波浪滑翔器技術(shù)的回顧與展望

廖煜雷，李曄，劉濤，李一鳴，王磊峰，姜權(quán)權(quán)

(哈爾濱工程大學 水下機器人技術(shù)重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001)

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波浪滑翔器技術(shù)的回顧與展望

廖煜雷，李曄，劉濤，李一鳴，王磊峰，姜權(quán)權(quán)

(哈爾濱工程大學 水下機器人技術(shù)重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001)

波浪滑翔器是近十年來涌現(xiàn)出來的一種新型海洋無人航行器，憑借其超大續(xù)航力和極強生存能力，已在海洋科學、海洋工程甚至軍事領(lǐng)域得到了廣泛應用，波浪滑翔器技術(shù)日益成為了國內(nèi)外研究熱點。針對波浪滑翔器的波浪推進機理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬性以及控制特性進行了總結(jié)和定義，并圍繞波浪滑翔器技術(shù)的推進機理、動力學建模與分析和運動控制等三個方面，分別闡述了國內(nèi)外主要研究成果?？偨Y(jié)了目前波浪滑翔器技術(shù)存在的主要問題，并對未來的研究方向進行了展望。

波浪滑翔器；波浪驅(qū)動；推進機理；航速預報；操縱性；運動控制

常規(guī)移動觀測平臺如科考船、無人艇、水下航行器等，一般采用燃油或電池作為動力源，由于所攜帶的能源有限，導致其續(xù)航力較短，這對于長期的海洋觀測來說成本高昂、經(jīng)濟性較差，并且容易造成環(huán)境污染。由于海洋蘊含了極其豐富的綠色能源，人們對利用海洋能作為海洋運載器的能量源表現(xiàn)出濃厚的興趣。目前，國內(nèi)外針對海洋能推進型海洋航行器技術(shù)開展了大量研究[1]，主要集中在太陽能推進水下航行器或無人艇[2]、溫差能推進水下航行器[3]、風能或太陽能推進無人艇[4-5]、波浪能推進水下航行器等方面。

波浪滑翔器(unmanned wave glider, UWG)作為一種新型波浪能推進海洋無人航行器，具有超長航時、自主、零排放、經(jīng)濟性等突出優(yōu)點。它能長期、自主地執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測、水文調(diào)查、氣象預報、生物追蹤、遠程預警、通信中繼等作業(yè)任務(wù)，使得UWG在軍民領(lǐng)域皆具有廣泛得應用前景。在這種背景下，近十年來UWG技術(shù)成為了國內(nèi)外的一個研究熱點。

1　波浪滑翔器研制現(xiàn)狀

對波浪滑翔器的研究始于2005年，當時它被開發(fā)用于監(jiān)聽和記錄鯨魚的聲音。在2007年，HINE R等成立了Liquid Robotics公司，波浪滑翔器用途被確定為科研、商業(yè)和軍事的多功能平臺。由于它能夠?qū)⒑Ｑ笾袩o窮無盡的波浪能轉(zhuǎn)化為自身前進的推力而無須提供額外的助力，為部署海洋儀器提供了一種全新的解決方法，也使得各種海洋應用能以一種新的概念來進行。目前波浪滑翔器已被廣泛地用于各種與海洋有關(guān)的科學研究和考察活動[6-10]。波浪滑翔器所具有大范圍、長航時、智能化、清潔的突出航行優(yōu)勢，帶來了巨大的應用前景，并引起世界范圍內(nèi)科研工作者極大的研究興趣[11-24]。

鯨魚愛好者HINE R和RIZZI J D為了追蹤考察游經(jīng)附近海域的駝背鯨，于2005年發(fā)明了一款能依靠波浪能提供前進推力，從而能在海上連續(xù)工作數(shù)月的自主監(jiān)測裝置，這成為了波浪滑翔器雛形[12]。兩年后專注于波浪滑翔器的設(shè)計、生產(chǎn)和推廣的Liquid Robotics公司在美國成立。目前，該公司研發(fā)了Wave Glider系列波浪滑翔器，包括SV2和SV3兩種型號[13-14,19]，其中，SV2是世界上首款實現(xiàn)了產(chǎn)品化的波浪滑翔器平臺，SV2的改進型號SV3有了更大的負載能力和實時數(shù)據(jù)采集與處理能力，航速也有所提升(如圖1所示)[19]，其基本參數(shù)見表1。作為一種通用的無人傳感器搭載平臺，SV系列UWG能按照使命要求，攜帶測速聲吶、拖曳聲吶、水下攝像機、溫鹽深、水聽器、生物或化學檢測儀等多種設(shè)備。

圖1　Liquid Robotics公司的SV2、SV3型波浪滑翔器Fig.1　SV2, SV3 wave gliders of Liquid Robotics company

SV系列SV2SV3上浮體 長度/cm210290 寬度/cm6067滑翔體 長度/cm191190 高度/cm4021水翼翼展/cm107143柔鏈/m64重量/kg90122航速/kn0.5(SS1)1.0(SS1)1.6(SS4)2.0(SS4)位置保持半徑/m(SS3:海流≤0.5kn40(CEP90)40(CEP90)電池容量/W·h665980太陽能功率/W112170負載能力 重量/kg1845 體積/L4093 功率/W40400通訊Iridium通訊、Wi-FiIridium通訊、Wi-Fi

2007年，波浪滑翔器“Wave Glider”向人們展示了其在極端環(huán)境中的生存能力。在Flossie颶風期間，研究者甚至將波浪滑翔器投放到了風眼附近，波浪滑翔器在實驗中不但成功地生存了下來，并且精確地測得了颶風相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)[12]，如圖2所示。

圖2　2007年Wave Glider完成了追蹤颶風試驗Fig.2　 In 2007 the Wave Glider completed a hurricane tracking

美國NOAA太平洋海洋環(huán)境實驗室和Liquid Robotic公司于2009年合作進行了一項時間長達一年的科研項目，試圖更好地了解全球海洋對碳的最大吸收能力。他們在一個改裝過的波浪滑翔器上安裝了pCO2，pH，CDT傳感器，以測定全球海岸和開放海域中海水中碳的攝入量和相關(guān)參數(shù)[21]，傳感器配置和試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3　2009年Wave Glider進行CO2測量對比試驗Fig.3　CO2 measurement comparison experiment of Wave Glider was carried out in 2009

2011年11月，4個“Wave Glider”從舊金山出發(fā)，開始執(zhí)行橫渡太平洋的航測任務(wù)。2012年12月6日，Liquid Robotic公司宣布經(jīng)過一年多的航行圓滿完成了行程長達9000海里的跨太平洋航行任務(wù)(如圖4所示)，創(chuàng)下了機器人自主行駛路線最長的新世界紀錄。大量海洋試驗表明，它能在海洋中長期、可靠、自主地航行[18]。自2008年開始向客戶交付首臺波浪滑翔器以來，美國Liquid Robotics公司研制的波浪滑翔器已累計航行超過了16萬公里[11-15]。

圖4　 2012年末Wave Glider完成了橫渡太平洋任務(wù)Fig.4　At the end of 2012, wave glider completed the task of crossing the Pacific Ocean

2013年，石油巨頭BP公司購買了一批波浪滑翔器，并布置于BP在墨西哥灣的采油設(shè)備周圍，用于檢測在“墨西哥灣漏油”事件后鉆井設(shè)備周圍海洋植物的復蘇狀況(如圖5所示)。波浪滑翔器不僅在海洋科學、海洋工程領(lǐng)域獲得了廣泛應用，而且逐漸受到了美國等西方軍事強國的關(guān)注，并試圖將其用于軍事領(lǐng)域。Liquid Robotics公司瞄準潛在的多種軍事需求，推出了面向軍用的“SHARC”型波浪滑翔器。

圖5　用于海洋油氣工業(yè)的Wave GliderFig.5　Wave glider for marine oil and gas industry

圖6　美海軍對波浪滑翔器拖曳水下拖魚進行測試Fig.6　Wave glider towed underwater towed fish 　were tested by the United States Navy

2010年，美國海軍研究局在夏威夷和加利福利亞海岸，檢測了波浪滑翔器在不同環(huán)境中對命令的執(zhí)行能力。2010-2012年，美國海軍斯坦尼斯空間中心進行的一系列驗證活動中，成功驗證了波浪滑翔器的遠航和數(shù)據(jù)收集能力。其中利用波浪滑翔器拖曳被動聲學拖體和線列陣，對海洋水下聲學目標特性的偵察能力，得到了進一步驗證(如圖6)。

北約海事研究和試驗中心在“2013驕傲曼塔”軍事演習中，對波浪滑翔器進行了測試，評估其作為新型反潛平臺的可行性，利用波浪滑翔器在海洋環(huán)境中的自主偵察能力，收集相關(guān)海洋信息，并實時獲取情報(如圖7所示)。

圖7　Wave Glider參加了“2013驕傲曼塔”軍事演習Fig.7　Wave glider participated in the "Pride Manta 2013" military exercise

據(jù)最新報道，Wave Glider SV3已經(jīng)被包括美國在內(nèi)的多國海軍中投入使用，美海軍裝備了30臺，澳大利亞海軍裝備了6臺，此外挪威海軍以及部分北約海軍已獲列裝。美海軍部署波浪滑翔器以執(zhí)行以下任務(wù)：情報監(jiān)視偵察(ISR)、水下地形測繪、反潛戰(zhàn)(多個系統(tǒng)組成拖拽陣列)、水下通信中繼器、數(shù)據(jù)鏈接中繼器等。

目前，國內(nèi)針對波浪滑翔器技術(shù)已開展了一些研究，主要研究機構(gòu)有哈爾濱工程大學、國家海洋技術(shù)中心、中國船舶重工集團710研究所、中國科學院沈陽自動化研究所等[10]。迄今為止，國內(nèi)波浪滑翔器研究仍處于起步階段，雖然已開發(fā)出多型樣機并開展了海上試驗，但距離工程應用水平、產(chǎn)品化還有很大差距。

波浪滑翔器的研究涉及到流體力學、結(jié)構(gòu)力學、船型設(shè)計、自動控制、電子信息、新能源等諸多學科。UWG作為一個海上無人智能平臺，需要在颶風等極端惡劣海洋環(huán)境中生存并長期自主化作業(yè)，因此，它對推進性能、操縱性、控制性能和可靠性均提出了極為苛刻的要求。UWG技術(shù)主要包括：1)推進機理，2)動力學建模與分析，3)運動控制等內(nèi)容，文中從這三個方面來論述UWG技術(shù)的國內(nèi)外研究成果。

2　推進機理研究

2.1波浪推進原理

波浪滑翔器由水面浮體(簡稱“浮體”)、波浪推進器(或水下滑翔體，簡稱“潛體”)并用柔性臍帶(簡稱“柔鏈”)連接構(gòu)成。波浪推進器(Wave Glide Propulsor, WGP)裝有若干對鉸接的水翼(鰭翼)，由WGP產(chǎn)生推進力，正是UWG的動力來源。在持續(xù)波浪環(huán)境中，當浮體隨波浪下降時，WGP受重力下沉，使水翼后端向上翻起；反之，浮體隨波浪上升時WGP被柔鏈拉起而上升，水翼后端下翻。水翼隨波浪的上下交替拍動就像一條魚的尾鰭擺動那樣推動WGP前進，并通過柔鏈拉動浮體前進，從而實現(xiàn)UWG的向前航行，其工作原理如圖8所示。

圖8　波浪滑翔器的工作原理圖Fig.8　Working principle diagram of UWG

文中將UWG的推進原理表述為: UWG的浮體在波浪力的持續(xù)激勵下運動，同時浮體通過柔鏈傳遞的拖曳力驅(qū)使波浪推進器做滑翔運動(類魚鰭擺動過程)，而波浪推進器在流體動力作用下，以純機械方式將波浪力部分轉(zhuǎn)化為前進推力，從而驅(qū)動UWG持續(xù)航行。值得注意的是，波浪推進器利用純機械方式將波浪能直接轉(zhuǎn)換為推進力，而使得UWG在波浪環(huán)境中無需任何動力牽引，得以長時間航行和作業(yè)。

2.2相關(guān)研究進展

當前對波浪滑翔器推進機理研究主要有兩種策略：1)仿生推進——在波浪的持續(xù)激勵下，波浪推進器上串列水翼作升沉和拍動耦合運動進而產(chǎn)生前進推力，與魚鰭擺動過程非常相似，即屬于一類特殊的水下仿生推進模式。一些研究者試圖從仿生推進角度進行波浪推進機理分析；2)波浪能利用——考慮到波浪滑翔器航行動力來至于波浪能捕獲和直接利用，部分學者基于規(guī)則波假設(shè)和能量守恒原理，從宏觀角度探討波浪推進機理問題。

在仿生擺動翼研究中，多數(shù)學者均假定水翼做周期性耦合運動，即水翼擺角運動與升沉運動同步耦合進行，兩自由度運動在一個周期內(nèi)運動時間相等且均等于周期時長。然而波浪推進器的運動過程同常規(guī)仿生擺動翼有著顯著區(qū)別[25]，表現(xiàn)為波浪驅(qū)動波浪推進器運動時，水翼受環(huán)境流場影響，其運動方式將發(fā)生改變(呈脈動狀態(tài))，即在一個周期內(nèi)，水翼做擺角運動時間與其升沉運動時間不相等。水翼在整個運動周期內(nèi)均做升沉運動、而擺角運動則發(fā)生于運動周期的某一時間段內(nèi)的擺動翼，即屬于一種異步擺動翼。

劉鵬等[26]基于計算流體力學理論并結(jié)合仿生推進原理，開展了波浪滑翔器推進機理研究。通過求解RANS方程，計算了串列布置的二維水翼在異步擺動運動方式下的水動力性能，分析了擺幅角、翼間距、翼型等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對各翼性能的影響，以及不同工況下翼間流場擾動情況；給出串列翼之間的渦系分布情況，探討了翼間渦系干擾對各翼性能的影響。然而計算中假設(shè)浮體對波浪是完全響應的，這與浮體及其系統(tǒng)運動實際情況有較大差異。在此研究基礎(chǔ)上，胡合文等[27]在分析中考慮了波浪中浮體響應特性對系統(tǒng)推進性能的影響，基于三維勢流理論計算獲得頻域中波浪滑翔器浮體在波浪中垂蕩運動響應，進而獲得水下滑翔器的水動力性能。探索出一種使用AQWA和FLUENT軟件相結(jié)合的計算方法，對波浪滑翔器在典型工況下的推力性能進行了定量化的評估，試圖更系統(tǒng)、真實地進行波浪推進性能分析。

哈爾濱工程大學廖煜雷等自主研制出“漫步者Ⅰ”號波浪滑翔器原理樣機，并在國內(nèi)率先完成了水池拖曳、自由航行等標準化水動力試驗研究(如圖9所示)。試驗中以規(guī)則波模擬海上波浪環(huán)境，系統(tǒng)地測試了一級海況下波高、波長對其推進性能的影響；試驗中樣機在波高0.2 m(一級海況)下航速達到了0.85 kn(國外產(chǎn)品一級海況航速為0.5 kn)，試驗表明所研制的波浪滑翔器樣機航行能力較強、系統(tǒng)研究方案具有可行性，并積累了大量寶貴實驗數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果比較驗證了理論分析方法的有效性，兩種結(jié)果顯示波高的增加能夠提高串列翼推進器的推力，而波長的增加則能提高其推進效率[28]。

圖9　哈爾濱工程大學研制的“漫步者I”號波浪滑翔器樣機Fig.9　The "Rambler I" UWG prototype developed by Harbin Engineering University

田寶強等[29]進行了波浪滑翔器驅(qū)動原理分析，并簡化推導了驅(qū)動力計算公式。結(jié)合波浪理論從能量轉(zhuǎn)化角度建立了運動效率分析模型，分析了波高、波浪周期和水翼轉(zhuǎn)角對運動效率的影響。研制了一個實驗平臺，利用浮體攜帶電機上下往復拖曳水下潛體運動以近似模擬波浪中水下潛體的深沉運動，開展了系列試驗研究，試驗分析了波高、周期、拍幅角等三個參數(shù)對波浪能利用效率的影響(如圖10所示)。然而，這種試驗方法基于水面浮體對波浪運動完全響應的假設(shè)，這與實際的系統(tǒng)航行狀態(tài)不符，且忽略了波浪等環(huán)境擾動力對波浪滑翔器運動的嚴重影響。

圖10　中科院沈陽自動化所研制的波浪滑翔器實驗平臺Fig.10　The UWG experimental platforms developed by Shenyang Automation Institute of Chinese Academy of Sciences

JIA L J等[30]利用FLUENT軟件分析了水翼的翼型、分布間距和擺角對其水動力性能影響，分析了參數(shù)-傾角θ的水動力特性，總結(jié)了關(guān)鍵參數(shù)變量調(diào)整時其水動力性能的變化規(guī)律。模仿“Wave Glider”制造了一臺推進效率測試裝置，利用電機升降直接驅(qū)動潛體往復升沉的方式對滑翔器在波浪中的運動響應進行簡單模擬，開展了樣機水池試驗，試驗測得在模擬一級海況下其最高航速為0.3 kn(如圖11所示)。然而，分析中只考慮常穩(wěn)態(tài)下水翼的水動力性能(即水翼保持在最大靜止攻角處，且海水垂向流速不變)，實際上受水動力和重力的作用，水翼擺動是一個動態(tài)變化過程，這樣處理忽略了水翼運動對水動力性能的影響；同時，海水垂向流速也是呈周期動態(tài)變化的，導致數(shù)值計算結(jié)果與實際情況具有較大差距。

圖11　國家海洋技術(shù)中心研制的波浪推進效率實驗裝置Fig.11　The experiment device for wave propulsive efficiency developed by National Ocean Technology Center

李小濤等[31]考慮到波浪滑翔器前進所需能量全部來源于對波浪能量轉(zhuǎn)化的事實，從波浪能利用角度，宏觀地分析系統(tǒng)總體設(shè)計參數(shù)?；贏iry微振幅波理論分析了波浪滑翔器的運動原理，得到波浪滑翔器是利用表層水質(zhì)子振動幅度和深層水質(zhì)子振動幅度的差異引起的波浪能差，并將此波浪能差直接轉(zhuǎn)化為前進推力的結(jié)論；分析了潛體水翼在上下起伏過程中的受力狀態(tài)，得出只要有波浪帶動浮體上升和下降，潛體就會受到向前的動力，從而帶動浮體也向前運動。在假設(shè)波浪能利用效率為10%的條件下，獲得了不同海況下的量化推進力；并對浮體、潛體總體參數(shù)進行了初步分析。

ZHENG B H等[32]對波浪推進器水翼靜應力分析的基礎(chǔ)上，初步比較了幾種因素對水翼的影響。通過仿真與計算結(jié)果的比較分析表明，當水翼攻角達到45°時，水平分量達到最大值，超過45°后，水平分量的力隨著攻角的增大而減小；在相同攻角下，水平分量隨著流速的增加而逐漸增大。

3　動力學分析研究

對于海洋航行器而言，操縱性能研究具有重要意義。因為建立合適的操縱性模型是開展載體運動機理分析、運動預報、運動控制等研究的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)研制前期非常重要。為了判斷所設(shè)計的波浪滑翔器是否具有良好的操縱性能，在沒有條件進行海洋操縱性試驗的情況下，基于數(shù)值模擬技術(shù)建立波浪滑翔器動力學模型，完成航速、操縱性等數(shù)值模擬試驗，以此來預報該波浪滑翔器的操縱性能并實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試，是非常經(jīng)濟且有效的手段。下面分別從系統(tǒng)航速預報、操縱性建模與分析兩方面進行闡述。

3.1航速預報

SMITH R N等[33]探討了波浪滑翔器的在線航速預報問題，用于離線航線規(guī)劃時提供準確速度估計的動力學模型，試圖進一步提高系統(tǒng)的控制性能。利用波高、波周期、波向、海流、風速和風向等環(huán)境測量數(shù)據(jù)，通過最小二乘法獲得了航速線性預測模型的各項系數(shù)。分析表明，波浪有義波高和譜峰周期對航速高低占有支配地位，其次海流對系統(tǒng)對地航速具有很大影響。然而，由于訓練數(shù)據(jù)局限等因素導致數(shù)值預報結(jié)果同實測數(shù)據(jù)誤差較大，并建議未來采用非線性預測模型進行波浪滑翔器的航速預報。

NGO P等[34]在上述研究基礎(chǔ)上，建立了一個非線性、隨機性和非參數(shù)化航速預測模型，并基于高斯過程回歸方法(Gaussian process regression, GPR)進行模型參數(shù)辨識，通過海上對比試驗表明，該方法能有效地預報波浪滑翔器的實際航速。2014年，NGO P等[35]在WAVEWATCH III波浪預報模型以及機載觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，同樣基于GPR方法進行了波浪滑翔器航速預報。首先，利用周期協(xié)方差函數(shù)型GPR模型、K階高斯迭代過程模型檢驗長期海洋觀測數(shù)據(jù)是否屬于高斯過程，以檢驗使用GPR進行航速預報的可行性；然后，提出了基于波浪模型預報的預測模型等3種預測策略，對比分析表明航速預報精度取決于模型的時間分辨率以及訓練數(shù)據(jù)。

TIAN Baoqiang等[36]在文獻[37]的研究基礎(chǔ)上，針對波浪滑翔器動力學分析和航速預報問題，主要探討了波浪滑翔器在二維縱剖面上的運動數(shù)學建模，基于長峰規(guī)則波假設(shè)和切片理論，計算分析了波浪滑翔器縱剖面運動狀態(tài)。然而，由于分析中采用了大量簡化假設(shè)，導致數(shù)值預報中二級海況下的平均航速僅為0.25 kn，遠低于同海況下Liquid Robotics公司產(chǎn)品的平均航速。

3.2操縱性建模與分析

波浪滑翔器由浮體、柔鏈和潛體三部分組成，同常規(guī)海洋航行器在結(jié)構(gòu)上存在著很大區(qū)別。一方面，波浪滑翔器本質(zhì)上具有多體結(jié)構(gòu)屬性，既有剛性體又有柔性體，即屬于一類特殊的多體系統(tǒng)——剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)；另一方面，考慮到波浪滑翔器航行于海洋環(huán)境中時，系統(tǒng)主要的環(huán)境作用力來源于浮體(微型小艇)且本身屬于海洋航行器，即可作為一種特殊的海洋航行器來研究。

波浪滑翔器與常規(guī)海洋航行器有很大的不同，對其操縱性研究困難且現(xiàn)有成果較少，國內(nèi)外尚無公認的成熟操縱性建模與分析方法。目前，主要有兩種解決方法：1)船舶操縱性理論——對系統(tǒng)各部分運動狀態(tài)(自由度)進行區(qū)別對待，選取對系統(tǒng)影響大的主要運動狀態(tài)忽略影響小的運動狀態(tài)進行降階處理，以便于利用海洋航行器操縱性理論進行波浪滑翔器動力學分析。2)多體動力學理論——鑒于波浪滑翔器在運動過程中柔鏈部分主要處于緊繃狀態(tài)，因此為了系統(tǒng)動力學分析的簡便，將柔鏈作剛性體假設(shè)，即將波浪滑翔器簡化為剛性連接多體系統(tǒng)或剛性雙體結(jié)構(gòu)，進而開展多體動力學分析。

KRAUS N D等[37]在對波浪滑翔器試驗觀察的基礎(chǔ)上，考慮到波浪滑翔器的浮體與滑翔體之間作用主要體現(xiàn)為縱向運動x、垂向運動y和縱搖運動θ，且基于柔鏈是緊繃狀態(tài)等假設(shè)條件，建立了一個垂直平面(即包含縱向、垂向和縱搖的三自由度縱剖面)運動數(shù)學模型。研究中波浪滑翔器配置了“GPS+慣導”的組合導航設(shè)備，基于擴展卡爾曼濾波算法(Extended Kalman Filter，EKF)對海上實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，有效地預報了波浪滑翔器在縱剖面內(nèi)的運動響應。

KRAUS N D等[38]考慮到波浪滑翔器結(jié)構(gòu)的特殊性，基于船舶空間運動數(shù)學模型建模方法[39]，對其進行修正以適用于波浪滑翔器，最終構(gòu)建出一種波浪滑翔器六自由度操縱性模型。通過經(jīng)驗公式和海試實驗數(shù)據(jù)(如圖12所示)[38]，獲得了波浪滑翔器的主要水動力參數(shù)，完成了操縱性數(shù)值仿真。對比仿真和實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，所建立的模型具有合理性和較高仿真精度，較好地刻畫了波浪滑翔器系統(tǒng)、浮體以及潛體的運動狀態(tài)，為分析波浪滑翔器獨特運動機理提供了一種模型基礎(chǔ)。

圖12　基于SV2型波浪滑翔器的海上實驗Fig.12　Sea trials based on SV2 type UWG

盧旭等[40]以哈爾濱工程大學自主研制的”海洋漫步者”號波浪滑翔器實驗樣機為研究對象，同樣基于船舶操縱性建模理論[39]建立了波浪滑翔器6自由度操縱性數(shù)學模型，分析獲得了各項水動力參數(shù)，實現(xiàn)了直航、回轉(zhuǎn)、Z型機動、環(huán)境力影響下操縱性數(shù)值預報試驗，并完成了水池操縱性試驗。數(shù)值預報結(jié)果為：有義波高0.10 m(一級海況)時，平均速度約為0.3 m/s；有義波高0.50 m(二級海況)，平均速度約為0.5m/s；有義波高1.25 m(三級海況)，平均速度約為0.9 m/s，與Liquid Robotics公司SV3型波浪滑翔器能基本吻合。波浪滑翔器的回轉(zhuǎn)、Z型機動等數(shù)值預報結(jié)果，在水池試驗中得到了有效驗證(如圖13所示)[40]。

圖13　哈爾濱工程大學研制的”海洋漫步者”號波浪 滑翔器實驗樣機及水池試驗Fig.13　The "Ocean Rambler" UWG prototype developed by Harbin Engineering University and the tank test

QI Z F等[41]根據(jù)波浪滑翔器的運動形式選定系統(tǒng)的廣義速度，并在此基礎(chǔ)上分別計算浮體、柔鏈和潛體對應不同廣義速度的偏速度、偏角速度、加速度和角加速度以及系統(tǒng)的廣義主動力和廣義慣性力，利用Kane方程[42]建立了波浪滑翔器的多剛體動力學模型。在此研究基礎(chǔ)上，賈立娟等[43]將波浪滑翔器的空間六自由度運動簡化成具有三個自由度平面運動，假設(shè)柔鏈為二力桿并忽略其所受水阻力，即將波浪滑翔器視為一個多剛體系統(tǒng)(三自由度的剛體動力學問題)。基于矢量運算的Kane方程建立波浪滑翔器的運動學、動力學方程；將建立的動力學模型導入MATLAB軟件進行運動仿真。然而，在動力學建模中將波浪滑翔器系統(tǒng)簡化為“多剛體系統(tǒng)”即只考慮了系統(tǒng)在垂直平面內(nèi)的運動；同時，僅分析了滑翔體下降階段的動力學分析，并做了大量簡化處理，從而難以深刻揭示出系統(tǒng)運動規(guī)律。

李小濤等[31]通過多體動力學分析軟件ADAMS和數(shù)值模擬軟件MATLAB模型相結(jié)合的方法探討建模和運動仿真問題。通過對波浪滑翔器浮體、潛體和柔鏈分別建立數(shù)學模型，在明確輸入和邊界條件的基礎(chǔ)上，借助多體動力學分析軟件ADAMS和數(shù)值模擬軟件MATLAB進行聯(lián)合分析求解，建立起波浪滑翔器整體數(shù)學模型?；诓ɡ嘶杵髀?lián)合仿真模型，對波浪滑翔器的纜索長度和翼板對數(shù)進行了計算分析和擇優(yōu)選?。蛔詈笱芯苛瞬ɡ嘶杵髟谝患壍秃r下的運動可行性，常規(guī)三級海況下的航行性能及極端九級海況下的生存能力。然而，分析是在柔鏈為剛性、浮體垂向運動以及二維小振幅波浪理論等嚴格假設(shè)條件下進行的，也沒有考慮不規(guī)則波對系統(tǒng)的抨擊作用以及波浪力、海流等對系統(tǒng)作用的影響，其研究方法實用性有待進一步驗證。

4　運動控制

對于海洋無人航行器而言，智能控制分系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中占有核心地位，擁有良好的控制性能、智能水平是實現(xiàn)應用的前提。由于波浪滑翔器的推力來至于波浪運動，因此其推力大小隨著海況而隨機改變，即推力是隨機、不可控的，從而導致航速具有不受控制特性。因此，波浪滑翔器僅有操舵系統(tǒng)可控，即具有欠驅(qū)動(弱機動)特性；同時，控制系統(tǒng)還表現(xiàn)出非線性、耦合性、時變性等特征。另一方面，由于波浪滑翔器的體積很小，它在復雜海洋環(huán)境中運行時，將不可避免地受到風、浪和流等環(huán)境力的劇烈干擾。顯然，波浪滑翔器的控制屬于一類特殊的弱機動載體運動控制難題。目前，波浪滑翔器運動控制方法相關(guān)的參考資料較少，美國Liquid Robotics公司實現(xiàn)了波浪滑翔器遠程自主控制，然而出于保密等原因并未公開其控制系統(tǒng)以及控制算法細節(jié)，下面簡要回顧相關(guān)研究成果。

KRAUS N D等[38]以SV2型波浪滑翔器為對象構(gòu)建了操縱性數(shù)學模型，基于PID控制算法進行了波浪滑翔器的定位控制，并在無海流影響下開展了數(shù)值仿真試驗，結(jié)果表明波浪滑翔器能保持在半徑40 m的設(shè)定點圓域內(nèi)，并存在一個半徑10 m的圓域死區(qū)，在總體上實現(xiàn)了位置控制目標(如圖14)[38]。顯然，由于波浪滑翔器獨特的弱機動特性，難以像常規(guī)海洋無人航行器一樣保持較高的控制精度。

廖煜雷等針對”海洋漫步者”號波浪滑翔器的自主控制問題，分析了波浪滑翔器的4種智能行為特性，基于腦基本功能聯(lián)合區(qū)理論設(shè)計出波浪滑翔器智能控制系統(tǒng)，并提出了一種航向PD控制算法；研制了一種基于ARM核心和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式智能控制系統(tǒng)，并在人工造浪水池成功完成了自主航向控制、航跡跟蹤等驗證試驗(如圖15所示)。航向控制精度±4°，航跡跟蹤精度±5 m，試驗表明在外界干擾力影響下樣機具有較強航向保持和航跡跟蹤能力，實現(xiàn)了波浪滑翔器自主控制。

圖14　基于SV2型波浪滑翔器的定位控制仿真結(jié)果Fig.14　Simulation results of positioning control based on SV2 type UWG

盧旭等[40]同樣以”海洋漫步者”號波浪滑翔器為研究對象，考慮到波浪滑翔器系統(tǒng)非線性、時變性和不確定性等問題，將PID控制和模糊控制相結(jié)合，提出了一種模糊自適應PID控制方法。數(shù)值仿真試驗表明，模糊PID控制器相比于PID控制器，超調(diào)更小、達到穩(wěn)態(tài)更快(如圖16所示)。利用所設(shè)計的模糊PID控制器，實現(xiàn)了無干擾影響下波浪滑翔器的位置保持仿真試驗。然而，海洋環(huán)境力強擾動下的系統(tǒng)控制性能有待檢驗。

圖15　“海洋漫步者”號波浪滑翔器航向控制水池試驗結(jié)果Fig.15　Tank tests of heading control based on "Ocean Rambler" UWG

廖煜雷等突破了波浪滑翔器航向控制、自主航跡跟蹤、自主環(huán)境監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)，其中控制模塊以改進視線導航法和動態(tài)補償型PD航向控制算法為核心。”海洋漫步者”號波浪滑翔器在山東威海海域完成了波浪能推進、自主航行、自主水文/氣象偵察能力等海上驗證試驗(如圖17所示)。試驗表明，三級海況(海流≤0.5 kn)下波浪滑翔器航速約1.2-1.6 kn、航向控制精度±10°、航跡跟蹤誤差≤500 m，系統(tǒng)具有較強機動性、控制性能和作業(yè)能力，在近一個月的海上試驗中，累積航程達到500余公里。然而，樣機還未進行數(shù)月(數(shù)千公里)的長期化、長航程海上試驗，在極端海況的生存能力和可靠性也需要進一步檢驗。

圖16　兩種航向控制算法的仿真試驗結(jié)果Fig.16　Simulation results of two kinds of heading 　control algorithm

張森等[44]利用Visual Studio2008 C#.net開發(fā)環(huán)境，并結(jié)合GPS北斗雙模技術(shù)和Google Earth COM API為波浪滑翔器開發(fā)了一種導航定位岸基監(jiān)控應用程序，主要包含衛(wèi)星定位與數(shù)據(jù)傳輸、矢量地圖的

軌跡顯示和路徑設(shè)定、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類存儲與管理、平臺運行狀態(tài)可視化查詢等功能。海上測試表明，岸基監(jiān)控系統(tǒng)基本能完成指令發(fā)送、目標跟蹤等任務(wù)。

圖17　“海洋漫步者”號波浪滑翔器的海洋自主航行試驗Fig.17　Autonomous sea trials of "Ocean Rambler" UWG

史健等[45]探討了波浪滑翔器運動控制問題，以LPC2478為核心設(shè)計了嵌入式控制系統(tǒng)；基于高斯大地線算法和PID控制算法，構(gòu)成了波浪滑翔器導航策略，實現(xiàn)了波浪能滑翔器的視線跟蹤和虛擬錨泊。同時，為保證導航信息的精準度，增加2組傳感器(波高儀和流速儀)作為輔助導航設(shè)備，建構(gòu)了一種波浪能滑翔器自主運行導航系統(tǒng)(如圖18所示)[45]，并在海洋試驗中取得了良好效果。

圖18　一種波浪滑翔器的導航系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.18　A design scheme of navigation system for the UWG

5　結(jié)論

文中針對波浪滑翔器技術(shù)現(xiàn)狀進行了回顧，總結(jié)了波浪滑翔器技術(shù)研究進展和目前存在的主要問題。未來需要重點關(guān)注的研究方向包括：

1)波浪滑翔器的研制與發(fā)展主要受工業(yè)界推動，當前在應用研究方面比較深入，但是理論研究相對滯后。未來需要以流體力學、波浪理論等為基礎(chǔ)，從波浪推進機理研究等理論源頭出發(fā)，從根本上解決推進、耐波性等核心問題，進一步提高推進效率使系統(tǒng)具有更佳的航行性能和載荷能力。

2)目前的操縱性模型，或基于大量簡化并沿襲常規(guī)船舶的建模方法，或僅考慮二維平面內(nèi)運動進行多體動力學分析，其運動方程可信度和數(shù)值模擬精度仍未達到實用化的水平。一種可能的思路是基于多體動力學和流體力學理論，構(gòu)建更為合理的波浪滑翔器空間運動操縱性模型，有效描述其在海洋環(huán)境中多自由度復雜耦合運動。

3)波浪滑翔器獨特的弱機動和大擾動特性，同常規(guī)海洋無人航行器運動控制有所不同，一方面，需要探討將智能控制、自適應等理論同常規(guī)PID控制算法想結(jié)合，提高系統(tǒng)控制性能以及對惡劣海洋環(huán)境的自適應能力；另一方面，借鑒和發(fā)展無人系統(tǒng)在智能、規(guī)劃與決策等研究成果，進一步提高波浪滑翔器的智能水平。

4)波浪滑翔器具有的獨特能力，豐富了現(xiàn)有無人系統(tǒng)體系，未來波浪滑翔器極有可能與無人艇、無人機、無人潛器、潛標等裝備共同組成異構(gòu)無人作業(yè)系統(tǒng)，并涌現(xiàn)出波浪滑翔器協(xié)同控制、協(xié)同作業(yè)等新技術(shù)問題。因此，需要開展相應研究提高協(xié)同能力，以拓展其作業(yè)模式和應用潛力。

5)從長期使用實踐來看，現(xiàn)有波浪滑翔器的有效電氣載荷能力偏低，僅達到瓦級水平，其能力拓展和廣泛應用倍受限制。一種解決途徑是深入研究海洋能源捕獲、轉(zhuǎn)化和高效利用技術(shù)，從而提高波浪滑翔器的續(xù)航力及載荷能力。

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本文引用格式：

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Unmanned wave glider technology: state of the art and perspective

LIAO Yulei, LI Ye, LIU Tao, LI Yiming, WANG Leifeng, JIANG Quanquan

(Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The unmanned wave glider (UWG) is a new type of autonomous marine vehicle that has emerged in the last ten years. Its seemingly limitless endurance and strong viability has made its use popular in the fields of ocean science, ocean engineering, and marine defense. UWG technology has become a hot research topic worldwide. In this paper, we describe UWG's wave propulsion mechanism, system architecture attributes, and control characteristics. We also highlight and discuss the main problems associated with UWG technology, including its propulsion mechanism, dynamic modeling and analysis, and motion control. We summarize the main problems existing in UWG technology and suggest future research directions.

unmanned wave glider; wave driven; propulsion mechanism; speed prediction; maneuverability; motion control

2016-03-29.

時間：2016-07-29.

國家自然科學基金(51409061，51409054，51579053，51579022)；黑龍江省青年自然科學基金 (QC2016062)；中國博士后科學基金 (2013M540271)；黑龍江省博士后資助經(jīng)費 (LBH-Z13055).

廖煜雷(1985-), 男, 副教授, 博士;

廖煜雷, E-mail：liaoyulei@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201603099

TP273; U664

A

1006-7043(2016)09-1227-10

李曄(1978-), 男, 教授，博士生導師.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160905.0910.006.html