一種混合動力水下滑翔機的操縱性研究

宋保維, 孟祥堯

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一種混合動力水下滑翔機的操縱性研究

宋保維, 孟祥堯

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

混合動力水下滑翔機是一種加裝了鰭舵和螺旋槳推進系統(tǒng)的新型水下滑翔機。為了驗證混合動力水下滑翔機的總體性能, 研究了其在海洋環(huán)境中不同工作狀態(tài)下的操縱性?；旌蟿恿λ禄铏C除可進行無動力滑翔外, 為了提高運動性能, 提出了2種混合工作模式, 即有動力推進時結(jié)合重心調(diào)節(jié)與無動力滑翔時結(jié)合舵操作。根據(jù)動量和動量矩定理建立了水下滑翔機的空間運動數(shù)學模型和海流動力學模型, 對不同的工作狀態(tài)進行了仿真。結(jié)果表明, 混合動力水下滑翔機的無動力滑翔與有動力推進的轉(zhuǎn)換過程具有良好的操縱性和穩(wěn)定性, 但在進行無動力滑翔時易受海流的影響發(fā)生偏移, 混合工作模式效果良好, 具有可行性。

水下滑翔機; 操縱性; 海流

0 引言

水下滑翔機是一種利用浮力驅(qū)動的新型水下機器人, 其能源消耗低、噪音小、成本低, 滿足了長時間、大范圍海洋探索的需要, 同時也具有重要的軍事應(yīng)用價值。國內(nèi)外都對水下滑翔機進行了研究[1-4]。但由于水下滑翔機航行速度低, 而其所處海洋環(huán)境又比較復(fù)雜, 導(dǎo)致其易受風浪海流的影響, 航跡和定位精度低。混合驅(qū)動水下滑翔機是一種通過增加鰭舵和螺旋槳推進系統(tǒng), 提高航行定位精度和機動性的新型水下航行器, 在一定程度上彌補了水下滑翔機的不足。目前, 世界上對混合驅(qū)動水下滑翔機的研究仍處于初始研究階段。美國普林斯頓大學機械與航空工程系Leonard教授提出在滑翔器后加一螺旋槳的概念設(shè)計[5]; Webb研發(fā)公司(WRC)曾設(shè)計開發(fā)SLOC-UMAUV水下潛器, 其在電驅(qū)動SLOCUM滑翔器的基礎(chǔ)上增加了螺旋槳推進器, 構(gòu)成混合型水下滑翔機, 該滑翔機有10%的工作時間處于AUV工作模式下[6]。法國、日本等國也進行了相關(guān)研究。國內(nèi)天津大學設(shè)計了首臺混合驅(qū)動水下滑翔機[7], 并進行了系統(tǒng)設(shè)計及相關(guān)的性能分析[8-9], 取得了一定的成果。

本文研究的混合動力水下滑翔機具體結(jié)構(gòu)見圖1?；旌蟿恿λ禄铏C既可以進行無動力滑翔, 也可以進行有動力推進。在任務(wù)初始階段, 利用無動力滑翔的遠航程能力航行至較遠的目標地點, 到達后轉(zhuǎn)換為有動力推進, 使其可以快速、機動和準確地完成目標任務(wù), 任務(wù)結(jié)束后還可再次轉(zhuǎn)換為無動力滑翔返回。另外, 在航行途中遇到較強海流影響時, 也可通過有動力推進防止隨波逐流。本文還提出了將2種工作方式結(jié)合的混合驅(qū)動工作模式, 以達到更好的工作效果。

圖1 混合動力水下滑翔機模型

混合動力水下滑翔機總體設(shè)計完成后, 對其進行操縱性分析是驗證總體性能的主要組成部分。本文研究的目的就是針對混合動力水下滑翔機建立空間運動數(shù)學模型及海流數(shù)學模型, 通過仿真典型的航行軌跡、各工作狀態(tài)間轉(zhuǎn)換以及混合驅(qū)動工作模式來分析其在海洋環(huán)境下的操縱性, 另外對其在環(huán)境意外擾動下的穩(wěn)定性進行了研究, 為下一步研究工作提供一定的理論參考。

1 空間運動數(shù)學模型

1.1 空間運動方程

為方便在Matlab/Simulink中進行數(shù)值仿真, 采用矢量形式來建立空間運動方程。根據(jù)動量和動量矩定理可得到水下滑翔機的動力學方程[11-12]

其中

考慮到主體與滑翔翼之間的干擾, 使用CFX流體仿真軟件對該模型的升力、阻力和俯仰力矩在不同條件下進行仿真計算, 得到的數(shù)據(jù)修正相關(guān)流體動力參數(shù)[14]。混合動力水下滑翔機的主要流體動力參數(shù)計算結(jié)果如表1所示。

表1 翼身組合體流體動力參數(shù)計算結(jié)果

運動仿真的運動學方程式為[11]

1.2 海流數(shù)學模型

由于水下滑翔機運動在海洋一定深度下, 波浪的影響較小可以忽略, 但需要考慮到海流的影響。自然界的海流非常復(fù)雜, 受多種因素的影響與制約, 目前很難用精確的數(shù)學表達式描述其運動規(guī)律。因此在分析時一般假定海流速度為常量來進行分析[10], 即

水下滑翔機在運動過程中受到的流體動力都取決于其相對于流體的速度、攻角和側(cè)滑角等, 因此, 動力學方程中各參數(shù)在這個意義上都是相對于流體的, 在無海流時才是相對于地面坐標系的。因此可以通過絕對運動、相對運動及牽連運動的關(guān)系, 獲得水下滑翔機在海流中運動時相對于地面坐標系的運動參數(shù), 具體關(guān)系如下。

2 不同情況下的操縱性仿真與分析

2.1 無動力滑翔

仿真結(jié)果可以看出, 混合動力水下滑翔機很好地完成了2種典型滑翔運動并且具有較高的效率。同時,和方向均出現(xiàn)了偏移, 說明水下滑翔機受海流影響明顯, 這也是水下滑翔機的不足之處, 航跡和定位精度低。當混合動力水下滑翔機開啟動力推進模式后將有助于改善它的缺點。

圖2 垂直面滑翔軌跡

圖3 空間回旋(zc=0.4 m)

2.2 無動力滑翔轉(zhuǎn)換為有動力推進的操縱性

當混合動力水下滑翔機滑翔至目標區(qū)域后, 為快速準確地執(zhí)行任務(wù), 轉(zhuǎn)換為有動力推進工作模式。或者當遇到較強海流影響時, 也可啟動動力推進模式。仿真過程: 水下滑翔機初始進行滑翔運動, 工作模式轉(zhuǎn)換后目標為－100 m深度定深直航, 目標速度5 kn。圖4~6給出了上述過程的仿真結(jié)果。

從結(jié)果看出, 水下滑翔機工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的操縱性良好, 轉(zhuǎn)換過程平穩(wěn), 速度以及俯仰角變化過程穩(wěn)定, 轉(zhuǎn)換之后可以快速準確的完成目標任務(wù), 有效改善了航跡和定位精度低的缺點。

2.3 混合工作模式的操縱性

為達到更好的航行效果, 提高運動性能, 本文提出了2種混合工作模式, 即有動力推進結(jié)合重心調(diào)節(jié)和無動力滑翔結(jié)合舵操作。下面對這2種混合工作模式的操縱性和穩(wěn)定性進行分析。

圖4 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的軌跡

圖5 速度變化曲線

圖6 俯仰角變化曲線

由于速度較低時, 舵產(chǎn)生的作用力不足, 使得有動力推進時垂直平面內(nèi)的尋深俯仰角較小, 尋深比較緩慢。為此, 本文提出有動力推進結(jié)合重心調(diào)節(jié)的混合工作模式, 通過加入重心調(diào)節(jié)機構(gòu)來增加俯仰角, 加快尋深過程。

假設(shè)初始航行深度為水下80 m, 目標以5 kn的速度在水下20 m穩(wěn)定航行。仿真結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯? 與圖8中僅依靠舵尋深相比, 圖7尋深明顯加快, 并且俯仰角和速度變化都比較平穩(wěn), 未出現(xiàn)太大的波動, 操縱性與穩(wěn)定性良好。

無動力滑翔結(jié)合舵操作則是針對水下滑翔機的機動性較差提出的, 例如在進行回旋時, 由于是依靠調(diào)節(jié)重心偏移產(chǎn)生橫滾來改變航向, 航向改變較慢, 回旋半徑較大。若此時加入垂直舵的作用, 將有利于加快航向改變, 使回轉(zhuǎn)半徑減小, 提高機動性。仿真結(jié)果見圖9, 在加入舵操作后, 回旋半徑明顯減小。在其他的滑翔運動過程中也可根據(jù)實際情況加入舵操作來提高機動性。

3 結(jié)束語

仿真結(jié)果顯示, 無動力滑翔與有動力推進的相互轉(zhuǎn)換過程具有良好的操縱性和穩(wěn)定性, 單純的無動力滑翔易受海流影響, 轉(zhuǎn)換為有動力推進工作模式可有效彌補不足, 快速準確完成任務(wù)。本文提出2種混合工作模式, 即無動力滑翔結(jié)合重心調(diào)節(jié)與無動力滑翔結(jié)合舵操作, 提高了工作效率及滑翔機的機動性, 具有可行性。本文通過對混合動力水下滑翔機操縱性分析, 驗證了總體設(shè)計, 給后續(xù)研究工作提供有價值的理論參考。

圖7 混合工作模式下的垂直面尋深

圖8 普通的垂直面尋深彈道

圖9 混合工作模式下的空間回旋

[1] Sherman J, Davis R E, Owens W B, et al. The Autonomous Underwater Glider “Spray”[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 437-446.

[2] Rudnick D, Davis R, Ohman M, et al. The underwater glider Spray: Observations around the World[R]. Ocean Observations, 2009.

[3] Mahmoudian N, Geisbert J, Woolsey C. Approximate Analytical Turning Conditions for Underwater Gliders: Implications for Motion Control and Path Planning[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2010, 35(1): 131-143.

[4] 俞建成, 張奇峰, 吳利紅, 等. 水下滑翔機器人系統(tǒng)研究[J]. 海洋技術(shù), 2006, 25(1): 6-10.Yu Jian-cheng, Zhang Qi-feng, Wu Li-hong, et al. Research Progress in Underwater Gliders[J]. Ocean Technology, 2006, 25(1): 6-10.

[5] Bachmayer R, Leonardy N E, Gravery J, et al. Underwater Gliders: Recent Developments and Future Applications [C]//IEEE International Symposium on Underwater Technology(UT′04), Tapei, Taiwan, 2004:195-200.

[6] Jenkins S, Humphreys D, Sherman J, et al. Underwater Glider System Study[R]. USA: Office of Naval Research, 2003.

[7] 王曉鳴. 混合驅(qū)動水下自航行器動力學行為與控制策略研究[D]. 天津: 天津大學, 2009.

[8] 武建國. 混合驅(qū)動水下滑翔器系統(tǒng)設(shè)計與性能分析[D]. 天津: 天津大學, 2010.

[9] 武建國, 陳超英, 王樹新, 等. 混合驅(qū)動水下滑翔器滑翔狀態(tài)機翼水動力特性[J]. 天津大學學報, 2010, 43(1): 84-89.Wu Jian-guo, Chen Chao-ying, Wang Shu-xin, et al. Hydrodynamic Characteristics of the Wings of Hybrid- Driven[J]. Journal of Tianjin University, 2010, 43(1): 84-89.

[10] 嚴衛(wèi)生. 魚雷航行力學[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 2005.

[11] Du X X, Song B W, Pan G. Dynamics and Simulation of Underwater Glide Vehicle[C]//2010 International Conference on Digital Manufacturing & Automation, 2010.

[12] Hussain N A A, Arshad M R, Mohd-Mokhtar R. Underwater Glider Modelling and Analysis for Net Buoyancy, Depth and Pitch Angle Control[J]. Ocean Engineering, 2011, 38(16): 1782-1791.

[13] 張宇文. 魚雷外形設(shè)計[M].西安: 西北工業(yè)大學出版社, 1998.

[14] 胡仞與. 水下滑翔機垂直面運動研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2008.

Maneuverability Analysis of a Hybrid Power Underwater Glider

SONG Bao-wei, MENG Xiang-yao

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Hybrid power underwater glider is a new kind of underwater glider equipped with rudders and propeller system. To validate its performance, the maneuverability under different working conditions in the ocean environment was investigated. A mixed working mode was proposed for a hybrid power underwater glider to improve its navigation capability, i.e. adjusting the center of gravity when the glider is powered, and operating rudders when it is gliding without power. Spatial motion equations were established according to the momentum theorem and the moment of momentum theorem, and a mathematical model of ocean current was constructed. Then different working conditions were simulated numerically. The results show that satisfactory maneuverability and stability of the transition between unpowered gliding and powered propulsion are obtained, but deviation due to ocean current occurs during unpowered gliding period; and the proposed mixed working mode is feasible.

underwater glider; manoeuvrability; ocean current

TJ630.1

A

1673-1948(2012)05-0326-05

2012-02-08;

2012-03-24.

宋保維(1963-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為水下航行器總體設(shè)計技術(shù)、減阻降噪技術(shù)、可靠性優(yōu)化設(shè)計與評定技術(shù)、多學科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)等.

(責任編輯: 陳 曦)