第三海域浮动海上风力涡轮机的多目标控制：基于人工神经网络的参考优化与自适应调节

《Ocean Engineering》：Multi-objective control of floating offshore wind turbines in region III: Reference optimization and adaptive regulation based on artificial neural networks

针对水下自重组机器人（USR）对接过程中刚度与柔性平衡难题，提出基于流场水动力学的柔性策略。通过圆錦噴嘴生成非接触流场实现姿态纠正与运动阻尼，数值模拟与实验验证表明该策略能有效抑制轴向偏差并产生被动阻尼，提升对接稳定性和安全性。

　　在水下机器人领域，随着任务复杂性的增加，传统机器人在动态、未知和非结构化环境中的适应能力逐渐显得不足。为此，水下自重构机器人（Underwater Self-Reconfigurable Robot, USR）应运而生，其通过模块化调整实现自重构，展现出更强的环境适应性和任务灵活性，具有广阔的应用前景，如水下勘探、检测以及仿生运动等。然而，USR的自重构过程主要由两个阶段组成：重构规划和模块对接。虽然重构规划已有大量成熟的方法可供参考，但模块对接的研究仍相对有限。近年来的研究表明，准确且稳定的对接是实现长期水下驻留和完全自主操作的关键因素。

目前，已有的水下模块对接技术多依赖于电磁力驱动的连接方式，这种方式虽然在工程上具备一定的可行性，但其对接过程中的稳定性较差。例如，AMOUR系统采用机械喇叭结构结合电磁和光学引导进行模块对接，尽管其在实际应用中表现出一定的效果，但对接时的冲击力较大，限制了其在复杂环境中的适用性。此外，法国Boyer团队提出了一种基于水下电场感知的被动对接方法，虽然具有较高的感知灵敏度，但其抗干扰能力仍然有限。最近，电磁场感知的对接技术在低成本线圈和工程化场标之间得到了验证，同时结合USBL与视觉的混合技术以及基于学习的规划方法，提高了对接的鲁棒性。

尽管上述方法在一定程度上改善了对接的稳定性，但它们通常涉及较大的结构，这限制了USR在狭窄水下环境中的应用，并影响了对接后的机动性。相比之下，被动合规结构（如弹簧和阻尼器）可以通过结构变形吸收冲击能量，同时占用较少的空间，因此更具适应性。然而，这类结构在水下环境中同时实现高刚度和高合规性方面存在固有的挑战。一旦对接成功，它们容易在复杂的流场中发生较大的形变，缺乏对位置和姿态的校正能力，这显著限制了其在USR中的应用。

因此，USR对接过程中刚度与合规性的权衡问题仍未得到根本解决，这严重影响了水下对接系统的稳定性和通用性。为了确保USR的高效和可靠自重构，必须克服现有对接结构的局限性，开发新的基于合规性的对接技术。本研究提出了一种基于流场特性的合规对接方法，设计了一种具有远距离吸引和近距离排斥特性的锥形合规流场，以实现USR模块的非接触引导和缓冲，从而提高对接的稳定性和合规性。该方法有望推动USR合规对接技术的发展。

本研究的合规对接方法主要基于流场的水动力学特性。通过一个锥形喷嘴，流场生成器能够实现非接触式的姿态校正和运动阻尼。该方法的可行性通过机制分析、结构设计、计算流体力学（CFD）模拟和缩比实验得到了验证。实验结果表明，轴向恢复力随着偏差的减小而增加，而横向和纵向的偏差则呈现出非单调的响应，具有明显的峰值。当横向和纵向的偏差较大，且轴向距离较小时（△x ≤ 0.15），轴向吸引力会转变为排斥力，从而提供被动阻尼，减少碰撞的发生。

这种远距离吸引、近距离排斥的行为确保了非接触式的引导和缓冲，提高了对接的稳定性和安全性。通过流场的非接触特性，USR模块可以在不直接接触的情况下进行姿态调整，从而减少碰撞的可能性。这种设计在水下环境中尤为重要，因为水下环境往往存在复杂的流场和不可预测的扰动，使得传统接触式对接方式面临较大的挑战。

在实验验证方面，本研究通过数值模拟和缩比实验相结合的方法，验证了该合规对接方法的有效性。数值模拟采用STAR-CCM+平台，结合有限体积法（FVM）和瞬态PIMPLE算法，对流场的特性进行了详细分析。通过Reynolds-Averaged Navier–Stokes（RANS）方程建立的数值模拟框架，使用SST湍流模型对关键的水动力学特性进行了捕捉，如流场变化和压力分布。SST模型能够准确描述流场中的湍流行为，从而为合规对接提供理论支持。

此外，本研究还通过缩比实验验证了该方法在实际水下环境中的适用性。实验结果显示，轴向恢复力随着偏差的减小而增加，而横向和纵向的偏差则呈现出非单调的响应，具有明显的峰值。当横向和纵向的偏差较大，且轴向距离较小时（△x ≤ 0.15），轴向吸引力会转变为排斥力，从而提供被动阻尼，减少碰撞的发生。这种行为确保了非接触式的引导和缓冲，提高了对接的稳定性和安全性。

通过上述方法，本研究在USR对接过程中实现了刚度与合规性的有效平衡。传统的对接方法往往过于依赖电磁力驱动的连接方式，这会导致较大的冲击力，限制了USR在多样化配置和大规模应用中的适应性。而本研究提出的合规对接方法通过流场的非接触特性，实现了对USR模块的主动引导和缓冲，从而减少了碰撞的可能性，提高了对接的稳定性和安全性。

该方法的创新点在于其利用流场的水动力学特性，通过非接触式的姿态校正和运动阻尼，实现USR模块的稳定对接。相比于传统的接触式对接方式，该方法在水下环境中具有更高的适应性和安全性。此外，该方法通过流场的远距离吸引和近距离排斥特性，实现了对USR模块的主动引导和缓冲，从而提高了对接的成功率。

在实际应用中，该方法可以广泛应用于水下自重构机器人，特别是在需要频繁对接和高精度操作的场景中。通过流场的非接触特性，USR模块可以在不直接接触的情况下进行姿态调整，从而减少碰撞的可能性，提高对接的稳定性。同时，该方法通过流场的远距离吸引和近距离排斥特性，实现了对USR模块的主动引导和缓冲，从而提高了对接的成功率。

综上所述，本研究提出了一种基于流场特性的合规对接方法，有效解决了USR对接过程中刚度与合规性的矛盾。该方法通过流场的非接触特性，实现了对USR模块的主动引导和缓冲，从而提高了对接的稳定性和安全性。通过数值模拟和实验验证，该方法的可行性得到了充分确认，为USR的进一步发展提供了新的思路和技术支持。