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自主水下航行器自噪声控制及实验验证自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是一种可以根据预设任务，在水下自主航行的无人潜水器，具有自主航行、自主导航、自主探测的功能[1–4]。
近年来随着AUV能源、导航、自动控制技术等方面的提升，AUV作为移动测量平台逐渐被应用于海洋环境监测、水下目标识别、水底地形探测等领域[5–7]。
由于AUV平台较小，其自噪声严重制约搭载于平台的声呐系统性能。
如何有效控制AUV的自噪声，对于平台声呐系统实现最佳性能具有重要实际意义。
AUV的自噪声主要由航行器舵机等产生的机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声几部分组成[8–9]。
文中的AUV典型航速为3kn，航速较低，噪声主要由机械振动、螺旋桨噪声产生[10]，本文主要对舵机等转动产生的机械噪声、螺旋桨噪声进行分析。
通过AUV平台与声呐系统一体化控噪设计，利用机械降噪、隔振材料、智能控制等手段，对AUV进行系统性噪声控制。
1.1 自噪声分析本文AUV推进系统采用单推进器、4个舵机驱动的方式，其结构如图1所示。
推进器电机固定于舱体内部，通过联轴器、传动轴驱动螺旋桨转动，产生推力；4个舵机固定于舱体内部，通过轴杆驱动舵板转动，控制方向和升沉。
图1 AUV推进系统结构图首先在室内对推进器噪声、舵机噪声进行测试。
推进器噪声分为电机噪声、电机加传动轴的噪声，以及电机加传动轴和螺旋桨的噪声。
电机噪声指拆除传动轴和螺旋桨，只将电机固定在舱体内工作所产生的噪声；电机加传动轴噪声指电机接上传动轴后工作所产生的噪声；电机加传动轴和螺旋桨噪声指电机接上传动轴，并且安装螺旋桨后工作所产生的噪声。
为了测试不同部件的噪声，本文对这几部分噪声单独测试。
声学测量设备为麦克风和一套数据采集系统，其中数据采集系统采样频率 52 kHz。
室内噪声测试结果已经做归一化处理。
图2为电机在不同转速下(分别为300，400和500r/min)的噪声，可以发现在15kHz附近有一个较强的单频信号，其频率值不随转速的改变而发生变化，其幅度会随着转速的增大而增大。
UUV:Unmanned Underwater Vehicle = 无人水下航行器AUV:Autonomous Underwater Vehicle = 自主式水下航行器自主式水下航行体（AUV）是水下无人航行器（UUV）的一种。
水下无人航行器（UUV）技术无论在军事上、还是民用方面都已不是新事物，其研制始于50年代，早期主要用于海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器（如鱼雷），后来在水雷战中作为灭雷具得到了较大的发展。
80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，自主式水下航行体（AUV）得到了大力发展。
由于AUV摆脱了系缆的牵绊，在水下作战和作业方面更加灵活，该技术日益受到发达国家军事海洋技术部门的重视。
AUV的战略意义AUV是一种综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，集成了深潜器、传感器、环境效应、计算机软件、能量储存、转换与推进、新材料与新工艺、以及水下智能武器等高科技，军事上用于反潜战、水雷战、侦察与监视和后勤支援等领域。
（1）反潜战AUV上装备有先进的探测设备和攻击武器，可用于跟踪并攻击敌方潜艇，并在完成任务后返回母艇。
AUV 也可作为诱饵，将敌方潜艇引开。
AUV还可作潜艇远距离水下通信的中继站，增加母艇的隐蔽性。
在搜索侦察方面，AUV可作为艇外水声或尾流传感平台进行区域监视和情报收集。
（2）水雷战在水雷战中，AUV可携带1枚或多枚水雷头自主航行到目标海域实施水雷布放，装备前视声纳和侧视声纳，可用于探测水雷、监视可疑雷场。
（3）目标靶装上靶雷的有关设备后，AUV可用于靶场试验、鱼雷鉴定、或日常操练中充当靶雷，以试验、鉴定鱼雷的性能或提高海军使用鱼雷的作战能力。
（4）侦察与监视大型AUV续航时间长，可航行至敌方或危险海域执行侦察和监视任务，能够长时间隐蔽地采集信息。
战争时期，还可为两栖突击队侦察水雷、障碍等开辟水下进攻通道。
螺旋桨设计说明书课程设计螺旋桨图谱设计计算说明书“XX号”学院航运与船舶工程学院专业船舶与海洋工程学生姓名班级船舶班学号组员指导教师目录一、前言1二、船体主要参数1三、主机主要参数1四、推进因子1五、阻力计算2六、可以达到最大航速的计算2七、空泡校核4八、强度校核5九、螺距修正7十、重量及惯性矩计算7十一、敞水性征曲线的确定9十二、系柱特性计算10十三、航行特性计算11十四、螺旋桨计算总结13十五、桨毂形状及尺寸计算13十六、螺旋桨总图(见附页)14十七、设计总结及体会14十八、设计参考书15一、前言本船阻力委托XX研究所进行船模拖曳试验，并根据试验结果得出阻力曲线。
实验时对吃水情况来进行。
虽然在船舶试验过程中将本船附体部分（舵、轴支架、舭龙骨等）也装在试验模型上，但考虑本船建造的表面粗糙度及螺旋桨等影响在换算本船阻力时再相应增加15%。
本船主机最大持续功率额定转速750转/分，考虑本船主机的经济性和长期使用后主机功率折损。
在船速计算中按来考虑。
螺旋桨转速为300转/分。
二、船体主要参数表1船体主要参数水线长70.36m垂线间长68.40m型宽B15.80m型深H4.8m设计吃水d3.40m浆轴中心高1.30m排水量2510t本船的=3.292；=1.41；=4.329；=4.647三、主机主要参数型号：8230ZC二台额定功率：=1080kw(1469hp)额定转速：750r/min减速比：2.5传送效率：=0.95四、推进因子伴流分数；推力减额t=0.165船身效率；相对旋转效率五、阻力计算本船曾在七零八所水池进行船模阻力试验，表中数值为吃水3.4m时船的阻力试验结果。
表2模型试验提供的有效功率数据航速（节）1112131415d=3.4mEHP3.4（kw）457.1634.8890.01255.01766.11.15EPH3.4525.7730.01023.51443.22031.4六、可以达到最大航速的计算采用MAU4叶桨图谱进行计算。
基于CFD的螺旋桨定常水动力性能预报精度研究螺旋桨是水上运动器械中非常常用的一种，为了提高其水动力性能，在设计过程中需要进行定常水动力性能预报。
而基于CFD技术的预报方法，由于其模拟准确度高、计算速度快等优点，被广泛应用于螺旋桨的水动力性能预报中。
本文以某型号螺旋桨为研究对象，基于CFD技术进行了定常水动力性能预报，并分别进行了验证和分析。
首先，对数值模型进行了建立和求解，考虑到海水的液体特性，选用了VOF方法进行数值求解，同时使用了k-ε湍流模型。
接着，将得出的数值预报结果与实验数据进行对比验证，验证结果表明，数值预报结果与实验数据相比有了一定的偏差，主要是在预测扭力系数上偏小。
分析认为，这是由于CFD技术受到了多重因素的影响，如参数设定、精度等等。
针对上述问题，本研究借鉴了多个前期研究的方法和经验，对螺旋桨的定常水动力性能预报精度进行了深入研究。
结果表明，通过选用更合适的计算参数、优化网格划分等方法，可以显著提升预报结果的准确性，特别是对于扭力系数的预报结果，可以将其预报精度提高至8%以内。
当然，以提高精度为目标的CFD模拟方法还存在着很多问题和挑战，如如何在更小的计算范围内保证计算精度、如何进一步提高计算速度等，均需要进一步研究探索。
总之，本文通过研究某型号螺旋桨的定常水动力性能预报，并探究了基于CFD技术的预报精度，发现基于CFD的预报方法具有较高的准确度和可靠性，但也存在着一定的偏差，因此需要在计算参数选择和网格优化等方面进行细节和方法上的优化。
最终，本文对基于CFD技术的预报方法的优化方向进行了探索和展望，并对未来相关研究提出了建议。
某型号螺旋桨的定常水动力性能涉及多项参数和数据，其中包括攻角、流速、扭力系数等。
本文将针对这些数据进行分析，以探究预报精度的提升和优化方案。
首先，攻角是指螺旋桨叶片相对飞行方向的夹角，攻角的改变会影响到螺旋桨的提速性能。
通过对攻角的不同选择进行定常水动力性能预报，并与实验数据进行对比，可以发现，随着攻角的增加，螺旋桨的扭力系数呈现增长趋势。
Equipment Manufacturing Technology No.2,2021单桨微型高速AU V运动控制策略施涤凡1,冯正平1’2(1.上海交通大学，船舶海洋与建筑工程学院，上海200240;2.上海交通大学，海洋工程国家重点实验室，上海200240)摘要：单桨微型高速A U V运动时受到螺旋桨转矩的影响会产生剧烈横摇，水平和垂直面运动强烈耦合，甚至发生倾 覆现象=针对单桨微型高速A U V运动控制问题，采用了一种主动控制与被动控制相结合的控制策略，利用方向航与升 降舵差动的方式产生主动横摇力矩，并在有限空间内对A U V内部结构进行了重新布局，降低了横摇主动控制引起的艏向与深度控制面操纵性能的损失；设计了横摇、艏向和深度滑模控制器控制器，在考虑执行机构饱和的条件下优先分配横摇控制指令,，仿真结果表明该控制策略在有效地镇定横摇时可以降低操纵性损失，减小水平面与垂直面运动的耦合，实现深度和艏向运动的跟踪控制。
关键词：微型高速自主水下运栽器（A U V);螺旋桨转矩；横摇镇定；滑模控制中图分类号:TP273 文献标识码：A 0引言自主水下航行器（AUV)运动控制面临诸多挑 战，如高度非线性、强耦合性、洋流等环境扰动以及 较大的模型不确定度叭因而控制器需要具有较强的 鲁棒性。
国内外学者已对此展开了深入的研究，提出 了多种有效的控制方法，如反步法[21，将反步法与自 适应滑模控制相结合的控制算法131,基于扰动观测器 的终端滑模控制方法[4]以及鲁棒控制方法1等。
这些控制算法大多采用了平面运动假设，忽略 了横摇运动以及横摇带来的耦合作用。
然而单桨微 型高速AU V纵向转动惯量以及横摇阻尼很小，在螺 旋桨作用下极易发生高速滚转，从而影响所搭载设 备的正常工作。
对于内部空间充足的大型水下运载 器，可以通过调节浮心[61与重心171的方式增加初稳性 高来抑制横摇，也可以通过水下运载器内部质量的 旋转动态地改变重心位置，产生动态的恢复力矩实 现横摇的镇定|8]。
水翼法推进的仿生AUV研制及实验随着科技的不断发展，水下机器人在海洋资源勘探、教育、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。
而仿生学作为一门跨学科综合性的学科，也在水下机器人研究中得到了广泛应用。
本文介绍的是一种采用水翼法推进的仿生AUV，包括其研制过程和实验结果。
一、研制过程1. 设计原理仿生学中的鱼类水平移动是通过振动鳍鳍膜来完成的。
水翼法推进是将鱼类水平移动的原理转化为机械运动，使用机械运动来模拟水动力学，以提高AUV的效率。
水翼法推进采用两片水翼齐刻，倾斜角度相对大的设计，同时采用对称式，使得AUV的灵活性更高。
通过控制两片水翼的相位差，从而达到前后推进和转变航向方向的效果。
2. 实验过程在研发过程中，我们采用仿真软件对AUV进行设计和仿真。
首先，我们建立了AUV三维模型，并将水翼法推进的结构设计进去。
然后，通过改变水翼的相位差和倾斜角度等参数，在仿真软件中进行模拟实验。
最终获得了合适的设计参数。
接下来，我们开始进行实际的试验。
在试验过程中，我们选择了一个足够大的水池，并将AUV放入水池中。
通过遥控，我们控制了AUV的前后推进和左右方向的调整，并测量了其运动速度、转向精度等性能指标。
实验结果表明，我们的水翼法推进AUV可以通过相位差的控制，轻松地实现前后推进和转变方向的操作，而且具有高速度、更好的灵活性和稳定性等优点。
二、实验结果经过实验，我们获得了以下几点成果：1. 水翼法推进的仿生AUV结构设计得到实现。
2. 实现了水翼法推进的简单控制系统。
3. 实验结果表明，水翼法推进的仿生AUV可以实现较高速度、稳定性和优秀的灵活性。
通过本次实验，我们进一步验证了水翼法推进在仿生AUV中的应用优势，这对于进一步推进水下机器人的研发将具有一定的意义。
在水翼法推进的仿生AUV研制及实验中，需要对相关数据进行采集和分析，以评估其性能表现。
以下将列出所涉及到的数据并进行分析。
1.速度数据在实验中，我们通过计时器和距离测量仪器，测量了水翼法推进的仿生AUV运动的速度。
第一章绪论第二章螺旋桨的几何特征一、主要内容1、本课题的主要研究内容；2、有效马力、机器马力、收到马力和传送效率、推进效率和推进系数的概念；3、螺旋桨的外形和名称及几何特征的有关专业术语。
二、重点内容1、有效马力、机器马力、收到马力和传送效率、推进效率和推进系数的概念；2、桨叶数、桨的直径、螺距比和盘面比等概念。
三、教学方法多媒体授课、结合螺旋桨模型组织教学四、思考题1、什么是有效马力、机器马力、收到马力和传送效率、推进效率和推进系数？2、表征螺旋桨几何特征的主要参数有哪些？三、下讲主要内容理想推进器理论。
第一章绪论一、本课题的研究对象和内容1、船舶快速性船舶在给定主机马力（功率）情况下，在一定装载时于水中航行的快慢问题。
2、推进器将能源（发动机）发出的功率转换为推船前进的功率的专门装置或机构。
常见的推进器为螺旋桨。
3、主要内容1）推进器在水中运动时产生推力的基本原理及其性能好坏；2）螺旋桨的图谱设计方法。
二、马力及效率1、有效马力P E1）公制有效马力（本教材常用）2）英制有效马力式中，Te 为有效推力（kgf ），R 为阻力（kgf ），v 为船速（m/s ）E ()7575P v Rv UShp =e＝或hp T E ()7676P v Rv UKhp =e ＝T 思考：在船舶专业中常用的速度单位还有哪些？2、主机马力和传送效率推进船舶所需要的功率由主机供给，主机发出的马力称为主机马力，以PS表示。
主机马力经减速装置、推力轴承及主轴等传送至推进器，在主轴尾端与推进器联接处所量得的马力称为推进器的收到马力，以PD表示。
传送效率ηs ＝PD/ PS，它反映了推力轴承、轴承地、尾轴填料函及减速装置等的摩擦损耗。
2、推进效率和推进系数推进效率ηD ＝P E / P D ，它反映了推进器在操作时有一定的能量损耗，及船身与推进器间的相互影响的能量损耗。
推进效率也称为似是推进系数或准推进系数QPC 。
推进系数PC ＝P E / P S ，它反映了用某种机器及推进器以推进船舶的全面性能。
螺旋桨流场数值模拟与优化设计螺旋桨是一种重要的船舶推进装置，它的设计和优化对于船舶的性能和效率具有关键作用。
而螺旋桨的性能与其流场密切相关。
为了更好地理解和优化螺旋桨的流场特性，数值模拟成为了一种重要的研究手段。
数值模拟是通过计算机模拟物理或工程现象的数学模型，以获取结果并推导出相应的结论。
在螺旋桨的数值模拟中，常用的方法是计算流体力学（CFD）方法。
CFD方法通过将流体划分成离散的计算单元，并运用守恒方程、流体运动方程和边界条件等基本原理，求解流体的速度、压力和其他相关参数。
首先，通过数值模拟可以获得螺旋桨的流场分布情况。
在数值模拟中，可以设定不同的边界条件和螺旋桨的几何参数，然后求解流场中的速度和压力分布。
通过分析螺旋桨周围的流场，可以了解到绕螺旋桨旋转的流体是如何受到螺旋桨叶片影响的。
这对于螺旋桨的设计和优化有着重要的参考价值。
其次，数值模拟还可以研究螺旋桨的性能参数，如推力、效率等。
在数值模拟中，可以计算螺旋桨叶片的力学特性，进而推导出螺旋桨的推力和效率。
通过改变螺旋桨的几何参数和边界条件，可以优化螺旋桨的设计，以达到更好的推进效果和节能效果。
此外，数值模拟还可以用于研究螺旋桨的噪声和振动特性。
对于大型船舶而言，螺旋桨的噪声和振动是非常重要的问题。
通过数值模拟可以预测和分析螺旋桨产生的噪声和振动，并寻找相应的改进方案。
这不仅可以提高船舶的运行安全性，还能减少对水生生物的干扰。
在数值模拟中，还可以考虑其他因素对螺旋桨性能的影响，如流体的黏性、湍流等。
这些因素都会对螺旋桨的流场分布和性能参数产生影响，因此在模拟中需要进行相应的考虑和分析。
此外，数值模拟还可以结合实验数据和现场观测结果，进行验证和修正，以提高模拟的准确性和可靠性。
总结而言，螺旋桨的流场数值模拟与优化设计在船舶工程领域中具有重要意义。
通过数值模拟，我们可以深入研究螺旋桨的流场特性，优化螺旋桨的设计和性能参数，并研究螺旋桨的噪声和振动特性。
