小型AUV研制策略分析*

張 宇 張明宇 吳曉陽 陳海龍

（武警海警學院機電管理系 寧波 315801）

1 引言

近年來，自主式水下航行器一直是水下航行器領域的研究熱點，在海洋科學研究、海洋資源調(diào)查和海洋安全保證等方面得到了廣泛的應用。20世紀50年代美國華盛頓大學研制了世界上首臺SUPV（self propelled underwater research vehicles），隨著計算機技術和電子技術的發(fā)展，20世紀90年代以來，AUV進入快速發(fā)展階段，美國ABE、英國的Autosub-1、加拿大Theseus、我國的“探索者”號、“潛龍一號”、“潛龍二號”以及與俄羅斯共同研制的“CR-01”相繼成功研制并投入使用。21世紀以來，AUV技術得到了進一步的發(fā)展，商業(yè)化的AUV不斷涌現(xiàn)，如美國Hydroid公司的Bluefin系列AUV、挪威Kongsberg公司的REMUS系列AUV和HUGIN系列AUV、美國Teledyne公司的Gavia系列AUV，標志著 AUV進入了較大規(guī)模實際應用階段［1～7］。為此，本文在充分調(diào)研國內(nèi)外小型AUV技術現(xiàn)狀、應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢上，重點從型體設計、推進器選型、電機匹配和控制系統(tǒng)以及性能測試等方面進行研制策略分析。

2 性能要求

與傳統(tǒng)大中型AUV相比，小型AUV具有如下特點：

1）體積小，重量輕，制造和使用成本低，有淺窄水域任務需求；

2）目標小，隱蔽性強，可以對水面目標和岸上重要目標進行偵察監(jiān)視；

3）適用于多種運輸載體，投放簡單，使用靈活；

4）可批量建造、大量部署，實現(xiàn)集群控制，獲取數(shù)據(jù)關聯(lián)度高。

3 研制策略

綜合評估經(jīng)驗設計方法，重點圍繞型體、推進器、電機選配及性能方法等部分進行研制策略分析。

3.1 型體設計

針對小型AUV艙容有限、能量攜帶少的實際，大幅度減小航行器阻力是關鍵。目前較為成熟的航行器阻力預報方法主要有船模實驗法和水動力性能粘性流場數(shù)值預報法［8～12］。船模實驗法通過制作一定比例的船模在水池中拖曳實驗，完成阻力、縱傾、升沉等狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，其結果可信度高，但成本高，實驗周期長；水動力性能粘性流場數(shù)值預報法可以更為直觀地反映出航行器復雜的流場特征，能夠顯示航行器及其附近流域各點的壓力、速度等物理量分布，成本相對更低、操作相對更簡便。本文兼顧船模實驗和水動力性能粘性流場數(shù)值預報法的優(yōu)點，提出一種基于參數(shù)化建模與實尺度實驗相結合的設計理念：先根據(jù)任務需求（航行器航速、重量等）確定現(xiàn)有的類似產(chǎn)品分析樣本，確定出初步艇型方案；其次，通過參數(shù)化建模技術對初步艇型進行三維建模；然后，根據(jù)所建模型進行實尺度加工，并且以該模型為研究對象同時進行船模實驗和數(shù)值預報，以船模實驗指導、驗證數(shù)值預報結果的準確性；校正CFD數(shù)學模型和驗證其準確性之后，對其進行水動力性能預報，觀察流場計算結果并反饋至三維建模進行減阻優(yōu)化，如此迭代以實現(xiàn)小型智控航行器的最優(yōu)化外形設計。設計流程如圖1所示。

圖1 型體設計流程

3.2 推進器設計

鑒于噴泵推進器聲隱身性好、安全性高、應用性廣的特點，且其設計理念較為成熟，為此，本文主要圍繞噴泵選型和實尺度“噴泵+航行器”系統(tǒng)數(shù)值自航預報進行分析。

3.2.1 噴泵選型設計

噴泵選型首先根據(jù)噴水推進器的基本原理從部分已知參數(shù)和假設參數(shù)對所設計噴泵進行參數(shù)初選，然后基于無粘流場進行噴泵三維反問題設計，最后對所設計噴泵進行考慮粘性的湍流計算來進一步調(diào)整噴泵幾何尺寸［13～15］。

3.2.2 實尺度“噴泵+航行器”系統(tǒng)數(shù)值自航預報

利用噴泵選型結果進行三維建模數(shù)值分析，并根據(jù)流場數(shù)值計算結果計算噴泵的推進效率，結合航行器與噴泵的相互作用因子，預報航行器航速［16～18］。具體如圖 2 所示。

圖2 推進器設計流程

3.3 電機選配

電機選配以“船-槳-機”匹配為原則，同時兼顧經(jīng)濟性、安全性、可靠性的特點［19～20］。具體如圖3所示。

圖3 電機選配流程

3.4 性能測試

小型AUV參照水下機器人總成測試，主要進行：整機尺寸、負載能力、正向/橫向/垂直方向推力、最高航速測試、最大能耗測試、推進器性能測試、觀測距離、攝像頭安裝云臺運動角、補償器高壓倉功能、最大水深耐壓能力等方面測試，此外，還應根據(jù)AUV具體形式對其進行作業(yè)能力測試、動力定位能力測試、攝像機觀測能力測試、通訊及其他相應能力測試［21～24］。

目前國內(nèi)開展水下機器人測試的機構主要有上海交通大學水下工程研究所、中科院沈陽自動化所海洋技術裝備研究室、哈爾濱工程大學智能水下機器人國防重點實驗室、浙江大學海洋裝備試驗技術浙江省工程實驗室等。國外較為著名的水下機器人及其配件性能測試的機構有美國麻省理工大學海洋工程系水池試驗系統(tǒng)、英國Saab Seaeye公司、美國伍茲霍爾海洋研究所海洋應用物理與工程研究室等。

4 發(fā)展趨勢

近年來，隨著新材料、新技術、新理論不斷應用發(fā)展，圍繞AUV總體設計、智能控制、通信導航、探測識別和動力能源等關鍵技術不斷獲得突破，小型AUV未來發(fā)展趨勢得到了廣泛關注：

1）長航程。小型AUV作為一種新興的水下探測裝備，航行距離長短決定了價值的大小，尤其鋰電池、混合驅動技術的發(fā)展使得水下長時續(xù)航成為可能。

2）智能化。當前，小型AUV雖能完成路徑規(guī)劃、避障避碰、編隊航行等簡單任務，但受人工智能技術和智能控制系統(tǒng)發(fā)展水平限制以及水下復雜環(huán)境影響，其自主決策能力較差、水下自適應能力不足、智能化程度仍有待提升。

3）協(xié)同化。隨著計算機技術、人工智能、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、新型材料等理論和技術的發(fā)展，國外相關科研機構相繼進行了多AUV海洋環(huán)境感知、區(qū)域搜索等應用嘗試，并推動建設一套用于大范圍海洋探索應用的可擴展組網(wǎng)系統(tǒng)；國內(nèi)主要圍繞多AUV系統(tǒng)的編隊控制、協(xié)同導航、任務分配、水下通信等方面開展研究，并且大部分處于理論研究階段，實際應用亟待加強。

5 結語

本文根據(jù)小型AUV性能要求，從參數(shù)化建模與實尺度實驗相結合的設計、噴泵選型和實尺度“噴泵+航行器”系統(tǒng)數(shù)值自航預報、船機槳匹配設計、總成測試的角度對型體、推進器、電機選配及性能方法進行了研制策略分析，并對發(fā)展趨勢進行了探討，為后續(xù)裝備的研制和測試提供一定的理論指導和方法借鑒。