随着水下机器人技术的发展，越来越多的高难度水下作业任务均可以利用水下机器人来完成，例如水下抓取，水下焊接与水下跟踪。大多数水下机器人均采用螺旋桨推进器作为其唯一的动力源，因此，精确地实现推进器推力预测是提高水下机器人运动性能的重要因素。然而，当螺旋桨推进器近水面工作时，由于其高速旋转，会在螺旋桨与水面之间形成漩涡，将空气吸入螺旋桨内导致推进器效率极大降低，引起推力损失和噪声，这种现象被称为“类空化效应”。类空化效应的产生将极大影响机器人运动控制的稳定性，因此对于类空化效应的预测具有十分重要的意义。

哈尔滨工业大学的研究人员罗阳、李战东、陶建国、邓立平、邓宗全提出了一种基于高斯过程的水下螺旋桨推进器推力预测方法。为了精确地预测未发生类空化效应时水下推进器的推力，建立了基于贝叶斯估计的水下推进器推力模型，利用贝叶斯估计将转速信息与电流信息进行融合，提高了水下推进器推力预测的精度。为了实现类空化效应下的推力预测，建立了基于高斯过程的水下螺旋桨推进器推力预测模型，利用基于贝叶斯估计的推力模型信息与基于高斯过程的类空化误差补偿，实现了类空化效应下的推力预测。

研究团队将以上成果以题为《类空化效应下的水下螺旋桨推进器推力预测》(封面文章)发表在《机械工程学报》2020年17期，本文内容感兴趣的朋友可以点击屏幕下方的阅读原文，免费获取全文阅读！

引用论文

罗阳, 李战东, 陶建国, 邓立平, 邓宗全. 类空化效应下的水下螺旋桨推进器推力预测[J].机械工程学报, 2020,56(17): 1-11.

LUOYang, LI Zhandong, TAO Jianguo, DENG Liping, DENG Zongquan. Thrust Predictionof Underwater Blade-propeller-type Thrusters under Quasi-cavitation[J]. Journalof Mechanical Engineering, 2020, 56(17): 1-11.

试验结果

基于高斯过程的类空化预测模型可以精确地实现类空化效应的预测。当类空化效应未发生时，归功于基于贝叶斯估计的推力模型的精确预测，类空化预测模型可以准确地对推进器推力进行预测，高斯过程的95%置信区间保持在±1 N左右，预测误差不超过2 N；当类空化效应发生时，尽管基于贝叶斯估计的推力模型无法对推力损失进行准确预测，但是由于高斯过程的存在，可以对基于贝叶斯估计的推力模型误差进行补偿，最终的模型预测输出很好地实现了对类空化效应的预测，高斯过程的95%置信区间保持在±1.7 N左右，预测误差不超过3.5 N，满足了水下机器人焊接机器人控制系统对于螺旋桨推进器推力预测的精度要求。

重要结论

(1) 本文针对类空化效应下的水下螺旋桨推进器推力预测问题进行了深入研究，对类空化效应的产生进行分析，得到了类空化效应的原理模型。

(2) 为了精确地预测未发生类空化效应时水下推进器的推力，提出了基于贝叶斯估计的推进器推力预测模型，利用贝叶斯估计将转速信息与电流信息进行融合，提高了水下推进器推力预测的精度，将误差控制在2 N以内。

(3) 对于类空化效应下的推力预测问题，提出了基于高斯过程的水下螺旋桨推进器推力预测模型，利用基于贝叶斯估计的推力模型信息与基于高斯过程的类空化误差补偿，实现了类空化效应下的高精度推力预测。试验结果表明，基于高斯过程的推力预测模型可以精确地对类空化效应下的水下螺旋桨推进器推力进行预测，预测误差不超过3.5 N，满足了水下机器人焊接机器人控制系统对于螺旋桨推进器推力预测的精度要求，为水下焊接机器人高精度运动控制奠定基础。

前景与应用

本文提出的类空化效应下的水下螺旋桨推进器推力预测可以对螺旋桨推进器近水面工作时的推力进行准确预测，为水下机器人近水面的高精度运动控制奠定基础。

类空化效应示意图

水下螺旋桨推进器及其驱动器

高斯模型训练过程示意图

推力测试平台

主创简介

陶建国，男，汉族，1964年生。哈尔滨工业大学机电学院教授，工学博士，博士生导师。先后主持承担国家自然科学基金面上项目、863主题项目、国家重大专项子项目以及航天预研攻关项目等。获得国家技术发明二等奖1项（第3名），黑龙江省科学技术一等奖（发明类）1项（第3名），全军科技进步二等奖1项（第2名），航空航天部科技进步二等奖1项（第5名），黑龙江省优秀教学成果二等奖1项（第3名）。

团队研究方向

哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究团队，以国家重大航天及国防需求为牵引，面向国民经济主战场，开展宇航空间机构及机器人技术领域基础性、前沿性、战略性研究，突破一批关键技术，建成学术创新与人才培养基地。主要研究方向有：星球探测车移动系统构型及结构研究、.特种机器人及智能化装备技术、水下机器人系统设计与控制研究。

编辑：恽海艳 校对：向映姣

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