淺域水下滑翔機設計及性能分析

陳孟偉, 劉雁集

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淺域水下滑翔機設計及性能分析

陳孟偉1, 劉雁集2

(1. 上海產(chǎn)業(yè)技術研究院, 上海, 201206; 2. 上海海事大學 商船學院, 上海, 201306)

水下滑翔機作為一種具有長續(xù)航能力的水下航行器, 可通過搭載特定傳感器實現(xiàn)對一定水域環(huán)境的監(jiān)測。為解決滑翔機對淺水域環(huán)境的監(jiān)控問題, 文中提出一種運行于淺水域的水下滑翔機設計方案, 分析了俯仰和浮力機構(gòu)調(diào)節(jié)與俯仰角度的耦合方式對其整體性能的影響, 設計了基于絲桿副傳動裝置的可快速調(diào)節(jié)的單沖程浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng), 并采用鰭舵調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)機體的轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)。同時綜合考慮機體內(nèi)部各移動部件狀態(tài)變量, 建立淺域滑翔機動力學模型, 設計了線性二次調(diào)節(jié)器(LQR), 確定控制器各權重參數(shù), 實現(xiàn)了浮態(tài)切換的快速調(diào)節(jié)控制, 并通過水池試驗測試其運動能力。試驗結(jié)果表明, 研制的水下滑翔機可在3 m水深內(nèi)順利運行, 轉(zhuǎn)彎半徑小, 可達9 m, 完全滿足在淺水域穩(wěn)定運行與順利巡航的要求。

水下滑翔機; 淺水域; 動力學模型; 水池試驗

0 引言

水下滑翔機是由浮力驅(qū)動、帶有固定機翼的水下航行器, 具有工作時間長、運行范圍廣等優(yōu)點, 目前已廣泛應用于海洋物理信息監(jiān)測等領域。運行于海洋環(huán)境的水下滑翔機技術經(jīng)過多年的發(fā)展, 國內(nèi)外已研制出Slocum[1]、Spray[2]、Seaglider[3]、Seawing[4]、Petrel[5]等多種比較成熟的機型。建立起的深?；铏C動力學模型, 已能較準確反映機體的運動特性[6-8]。但針對淺水域滑翔機的研究較少, 雖然已研制出眾多小尺度滑翔機, 但多用于實驗室環(huán)境做運動控制研究[9-10]。

水下滑翔機由浮力驅(qū)動, 因此浮力調(diào)節(jié)能力是滑翔機運動性能的主要影響因素之一。深海滑翔機為保證浮力系統(tǒng)在高壓下穩(wěn)定運行, 浮力調(diào)節(jié)速度緩慢, 浮力系統(tǒng)開始調(diào)節(jié)后, 滑翔機仍要持續(xù)運動一定距離[3]。淺水域深度有限, 要求浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)有快速變換浮力的能力。同時, 淺水域環(huán)境極為復雜, 要求滑翔機具有一定的機動靈活性, 可頻繁調(diào)節(jié)完成避障。

針對此, 文中通過對深?；铏C動力學模型的適當簡化, 建立了淺域滑翔機的動力學模型, 并在此基礎上, 設計了一種淺水域滑翔機FIBOT200, 該滑翔機依靠線性二次調(diào)節(jié)器(linear quadratic regulator, LQR)調(diào)節(jié)滑翔機的潛浮轉(zhuǎn)換過程, 并設計單沖程泵形式的浮力調(diào)節(jié)機構(gòu), 以適應淺水域滑翔機快速改變浮力的需求。

1 機構(gòu)設計

該滑翔機主體長1.6 m, 重28 kg, 運行環(huán)境為淺水域。其運動調(diào)節(jié)機構(gòu)主要包括置于機首的浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)、由電池包構(gòu)成的俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)與轉(zhuǎn)向舵, 如圖1所示。

圖1 淺域水下滑翔機結(jié)構(gòu)

對于淺域滑翔機, 主要考量的是姿態(tài)與潛浮狀態(tài)的轉(zhuǎn)換能力, FIBOT200滑翔機在縱剖面內(nèi)依靠浮力機構(gòu)與俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)姿態(tài), 采用靈活的舵機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向。

1.1 浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)

根據(jù)優(yōu)化計算, 浮力系統(tǒng)調(diào)節(jié)量一般是機體總排水體積的0.5%[11]。FIBOT200滑翔機考慮機動性與抗干擾能力, 設計浮力調(diào)節(jié)量為總排水體積的0.9%, 為250 mL。浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)由伺服電機驅(qū)動, 通過絲杠副系統(tǒng)將電機輸出的力矩轉(zhuǎn)換成作用到活塞上的軸向力, 浮力系統(tǒng)吸水部分內(nèi)徑8 cm, 設計行程9 cm, 機構(gòu)的工作原理如圖2所示。

圖2 浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)原理圖

浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)的動作會對滑翔機重心產(chǎn)生影響, 該影響主要來自吸排水的質(zhì)量和傳動機構(gòu)質(zhì)量。選取滑翔機浮心為參考原點, 且初始時, 重心在浮心正下方, 則滑翔機重心偏移量滿足

設定浮力機構(gòu)的運動行程為吸水與排水的2個極限位置, 設置滑翔機機頭方向為正, 此時各參數(shù)見表1。

表1 淺域水下滑翔機參數(shù)表

由圖3可知, 滑翔機下潛時, 需要增加機體質(zhì)量, 浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)吸水125 mL, 產(chǎn)生的俯角為25°?；铏C上浮時, 需要減小機體質(zhì)量, 浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)向外排水125 mL, 產(chǎn)生的俯角為–25°。由此可見, 浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)的動作會輔助機體完成俯仰調(diào)節(jié), 與姿態(tài)的調(diào)節(jié)是正耦合關系。而傳統(tǒng)的深海滑翔機考慮布局便利因素, 將浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)置于機體尾部, 浮力系統(tǒng)的動作與俯仰角度之間是負耦合關系[12]。

圖3 執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)對俯仰角度的影響

選擇驅(qū)動電機為maxon EC-max 22, 最大轉(zhuǎn)速8 000 r/min。搭配傳動比14:1的齒輪箱maxon GP22C。

推動活塞的最大運行速度

根據(jù)設計參數(shù), 活塞最大運行速度19 mm/s, 完成9 cm滿行程運行, 5 s內(nèi)可調(diào)整完畢。完成浮態(tài)轉(zhuǎn)換所需調(diào)節(jié)量約為150 mL, 完成浮態(tài)轉(zhuǎn)換則活塞需走行約3 cm, 需要時間約為1.6 s。

1.2 俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)

由以上分析可知, 滑翔機的浮力系統(tǒng)動作即可實現(xiàn)機體的浮力調(diào)節(jié), 也可實現(xiàn)姿態(tài)角度調(diào)節(jié)。但滑翔機具有最佳滑翔角度, 在最佳滑翔角度下, 滑翔機實現(xiàn)航速最快或滑翔距離最長[11]。為滿足滑翔機以特定滑翔角度運動的要求, 需要俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)微調(diào)俯仰角度。文中設計了可快速調(diào)節(jié)的俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)(見圖4), 該機構(gòu)由絲杠傳動裝置與電池包構(gòu)成。電池包掛載在傳動機構(gòu)上, 通過位移傳感器反饋位置。

圖4 俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)原理圖

俯仰滑塊運動時形成的機體重心偏移

2 動力學模型

上述式中各變量的意義如表2所示。

表2 動力學模型中的符號意義

線性化動力學模型

其中

3 巡航性能分析

巡航于淺水域的水下滑翔機應具有可快速調(diào)節(jié)、快速響應的性能。文中設計LQR控制器來調(diào)節(jié)滑翔機俯仰角度[13], 控制滑翔機各狀態(tài)的變化, 探討滑翔機的運動性能與控制能力。LQR是一種典型的利用系統(tǒng)全狀態(tài)的控制方法, 可有效說明系統(tǒng)變量的最優(yōu)變化過程。

控制律

仿真滑翔機由–30°~30°的運行過程, 設置速度為0.3 m/s, 俯角運行100 s后, 開啟控制器?；铏C俯仰角度變化如圖5所示, 浮力系統(tǒng)質(zhì)量變化如圖6所示, 滑翔軌跡如圖7所示。

圖5 俯仰角度隨時間變化曲線

圖6 浮力系統(tǒng)質(zhì)量隨時間變化曲線

圖7 淺域水下滑翔機巡航路徑對比

由圖5可知, 機體可平滑穩(wěn)定地完成俯仰角度的切換。圖6中, 浮力系統(tǒng)質(zhì)量圍繞125 mL變化, 總變化量約38 mL, 由此可知, 由平衡狀態(tài)起始, 浮力機構(gòu)變化19 mL即可達到速度要求。由圖7可知, 經(jīng)過控制器的調(diào)節(jié), 仿真軌跡可以很好地跟隨設定值。但在開啟控制器后, 滑翔機仍向下運動了約0.4 m, 該深度是由滑翔機的調(diào)節(jié)機構(gòu)延時與機體慣性造成的, 與深?；铏C相比, 該深度值較小, 滿足快速調(diào)節(jié)的性能要求。

4 水池試驗

上述分析說明了滑翔機具有快速調(diào)節(jié)能力, 文中通過試驗測試其運動能力, 在尺寸23 m×23 m,深5 m的水池中測試滑翔機運動性能, 利用1個置于機頭的壓力變送器反饋深度, 拉線位移傳感器反饋俯仰滑塊與浮力系統(tǒng)狀態(tài), 三維電子羅盤反饋滑翔機姿態(tài), 信號反饋周期為1 s, 頻率為890 MHz的無線通信模塊傳輸控制與反饋信號。設定滑翔機下俯滑翔到達3 m深度時轉(zhuǎn)換姿態(tài), 開始上浮滑翔, 姿態(tài)轉(zhuǎn)換時控制俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)與浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)以勻速狀態(tài)動作, 機體達到設計狀態(tài)時執(zhí)行機構(gòu)停止動作。以約0.2 m, 60o的滑翔角度滑翔。拍攝的水下滑翔機鋸齒形運動軌跡如圖8所示。水下滑翔機仿真路徑與實測路徑存在一定差異, 因為仿真路徑基于LQR控制器得到, 控制器利用了系統(tǒng)的全狀態(tài), 從而使各個狀態(tài)變量都平滑過渡, 但同時也犧牲了執(zhí)行機構(gòu)的突出作用, 軌跡差異對比如圖9所示。因滑翔機沒有側(cè)向重心調(diào)節(jié)裝置, 配置的滑翔機重心偏右, 機體微微向右偏轉(zhuǎn), 滑翔過程中會造成滑翔機微微向右偏航。從試驗結(jié)果可以看出, 在姿態(tài)轉(zhuǎn)換時有明顯的過沖現(xiàn)象, 這是因轉(zhuǎn)換過程執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)過快造成的。

圖8 淺域水下滑翔機鋸齒形運動路徑

圖9 淺域水下滑翔機運動路徑對比

圖10 淺域水下滑翔機巡航回轉(zhuǎn)路徑

水池試驗驗證了該水下滑翔機的穩(wěn)定性和快速俯仰調(diào)節(jié)的能力, 其具有較小的轉(zhuǎn)彎半徑。經(jīng)過約40 min連續(xù)的水池巡航試驗, 再次測量電池的容量, 電池消耗了2.5 Ah的容量, 電池包由102節(jié)3.7 V, 3.4 Ah的18650電池組成, 總?cè)萘?50 Ah, 則按此估計, 該水下滑翔機可連續(xù)運行約66 h, 達到長時間連續(xù)巡航的要求。

5 結(jié)束語

為解決滑翔機對淺水域環(huán)境的監(jiān)控問題, 文中提出一種淺水域水下滑翔機設計方案, 該方案設計了基于絲桿副傳動裝置的可快速調(diào)節(jié)的單沖程浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng), 并在建立的淺域滑翔機動力學模型基礎上, 設計了LQR控制器, 實現(xiàn)了浮態(tài)切換的快速調(diào)節(jié)控制。其中, 基于絲桿副機構(gòu)設計的浮力系統(tǒng)具有快速調(diào)節(jié)浮力的能力, 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)布置于機體首部的形式可輔助滑翔機調(diào)節(jié)姿態(tài), 進一步節(jié)省能源。

通過水池試驗的驗證, 研制的水下滑翔機機體最大潛深30 m, 具有出色的淺水域運動能力, 可以在3 m的深度內(nèi)順利運行, 完成潛浮狀態(tài)的轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)彎半徑較小, 可達9 m, 能耗量小, 達到較小慣性延時滑翔深度的淺水域巡航需求, 完全滿足在淺水域穩(wěn)定運行與順利巡航的要求。

目前的研究還存在不足之處, 如控制方法在滑翔機上的實際應用、淺水域環(huán)境因素如海水密度與海流對運動的影響等, 也是進一步待研究的內(nèi)容。

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Design and Performance Analysis of an Underwater Glider for Shallow Water

CHEN Meng-wei1, LIU Yan-ji2

(1. Shanghai Industrial Technology Institute, Shanghai 201206, China; 2. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

For monitoring shallow water environment, an underwater glider for shallow water was designed. The effect of the coupling mode of the pitch and buoyancy mechanism adjustment and the pitch angle on the overall performance of the glider was analyzed. A single stroke buoyancy regulating system based on screw pair transmission device was designed, and the fin rudder adjustment device was used to realize the turning adjustment of the glider body. Moreover, a dynamic model of glider running in shallow water was established, a linear quadratic regulator(LQR) controller was designed, the weight parameters of the controller were determined, and the fast control of buoyancy state switching was realized by comprehensively considering the state variables of the moving parts inside the glider body. At last, the performance of the glider was tested in a water tank, and the result shows that this underwater glider can run smoothly in the depth range of 3 m with a small turning radius of 9 m, which meets the requirements of stable operation and smooth cruise in shallow water.

underwater glider; shallow water; dynamic model; tank test

陳孟偉, 劉雁集. 淺域水下滑翔機設計及性能分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2019, 27(1): 59-64.

TJ6; U665; TP24

A

2096-3920(2019)01-0059-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.010

2018-06-13;

20018-11-19.

上海市經(jīng)濟和信息化委員會專項資金項目資助(JJ-YJCX-01-17-1893).

陳孟偉(1993-), 男, 本科, 主要研究方向為過程自動化技術.

(責任編輯: 楊力軍)