導引法回收導引過程仿真 196
5.3.2 組合導引法回收導引過程仿真 206
參考文獻 213
第6章 UUV水下回收控制技術 214
6.1 基于聲學定位系統(tǒng)的UUV水下回收控制技術 214
6.1.1 基于USBL系統(tǒng)的回塢定位 214
6.1.2 基于偶極勢場的回塢導引與控制 218
6.1.3 自適應非奇異終端滑模跟蹤控制 223
6.1.4 仿真分析 227
6.2 基于光學的UUV水下回收控制技術 238
6.2.1 基于光學的水下航行器相對位姿和目標速度估計 238
6.2.2 基于位姿估計的欠驅(qū)動UUV光學伺服控制 248
6.2.3 基于位姿估計的欠驅(qū)動UUV光學伺服控制仿真與分析 257
參考文獻 262
第7章 波浪對UUV水下回收的影響 263
7.1 波浪概述 263
7.1.1 波浪 263
7.1.2 波浪理論 263
7.1.3 風力、海浪等級表 264
7.2 基于勢流理論的波浪力計算 265
7.2.1 海浪線性自由面條件 265
7.2.2 線性波理論 266
7.2.3 隨機波理論 270
7.2.4 運動物體的波浪擾動力一般計算模型 275
7.2.5 運動物體在規(guī)則波中線性響應的定解條件 276
7.2.6 UUV波浪擾動力數(shù)學模型 280
7.3 基于N-S方程的波浪力計算 283
7.3.1 海浪數(shù)學模型的建立 284
7.3.2 三維區(qū)域的波浪模擬 287
參考文獻 298
第8章 UUV水下回收流體動力測試實驗 299
8.1 流體動力測試裝置設計要求 299
8.1.1 流體動力測試裝置的總體要求 299
8.1.2 流體動力測試裝置總體設計方案 299
8.2 流體動力測試裝置模型設計 300
8.2.1 UUV模型及回收管模型設計 300
8.2.2 力學傳感器的選擇及靜校 301
8.2.3 流體動力測試系統(tǒng)裝置設計 306
8.3 水下回收流體動力測試裝置水池實驗 309
8.3.1 實驗目的 309
8.3.2 實驗設備 309
8.3.3 實驗原理 310
8.3.4 實驗流程 312
參考文獻 313
彩圖
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UUV水下自主回收技術(精) 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 UUV水下回收的意義 地球表面約有71%的面積被海洋占據(jù)，廣袤的海洋中蘊藏了極其豐富的生物資源、礦產(chǎn)資源及各種形式的能源，同時，海洋作為國家的藍色國土，是國家重要的“門戶”，是與其他國家聯(lián)系的重要途徑，海洋安全是國家安全的重要組成部分，因此，探索研究海洋未知領域、開發(fā)利用海洋資源、維護領海權益等需求促進了水下航行器(underwater vehicle，UV)的迅速發(fā)展。海洋探測與開發(fā)技術的迅速發(fā)展對水下作業(yè)的任務、領域等提出了極高的要求，考慮到復雜且不可預知的海洋環(huán)境、潛航員人身安全、特殊水下作業(yè)任務及經(jīng)濟性等問題，自20世紀50年代至今，無人水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)在科研、商業(yè)、軍事等領域占據(jù)了不可取代的地位。在科研方面，UUV可以完成對海洋水文資料的搜集、海底地貌的繪制、海床礦脈的探測、海洋生態(tài)環(huán)境的監(jiān)控等；在商業(yè)方面，UUV經(jīng)常用于海底管道及光纜的鋪設和檢查工作等；在軍事方面，UUV已被多國用于海洋軍事偵察、反水雷探測和反潛作戰(zhàn)等。UUV自誕生以來就受到世界各發(fā)達國家的高度重視，尤其是20世紀90年代后，UUV的技術得到了飛速發(fā)展。目前，美國、英國、德國、法國、加拿大、俄羅斯、丹麥、瑞典、挪威、意大利、烏克蘭、日本、韓國、澳大利亞等已將較多的機構(gòu)和人力投入到UUV的研究和開發(fā)中，制造了上百種UUV。 雖然UUV具備隱蔽性強、機動能力高及經(jīng)濟性好等突出的優(yōu)點，但是其執(zhí)行任務的能力通常只能依靠自帶能源，因此其工作時間及作業(yè)范圍不可避免地受到能源的限制，這就需要對UUV及時地實施回收，進行能源補充、讀取收集到的數(shù)據(jù)、檢修維護、輸入新的任務等，為UUV再次布放作業(yè)做好準備。此外，UUV自身昂貴的造價及珍貴的數(shù)據(jù)信息也對UUV回收的必要性和可靠性提出了高要求。 目前，UUV的回收方式按回收平臺的類別主要分為水下回收和水面回收。水下回收又分為水下基站回收和水下潛器回收。水面艦船回收是多數(shù)UUV采用的水面回收方式，但受海面風浪影響較大。隨著UUV回收應用領域的不斷拓展，相應的UUV回收技術也由水面回收方式不斷向水下自主回收方式發(fā)展。UUV水下自主回收技術在民用領域可為UUV連續(xù)自主工作提供支持，在軍用領域可為水下航行器隱蔽作業(yè)提供可能，更是未來構(gòu)建“深海空間站”不可或缺的支撐技術。因此，UUV水下自主回收技術的研究對建設海洋強國、捍衛(wèi)國家主權和實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的偉大目標具有重要意義。 1.2 UUV回收的分類及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進展 在UUV完成任務后，通常會對其實施回收操作。UUV回收方式主要有水面艦船回收、水下基站回收和水下潛器回收。 1.2.1 水面艦船回收 用于UUV回收的水面艦船在船尾或船側(cè)多搭載有對應UUV的回收設備，這些設備通常包括A形架、塢式滑道、懸臂起吊機、網(wǎng)具等(圖1-1～圖1-4)。水面艦船回收方法應用廣泛，適用于各級別UUV和載人水下航行器(manned UV，MUV)，但該方法易受海面風浪的影響。考慮到回收作業(yè)人員及UV安全等因素，該方法在海況惡劣的條件下難以實施。 圖1-1 采用A形架回收 圖1-2 采用塢式滑道回收 圖1-3 懸臂起吊機回收 圖1-4 采用網(wǎng)具回收 1.2.2 水下基站回收 水下基站通常固定或錨系在海底，可作為海洋環(huán)境觀測網(wǎng)的一個節(jié)點，為入站的UUV提供能源補給和數(shù)據(jù)交互，是一種完全自主的對接回收方式，對UUV導航及操縱性等有較高的要求。水下基站回收系統(tǒng)中有代表性的為REMUS 100對接系統(tǒng)、蒙特利灣水族館研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute，MBARI)的對接系統(tǒng)等。 REMUS 100是伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institute，WHOI)設計的小型、低成本AUV，其特征直徑為19cm，可用于沿海監(jiān)測、湍流研究、海洋環(huán)境采樣、水文地理研究及執(zhí)行軍事任務等。1998年，WHOI分別選取Woods Hole、LEO-15 Observatory及Gulfport對**代系統(tǒng)(圖1-5)進行了試驗，其中在Gulfport實施的33次試驗任務中成功了30次，成功率達到91%。 2005年，WHOI對REMUS 100對接系統(tǒng)進行了升級，升級后的AUV增加了慣性導航系統(tǒng)(inertial navigation system)、數(shù)字超短基線(digital ultral-short baseline，DUSBL)傳感器等，同時對基站也進行了修改，增加了可彈出式聲學探測天線、線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer，LVDT)以及一組用于數(shù)據(jù)傳輸、充電和下載任務的插針式執(zhí)行機構(gòu)等。2005年末至2006年初，WHOI對新型對接系統(tǒng)(圖1-6)進行了試驗，得到29次任務中成功17次的結(jié)果，且每次成功對接回收過程中，基站上的LVTD傳感器和各執(zhí)行機構(gòu)均工作正常，數(shù)據(jù)交互和充電均100%實現(xiàn)。 圖1-5 **代REMUS 100對接系統(tǒng) 圖1-6 升級后的REMUS 100對接系統(tǒng) 與REMUS 100對接系統(tǒng)不同，MBARI的對接系統(tǒng)不是以小口徑AUV為回收對象，而是針對長358cm、重640kg、特征直徑54cm的Dorado/Bluefin AUV (圖1-7)進行回收。如圖1-8所示，該系統(tǒng)在海試前在1.4×106L海水池中進行了試驗，試驗中通過一個2.5cm的天線達到了10Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速度，在充電測試中1kW的傳輸效率高達88%。 圖1-7 Dorado/Bluefin AUV 圖1-8 MBARI的水下對接系統(tǒng)海水池試驗 除此之外，還有采用坐落式對接回收的日本川崎重工的Marine-bird系統(tǒng)、佛羅里達大西洋大學(Florida Atlantic University)設計的以UUV腹部桿件為對接目標的對接系統(tǒng)，以及采用V形裝置捕捉桿或纜索的OdysseyⅡ AUV對接回收系統(tǒng)等。 1.2.3 水下潛器回收 水下潛器回收多選用潛艇作為回收平臺。用潛艇回收UUV的方式主要為以潛艇的魚雷發(fā)射管或?qū)棸l(fā)射管作為通道回收UUV，或采用潛艇外搭載回收設備回收UUV。水下潛器回收方式不僅有良好的隱蔽性，而且可拓展?jié)撏ё鲬?zhàn)能力，是目前各國軍事領域研究的熱點。 目前，以魚雷發(fā)射管為通道回收UUV的方法可分為：利用單魚雷發(fā)射管水下回收UUV，如近期水雷偵察系統(tǒng)(near term mine reconnaissance system，NMRS)的回收系統(tǒng)；利用雙魚雷發(fā)射管水下回收UUV，如美國海軍遠期水雷偵察系統(tǒng)(long term mine reconnaissance system，LMRS)的水下回收系統(tǒng)；借助遙控潛水器(remotely operated vehicle，ROV)等設備輔助回收UUV，如SeaOwl SUBROV。 單魚雷發(fā)射管水下回收UUV，是以單個潛艇魚雷發(fā)射管為UUV回收通道，并通過一套專用設備對UUV實施回收。該設備主要由絞盤、液壓泵體、拖纜浮標、多個同心套管等組成，其中浮標置于內(nèi)管中，通過拖纜與絞盤連接，具體如圖1-9所示。回收UUV時，將該設備連接到魚雷發(fā)射管后部，液壓泵體與絞盤配合工作將同心套管沿魚雷發(fā)射管伸出艇外，隨后拖纜浮標自航出管向UUV靠近，浮標頭部的“凸起”裝置用于和UUV尾端對接，浮標與UUV對接完成后由液壓泵體和絞盤配合工作將二者拖入艇內(nèi)，并將UUV留在魚雷發(fā)射管中，*后回收設備復位完成回收。此外，該設備內(nèi)管與中層套管間設有緊急丟棄裝置，出現(xiàn)突發(fā)狀況時(如浮標或UUV卡管等)，該裝置可將內(nèi)管和浮標與回收設備解脫，采用丟棄浮標及內(nèi)管的方式終止回收。 圖1-9 單管回收方式 雙魚雷發(fā)射管水下回收UUV，即通過潛艇的兩個魚雷發(fā)射管水下回收UUV，一個管用于布置回收設備，另一個管用于接收容納UUV。LMRS采用該回收方式，如圖1-10所示，該回收設備主要包括長18.3m且重約2t的可伸縮機械臂、尋的裝置和對接加緊裝置等。回收UUV時，機械回收設備由上方魚雷發(fā)射管伸出展開，UUV自主導引向機械臂對接裝置，對接完成后回收設備夾緊UUV，并將其送入下方魚雷發(fā)射管預定位置，隨后回收設備復位完成回收。 此外，還有利用ROV輔助潛艇回收UUV。如圖1-11所示，SeaOwl SUBROV可在艇內(nèi)人員的操控下將UUV用纜索鎖緊并馱帶，將其送入潛艇魚雷發(fā)射管。 潛艇垂直發(fā)射管回收方式是指利用潛艇的垂直導彈發(fā)射管進行UUV回收的一種方式。潛艇的垂直發(fā)射管的空間比常規(guī)魚雷發(fā)射管的空間要富裕很多，這為大口徑及非回轉(zhuǎn)體型UUV的回收提供了可能，具體回收過程如圖1-12所示。 圖1-10 LMRS的水下回收系統(tǒng) 圖1-11 SeaOwl SUBROV回收UUV 圖1-12 基于潛艇垂直發(fā)射管的UUV回收方式
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