Multidisciplinary Design Optimization of Unmaned Underwater Vehicles

20世纪末，水下机器人（Unmanned Underwater Vehicles,UUV）的关键技术日趋发展成熟，人类在UUV科技攻关和工程应用等领域的活动规模不断扩大，技术水平不断提高。UUV在海洋开发、科学考察以及军事领域的作用日益明显，独特的技术优势和潜在的经济效益，将促使水下机器人在21世纪的人类海洋活动中获得巨大发展。 UUV是一种复杂的机械电子工程系统，涉及多个学科的理论知识和工程技术，各个学科之间互相交叉与融合，学科之间的复杂关系给UUV的设计及优化带来极大的挑战，与飞行器、舰船、鱼雷等复杂工程系统相比，UUV的总体设计优化理论尚未成熟，相关的设计知识库或经验积累并未得到系统的整理和提升，设计规范或技术标准有待建立。如何系统地把握UUV的设计活动，形成适应UUV特点的总体设计理论和优化方法，成为UUV领域亟待深入研究的课题。 本文以复杂工程系统的设计理论和优化方法为借鉴，以新兴的多学科设计优化方法（Multidisciplinary Design Method,MDO）为切入点，结合中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研发实践经验，从系统工程的角度探讨UUV的多学科设计优化方法，重点关注UUV的概念设计和初步设计，提高初步设计的科学性和权重，借助日益成熟的数字化设计手段，引入高精度数值模拟分析技术，建立UUV设计与分析的自动化集成流程及其支撑环境，指出传统设计优化方法的局限性，阐述多学科设计优化方法的优势，将梯度寻优算法和遗传算法等应用于UUV概念设计空间的寻优搜索，以期望在初始设计阶段就为UUV的系统工程活动奠定良好的基础。 本文主要研究内容如下： （1）综述UUV的发展历程与未来发展趋势，探讨UUV在发展过程中存在的问题，重点关注设计方法的发展，借鉴其它复杂工程系统的设计理论，指出UUV总体设计活动的关键环节，找出制约设计水平提升的主要问题，针对设计方法和设计手段方面的局限性，提出有效的解决方法，从而引申出本文的研究内容和意义。 （2）水下机器人系统分解与学科分析研究。根据UUV系统技术特点，将学科进行划分，探讨并界定每个学科的内涵与范围，描述各个学科在不同设计阶段所扮演的角色，分析其占据的权重，指出各个学科与总体之间的关系，以及各个学科与其他学科之间的耦合关系；在完成UUV系统分解后，给出几类典型的学科分析内容和分析方法。 （3）以水动力学科为重点，讨论UUV概念设计中的学科分析方法。基于计算流体动力学方法，建立了UUV的数值模拟水池，并实现了水下滑翔机器人的水动力批处理计算，降低水动力分析人员的劳动强度，提高分析效率；讨论UUV空间动力学模型及其水动力系数的辨识方法。 （4）UUV设计与分析环境集成关键技术研究。对比分析几种成熟MDO集成环境特点，给出UUV常用设计软件的输入和输出接口，并以脚本语言和批处理技术为基础解决设计与分析环境的集成问题，构建UUV概念设计支撑环境。 （5）综述多学科设计优化中基于高精度学科分析所带来的计算困难，介绍解决此问题的近似技术，并引伸出代理模型的思想，综述代理模型的研究与发展状况，详细讨论代理模型的构建过程，介绍试验设计理论，并探讨了各种试验设计方法在设计空间采样中的作用和选择准则，结合测试算例展示了代理模型在对未知设计空间探索中发挥的作用。 （6）以水下滑翔机器人机翼设计优化问题为研究对象，建立机翼设计优化模型，实现水动力学科分析流程的自动化，以高精度计算流体动力学求解器为评价手段，研究了基于代理模型的机翼设计优化方法，完整地展示了设计优化过程，研究结果表明，设计空间的寻优效率得到较大提高，传统的梯度寻优算法和遗传算法均得以应用，对比传统设计优化方法与遗传算法之间的差异，讨论优化方法的选择策略，最后给出设计优化结果

Underwater equipment explosives safety system

本发明涉及一种水下装备使用的火工品保险系统和方法，控制信号功能模块输入端连接外部主机系统，接收控制指令；输出端连接外部执行机构，对外部执行机构进行控制；到位反馈信号检测功能模块输入端连接外部执行机构，接收到位反馈信号；输出端连接火工品点火保险功能模块和外部主机系统，火工品点火保险功能模块连接外部主机系统，接收外部主机系统的点火控制信号并向外部主机系统发送各级继电器电路输出反馈信号和点火确认反馈信号；电源模块连接火工品点火保险功能模块、到位反馈信号检测功能模块和控制信号功能模块，对其供电。本发明可在水下装备进行火工品点火时，提高其操作的安全性与可靠性

Design and implementation of a general docking device for revolving AUV

自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV),尤其是回转形AUV,是海底探测、海洋地貌观察和军事海洋学研究的重要工具,但其续航能力一直是限制其完成远距离和长时间工作的关键问题。目前已研制出的水下对接装置只能与特定尺寸的水下机器人完成对接,通用性较差。为了解决不同尺寸回转形AUV的能源补充及数据上传下载的问题,介绍了目前存在的水下对接形式,并在此基础上设计了一款通用性水下对接装置。该装置采用水下灯光导引方式对AUV进行导引定位,当AUV进入对接装置后通过导流罩对AUV进行导向,最终采用丝杠滑台装置夹持固定AUV。该装置可以为不同尺寸的回转形AUV补充能源并提供数据上传下载服务,提高了AUV的续航力、数据收集能力,扩大了巡航范围。最后在水池中对该水下对接装置的灯光引导、夹持装置进行了测试,验证了该水下对接装置整体的可靠性及可行性。结果表明该装置结构简单,通用性较强,稳定可靠,对水下对接装置的总体设计具有一定的借鉴和指导意义

一种外力驱动运动体的参数测量系统

本发明涉及一种外力驱动运动体的参数测量系统，包括外部采集系统设置于被测运动体固定管内部，且连接上位控制计算机，采集运动体外部信息，发送到上位控制计算机；内部采集系统设置于被测运动体内部，且连接上位控制计算机，采集运动体内部信息，发送到上位控制计算机；上位控制计算机接收到外部采集系统和内部采集系统的数据并对其进行控制。本发明结构简单、安装方便，测量内容全面，可以安装于任意管式结构的固定管内部和运动体内部，有广泛的应用价值

Virtual simulation technology of 3D obstacle avoidance algorithm for AUV

In this paper1, virtual simulation technology of 3D obstacle avoidance algorithm for AUV is presented, which can be used to simulate the underwater environment, and simulates AUV underwater autonomous obstacle avoidance. The research based on virtual simulation technology. The obstacle model is imported into Vega, and then the obstacle avoidance sonar image and obstacle information can be simulated by setting reasonable parameters in the sonar simulation module. Then, 3D obstacle avoidance algorithm, which based on fuzzy control algorithm and finite state automata algorithm, can guide AUV to avoid obstacles in real time. Finally, the experiments results show that the method is easy to be implemented by computer and meets the practical requirements of obstacle avoidance based on sonar image processing and display. The underwater autonomous 3D obstacle avoidance algorithm can be fully verified

Small unmanned water surface vehicle capable of staying for long time under high sea condition

本发明属于海洋航行器技术领域，具体地说是一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器。包括主体、甲板组件、左片体、右片体及连接支架，其中左片体和右片体分别设置于连接支架的两端，主体设置于连接支架的下方，甲板组件设置于连接支架的上方；左片体的下方设有左推进器，右片体的下方设有右推进器。本发明具有耐波性好、波浪增阻小、机动性好、使用便捷等优点，可根据程序设定或遥控指令，机动至指定位置，并在设定范围内自守位

Virtual simulation technology of 3D obstacle avoidance algorithm for AUV

In this paper1, virtual simulation technology of 3D obstacle avoidance algorithm for AUV is presented, which can be used to simulate the underwater environment, and simulates AUV underwater autonomous obstacle avoidance. The research based on virtual simulation technology. The obstacle model is imported into Vega, and then the obstacle avoidance sonar image and obstacle information can be simulated by setting reasonable parameters in the sonar simulation module. Then, 3D obstacle avoidance algorithm, which based on fuzzy control algorithm and finite state automata algorithm, can guide AUV to avoid obstacles in real time. Finally, the experiments results show that the method is easy to be implemented by computer and meets the practical requirements of obstacle avoidance based on sonar image processing and display. The underwater autonomous 3D obstacle avoidance algorithm can be fully verified

Surrogate Models Based Optimization Methods for the Design of Underwater Glider Wing

在复杂工程系统的概念设计优化中,高精度数值分析方法得到广泛应用,将高精度数值分析与优化方法有机结合,对设计空间展开全面搜索与寻优,已经成为现代设计优化方法的重要发展方向。以水下滑翔机的概念设计为研究对象,引入代理模型,控制高精度分析试验的数量,有效地化解精度与效率之间的矛盾。将参数化几何建模、网格划分以及流体数值模拟分析集成为自动分析流程,并以此为基础采用试验设计理论,构建代理模型,解决水下滑翔机机翼的多目标设计优化问题。给出基于代理模型的设计优化过程,并系统地比较几种试验设计方法的适应性,重点讨论多项式响应面和径向基函数代理模型,所得代理模型相对误差小于2%。采用梯度寻优方法与遗传算法在给定设计空间内进行全面搜索,获得机翼的最佳平面构形,水下滑翔机的升阻比提高6.76%,俯仰力矩的绝对值由0.2760N•m降低为0.0015N•m,提高水下滑翔机的运动性能

一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统

本实用新型属于水下机器人自主控制领域，具体的说是一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统及其控制方法。在水下机器人内部设置多个舱体，每个舱体内设有控制器以及通过通信总线与其连接的设备；本实用新型采用以太网进行连接，每一个功能区域拥有独立的功能控制器，这种设计便于系统模块化设计，减少系统线缆成本，同时促进水下机器人电子电气架构谱系化设计

Pre-tightening type clamping device

本发明涉及一种应用于水下机器人领域的可预紧式夹持装置，包括底座、支撑件、滑动杆、支座、钳指、滑块导杆机构、驱动连杆和平行杆机构，其中所述支撑件和滑块导杆机构固装于所述底座上，滑动杆设置于所述支撑件中并通过所述滑块导杆机构驱动升降，支座固装在所述支撑件上，所述滑动杆穿过所述支座的底面后与两个驱动连杆同轴铰接，两个驱动连杆分别与设置于滑动杆两侧的平行杆机构铰接，两个平行杆机构均铰接安装在所述支座上并通过驱动连杆驱动开启或闭合，用于夹持结构件的钳指分别安装在所述平行杆机构上。本发明通过滑块导杆机构和平行杆机构驱动装置夹紧放开，具有一定的预紧力并能够在较小空间范围内实现夹持与释放结构件