水下滑翔機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

李 曄，吳 琪

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001)

水下滑翔機(jī)是為了滿足大尺度、長時(shí)間、大范圍海洋環(huán)境監(jiān)測需要，將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)與水下機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，研制出的一種固定翼形、通過浮力驅(qū)動(dòng)的水下無人運(yùn)載器，它具有制造成本和維護(hù)費(fèi)用低、可重復(fù)利用、投放回收方便、可大量布放、低阻力、低噪聲和長續(xù)航能力等特點(diǎn)。因此作為一種可長時(shí)間機(jī)動(dòng)部署的水下運(yùn)載平臺(tái)或者監(jiān)測平臺(tái)，水下滑翔機(jī)已經(jīng)越來越被海洋大國所重視［1］。

1 水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理和系統(tǒng)組成

水下滑翔機(jī)通過改變重心相對浮心的位置，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的調(diào)節(jié)和控制。根據(jù)需要，水下滑翔機(jī)有兩種方式實(shí)現(xiàn)滑翔。第一種是通過吸入或排出外部液體，改變自身的重量，產(chǎn)生下沉或上浮的動(dòng)力，同時(shí)相應(yīng)改變載體重心在縱向上的位置，形成一定的攻角，再利用水平翼產(chǎn)生的升力的縱向分力，從而實(shí)現(xiàn)縱向滑翔;第二種是通過液壓系統(tǒng)將液體從外皮囊內(nèi)壓入密封的滑翔機(jī)殼體內(nèi)部或從密封的滑翔機(jī)殼體內(nèi)部壓入外皮囊內(nèi)，改變自身的體積，使浮力發(fā)生變化，通過機(jī)翼產(chǎn)生下沉或上浮的動(dòng)力，同時(shí)調(diào)節(jié)載體重心，實(shí)現(xiàn)縱向滑翔［2］。

1.1 運(yùn)動(dòng)過程

水下滑翔機(jī)受力見圖1。

圖1 受力圖

1)通過俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)向艏部移動(dòng)電池組，使得水下滑翔機(jī)保持艏朝下艉朝上姿態(tài);

2)通過浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減少載體排水體積，使得水下滑翔機(jī)器人處在負(fù)浮力狀態(tài)。水下滑翔機(jī)在負(fù)浮力作用下開始下潛運(yùn)動(dòng)，并最終達(dá)到下潛到定?；柽\(yùn)動(dòng)狀態(tài);

3)當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定深度時(shí)，通過浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增大載體排水體積達(dá)到中性狀態(tài)，水下滑翔機(jī)開始減速下潛，并最終停止運(yùn)動(dòng);

4)通過俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)向艉部移動(dòng)電池組，使得水下滑翔機(jī)姿態(tài)變?yōu)轸汲萧撼?

5)通過浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增大載體排水體積，使得水下滑翔機(jī)處在正浮力狀態(tài).水下滑翔機(jī)在正浮力作用下開始上浮運(yùn)動(dòng)，并最終達(dá)到上浮到定?；柽\(yùn)動(dòng)狀態(tài);

6) 當(dāng)水下滑翔機(jī)到達(dá)水面就完成一個(gè)周期的滑翔運(yùn)動(dòng)［3-4］。

1.2 運(yùn)動(dòng)軌跡

水下滑翔機(jī)原理樣機(jī)在進(jìn)行滑翔航行過程中交替出現(xiàn)正浮力與負(fù)浮力狀態(tài)，同時(shí)重心在縱向位置的相應(yīng)改變，使得水下滑翔機(jī)沿鋸齒形軌跡航行。在水下滑翔機(jī)上浮下潛的過程中，只在其鋸齒形航跡的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)調(diào)節(jié)重力、浮力的關(guān)系，中間航程完全實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力調(diào)節(jié)。見圖2。

圖2 運(yùn)動(dòng)軌跡示意

按照設(shè)計(jì)的要求，只需要進(jìn)行鋸齒狀運(yùn)動(dòng)的演示，即當(dāng)滑翔機(jī)達(dá)到一定深度時(shí)，調(diào)節(jié)重力或改變浮力，使得滑翔機(jī)上浮，依次進(jìn)行循環(huán)［5］。

1.3 滑翔機(jī)的總體布置

首先，設(shè)計(jì)選擇所有需要安裝固定的器件，進(jìn)行重量的測量，在總體上對所有的部件進(jìn)行大致位置的布置，并且進(jìn)行重心的估計(jì)，使其滿足與浮心在垂向位置相一致。在對滑翔機(jī)的內(nèi)部布置進(jìn)行簡單的研究的基礎(chǔ)上，采用AutoCAD進(jìn)行滑翔機(jī)內(nèi)部的簡單的總布置草圖規(guī)劃，見圖3。

圖3 內(nèi)部總布置草圖

控制系統(tǒng)主要有以下幾部分。

1)電池組，給單片機(jī)、電機(jī)、電路板、L298N等提供能源，必要時(shí)可以進(jìn)行重心的調(diào)節(jié)。

2)單片機(jī)，存儲(chǔ)預(yù)編程序，接受壓力傳感器的信號(hào)，變模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，為L298N輸入可執(zhí)行新號(hào)。

3)L298N，接收單片機(jī)提供的信號(hào)，同時(shí)給電機(jī)輸入信號(hào)。

4)電機(jī)，控制活塞的抽推運(yùn)動(dòng)。

5)活塞，在電機(jī)的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)抽水排水。

6)壓力傳感器、深度計(jì)，測量滑翔機(jī)的即時(shí)水深，輸入信號(hào)給單片機(jī)。

7)皮囊及液壓機(jī)，通過皮囊的吸氣排氣，實(shí)現(xiàn)浮力的變化。

8)質(zhì)量塊，調(diào)節(jié)滑翔機(jī)的重心位置，產(chǎn)生縱傾力矩。

此外還有很多的排線等。

滑翔機(jī)模型見圖4。

圖4 滑翔機(jī)模型

內(nèi)部的耐壓殼將所有的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)布置在里面，內(nèi)部布置一塊平板，將所有部件固定在平板之上，通過水密插件接口將深度計(jì)布置在水密桶外部。內(nèi)部所有的部件的排序方式大致如下:首部是活塞和單片機(jī)，中部是電機(jī)和L298N，尾部是電池組。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該考慮到重心在浮心之下，重心和浮心在同一鉛垂線上，且在活塞完全沒有水時(shí)，浮力略大于重心，重心和浮心的垂向距離不應(yīng)該過大或過小，應(yīng)該在1 cm左右范圍內(nèi)，目的是滑翔機(jī)產(chǎn)生縱傾時(shí)，重力和浮力產(chǎn)生的恢復(fù)力矩不至于過大，影響艇體的縱向攻角變化。外部的整流罩是非水密的，主要用于保護(hù)里面的耐壓殼以及外部整流，減小行進(jìn)阻力，并且安裝機(jī)翼。機(jī)翼固定在兩個(gè)半圓柱體上，將兩個(gè)半圓柱拼接固定在整流罩外部，這樣可以實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的位置變動(dòng)，對機(jī)翼布置的優(yōu)化有利［6］。

1.4 縱傾調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)改變水下滑翔機(jī)器人的俯仰角，水下滑翔機(jī)器人通過調(diào)整載體重心和浮心在縱向上的相對位置，實(shí)現(xiàn)俯仰角的調(diào)節(jié)。通常載體的浮心可以認(rèn)為保持不變，因此要改變相對位置，只能改變載體的重心位置，可以通過改變載體縱向上的質(zhì)量分布實(shí)現(xiàn)。本文原理方面依然不變，將傳統(tǒng)的滑翔機(jī)中的兩個(gè)機(jī)構(gòu):俯仰機(jī)構(gòu)和浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合，制作新的浮態(tài)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，活塞直接與電機(jī)的推桿相連，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制推桿的抽拉，進(jìn)行重力的調(diào)節(jié)，同時(shí)在抽進(jìn)水和壓出水的過程中改變了滑翔機(jī)的重心在縱向的位置，從而產(chǎn)生縱傾力矩，進(jìn)行俯仰調(diào)節(jié)。由于只需要設(shè)計(jì)在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仿真，因此忽略橫滾機(jī)構(gòu)［7］。

1.5 設(shè)計(jì)電路圖

在完成滑翔機(jī)的總體布置以及各主要部件的安裝工作的基礎(chǔ)上，需要合理地設(shè)計(jì)電路圖，在滿足總布置的前提下，盡可能減少不必要的重量附加。采用單片機(jī)8052，直接在單片機(jī)電路板上進(jìn)行程序的編寫與寄存，需要完成的預(yù)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)其在水下1～5 m內(nèi)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)。在程序設(shè)計(jì)過程中，主要應(yīng)用的是AD模塊，即模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將深度計(jì)所得的深度壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的0、1信號(hào)［8］。設(shè)計(jì)電路大致如圖5。

根據(jù)定義可知，監(jiān)控器M本質(zhì)上是一個(gè)含有接受狀態(tài)集的HMM，并且M的狀態(tài)集S′=S×Q中存在一些從初始狀態(tài)不可達(dá)的狀態(tài)以及與監(jiān)控屬性無關(guān)的狀態(tài)，因此，要從M中移除這些狀態(tài).采用寬度優(yōu)先算法來構(gòu)造M，首先構(gòu)造M的所有初始狀態(tài).然后，從初始狀態(tài)出發(fā)，采用寬度優(yōu)先搜索算法來生成M的狀態(tài).根據(jù)定義4，監(jiān)控器構(gòu)造時(shí)間復(fù)雜度為:O(|O|×(|S|×|O|)2)，其中，|O|表示系統(tǒng)可觀測符號(hào)集合的勢.

圖5 設(shè)計(jì)電路

其原理如下:先將預(yù)設(shè)的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)中，給單片機(jī)供電冷觸發(fā);壓力傳感器感應(yīng)到一個(gè)壓力信號(hào)傳送給單片機(jī);單片機(jī)根據(jù)預(yù)先寫入的程序進(jìn)行判斷;單片機(jī)將所得的結(jié)果以信號(hào)的形式傳遞給L298N;L298N根據(jù)所得的信號(hào)輸出一個(gè)反饋信號(hào)給電機(jī)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn);電機(jī)與活塞通過絲杠相連，實(shí)現(xiàn)吸水與排水，即重力發(fā)生改變。按照這個(gè)流程依次進(jìn)行循環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)滑翔機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)。其中L298N只接收單片機(jī)傳來的0、1信號(hào);然后輸出0、1信號(hào)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)抽排水。再通過深度計(jì)的測量水壓，得到一個(gè)輸入信號(hào)，反饋給單片機(jī)，單片機(jī)在經(jīng)過程序的運(yùn)行，得到新的信號(hào)參數(shù)，依次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。在此基礎(chǔ)上，考慮到程序控制的有可能產(chǎn)生的誤差，可以外加兩個(gè)限位開關(guān)，當(dāng)活塞推桿運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，接觸到限位開關(guān)，便會(huì)斷電，這樣電機(jī)就停止運(yùn)動(dòng)，推桿對應(yīng)的不進(jìn)行抽排水。

選取NACA0014矩形、平行四邊形、梯形機(jī)翼［9］，采用離散化靜態(tài)網(wǎng)格、一階迎風(fēng)格式simple得到來流速度v=0.5 m/s的三種翼型的升阻力系數(shù)CL和CD曲線，結(jié)果見圖6、7、8。通過比較，梯形機(jī)翼在小攻角滑行時(shí)升阻比較大，有利于增加滑翔機(jī)的穩(wěn)定滑翔距離。

2 運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)方程

從滑翔式潛水器的運(yùn)動(dòng)原理可以看出，隨著重力以及重心的變化，潛水器會(huì)在垂直面內(nèi)往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋸齒狀運(yùn)動(dòng)軌跡。

1)上浮狀態(tài)。上浮過程中，活塞排盡水導(dǎo)致浮力大于重力，滑翔機(jī)開始上浮。此時(shí)通過姿態(tài)控制系統(tǒng)，重力浮力作用線不重合，使航行器產(chǎn)生上仰的力矩M，此時(shí)俯仰角θ為正值。在此過程中，滑翔機(jī)(主要通過滑翔翼)，通過流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生垂直速度方向向下的升力L和與速度方向相反的阻力D。升力L和阻力D分解到水平方向的分量推動(dòng)滑翔機(jī)加速向前滑翔，直到水平方向和垂直方向合力為零，航行器開始勻速上浮的穩(wěn)定滑翔狀態(tài)。

2)下潛狀態(tài)。當(dāng)重力大于浮力時(shí)，實(shí)現(xiàn)下潛運(yùn)動(dòng)，在重力力矩的控制下，出現(xiàn)縱傾角實(shí)現(xiàn)埋首運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)機(jī)翼會(huì)產(chǎn)生升力和阻力，升力在水平方向的分力會(huì)推動(dòng)潛水器在x方向運(yùn)動(dòng);垂直方向合力使滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)下潛，隨著攻角的漸漸變大，速度增大，阻力變大，最終實(shí)現(xiàn)垂直面內(nèi)的受力平衡，滑翔機(jī)以某一角度直線運(yùn)動(dòng)，攻角也是定值。這是在無限深廣水域的最終結(jié)果，上浮狀態(tài)和下潛類似。而在實(shí)際試驗(yàn)中，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，通過活塞的排水減小重力，產(chǎn)生抬首縱傾角，滑翔機(jī)會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，即上浮狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)V型運(yùn)動(dòng)軌跡。依此進(jìn)行循環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)鋸齒狀運(yùn)動(dòng)。

水下滑翔機(jī)只考慮垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)受力方程為

式中:X、Z、M分別表示滑翔機(jī)所受的軸向力、垂向力、以及轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，包含有靜力(重力與浮力)、慣性類水動(dòng)力(力矩)、粘性類水動(dòng)力(力矩)、螺旋槳推力、垂直舵舵力(力矩)、水平舵(機(jī)翼)舵力(力矩)。滑翔機(jī)只考慮靜力和機(jī)翼產(chǎn)生的力和力矩，垂直舵和螺旋槳都忽略不計(jì)。

通過受力方程和軌跡方程可以得到滑翔機(jī)的位置姿態(tài)信息，得到運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 軟件方針

Visual C++提供了一個(gè)集源程序編程、代碼編譯與調(diào)試于一體的開發(fā)環(huán)境，這個(gè)環(huán)境稱為集成開發(fā)環(huán)境［10］。通過C語言編程，將運(yùn)動(dòng)方程、軌跡方程進(jìn)行編譯處理，在Visual C++可視化的界面中可看到模擬滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)位姿。

通過軟件仿真，可以時(shí)時(shí)的得到滑翔機(jī)的姿態(tài)，便于進(jìn)行滑翔機(jī)的跟蹤。在程序中仿真模擬，得到如圖9的運(yùn)動(dòng)軌跡。

從仿真所得的軌跡曲線結(jié)果可以看出，滑翔機(jī)在每一次的上浮下潛過程中可以在縱向位置前進(jìn)約40 m，每一次前進(jìn)的距離比較滿意。

在Visual C++中改變滑翔機(jī)的尺寸、重量和水動(dòng)力系數(shù)，通過進(jìn)行機(jī)翼的不同位置的布置觀察，在仿真程序中進(jìn)行模擬，分別依次得到機(jī)翼在距中心位置x=-0.4、-0.2、0、0.2、0.4 m處的滑翔軌跡，見圖10。

在得到機(jī)翼在不同位置處的滑翔軌跡之后，可以得到每一次滑翔時(shí)一個(gè)周期內(nèi)的前進(jìn)距離;經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到如表1所示的滑翔距離，以及最佳滑翔軌跡，見圖11。

表1 不同布置位置的滑翔距離 m

圖11 最佳滑翔位置確定曲線

通過比較所得到的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，滑翔機(jī)在機(jī)翼布置在距中心0.1 m處時(shí)，滑翔距離最大。因此在實(shí)際的機(jī)翼布置中，盡量選擇將機(jī)翼布置在距中心0.1 m左右，這樣滑翔機(jī)的滑翔距離會(huì)有所增大，對運(yùn)動(dòng)有利?；枋交铏C(jī)在無動(dòng)力的情況下，可以實(shí)現(xiàn)在水下的鋸齒狀運(yùn)動(dòng)，無需推進(jìn)裝置而實(shí)現(xiàn)自航運(yùn)動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力、長距離航行。因而，在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過程中，能夠節(jié)省很大部分的滑翔機(jī)重量包括推進(jìn)裝置、燃料等，大大減少滑翔機(jī)自重，實(shí)現(xiàn)滑翔機(jī)的小型化、節(jié)約化，因此可以在滑翔機(jī)內(nèi)部布置更多的探測等設(shè)備，用以進(jìn)行海洋探測或軍事用途;由此可見，滑翔式滑翔機(jī)的應(yīng)用前景非常廣闊。

3 結(jié)論

1)本文的滑翔航行控制系統(tǒng)程序有效可靠，模型在仿真程序設(shè)定深度能按預(yù)定程序進(jìn)行進(jìn)、排水與縱傾調(diào)節(jié)。

2)浮力變化的大小是影響水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的重要因素之一，較大的浮力改變有利于提高滑翔運(yùn)動(dòng)的前進(jìn)速度。

3)滑翔式滑翔機(jī)的機(jī)翼大小與布置位置是保證良好滑行狀態(tài)的關(guān)鍵。

從最終的運(yùn)動(dòng)結(jié)果可以看到，滑翔機(jī)在水下滑翔時(shí)，由于慣性的存在，在水面或是水下的預(yù)定深度時(shí)會(huì)有一定的偏差，這些偏差會(huì)影響到滑翔機(jī)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中的準(zhǔn)確性。在機(jī)翼布置中，影響滑行的因素與水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)也有很大的關(guān)系，而且滑翔機(jī)內(nèi)部重力調(diào)節(jié)裝置—活塞的大小所能產(chǎn)生的力矩也有限，如果太小，將對改變滑翔姿勢影響很小。因此，需要較大的重力調(diào)節(jié)裝置。

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