變重心潛器操控性能

柯 力， 劉可峰， 李家旺， 鄒心宇， 沈文鋒

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院， 浙江 寧波 315211)

變重心潛器操控性能

柯 力1， 劉可峰1， 李家旺2， 鄒心宇1， 沈文鋒1

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院， 浙江 寧波 315211)

由于無(wú)人遙控潛水器(Remote Operated Vehicle, ROV)航速普遍較低，舵效較差，操縱控制較為困難。通過(guò)引入變重心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能的矢量推進(jìn)，可減少潛器需要配制的推進(jìn)器數(shù)量。應(yīng)用Simulink仿真軟件建立變重心潛器水下運(yùn)動(dòng)模型并進(jìn)行操縱控制仿真研究，結(jié)果表明變重心潛器具有較好的矢量推進(jìn)性能。

無(wú)人遙控潛水器(Remote Operated Vehicle, ROV)；變重心；矢量推進(jìn)；操縱仿真

0 引 言

人類對(duì)各類自然資源的需求越來(lái)越多，陸地資源面臨著巨大壓力，對(duì)資源的迫切需求促使人類對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)。深海環(huán)境危險(xiǎn)，受自身身體構(gòu)造的限制，人類只能活動(dòng)于有限深度的水中。為向深海進(jìn)發(fā)，人們進(jìn)行了多種潛水器的研究和開(kāi)發(fā)，無(wú)人遙控潛水器(Remote Operated Vehicle, ROV)是各類潛水器中的一種重要形式，在進(jìn)行海洋工程作業(yè)時(shí)，ROV具有作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

在海洋開(kāi)發(fā)作業(yè)中，對(duì)潛器的操控性能有很高的要求。由于航行速度低、舵效差，為實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)的優(yōu)秀性能，ROV等低速潛器一般采用多個(gè)推進(jìn)器矢量布置的方法。重載作業(yè)型ROV為了滿足高強(qiáng)度的作業(yè)需求，需配備更多推進(jìn)器，如國(guó)內(nèi)先進(jìn)的“海馬”號(hào)ROV[1]總共采用8套液壓推進(jìn)器，推進(jìn)器數(shù)量多使得系統(tǒng)復(fù)雜且功率較大。

為滿足低速操控方面的要求而又避免傳統(tǒng)矢量布置方法推進(jìn)器數(shù)量較多的缺點(diǎn)，人們對(duì)許多新穎的推進(jìn)設(shè)備進(jìn)行廣泛的研究。國(guó)外的CAVALLO等[2]研發(fā)了1臺(tái)應(yīng)用3自由度矢量推進(jìn)器的潛水器；國(guó)內(nèi)的方世鵬等[3]研發(fā)了1種采用錐齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)矢量推進(jìn)器的水下載運(yùn)器；侯家怡等[4]采用了傾轉(zhuǎn)螺旋槳這種矢量推進(jìn)器來(lái)達(dá)到較好的操控性能。潛器采用矢量推進(jìn)器這一新穎的推進(jìn)設(shè)備后，需要配置的推進(jìn)器數(shù)量可以大為減少，但是將問(wèn)題轉(zhuǎn)到了矢量推進(jìn)器的推力控制上，機(jī)構(gòu)也比較復(fù)雜，在應(yīng)用時(shí)對(duì)于控制系統(tǒng)的要求也較高。

受到水下滑翔機(jī)和潛艇變深系統(tǒng)的啟發(fā)，在潛器上應(yīng)用變重心機(jī)構(gòu)和推進(jìn)器固定的傳統(tǒng)布置形式，在應(yīng)用較少推進(jìn)器的情況下，實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)良好的操縱性和可靠性?；诖四康?，在傳統(tǒng)潛水器上移植1套水下應(yīng)用于滑翔機(jī)的變重心機(jī)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究變重心機(jī)構(gòu)的控制策略和變深機(jī)動(dòng)性能，通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的操控性能。

1 變重心ROV運(yùn)動(dòng)方程

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，研究使用的變重心、自縱傾ROV耐壓艙直接采用簡(jiǎn)單的圓柱體外形，兩端配置的導(dǎo)流罩采用透明材料制成，可直接作為觀察窗使用，以便降低加工難度。在耐壓艙兩側(cè)分別布置1臺(tái)水下推進(jìn)器以便滿足ROV航行的推進(jìn)需求，采用高轉(zhuǎn)速、小尺寸的導(dǎo)管螺旋槳作為推進(jìn)器，以便滿足ROV所需推力較大且布置空間較小的需求[5]。在耐壓艙電氣平臺(tái)下方設(shè)置絲杠螺母機(jī)構(gòu)，并在螺母上裝設(shè)重塊，可與螺母一起前后移動(dòng)，組成ROV變重心機(jī)構(gòu)。變重心ROV外形如圖1所示。該ROV的運(yùn)行特點(diǎn)是依靠變重心機(jī)構(gòu)改變潛器的縱傾浮態(tài)，將推進(jìn)器推力在縱向和垂向進(jìn)行推力分量分配，使?jié)撈骶哂写怪泵鏅C(jī)動(dòng)能力，水平面機(jī)動(dòng)則由2個(gè)推進(jìn)器推力差形成的力矩實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)。由于該ROV的研究重點(diǎn)為垂直面變深和水平面轉(zhuǎn)艏機(jī)動(dòng)，因此在數(shù)值仿真研究中變重心ROV的運(yùn)動(dòng)方程可以根據(jù)研究重點(diǎn)做一些簡(jiǎn)化。

圖1 變重心ROV外形

在潛器的運(yùn)動(dòng)仿真研究中，通常采用ITTC國(guó)際水池會(huì)議推薦的坐標(biāo)系、名詞和符號(hào)形式，以便對(duì)比研究。變重心ROV的運(yùn)動(dòng)方程采用經(jīng)典的格特勒標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程[6]。格特勒標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程具有6個(gè)自由度，分成3個(gè)軸向線性方程和3個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)方程。根據(jù)變重心ROV的研究重點(diǎn)做相應(yīng)簡(jiǎn)化修改，忽略一些高階非線性項(xiàng)和環(huán)境載荷等影響，得到適宜變重心ROV的4自由度運(yùn)動(dòng)方程，其動(dòng)力學(xué)方程為

設(shè)2個(gè)推進(jìn)器的推力分別為T1和T2，用矩陣形式可以表示為Tp=[T1T2]T，ROV所需推力的矢量矩陣為Fp=[XTZTNT]T，他們之間的關(guān)系可表示為

式中：A為推力轉(zhuǎn)換矩陣，其與推進(jìn)器的位置和角度有關(guān)，可表示為

式中：θ為潛器的縱傾角度；a為推力作用力臂，是推進(jìn)器推力軸線和中縱平面的距離。

采用矢量推進(jìn)時(shí)，ROV實(shí)際控制的是各推進(jìn)器所發(fā)出的推進(jìn)力。變重心ROV還需控制重塊移動(dòng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的縱傾角度，因此需要引入上述轉(zhuǎn)換矩陣A的偽逆矩陣A+，從ROV運(yùn)動(dòng)所需的各運(yùn)動(dòng)方向矢量的力和力矩反算出各推進(jìn)器推力和重塊移動(dòng)量的控制量，可表示為

應(yīng)用矩陣形式Tp，加入推進(jìn)器推力后, ROV運(yùn)動(dòng)方程的狀態(tài)方程可表示為

由于可移動(dòng)重塊可沿著潛器縱向來(lái)回移動(dòng)，故潛器重心縱向位置可發(fā)生變化，其位置可表示為

式中：G為潛器重量；Gb為移動(dòng)重塊重量；XG0為潛器初始重心縱向位置；Xb為重塊的縱向移動(dòng)量。由于之前定義的潛器重心在中心處，故原來(lái)的XG0為0，因此上述公式可以簡(jiǎn)化為

2 變重心ROV仿真實(shí)例

經(jīng)過(guò)浮力和設(shè)備重量的多次配平，將所研究的ROV主要尺度定為0.4 m ×0.29 m×0.16 m(長(zhǎng)×寬×高)，為擁有較大的轉(zhuǎn)艏力矩，推進(jìn)器推力軸線與耐壓艙圓柱軸線距離取較大的0.12 m。整個(gè)ROV幾何模型應(yīng)用3D設(shè)計(jì)軟件SolidWorks裝配建成，經(jīng)計(jì)算得其總質(zhì)量為7.8 kg，繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.08 kg·m2，可移動(dòng)重塊重量為1.5 kg，可移動(dòng)距離為前后0.2 m。應(yīng)用潛器操作性經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相關(guān)水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算，并根據(jù)使用規(guī)范換算得到標(biāo)準(zhǔn)形式，如表1所示。

表1 變重心ROV水動(dòng)力系數(shù)

以上述ROV運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，加入表1中的相關(guān)水動(dòng)力參數(shù)，在仿真軟件Simulink中建立變重心ROV運(yùn)動(dòng)模型，并應(yīng)用工程上可靠的比例-積分-導(dǎo)數(shù)(Proportion,Integral, Derivative, PID)方法[7]對(duì)推力矢量、航速、重塊移動(dòng)量進(jìn)行控制，形成潛器控制模型，并進(jìn)行控制策略研究。變重心ROV在水平面直線航行時(shí)，變重心機(jī)構(gòu)重塊移動(dòng)量為0，需要控制左右2個(gè)推進(jìn)器輸同樣大小的力；當(dāng)ROV在水平面轉(zhuǎn)向時(shí)，變重心機(jī)構(gòu)重塊移動(dòng)量保持不變，需要的轉(zhuǎn)艏力矩由2個(gè)推進(jìn)器發(fā)出不同的推力形成；當(dāng)ROV需要改變深度機(jī)動(dòng)時(shí)，需要控制重塊移動(dòng)，使?jié)撈靼l(fā)生縱傾，推力在水平面和垂直面進(jìn)行分配形成相應(yīng)的推進(jìn)力。

3 仿真結(jié)果分析

典型變深工況仿真采用上述操控策略進(jìn)行。ROV一類的低速潛水器的航行速度一般為2 kn(1.028 8 m/s)左右，首先控制ROV到達(dá)該航行速度并進(jìn)入穩(wěn)定航行工況。在20 s時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出深度增加1 m的操控指令，變重心機(jī)構(gòu)重塊接到指令開(kāi)始移動(dòng)使ROV縱傾角發(fā)生變化，ROV的深度到達(dá)設(shè)定值后重塊移動(dòng)到質(zhì)心位置，ROV在新的深度上繼續(xù)保持原定速度巡航。

圖2和圖3分別表現(xiàn)了深度改變過(guò)程中ROV深度變化和重塊移動(dòng)量變化情況，研究曲線變化可以發(fā)現(xiàn)，變重心系統(tǒng)運(yùn)用于ROV變深機(jī)動(dòng)時(shí)，變深指令的響應(yīng)速度較快，重塊移動(dòng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，證明應(yīng)用變重心機(jī)構(gòu)進(jìn)行潛器變深機(jī)動(dòng)的方法有效。在進(jìn)行變深機(jī)動(dòng)時(shí)，推進(jìn)器推力在水平面和垂直面2個(gè)正交面進(jìn)行投影分配，雖然ROV的水平面航行速度此時(shí)有一個(gè)降低和振蕩的過(guò)程，但是ROV艏向速度不會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)變深機(jī)動(dòng)結(jié)束時(shí)，縱傾角度逐漸恢復(fù)為0，ROV艏向和水平面前行速度方向一致，ROV航行速度逐步恢復(fù)到原設(shè)定值，如圖4所示。

圖2 變重心ROV深度變化曲線

圖3 變深時(shí)ROV重塊移動(dòng)變化曲線

圖4 變深時(shí)ROV前進(jìn)速度變化曲線

圖5 變重心ROV轉(zhuǎn)艏30°的艏向角變化曲線

當(dāng)ROV進(jìn)行水平面轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)時(shí)，變重心機(jī)構(gòu)重塊在ROV重心處保持不動(dòng)，這時(shí)變重心ROV和推進(jìn)器固定布置的常規(guī)ROV完全一致，可以控制2個(gè)推進(jìn)器產(chǎn)生大小相等方向相反的推力，形成1個(gè)較大的轉(zhuǎn)艏力矩。圖5中曲線展示了變重心ROV在20 s時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)艏的過(guò)程，艏向角變化較快，到達(dá)設(shè)定值后很快趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上數(shù)值仿真研究發(fā)現(xiàn)，潛器應(yīng)用變重心系統(tǒng)后水平面轉(zhuǎn)艏過(guò)程與常規(guī)潛器響應(yīng)情況一致，在深度機(jī)動(dòng)時(shí)展現(xiàn)出良好的操控性能，變深機(jī)動(dòng)響應(yīng)快速，變重心機(jī)構(gòu)重塊運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，達(dá)到變重心潛器的設(shè)計(jì)應(yīng)用目標(biāo)。

通過(guò)采用變重心機(jī)構(gòu)，潛器在使用較少推進(jìn)器的情況下建立一個(gè)更為簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)，同時(shí)降低潛器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和動(dòng)密封方面的工藝要求，降低潛器的建造成本和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)潛器的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作和工程實(shí)踐具有重要參考價(jià)值。

[1] 陶軍,陳宗恒．“海馬”號(hào)無(wú)人遙控潛水器的研制與應(yīng)用[J].工程研究：跨學(xué)科視野中的工程，2016，8(2)：185-191．

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[3] 方世鵬, 潘存云, 徐海軍．水下載運(yùn)器矢量推進(jìn)螺旋槳傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械制造，2009，47(1)：22-26．

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[6] 施生達(dá)．潛艇操縱性[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1995．

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ManeuverabilityofROVwithVariableCenterofGravity

KE Li1, LIU Kefeng1, LI Jiawang2, ZOU Xinyu1, SHEN Wenfeng1

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, Jiangsu, China; 2.Faculty of Maritime and Transportation,Ningbo University, Ningbo 315211, Zhejiang, China )

The low speed of Remote Operated Vehicle(ROV) would cause weak steerage, which results in the difficulty to the maneuverability. A variable center of gravity is appiled to ROV with low speed to reach the high performance of vectored propulsion and the number of thrusters is reduced. A model of the ROV is established by Simulink software. The simulation on maneuverability of ROV under low speed is studied and the simulation results show the excellent capacity of vectored propulsion by the ROV with variable center of gravity.

ROV(Remote Operated Vehicle); variable center of gravity; vectored propulsion; manoeuvring simulation

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51309133)

柯 力(1993-)，男，本科，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠼Y(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造

1000-3878(2017)05-0033-04

U661

A