水下駐留航行器二次啟動策略及影響因素

朱信堯， 宋保維， 王樹齊， 楊松林

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072)

水下駐留航行器二次啟動策略及影響因素

朱信堯1， 宋保維2， 王樹齊1， 楊松林1

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072)

建立了駐留水下航行器的空間運動的運動學及動力學數(shù)學模型，結(jié)合其特點，建立了變浮力系統(tǒng)作用力及排水量變化數(shù)學模型、垂推作用力及控制數(shù)學模型、航行器艏艉距海底距離數(shù)學模型。在此基礎上，建立了航行器海底上浮的二次啟動仿真模型。提出了自由起浮、垂推控制兩種二次啟動策略，研究了變浮力系統(tǒng)注水位置對啟動參數(shù)的影響。對比兩種二次啟動策略，分析了垂推對二次啟動策略的影響。研究結(jié)果表明：航行器變浮力系統(tǒng)最好位于-0.6～0.6 m；安裝垂推有利于航行器二次啟動。研究結(jié)論為二次啟動策略的設計以及航行器設計及改進提供理論依據(jù)。

自主水下航行器； 海底駐留； 二次啟動策略； 垂直推進器； 空間運動模型； 變浮力系統(tǒng)

為了對某一海域進行長期、隱蔽及低成本的偵查探測，美國海軍研究生院(NPS)最早提出了AUV著陸并駐留海底的概念[1]。

當駐留海底的航行器發(fā)現(xiàn)目標或完成任務后，其需要二次啟動并對目標展開追蹤或返回基地。啟動初始時刻，航行器速度為零，舵處于非工作狀態(tài)，此時其速度和姿態(tài)變化很快、很難控制。為了使航行器安全的離開海底，需要對其二次啟動策略及影響因素進行研究。Riedel設計的NPS AUV完成設定的探測任務后，其壓載水艙排水并在垂直推進器的作用下上浮實現(xiàn)返航[2]；Ocean Explorer II及Discus Glider[4]均僅依靠一套變浮力系統(tǒng)排水后在正浮力的作用下自由上浮[3]；Sangekar研制的一款可著陸航行器，但暫未發(fā)表與二次啟動策略相關(guān)的理論文獻[5-6]；AUV-VBS通過拋載壓載水艙來實現(xiàn)自由上浮[7]；Slocum Gliders安裝了一套變浮力控制系統(tǒng)來輔助著陸和上浮[8]。

國內(nèi)外學者對航行器的二次啟動策略的研究較少，且并沒有涉及到具體的影響因素對二次啟動策略的影響。本文以文獻[9-10]中的海底駐留水下航行器為研究對象，其是一種由潛艇發(fā)射管發(fā)射的AUV，文獻[9]對該水下航行器的工作過程、基本組成結(jié)構(gòu)、駐留原理及關(guān)鍵技術(shù)等進行了詳細介紹。由于其外形及體積均受到發(fā)射管尺寸的影響，所以需要研究變浮力系統(tǒng)參數(shù)及垂直推進器對航行器二次啟動參數(shù)的影響，以便決定是否安裝垂推。為此，本文提出了自由上浮、垂推控制兩種二次啟動策略，并且建立了航行器空間運動數(shù)學模型及二次啟動仿真系統(tǒng)，此后基于該研究了變浮力系統(tǒng)及垂推對二次啟動策略的影響。

1 航行器空間運動數(shù)學模型

為了研究航行器的二次啟動策略及其影響因素，首先要建立航行器的空間運動數(shù)學模型，其主要包括運動學和動力學模型[11-12]。

1.1坐標系

本文涉及了如圖1所示的坐標系，其主要包括地面坐標系E-xeyeze、體坐標系B-xyz、速度坐標系B-x1y1z1，坐標系及坐標系轉(zhuǎn)換矩陣參考文獻[13]。

圖1 坐標系示意圖Fig.1 Coordinate system

1.2運動學模型

航行器浮心的運動軌跡和旋轉(zhuǎn)角速度用廣義坐標形式可以表示為

(1)

1.3動力學模型

AUV空間運動動力學方程為

(2)

其中

AFM=[Fμα+Fμω+FBG+FT]

式中：Fμα為黏性位置力，F(xiàn)μω為黏性阻尼力，F(xiàn)BG為重力和浮力，F(xiàn)T為螺旋槳推力。

2 變浮力系統(tǒng)數(shù)學模型

變浮力系統(tǒng)通過給排水改變航行器的浮力，其是航行器二次啟動策略研究的一個關(guān)鍵因素。

2.1作用力模型

設航行器變浮力系統(tǒng)給排水量為ΔGabs、位置在體坐標系中為xcabs，其方向與重力方向一致。

變浮力系統(tǒng)質(zhì)量改變對航行器產(chǎn)生的力在體坐標系中的分量為

(3)

力矩為

MΔGabs=xcabs×ΔGabs

(4)

2.2給排水量隨時間變化模型

經(jīng)分析，航行器脫離海底的時間較短，而變浮力系統(tǒng)一個完整的排水過程時間較長，因此在研究二次啟動過程時不能設定變浮力系統(tǒng)的給排水量為定值，給排水量隨時間變化的模型為

(5)

式中：Gabs0為航行器變浮力系統(tǒng)給排水量的初始值，k為排水速率，Gabs min為變浮力系統(tǒng)給排水量的下限值。

3 垂推作用力及控制數(shù)學模型

受限于航行器尺寸，是否安裝垂推需要進行研究，而安裝與否主要依據(jù)垂推對航行器二次啟動參數(shù)的影響。在此建立二次啟動過程中垂推作用力及控制的數(shù)學模型。

3.1垂推作用力模型

設航行器單個垂推的作用力為FaT、其方向與體坐標系y軸方向一致，安裝位置在體坐標系中為xc_aT。

垂推對航行器產(chǎn)生的力在體坐標系中的分量為

FaT=[0FaT0]T

(6)

力矩為

MaT=xc_aT×FaT

(7)

3.2垂推控制模型

有垂推的AUV，二次啟動時垂推可以提供向上的推力實現(xiàn)上浮。航行器有前后兩個垂推，其不僅可以提供向上的推力，還可以提供俯仰力矩，能夠較好的控制航行器的姿態(tài)。

前垂推在航行器從海底上浮的二次啟動過程中一直提供向上的力有以下三個原因：1)所研究的航行器后垂推的力臂大于前垂推的；2)航行器上浮需要向上的力；3)小的正俯仰角有利于航行器安全的離開海底。

后垂推的工作方式是間歇性的提供向上的力。根據(jù)所研究航行器的特點及二次啟動的要求，設計的后垂推控制算法如表1所示。

表1 后垂推控制算法

注：“↑”表示垂推力方向向上，0表示垂推不工作。

4 航行器距海底距離數(shù)學模型

在二次啟動過程中，航行器可能出現(xiàn)大傾角的狀況，進而導致其艏部聲吶或是艉部螺旋槳碰觸海底，造成損傷，所以要對航行器上浮過程中艏、艉距海底的距離進行分析，以保證其安全性。

4.1艏部距海底距離

航行器艏部距海底距離的計算公式為

(8)

式中：Ye為航行器浮心縱坐標，Ye0為海底深度，Lxc為航行器浮心距艏部的軸向距離，Ruuv為航行器最大半徑，θ為航行器俯仰角。

4.2艉部距海底距離

航行器艉部距海底距離的計算公式為

(9)

式中：Lh為航行器浮心距艉端的軸向距離，Lh=Luuv-Lxc。

5 仿真模型建立及算例驗證

根據(jù)以上建立的航行器空間運動數(shù)學模型、變浮力系統(tǒng)和垂推作用模型以及航行器距海底距離的數(shù)學模型，基于Matlab建立了航行器二次啟動過程仿真系統(tǒng)。輸入具體的參數(shù)即可對航行器的二次啟動過程進行仿真，進而對航行器的二次啟動策略進行研究。建立的仿真模型中，航行器的流體動力參數(shù)采用文獻[14]的計算結(jié)果，附加質(zhì)量及部分阻尼系數(shù)采用文獻[15]中的理論及經(jīng)驗公式進行計算。

為了驗證仿真模型的可行性及正確性，在此給出自由起浮二次啟動策略的一個算例。取航行器變浮力系統(tǒng)的位置為xcabs=-0.5 m，極限值為±30 kg，由于只有在正浮力的作用下航行器才能上浮，故取初始排水量為GABS0=0 kg，排水速率為k=-0.5 kg/s。二次啟動過程終止的判斷條件設為：航行器離海底大于3 m且俯仰角為正。得到航行器二次啟動過程中參數(shù)變化曲線如圖2所示。

從圖2(a)可以看出，航行器離開海底后穩(wěn)定上浮，這從圖2(b)中垂向速度vey始終大于0并穩(wěn)定增大可以直接驗證。從圖2(c)可以看出，航行器上浮過程中，俯仰角最大值為12°，其值較小，完全可控。從圖2(f)可以看出，航行器艏、艉距海底距離穩(wěn)定增大，不會碰撞到海底。所以算例表明，航行器可以安全的離開海底。

圖2 二次啟動參數(shù)變化曲線Fig.2 Curves of parameters during restart program

6 二次啟動策略

針對所研究航行器的特點，本文提出了自由上浮、垂推控制兩種二次啟動策略。為了設計良好的二次啟動方案，需要對二次啟動策略影響因素進行研究。本文研究的方法為：基于建立的二次啟動仿真系統(tǒng)，輸入不同影響因素的參數(shù)，可得到二次啟動過程結(jié)束時的上浮時間、速度、姿態(tài)等參數(shù)，最后將所得到的數(shù)據(jù)匯總并分析即可得到影響因素對二次啟動策略的影響。

為便于分析，本文忽略浪和流的影響，這樣AUV的二次啟動運動就是在正浮力(排水重量)、流體動力和垂推作用下的垂直平面運動。研究時設定航行器變浮力系統(tǒng)的極限值為±30 kg，由于只有在正浮力的作用下航行器才能上浮，所以給排水量初始值取Gabs0=0 kg，排水速率取k=-0.5 kg/s，初始時航行器軸線距海底0.8 m。二次啟動過程終止的判斷條件設為：航行器離海底大于3 m，且俯仰角為正。

6.1自由起浮二次啟動策略

對于無垂推的AUV，其海底二次啟動時只能依靠變浮力系統(tǒng)產(chǎn)生的正浮力自由起浮。在此過程中，航行器排水量隨時間變化，所以只需研究變浮力系統(tǒng)的位置對航行器二次啟動過程中的各參數(shù)的影響。

對仿真結(jié)果進行分析，可得到航行器二次啟動上浮過程總的運動時間t、最終速度、最終航行器浮心距海底距離ΔLye、最終俯仰角θend、最小俯仰角θmin、艏艉離海底最近距離ΔLwx、最終攻角α等參數(shù)隨變浮力系統(tǒng)位置的變化曲線如圖3所示。

從圖3可以看出：

1)總的上浮時間：其值隨著變浮力系統(tǒng)位置xcabs的前移而逐漸變小，從xcabs為-1.4 m時的37.3 s減小到1 m時的22.1 s?？梢娮⑺恢玫那耙朴欣诤叫衅鲝暮５籽杆賳?。

原因：變浮力系統(tǒng)位置越靠后，其力臂較長，在正浮力的作用下產(chǎn)生的使航行器低艏的俯仰力矩越大，航行器產(chǎn)生的負俯仰角越大，進而需要更大的速度才能產(chǎn)生恢復流體動力力矩。而速度越大，需要的正浮力越大，所以進水時間越長，總的二次啟動時間也越長。

2)速度：垂向速度vey隨著注水位置xcabs的前移先減小后增大，在xcabs=-0.2 m時，有最小值0.307 9 m/s。可見注水位置與航行器浮心較近時有利于航行器垂向速度的減小。

當xcabs<0 m時，上浮時軸向速度vex隨著xcabs的前移由負值迅速增大；當xcabs>0 m時其值變化較慢。

由于航行器軸向速度負值較大時不好控制，所以有利的注水位置為-0.6～1 m。

圖3 上浮參數(shù)隨變浮力系統(tǒng)位置的變化曲線Fig.3 Curves of parameters changing with the location of variable buoyancy system

3)航行器浮心最終離海底的距離ΔLye：其值隨著注水位置的前移先迅速變小，而后趨于穩(wěn)定。ΔLye從xcabs=-1.4 m時的12 m迅速減小到-0.2 m時的3 m，之后一直保持在3 m左右。此變化原因與總上浮時間變化原因一致。

4)航行器上浮過程的最終俯仰角θend：其值在xcabs為-1.4～-0.4 m時基本不變，一直保持在0°左右；當xcabs從-0.4 m增大到1 m時，其值迅速從0°增大到48.74°。

最小俯仰角θmin：航行器上浮過程中，在xcabs為-1.4～0 m時，θmin迅速從-48.1°增大到0°，而后其值不變。

這主要是由于注水位置越靠后，其正浮力產(chǎn)生的低艏力矩越大，使得航行器的負俯仰角絕對值越大。航行器俯仰角負值越大，需要航行器增大速度以提供更大的恢復流體動力矩直至航行器的俯仰角為0或正值。而當航行器的俯仰角為正時，其離海底的距離也已經(jīng)滿足了條件，所以航行器最終的俯仰角在0°左右。

這主要是由于當注水位置離航行器的浮心較遠時，其產(chǎn)生較大的俯仰力矩，使航行器有較大的俯仰角，進而導致航行器艏部或艉部離海底較近。從中可以看出，為了保證航行器不碰觸海底，其注水位置最好介于-0.8～0.6 m。

綜合以上分析，當航行器變浮力系統(tǒng)位于-0.6～0.6 m時，航行器二次啟動上浮的時間較短、其上浮時的速度及姿態(tài)參數(shù)也在合理的范圍之內(nèi)且能夠安全穩(wěn)定的脫離海底。

6.2垂推控制二次啟動策略

對于有垂推的AUV，其二次啟動時可以用垂推提供向上的推力來實現(xiàn)上浮。

有垂推的航行器對其姿態(tài)和縱向速度的控制較強，能夠使其保持在安全范圍內(nèi)。本節(jié)基于以上建立的AUV二次啟動仿真系統(tǒng)對二次啟動策略進行研究，得到航行器在垂推作用下二次啟動過程總運動時間t、速度、航行器浮心最終距海底距離ΔLye、艏艉離海底最近距離ΔLwx、最終俯仰角θend、最小俯仰角θmin、最終攻角α、垂推作用時間等參數(shù)隨變浮力系統(tǒng)位置的變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出：

1)總的上浮時間：其值隨著變浮力系統(tǒng)位置xcabs的前移從9.68 s逐漸減小到9.33 s，減小幅度很小?？梢娮兏×ο到y(tǒng)的前置略微有利于航行器從海底迅速啟動。

2)速度：上浮速度vey、軸向速度vex受xcabs影響很小。vey在0.62 m/s左右，vex在0.02 m/s左右。

3)上浮時航行器最終離海底的距離ΔLye：ΔLye受xcabs影響很小，其值一直保持在3 m左右。

4)航行器上浮過程中艏、艉離海底的最近距離ΔLwx：xcabs對ΔLwx沒影響，ΔLwx一直為0.53 m。

5)航行器上浮過程的最終俯仰角θend：隨著變浮力系統(tǒng)位置的前移，θend總體呈增大趨勢。當xcabs=-1.4 m時，θend=8.55°；當xcabs=1 m時，θend=12.1°。

最小俯仰角θmin：xcabs對θmin沒影響，θmin一直為0。

6)垂推作用時間：垂推作用時間受變浮力系統(tǒng)位置的影響較小，垂推總作用時間在13.5 s左右。

從以上分析可以看出，變浮力系統(tǒng)的位置對垂推控制二次啟動策略影響很小。

圖4 二次啟動參數(shù)隨變浮力系統(tǒng)位置的變化曲線Fig.4 Curves of parameters changing with the location of variable buoyancy system

6.3垂推對二次啟動策略的影響分析

1)二次啟動時間:

當航行器發(fā)現(xiàn)目標后，其二次啟動時間越短、動作越快，越有利于航行器執(zhí)行任務。

自由上浮：其總起浮時間在23～30 s；

垂推控制：其總起浮時間在9.5 s左右。

由此看出，垂推工作時其起浮時間很短，有利于航行器迅速進入下一個工作狀態(tài)。

2)速度:

自由起浮：其垂向起浮速度vey在0.3～0.4 m/s，軸向速度vex在0～0.15 m/s；

垂推控制：其垂向起浮速度vey在0.62 m/s左右，軸向速度vex為很小的正值。

由此看出，垂推工作時其垂向速度較大且穩(wěn)定，有利于航行器的二次啟動。

3)俯仰角:

自由起?。鹤罱K俯仰角θend波動較大，其值在0～35°；在上浮過程中俯仰角的波動也較大，有時其值低至-15°左右；

垂推控制：其最終俯仰角θend在10°左右。

由此看出，垂推工作時其最終俯仰角保持在10°左右，有利于航行器由上浮過渡到爬升過程。

4)攻角:

自由起?。浩渥罱K攻角介于-108°～-34.5°，波動很大；其在上浮過程中的波動也較大，有時低到-116°左右；

垂推控制：攻角在上浮過程中呈穩(wěn)定增大并保持穩(wěn)定的狀態(tài)，其最終攻角-77°左右。

由此看出，垂推工作時其攻角保持在-77°左右，有利于航行器的穩(wěn)定。

5)艏、艉距海底最近距離:

自由起?。浩漪?、艉離海底的最近距離為0.53 m；但在航行器變浮力系統(tǒng)位置離浮心較遠時可能會出現(xiàn)更小值，甚至有碰觸海底的危險。

垂推工作時：航行器姿態(tài)穩(wěn)定，其艏、艉離海底的最近距離為0.53 m。

由此看出，垂推工作時航行器姿態(tài)更穩(wěn)定，其艏、艉離海底的距離保持也較合理，其安全性更高。

7 結(jié)論

1)對于自由起浮二次啟動策略：航行器變浮力系統(tǒng)位于-0.6～0.6 m時，二次啟動上浮的時間較短、上浮速度及姿態(tài)參數(shù)保持在合理的范圍內(nèi)。

2)對于垂推控制二次啟動策略：變浮力系統(tǒng)的位置對垂推控制二次啟動策略影響很小。

3)垂推工作時，航行器二次啟動時間短、速度快、姿態(tài)更穩(wěn)定，其艏、艉離海底的距離保持也較合理，其安全性更高。

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本文引用格式：

朱信堯， 宋保維， 王樹齊，等. 水下駐留航行器二次啟動策略及影響因素[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(11): 1669-1675.

ZHU Xinyao, SONG Baowei, WANG Shuqi, et al. Restart strategy and influencing factors of an autonomous underwater vehicle that can park on the seabed[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1669-1675.

Restartstrategyandinfluencingfactorsofanautonomousunderwatervehiclethatcanparkontheseabed

ZHU Xinyao1, SONG Baowei2, WANG Shuqi1, YANG Songlin1

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 2.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072，China)

Kinematic and dynamic mathematical models of spatial motion model of the AUV that can park on the seabed were established. Combined with the characteristics of this AUV, mathematic models of force and weight of variable buoyancy system, forces of vertical-thrusters, the distance between seabed and bow or stern of the AUV were established. Control algorithm of vertical-thrusters was designed. Based on this, restart simulation model was established. Two kinds of restart strategy of the AUV that can park on the seabed were proposed, which are taking off freely with positive buoyancy, taking off under the control of vertical thrusters. On this basis, the impact of position of water entered into the AUV on restart parameters was studied. Finally, the influences of vertical thrusters on restart strategy were analyzed through comparing different restart strategies. Results show that variable buoyancy system should be amounted at -0.6～0.6 m and vertical thrusters have a positive impact on restart strategy. Results in this paper will provide theoretical basis to restart program design and the improvement of this AUV.

autonomous underwater vehicle; parking on the seabed; restart strategy; vertical thrusters; 6-DOF motion model; variable buoyancy system

10.11990/jheu.201606081

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1511.100.html

TP242.3

A

1006-7043(2017)11-1669-07

2016-06-25.

網(wǎng)絡出版日期：2017-04-27.

國家自然科學基金項目(51309125)；江蘇科技大學博士啟動基金項目(1012931605).

朱信堯(1986-)，男，講師，博士；

宋保維(1963-)，男，教授，博士生導師；

王樹齊(1986-)，男，講師，博士.

王樹齊，E-mail: 454829256@qq.com.