面向一體化系統(tǒng)的USV水面回收AUV的水動力特性分析

陳佳倫，谷海濤，林揚，孫原，孟令帥

(1. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2. 中國科學(xué)院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽 110169；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

海洋探索的主要方式是母船攜帶AUV至指定位置，布放其進行水下作業(yè)，AUV完成任務(wù)后，人工回收至母船。母船式海洋作業(yè)流程經(jīng)過數(shù)十年的經(jīng)驗累積，安全性、可靠性較高，但效率較低，人類已探索的海底只有5%，還有95%未知海底，海洋探索方式進入一個瓶頸期。

基于目前情況，美國、日本提出下一步設(shè)計規(guī)劃，以及國際組織XPRIZE舉辦Shell Ocean Discovery（以下簡稱海洋探測大賽），旨在提高海洋探索的自主性、規(guī)模、速度、深度和分辨率，突破目前瓶頸。伍茲霍爾海洋研究所提出了“未來海洋作業(yè)三步走發(fā)展規(guī)劃”[1]，提出ASV（Autonomous Surface Vehicles，ASV）充當母船通信的中繼信標協(xié)調(diào)AUV完成大范圍、超視距作業(yè)，逐步實現(xiàn)AUV長時海洋探測工作。日本針對其周圍海域提出了“自盤古”計劃[2]，使用ASV與水面艇協(xié)助AUV作業(yè)，并提出可在海床移動、采集樣品的ROV（Remote Operated Vehicle，ROV），完成研究礦床成因等科研任務(wù)。海洋探測大賽是一項為期3年、耗資700萬美元的全球競賽，日本GEBCO-NF團隊采用無人艇與AUV協(xié)同作業(yè)方案，高效完成在有限條件下對規(guī)定區(qū)域探測并贏得比賽冠軍[3]。

圖 1 “自盤古”計劃示意圖Fig. 1Schematic illustration of the Zipangu project

本文針對未來海洋探測，基于目前海洋技術(shù)水平，結(jié)合USV與AUV各自優(yōu)勢，彌補AUV攜帶能源有限、USV探測深度有限等缺陷，提出USV與AUV一體化系統(tǒng)概念設(shè)計，并針對一體化系統(tǒng)的需求提出一種三體船型USV?；厥辗桨冈O(shè)計為USV水面動態(tài)回收AUV，并根據(jù)水面回收流程，以某便攜式AUV為模型，研究AUV靜水面航行的水動力特性分析，通過CFD軟件分析結(jié)果、水動力簡化模型理論推導(dǎo)以及外場水域試驗數(shù)據(jù)對比，證明該CFD軟件分析的可靠性和準確性。針對回收過程中USV尾流對AUV水面航行的影響進行了15種工況下的對比仿真分析，得出AUV回收最佳工況。

1 USV與AUV一體化概念設(shè)計

USV與AUV一體化系統(tǒng)包括一對AUV與三體船型USV組合，USV具備運輸、收放、補給、跟蹤、通信、定位AUV的能力，在水下一定深度、一定面積進行USV與AUV協(xié)同作業(yè)。一體化系統(tǒng)作業(yè)模式包括定位作業(yè)流程、收放作業(yè)流程、通信作業(yè)流程、運載作業(yè)流程、艇載數(shù)據(jù)處理作業(yè)流程、補給作業(yè)流程。一體化系統(tǒng)適應(yīng)于深遠海的自主作業(yè)，作業(yè)期間無需母船直接協(xié)助，降低作業(yè)成本、提高作業(yè)效率。

圖 2 三體船示意圖Fig. 2Schematic illustration of the trimaran

1.1 收放作業(yè)流程

收放作業(yè)流程分為AUV回收作業(yè)流程和AUV布放作業(yè)流程。

1）回收作業(yè)流程

AUV在超短基線定位系統(tǒng)導(dǎo)航下歸航至進入無線通信引導(dǎo)，AUV在無線通信下與USV同向航行，通過速度差進入USV主艙體；當AUV靠近USV尾部，導(dǎo)向板微調(diào)AUV前行方向，AUV首部觸碰傳送帶，傳送帶上表面滾動方向朝向船首，AUV緊貼傳送帶進入主艙體，AUV首部碰觸限位裝置限位，限位信號經(jīng)由艇載微型處理器處理，下達指令1傳送帶停止工作、下達指令2經(jīng)由無線通信至AUV停止推進器工作、下達指令3夾緊裝置固定AUV，完成收放作業(yè)流程回收作業(yè)。

2）AUV布放作業(yè)流程

夾緊裝置停止工作，傳送帶上表面滾動方向朝向三體船船尾，AUV緊貼傳送帶進入水域，完成收放作業(yè)流程布放作業(yè)。

圖 3 水面回收場景圖Fig. 3Schematic illustration of the recovery scenario on the water

針對一體化系統(tǒng)AUV回收采取水面回收，相對于水下回收方式，其通信環(huán)境較惡劣、控制較復(fù)雜、回收裝置限定條件較多[4-7]。水面回收優(yōu)勢是將水下三維對點轉(zhuǎn)換為水面二維回收，并采取無線導(dǎo)引，增大回收成功概率。針對一體化作業(yè)要求多次收放AUV，水面回收對AUV外形無需改動，減少AUV額外功耗，USV尾部借鑒登陸艦尾部斜坡設(shè)計，便于運放AUV。

動態(tài)回收考慮USV在水面無法固定于一點、易受擾動，降低回收成功概率，故USV水面直線航行保證方向穩(wěn)定性，AUV通過無線導(dǎo)引方式以較快于USV的速度同方向追趕，通過速度差實現(xiàn)進入USV后艙，提高回收成功概率。兩者對接相對速度較小，同時減小碰撞力。水面回收的缺點是海浪對其影響較大，故便攜式AUV回收應(yīng)在低海況下進行，仿真環(huán)境設(shè)置為靜水面環(huán)境。

1.2 其他作業(yè)流程

定位作業(yè)流程包括中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位USV以及USV超短基線定位AUV。通信作業(yè)流程包括水下通信、水面通信及衛(wèi)星通信3部分，其中水下通信使用水聲通信機完成信息傳遞，水面通信利用無線通信設(shè)備形成通信網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信使用北斗通信系統(tǒng)，三者形成通信鏈路。艇載數(shù)據(jù)處理作業(yè)流程用于對USV接收數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析得出下一步運行指令；運載系統(tǒng)是指AUV固定于USV主艙體，USV運輸AUV至目標區(qū)域；補給作業(yè)流程對位于USV主艙體內(nèi)的AUV進行無線充電。

圖 4 通信作業(yè)和定位作業(yè)場景圖Fig. 4Schematic illustration of the communication and location work processes

1.3 一體化系統(tǒng)作業(yè)模式

一體化系統(tǒng)作業(yè)模式作業(yè)流程為：AUV固定于USV主艙體，USV離開基站或母船，USV與基站或母船時刻通過無線通信或衛(wèi)星通信保持數(shù)據(jù)、指令傳輸，USV自身位置通過定位作業(yè)流程北斗衛(wèi)星定位；運輸AUV至指定作業(yè)區(qū)域，USV收放作業(yè)流程布放AUV，AUV開始位于一定深度水域作業(yè)，無人水面艇超短基線定位作業(yè)流程定位AUV，USV通過水下通信相互傳輸信息至AUV，完成水下一定深度作業(yè)后，AUV上浮水面，USV收放裝置回收AUV，AUV固定于USV主艙體，USV補給作業(yè)流程補給AUV，AUV通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸原始數(shù)據(jù)，艇載數(shù)據(jù)處理作業(yè)流程處理原始數(shù)據(jù)，USV通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸指令至AUV，完成一次作業(yè)流程，數(shù)次循環(huán)直至完成任務(wù)要求，USV返回基站或母船。

2 AUV靜水面航行垂直面三自由度的水動力分析

2.1 AUV仿真模型參數(shù)設(shè)置

針對USV水面回收AUV步驟，第1步AUV需要穩(wěn)定在水面航行，以某便攜式AUV為模型，通過STARCCM+水動力軟件構(gòu)建仿真模型。AUV質(zhì)量75 kg，長度1776 mm，直徑250 mm，靜浮力0.5 kg，浮心距首部830 mm。

AUV尾舵采用NACA0012翼型，弦長115 mm，展長110 mm，展弦比0.96。

圖 6 AUV垂直面動網(wǎng)格Fig. 6AUV moving grid on vertical plane

AUV仿真流域設(shè)定為45 m×4 m×5 m，本文在計算域內(nèi)設(shè)置雙重網(wǎng)格加密區(qū)，以提高體網(wǎng)格質(zhì)量，在保證計算精度前提下，提高仿真環(huán)境模型計算效率。仿真流域網(wǎng)格基礎(chǔ)值0.20 m；第1重自由液面加密區(qū)尺度為45 m×4 m×3 m，基礎(chǔ)值0.06 m；第2重AUV計算加密區(qū)為3 m×1 m×1 m，基礎(chǔ)值0.03 m。

2.2 案例分析

根據(jù)之前試驗情況以及以往工作經(jīng)驗，AUV穩(wěn)定在水面航行必須保持上浮舵狀態(tài)，否則AUV首部將呈現(xiàn)大幅震蕩狀態(tài)，不滿足實際動態(tài)水面回收方案對AUV的航行要求，故仿真過程中需對不同舵角進行仿真計算，尋求最佳航行狀態(tài)。選取舵角10°、推進力20 N為例。

仿真結(jié)果看，AUV仿真計算收斂后，最后速度和縱傾角穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)，水平前行運動，AUV的縱傾角與沖角相等，速度水平向前，符合實際航行現(xiàn)象。

圖 7 AUV縱傾角、速度變化曲線Fig. 7Variation curves of pitch and velocity of AUV

圖 8 AUV水面穩(wěn)定航行Fig. 8AUV surface stability navigation

2.3 仿真工況匯總

選取舵角 5°，10°，15°，20°，25°五種工況分析，對AUV尾部處軸線方向施加5～100 N推進力，多種工況進行仿真計算，結(jié)果如圖9和圖10。其中A，B，C，D 分別表示舵角 10°，15°，20°，25°。

圖 9 AUV舵角與縱傾角關(guān)系曲線Fig. 9Curve of relationship between rudder angle and pitch angle of AUV

圖 10 AUV推進力與穩(wěn)定速度關(guān)系曲線Fig. 10Curve of relationship between rudder angle and constant velocity of AUV

在相等舵角工況下，縱傾角隨推進力增加先增大至平穩(wěn)再減小，舵角越大縱傾角越大，大致呈現(xiàn)線形關(guān)系，AUV極限速度也隨著舵角增大而增大，平均速度1.665 m/s。

2.4 AUV水面航行水動力建模

本節(jié)主要根據(jù)仿真數(shù)據(jù)相關(guān)結(jié)論，構(gòu)造AUV垂直面水動力模型，并進行水動力計算推導(dǎo)，并與仿真結(jié)果進行對比，驗證仿真結(jié)果可靠性。

動系原點與AUV重心重合，AUV重心位于浮心正下2 mm，如圖11所示。

圖 11 AUV運動坐標系Fig. 11The moving coordinate system of AUV

AUV一般運動方程建模，問題只考慮垂直面運動求解。

式中：X0為AUV直線航行阻力；Z0為AUV上下不對稱導(dǎo)致z軸方向力；M0為AUV前后不對稱導(dǎo)致y軸力矩；Xu，Zw，Mw為速度系數(shù)；Zq，Mq為角速度系數(shù)；，為舵角系數(shù)。

由靜力學(xué)可知，當AUV俯仰運動時導(dǎo)致重力與浮力作用不在同一鉛垂線上構(gòu)成浮力扶正力矩，其中h為AUV穩(wěn)心高，g為重力加速度。

設(shè)定AUV弱機動運動，故忽略X方向等式，并代入水動力式，計及剩余靜載、扶正力矩和槳力矩，并考慮AUV前后不對稱時的垂直面操縱運動方程式：

上式水動力導(dǎo)數(shù)和運動參數(shù)都是有因次項，不便于比較，對上式進行無因次化，力遍除力矩遍除

上式相應(yīng)無因次形式為：

通過仿真不同潛深的拘束船模試驗測定，考慮自由水面對水動力系數(shù)的影響[8]，校正后：

AUV水面俯仰定常運動時，可看作帶縱傾角定深航行，定深深度近似為0，，故速度矢方向在水平方向上，由公式可知。

代入相應(yīng)數(shù)值，可得：

對比仿真與計算數(shù)值，以及后續(xù)的外場水域試驗數(shù)據(jù)，得出下表。

通過水動力計算縱傾角與仿真縱傾角對比，仿真穩(wěn)定數(shù)值與水動力計算數(shù)值相差較小，仿真結(jié)果AUV穩(wěn)定航行時縱傾角與舵角呈線形關(guān)系，縱傾角與AUV外形結(jié)構(gòu)以及靜浮力相關(guān)。

2.5 AUV垂直面極限速度

求解AUV不同舵角下的極限速度，由公式化簡可得：

將其中與速度相關(guān)水動力系數(shù)代入u計算：

化簡：

代入公式：

2.6 AUV水面航行外場試驗

在外場水域進行實際試驗，AUV上浮下潛舵機轉(zhuǎn)動角度范圍在-20°～+20°；AUV內(nèi)部安裝有TCM5電子羅盤，時刻記錄AUV縱傾角數(shù)值。AUV底部安裝有DVL多普勒測速儀，時刻測量AUV速度。縱傾角、速度數(shù)值通過無線網(wǎng)線發(fā)送至岸基，試驗人員可時刻觀察AUV航行情況，保證試驗安全進行。

考慮離岸水域水深較淺，為避免AUV下潛可能性，AUV從岸基出發(fā)時速度控制在1 m/s、上浮舵20°，監(jiān)控AUV實際縱傾角數(shù)值，將AUV速度控制在平均速度1 m/s、均方差0.10 m/s、航行距離約50 m范圍內(nèi)，縱傾角穩(wěn)定平均數(shù)值為11.0°，按照此步驟以此完成上浮舵角15°，10°，5°試驗航行，平均縱傾角為7.4°，4.2°，在上浮舵為5°航行時，AUV航行狀況不穩(wěn)定。

將實際航行數(shù)據(jù)與計算縱傾角、仿真縱傾角列于表1中，對比三者10°，15°，20°三種工況數(shù)據(jù)，證實了仿真模型以及水動力簡化模型的可靠性與準確性，為第二步AUV追逐USV的仿真環(huán)境搭建提供基礎(chǔ)。

表 1 AUV縱傾角對比表Tab. 1Contrast of AUV pitch angles

3 回收過程中USV尾流對AUV航行狀態(tài)的影響

針對一體化系統(tǒng)對USV外形需求，以某便攜式AUV為基準，選取三體船外形作為一體化系統(tǒng)USV。

三體船相比單體船提高了船舶的穩(wěn)定性和耐波性，可將推進器安裝至2個側(cè)體上，提高三體船的機動性，并考慮在回收AUV時，減小螺旋槳尾流對AUV航行影響，以及當回收失敗時避免AUV撞擊螺旋槳。相比雙體船，三體船的主船體可提供運輸空間，在船體尾部設(shè)計AUV回收裝置。

USV的推進器布置在2個側(cè)體上且低速航行，故數(shù)值仿真時可忽略螺旋槳尾流對AUV航行特性的影響，但航行過程中，不能忽略USV航行時尾流對AUV航行特性的影響。通過CFD仿真，對其影響進行判斷。

3.1 動態(tài)仿真模型設(shè)定

追逐仿真流域設(shè)定為40 m×16 m×8 m，并在計算域內(nèi)針對AUV和USV設(shè)置雙重網(wǎng)格加密區(qū)。仿真流域網(wǎng)格基礎(chǔ)值0.20 m；第一重自由液面加密區(qū)尺度為40 m×16 m×1 m，基礎(chǔ)值0.06 m；第二重AUV加密區(qū)為3 m×1 m×1 m，基礎(chǔ)值0.03 m，USV加密區(qū)10 m×5 m×1 m，基礎(chǔ)值0.03 m。

3.2 回收過程USV尾流對AUV速度1.75 m/s航行狀態(tài)的影響

USV仿真過程中保持速度約為0.5，0.75，1.00，1.25，1.50 m/s五種工況，AUV距離USV尾部20 m時兩者同時前向運動，AUV工況選取舵角25°，仿真收斂速度1.75 m/s、縱傾角7.8°，AUV追逐USV過程中速度、縱傾角變化如圖15所示，仿真停止條件是AUV碰觸USV。

圖 12 AUV外場航行數(shù)據(jù)Fig. 12AUV outfield navigation data

圖 13 三體船型USV模型Fig. 13Model of trimaran USV

表 2 三體船模型參數(shù)表Tab. 2Parameter table of trimaran USV model

通過不同工況下仿真結(jié)果看，AUV在逐漸靠近USV過程中，AUV速度和縱傾角均發(fā)生變化。

1）靠近過程中AUV速度降低、縱傾角增大，速度差越近越明顯；

2）AUV即將碰觸USV尾部時，速度和縱傾角會發(fā)生突增，速度差越近越明顯。

由于USV速度越快產(chǎn)生尾流對AUV影響越大，尾流擾動使AUV縱傾角增大速度降低?？拷黆SV時AUV速度突增，原因是USV后艙內(nèi)壁產(chǎn)生正伴流現(xiàn)象，即其帶動附近水域有向前運動趨勢，導(dǎo)致流速相對于AUV速度差減小，AUV粘性水阻力隨之減小，USV速度越快越明顯，并且速度差較小時，AUV處在尾部區(qū)域相對時間也增加，速度突增幅度越大，2個原因?qū)е滤俣炔钤叫UV靠近USV速度突增越明顯。

圖 14 水面回收仿真場景計算域Fig. 14Calculation domain of docking simulation on the water

圖 15 回收過程AUV速度1.75 m/s仿真航行數(shù)據(jù)Fig. 15AUV navigation data in docking simulation process at speed of 1.75 m/s

由于縱傾角增加至約16°，回收過程中AUV底部有較大可能性率先碰觸USV斜坡，由于AUV底部布置傳感器等探測裝置，對其將會產(chǎn)生損害，且考慮回收時AUV速度突增情況，故針對便攜式AUV不建議使用AUV速度1.75 m/s工況回收。

圖 16 回收過程仿真水面場景Fig. 16Surface water scene of recovery simulation process

圖 17 水面速度矢量圖Fig. 17Velocity vector map on the water

3.3 回收過程USV尾流對AUV速度1.50 m/s航行狀態(tài)的影響

USV仿真過程中保持速度約為0.5，0.75，1.00，1.25 m/s四種工況，AUV距離USV尾部15 m時兩者同時前進方向運動，AUV工況選取舵角20°，仿真收斂速度1.50 m/s，縱傾角8.7°，AUV追逐USV過程中速度、縱傾角變化如圖18所示，仿真停止條件是AUV碰觸USV。

分析結(jié)果與AUV1.75 m/s大致相同，AUV碰觸USV時縱傾角較理想；USV在0.75 m/s，0.5 m/s速度突增較小，在此基礎(chǔ)上USV速度越大，方向穩(wěn)定性越強，USV工況在0.75 m/s時仿真結(jié)果針對一體化水面回收方案較理想。

3.4 回收過程USV尾流對AUV速度1.25 m/s航行狀態(tài)的影響

鑒于上述仿真結(jié)果，相對速度差過小，AUV速度、縱傾角均有較大影響，對于舵角25°縱傾角過大，不適用于水面回收狀態(tài)。針對AUV 1.25 m/s采用舵角10°，15°，20°三種舵角，USV 速度 0.5，0.75 m/s六種工況進行仿真對比，如圖19所示。

USV同速情況下，AUV回收時速度、縱傾角變化趨勢、幅度基本相同，綜合考慮前2種工況，優(yōu)先選擇縱傾角較小的20°舵角；USV速度0.75，0.5 m/s影響差別不大，故選取0.75 m/s。

圖 18 回收過程AUV速度1.50 m/s仿真航行數(shù)據(jù)Fig. 18AUV navigation data in docking simulation process at speed of 1.50 m/s

4 結(jié) 語

本文提出一種基于AUV與USV的一體化作業(yè)系統(tǒng)，面向該系統(tǒng)設(shè)計USV水面回收AUV作業(yè)流程，對回收過程中AUV的水面穩(wěn)定航行特性進行了深入分析，USV航行尾流對其后方AUV航行在垂直面上三自由度的影響進行仿真分析。通過仿真計算及外場試驗得出如下結(jié)論：

1）以某便攜式AUV為模型進行水面垂直面三自由度航行水動力仿真，通過使用上浮舵角使AUV可在水面穩(wěn)定水平前向航行，AUV的縱傾角與沖角相等，符合實際航行現(xiàn)象。

2）建立AUV水面航行水動力模型，求解出AUV舵角與AUV水面航行縱傾角呈線形關(guān)系，經(jīng)過外場試驗驗證了水動力模型和仿真結(jié)果的準確性和可靠性。

3）以三體船型USV為仿真模型，進行動回收回收AUV水動力仿真分析，通過15種工況對比分析USV航行尾流對較高速AUV航行的垂直面三自由度影響，得出USV速度0.75 m/s航行、AUV舵角20°速度1.25～1.5 m/s回收可靠性最佳。

圖 19 回收過程AUV速度1.25 m/s仿真航行數(shù)據(jù)Fig. 19AUV navigation data in docking simulation process at speed of 1.25 m/s