ROV水動力特性試驗研究

鐘朝廷+張印桐+張永祥+徐詩婧

摘 要：通過研究開架式ROV水動力特性，分析了開架式ROV特殊的幾何外型和作業(yè)特點，討論了研究的必要性，通過1∶4的拘束模型試驗測得了一套無因次水動力系數(shù)，并得到了五自由度ROV運動方程。該試驗對校正ROV水動力模型、提高仿真精準度起到了至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：ROV；水動力系數(shù)；拘束模試驗；試驗數(shù)據(jù)

中圖分類號：U661.43 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.013

ROV（Remotely Operated Vehicle）即遙控式無人潛水器，因其水下作業(yè)時間長，并且能夠在深海和復雜危險的工作環(huán)境中完成高強度、高負荷的作業(yè)任務(wù)，所以，被廣泛應用于海洋資源開發(fā)、水下工程、海底調(diào)查和打撈作業(yè)等領(lǐng)域。當前，安全性和穩(wěn)定性對ROV實際作業(yè)十分重要，ROV水動力特性和運動控制策略是ROV研發(fā)過程中的2大關(guān)鍵技術(shù)，而ROV運動控制策略又依賴于其本身的水動力特性。因此，在研究ROV水動力特性時，要建立適用于ROV的運動數(shù)學模型，從而得到一套較為完備、準確的水動力系數(shù)。

當前，絕大多數(shù)ROV的運動仿真都是基于美國海軍泰勒水池（DTNSRDC）發(fā)表的“模擬潛艇的標準運動方程”進行的，并適當簡化。然而，該方程中的黏性水動力項是基于等速直航狀態(tài)下進行泰勒展開，再根據(jù)潛艇的幾何特性（左右對稱、前后不對稱、上下近似對稱）和實驗結(jié)果簡化水動力項得到的。因為ROV幾何外形具有左右對稱、前后近似對稱、上下不對稱和框架式結(jié)構(gòu)的特點，所以，可判定其與潛艇有很大的差別；因為ROV布置有多個推進器，作業(yè)時能夠進行前后、左右、上下、原地回轉(zhuǎn)等靈活運動，這與潛艇以縱向直航為主要運動特點也有很大的差異。由此可知，用潛艇標準運動方程不能很好地描述ROV的運動特性。Fossen假設(shè)ROV前后、左右、上下對稱，提出了一種簡化的、用于ROV的運動數(shù)學模型。這種ROV運動數(shù)學模型簡單明了、水動力系數(shù)少，獲取比較方便，而且考慮到ROV靈活多變的運動特性，特別是在低速作業(yè)的情況下，它能較好地模擬ROV運動，所以，近年來被不少學者運用。但是，這種數(shù)學模型忽略了ROV自身幾何外形上前后、上下的不對稱性，因此，還是與實際運動狀況有一定的差異。

到目前為止，仍然缺少1套經(jīng)過大量試驗驗證、被廣泛認可的ROV水動力模型。ROV水動力模型的主要研究方法有CFD 仿真計算、系統(tǒng)辨識（SI）和拘束模型試驗。由于ROV外型復雜、附體較多，并且流體力學理論、計算方法和設(shè)備還不夠完善，所以，CFD 仿真計算受到了一定的限制。因為系統(tǒng)辨識（SI）主要依賴ROV實際航行過程中傳感器測得的數(shù)據(jù)，而鑒于傳感器的精度等問題，測得的結(jié)果一般誤差比較大，所以，這種方法多用于水動力模型的修正。目前，模型試驗仍然是研究ROV水動力模型最有效的手段。因此，本文選用拘束模試驗研究ROV水動力性能。

本文先介紹了所研究的ROV，然后介紹了ROV模型試驗、試驗裝置和方案，之后介紹了試驗數(shù)據(jù)處理方法，并給出了無因次水動力系數(shù)，最后作了相關(guān)總結(jié)。

1 ROV總體性能

以英國SMD公司生產(chǎn)的工作級Quantum為例，研究了這一類型的深水作業(yè)型開架式ROV。如圖1所示，Quantum是SMD公司成熟的水下機器人產(chǎn)品，它可以在高強度電流下穩(wěn)定工作。該ROV擁有強勁的動力，可以完成各種復雜的工作，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 ROV水動力試驗

2.1 ROV試驗模型

根據(jù) ROV 的本體結(jié)構(gòu)和布置特征，建造了縮尺比為1∶4的試驗模型，模型情況如圖2所示。該模型長0.875 m，寬0.5 m，高0.5 m，質(zhì)量約為78 kg。模型上部為浮力材料，下部桁架為鐵質(zhì)。該模型只制作了 ROV 本體，并沒有考慮纜線和機械手等部分。

2.2 試驗裝置和試驗方案

ROV水動力試驗分為2部分，一部分試驗在哈爾濱工程大學循環(huán)水槽完成。試驗模型用2根連桿與平面運動機構(gòu)（PMM）相連，以約束模型運動；另一部分試驗在“風、浪、流海洋環(huán)境模擬水池”（大水池）（50 m×50 m×30 m）進行，模型通過連桿與XY航車相連，以約束模型運動。循環(huán)水槽長17.3 m，寬6.0 m，高2.77 m；工作段長7.0 m，寬1.7 m，高1.5 m；最大流速為2.0 m/s；平面運動機構(gòu)最大振幅為0.04 m；震蕩周期為1～5 s；頻率0.2～1 Hz；2根連桿跨距為0.40 m。在試驗過程中，水溫為14 ℃，受試驗裝置的限制，并沒有作橫搖試驗。試驗工況如表2所示。

3 試驗數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析

為了方便描述ROV受力和運動，ROV運動坐標系如圖3所示。坐標系原點為ROV重心，u，v和w分別表示縱向、側(cè)向和垂向方向的線速度，X，Y和Z代表相應方向的力。此外，p，q和r表示橫搖、俯仰和轉(zhuǎn)艏角速度，K，M和N表示對應的力矩。

在試驗過程中，水動力系數(shù)運用最小二乘法擬合得到。為了將試驗結(jié)果運用到ROV實體中，需將得到的水動力系數(shù)作無因次化處理，它不同于潛艇標準運動方程中以縱向直航運動為主運動，對水動力模型進行泰勒展開。結(jié)合ROV的運動特性，以ROV靜止狀態(tài)進行水動力泰勒展開。因此，文中水動力無因次化方法也與潛艇標準運動方程不同，具體差異表現(xiàn)在一階黏性水動力系數(shù)（ ）的無因次化方法上，具體表達式為：

式（1）（2）（3）中： 為無因次一階黏性水動力系數(shù)；FU為有因次一階黏性水動力系數(shù)；ρ為流體密度；l為ROV特征長度，文中取為ROV長度；g為重力加速度。

試驗獲得的無因次水動力系數(shù)如表3所示。

表3 無因次水動力系數(shù)

4 五自由度ROV運動方程

受試驗條件的限制沒有作橫搖試驗。但是，鑒于本文研究的開架式ROV自身結(jié)構(gòu)的特點，其在運動過程中產(chǎn)生的橫很小，因此，可以忽略ROV的橫搖運動，將ROV的運動方程簡化成五自由度運動方程，即：

式（4）（5）（6）（7）（8）中：XT，YT，ZT，MT，NT為ROV推進器推力（矩）；m為ROV質(zhì)量；Iy，Iz為轉(zhuǎn)動慣量；xB，yB，zB為ROV浮心坐標。

5 結(jié)論

簡要探討了ROV的水動力性能，由于ROV的運動特點不同于潛艇，它可以前后、左右、上下靈活運動，所以，區(qū)別于潛艇標準運動方程，以等速直航的平衡狀態(tài)對水動力進行泰勒展開。本文以ROV靜止狀態(tài)進行水動力泰勒展開，并利用拘束模型試驗測定了水動力系數(shù)。受試驗條件的限制，沒有作橫搖試驗。但是，鑒于本文研究的開架式ROV自身結(jié)構(gòu)的特點，在運動過程中產(chǎn)生的橫搖很小，可以忽略ROV的橫搖運動，將ROV的運動方程簡化成五自由度運動。同時，文中得到的ROV水動力模型并沒有考慮纜線和機械手ROV單體的水動力特性，所以，今后要研究ROV與機械手和纜線整體的耦合運動特性。

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〔編輯：白潔〕