半潛式航行器運動特性研究*

易谷豐

(中船重工第七一〇研究所 宜昌 443000)

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半潛式航行器運動特性研究*

易谷豐

(中船重工第七一〇研究所 宜昌 443000)

論文研究了半潛式航行器的運動特性,建立了半潛式航行器的運動學(xué)模型,并從深度控制和回轉(zhuǎn)航行兩個方面對半潛式航行器的運動特性進行半實物仿真。半實物仿真結(jié)果表明:前水平舵是影響深度控制的主要因素,并得出前水平舵舵角和深度的對應(yīng)關(guān)系;回轉(zhuǎn)航行研究了航行器的垂直舵角、航速和回轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系,得出了在一定航速下,不同垂直舵角下的回轉(zhuǎn)半徑。此研究準(zhǔn)確把握了半潛式航行器的運動規(guī)律,為半潛式航行器的設(shè)計以及精確控制提供了理論基礎(chǔ)。

半潛式航行器; 運動學(xué)模型; 半實物仿真; 回轉(zhuǎn)半徑

Class Number E835

1 引言

半潛式航行器是一種主航行器在水下、桅桿伸出水面的新型航行器,有了桅桿的進排氣功能,可采用常規(guī)柴油動力,其工作時間和機動范圍大大增加;同時在桅桿頂部可以加裝高速無線通信設(shè)備和定位設(shè)備天線,這樣就可以滿足航行器的精確定位和無線通信功能,能夠?qū)崟r可靠地傳輸大量數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)的水下航行器[1],半潛式航行器屬于一種在近水面定深航行的新型航行器,其工作狀態(tài)類似于潛艇近水面的航行狀態(tài),主體在水下,一部分在水面,同時其作業(yè)方式又與潛艇和其他水下航行器有區(qū)別,可搭載拖體進行水下作業(yè)。

半潛式航行器在軍事上可作為獵雷聲吶的拖曳平臺,可以接收主控端的作業(yè)計劃及各種指令遙控航行或者按照設(shè)定的航線自主航行,并且能夠通過無線通信將聲吶探測數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)傳輸給主控端。作為一個在近水面具備自主航行能力的航行器,在遠(yuǎn)海進行反水雷作戰(zhàn)時,具備探測水雷障礙、為艦船搜索薦用航道的能力,保證編隊順利執(zhí)行對空、對海、對陸攻擊以及反潛等任務(wù)[2]。半潛式航行器在民用上可以搭載海洋探測裝備,進行石油礦產(chǎn)資源勘探、海底光纜鋪設(shè)、地形測量、目標(biāo)搜索、海洋環(huán)境監(jiān)測等,相比于其他的深海探測載體而言,其模塊化的設(shè)計理念,精確的定位方式和高速的無線通信設(shè)備,保證了信息傳遞的實時性和精確性,具備良好的發(fā)展前景。

這里結(jié)合半潛式航行器自身的結(jié)構(gòu)特點,確定了其坐標(biāo)系,建立了半潛式航行器的運動學(xué)模型,推導(dǎo)了其運動學(xué)方程,在此基礎(chǔ)上對深度控制和回轉(zhuǎn)航行進行了半實物仿真,并對其結(jié)果進行了分析和討論。

2 坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換

2.1 坐標(biāo)系定義

為了研究半潛式航行器的運動特性,掌握其運動規(guī)律,首先必須確定相應(yīng)的坐標(biāo)系,半潛式航行器可以看成剛體在流體中受到外力作用的運動,本文在考慮半潛式航行器自身特點的前提下,結(jié)合剛體動力學(xué)和流體力學(xué)的一般習(xí)慣,建立了如圖1所示兩種三維空間坐標(biāo)系:固定坐標(biāo)系(E-ξηζ)和運動坐標(biāo)系(O-xyz)[3]。

圖1 半潛式航行器坐標(biāo)系

表1 運動的自由度

表2 運動參數(shù)和力的動坐標(biāo)分量

2.2 坐標(biāo)變換

在討論半潛式航行器空間運動方程[4～5]時,為了普遍適用性,把運動坐標(biāo)系的原點取在半潛式航行器上任意一點,半潛式航行器的空間位置取決于動坐標(biāo)系原點O在靜坐標(biāo)系中的三個分量ξ0、η0、ζ0以及動坐標(biāo)系對于靜態(tài)坐標(biāo)系的三個姿態(tài)角φ、θ、ψ。

在本文的研究中,用列矩陣re=[XYZ]T表示地面坐標(biāo)系中的矢量,r0=[xyz]T表示運動坐標(biāo)系相應(yīng)中的矢量,經(jīng)過三次繞軸旋轉(zhuǎn)的變換關(guān)系,可以得到地面坐標(biāo)系與運動坐標(biāo)系的關(guān)系為

(1)

(2)

(3)

將式(2)代入式(3)后得:

(4)

(5)

3 半潛式航行器運動學(xué)模型

3.1 半潛式航行器受力分析

要研究半潛式航行器的運動學(xué)模型[6],首先必須研究半潛式航行器所受到的力。半潛式航行器所受到的力(矩)可以分成水動力(即流體動力)和非流體動力(或靜力)兩大類[7～10]。水動力半潛式航行器在水中航行,水對半潛式航行器產(chǎn)生的反作用力;非流體動力則包括半潛式航行器所受的重力和浮力。因此半潛式航行器所受到的合力F可以表示為以下方程:

(6)

可以用下面方程描述半潛式航行器所受到的合外力矩:

(7)

式中:MF為水動力力矩;MB為浮力力矩;MP為重力力矩。

3.2 空間運動方程

運動坐標(biāo)系的原點取半潛式航行器上任意一點且不計海流影響的情況下,本文中半潛式航行器的動力學(xué)方程可參考文獻[11],半潛式航行器的運動方程可以用矩陣形式表示,其具體形式如式(8)所示:

(8)

M=MRB+MΛ

(9)

C(v)也由剛體科里奧利向心力矩陣CRB(v)和流體動力學(xué)附加質(zhì)量的類科里奧利矩陣CA(v)兩部分組成。

C(v)=CRB(v)+CA(v)

(10)

4 半實物仿真

4.1 仿真系統(tǒng)組成

半實物仿真系統(tǒng)主要仿真設(shè)備有:模擬水下航行姿態(tài)的三軸仿真轉(zhuǎn)臺、模擬航行深度的深度模擬器、實時解算航行器運動學(xué)與動力學(xué)模型的仿真計算機。參與仿真的部件有:中央控制系統(tǒng)(航行控制單元、安全控制單元及網(wǎng)絡(luò)交換機)、深度傳感器、航姿儀及導(dǎo)航定位設(shè)備、前水平舵機、后水平舵機(兩個)、垂直舵機(兩個),及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)接口交換機。其半實物仿真系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 半潛式航行器控制系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)

整個半實物仿真系統(tǒng)包含控制系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)兩大部分,半實物仿真系統(tǒng)分為實時運行部分和非實時運行部分。非實時運行部分主要負(fù)責(zé)仿真模型的生成和下載,實時仿真的監(jiān)控,試驗數(shù)據(jù)的獲取和保存,試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析等;系統(tǒng)實時運行部分負(fù)責(zé)生成航行器水下空間運動環(huán)境,驅(qū)動各種仿真物理效應(yīng)設(shè)備。本方案采用分布式仿真架構(gòu),可以方便地進行接口擴展,并且能夠在控制系統(tǒng)實物參試的狀態(tài)下,對控制參數(shù)進行檢驗,為控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)和手段。

4.2 仿真硬件接口及仿真流程

半實物仿真系統(tǒng)的軟硬件組成以及相應(yīng)的接口關(guān)系如圖3所示。

圖3 半潛式航行器控制系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)接口關(guān)系

1) 由同步信號觸發(fā)仿真主機和中央控制系統(tǒng)進入仿真狀態(tài);

2) 仿真機根據(jù)初始設(shè)定參數(shù)實時解算航行器動力學(xué)與運動學(xué)模型,并將解算得到的航跡、空間運動姿態(tài)及當(dāng)前深度,通過網(wǎng)絡(luò)實時輸給GPS模擬器、三軸仿真轉(zhuǎn)臺和深度模擬器,以模擬航行器航跡、空間運動姿態(tài)和航行深度;

3) 導(dǎo)航定位設(shè)備、深度傳感器和安裝于仿真轉(zhuǎn)臺上的航姿儀將感應(yīng)到的航跡、姿態(tài)和深度信息反饋給中央控制系統(tǒng)(航行控制、安全控制單元);

4) 經(jīng)綜合處理后形成操舵和推進指令輸出給舵機(前水平舵、后水平舵及垂直舵)和推進控制系統(tǒng),通過A/D變換將舵機角位移的電信號反饋給仿真機,從而再實時解算下一幀航行器運動,形成周而復(fù)始的閉環(huán)動態(tài)仿真,直至收到仿真停止信號終止仿真。

半實物仿真又稱為硬件在回路仿真,通過由上面介紹的半實物仿真工作過程可以看出,半實物仿真試驗基本涵蓋了半潛式航行器控制核心組部件,所以前期設(shè)計中難以量化的非線性因素,在這里就體現(xiàn)的比較全,再依據(jù)工程上成熟的參數(shù)正定法,經(jīng)過半實物仿真可以獲得具有很好魯棒特性的控制律。

4.3 半實物仿真結(jié)果分析

通過半實物仿真試驗可以得出,前水平舵角是影響深度控制的主要因素。航行器航行穩(wěn)定,定深效果較好時的航速和前水平舵舵角關(guān)系為:6kn～8kn航速對應(yīng)前水平舵舵角為-3°～-2°;8kn～12kn航速對應(yīng)前水平舵舵角為-2°～-1°;12kn～15kn航速對應(yīng)前水平舵舵角為-1°～0°。

回轉(zhuǎn)航行半實物仿真試驗重點研究了航行器的垂直舵角、航速和回轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系。本試驗是在不同的垂直舵角下,測試了不同航速下的回轉(zhuǎn)半徑,仿真試驗得出三者之間的關(guān)系如表3所示。

表3 垂直舵角、航速和回轉(zhuǎn)半徑之間的關(guān)系

由上表可知,在一定范圍內(nèi),當(dāng)垂直舵角一定時,回轉(zhuǎn)半徑隨著航速的增加而增加;當(dāng)航速一定時,回轉(zhuǎn)半徑隨著垂直舵角的增加而減小。當(dāng)航速到達(dá)15kn時,旋深增至2m以上,深度超限;橫滾突增至15°附近,橫滾也超限,此時航行器將處于十分危險的狀態(tài),因此在實際航行中要避免這種情況的發(fā)生。

5 結(jié)語

本文結(jié)合半潛式航行器平自身的特點建立其坐標(biāo)系:固定坐標(biāo)系和運動坐標(biāo)系以及它們之間的坐標(biāo)變換。然后在固定坐標(biāo)系下運用剛體動力學(xué)定理,以及對半潛式航行器進行受力分析,得出了適合描述其運動的空間運動方程,并將其轉(zhuǎn)換運動坐標(biāo)系中,建立其運動學(xué)模型。通過半實物仿真得出以下結(jié)論:

1) 結(jié)合半潛式航行器自身特點,建立的空間運動方程能夠較精確地描述半潛式航行器的運動特性;

2) 前水平舵角在調(diào)節(jié)半潛式航行器深度方面起決定性的作用,通過調(diào)節(jié)前水平舵角可以很好地控制半潛式航行器的深度;

3) 在半潛式航行器回轉(zhuǎn)航行中,航速和垂直舵角都是影響其回轉(zhuǎn)半徑的重要因素,其中垂直舵角是最主要的因素,當(dāng)航速高速回轉(zhuǎn)航行時,航行器的深度會增加。

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Research on Motion Characteristics of Semi-submersible Vehicles

YI Gufeng

(710 Research Institute, CSIC, Yichang 443000)

The paper researched on motion characteristics of semi-submersible vehicles, set up its kinematic model, and made a hardware-in-the-loop simulation form two aspects of depth control and rotary navigation. Simulation results showed that the former level rudder was a major cause which influenced depth control, and obtained the corresponding relationships of the former level rudder and depth control. Rotary navigation studied the relationship of vertical rudder angle and speed and radius of gyration, which knew radius of gyration when the vertical rudder angle was changed under a certain speed. This work accurately mastered motion of semi-submersible vehicles, and laid a foundation for mechanism design and accurate control of semi-submersible vehicles.

semi-submersible vehicles, kinematic model, hardware-in-the-loop simulation, radius of gyration

2014年12月13日,

2015年1月27日

易谷豐,男,碩士,研究方向:水下特種裝備探測與控制。

E835

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.036