基于柔性水翼的波浪滑翔器設(shè)計(jì)

劉莘怡，劉 穎，林愛梅，吳思淇，尹新彥

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519800）

波浪滑翔器是一種依靠波浪能驅(qū)動(dòng)的新型水面無人航行器，作為一種新型的可持續(xù)的海洋觀測平臺(tái)，其通過海洋中源源不斷的波浪能獲取前進(jìn)動(dòng)力[1-3]。利用母船上自帶的太陽能電池板不斷地補(bǔ)充能量，為控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及各種海洋監(jiān)測設(shè)施提供能量，續(xù)航能力得到了極大的保障，使其作用范圍和作業(yè)時(shí)間要比其他海洋觀測裝備高[4-8]。另外，應(yīng)用這2 種可再生的清潔能源，不僅遵循新發(fā)展理念，可以更好地去保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間遠(yuǎn)距離地在寬大的海域上航行，彌補(bǔ)了現(xiàn)有海洋監(jiān)測設(shè)備的不足，開發(fā)出完全利用自然能源即可實(shí)現(xiàn)自主航行的新型海洋監(jiān)測器[9]。美國Liquid Robot 公司開發(fā)了利用波浪能垂蕩運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)動(dòng)能量的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)產(chǎn)品Wave Glider，完成多次海試任務(wù)，已在水體和洋流的測量、海洋氣象、溢油泄漏檢測、海洋生物監(jiān)測和海洋環(huán)境生態(tài)研究等多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且在橫穿太平洋的PACX 活動(dòng)中，打破了無人海洋機(jī)器人行駛最遠(yuǎn)距離的世界記錄[1]。

簡單來說，波浪滑翔器作為一種新型的自主海洋觀測平臺(tái)，具有航行時(shí)間長、自主性強(qiáng)、零排放和經(jīng)濟(jì)性高等突出優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的需自帶電源動(dòng)力的海洋觀測設(shè)備相比，波浪滑翔器只需依靠自然能源驅(qū)動(dòng)便可航行，具有強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性。其能長期、自主地執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測、水文調(diào)查、氣象預(yù)報(bào)、生物追蹤、遠(yuǎn)程預(yù)警和通信中繼等作業(yè)，且能在不同海況下進(jìn)行觀測，觀測性能良好，在海洋領(lǐng)域呈現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景[10]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

波浪滑翔器主要由3 部分組成，分別是水上母船、柔性纜繩及水下滑翔體。水面母船主要由太陽能電池板、螺旋槳及漂浮材料包圍起來的密封艙室、天線、控制系統(tǒng)及各種傳感器等組成。水下滑翔體采用純機(jī)械的方式，不需要外界能量供給，只需要從波浪的上下運(yùn)動(dòng)中獲取能量，將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，便可以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的前行，其主要由可轉(zhuǎn)動(dòng)的翼板、轉(zhuǎn)向舵輪、彈簧及身體支撐架等組成。柔性纜繩連接著水上母船和水下滑翔體，保證其整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。該類型的機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間、大范圍、零排放、靈活自主和經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)勢的海洋觀測作業(yè)，避免反復(fù)回收更換電池，有效節(jié)約能源，通過PID 技術(shù)在某一位置固定觀測，具有廣泛應(yīng)用前景。

水上母船的結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，底面寬，且在母船前進(jìn)方向側(cè)設(shè)置了整流的造型，使水上母船能更好地在水面漂浮，后面的推進(jìn)器是輔助動(dòng)力源，一旦需要輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)器會(huì)開始工作。天線負(fù)責(zé)與岸基基站的信號(hào)接收天線通信，太陽能電池板輔助發(fā)電。太陽能電池板捕獲的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為整個(gè)平臺(tái)的電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能源。

水下滑翔體尾部的轉(zhuǎn)向舵輪采用左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，中間鏤空，使水流通過時(shí)水壓力相等，從而能直立靠自身重力向下運(yùn)動(dòng)。左右兩側(cè)的翼板通過翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，彈簧式翼板受到下限位角的約束。

1.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)理

波浪滑翔器主要以波浪滑翔器捕獲的波浪能作為前行動(dòng)力，而水上母船搭載的太陽能電池板吸收的能量主要供應(yīng)給其上搭載的控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和各類傳感器等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過使用該2 種清潔能源，解決了海洋航行器動(dòng)力源及搭載設(shè)備用電的難題。

波浪滑行器的運(yùn)動(dòng)以波浪理論和水下動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)。通過計(jì)算分析可知，當(dāng)波浪滑翔器沿著波面爬升時(shí)，柔性纜繩處于緊繃狀態(tài)，此時(shí)水上母船上浮并通過柔性纜繩拉動(dòng)波浪滑翔器向上爬升，但是此時(shí)水翼又受到水動(dòng)力的影響向后下方轉(zhuǎn)動(dòng)，滑翔器在這二者的共同作用下產(chǎn)生了一個(gè)向前的水平推力，帶動(dòng)波浪滑翔器向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)波浪滑翔器隨著波面下降的時(shí)候，柔性纜繩處于松弛狀態(tài)，波浪滑翔器受重力影響向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)拉動(dòng)水上母船向下運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，水翼還受到了水動(dòng)力的影響向后上方轉(zhuǎn)動(dòng)，滑翔器在這二者的約束下產(chǎn)生水平向前的推力，于是整機(jī)向前推進(jìn)。綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)，波浪滑翔器在工作過程中，無論是沿著海浪向上浮動(dòng)還是向下沉墜，波浪滑翔器的側(cè)翼板都會(huì)產(chǎn)生向前的推力，波浪滑翔器正式利用該推力向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過柔性纜繩的作用，帶動(dòng)水上母船向前運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了整機(jī)前進(jìn)，很好地利用了由波浪能轉(zhuǎn)換而來的機(jī)械能，如圖1 所示。

圖1 波浪滑翔器的水動(dòng)力分析

由上述可知，只要存在波浪，就能帶動(dòng)母船上浮或者下潛，水下翼板就會(huì)產(chǎn)生向前的推力，帶動(dòng)波浪滑翔器整體向前運(yùn)動(dòng)。此外，由于波浪滑翔器上帶有轉(zhuǎn)向舵機(jī)，可以控制波浪滑翔器的航行方向，而且該方向不受海浪方向影響。可以說，巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證其能依靠波浪能一直向前航行，而轉(zhuǎn)向舵機(jī)的加入很好地解決了方向掌控上的一大難題。

1.3 基于柔性水翼的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波浪滑翔器主要由身體支架、6 組平行對(duì)稱的柔性水翼、彈簧、轉(zhuǎn)向舵輪和萬向節(jié)吊鉤等組成。由于整機(jī)的前進(jìn)動(dòng)力能源基本都來自波浪能，因此波浪滑翔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。受波浪、重力和加速度等因素的影響，水翼所獲得的推力并不高，而且推進(jìn)效率也較低，為了整機(jī)能夠更理想最大限度地發(fā)揮其預(yù)設(shè)作用，需要對(duì)波浪滑翔器整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

水翼翼板是波浪滑翔器捕獲波浪能并將其轉(zhuǎn)為前進(jìn)動(dòng)力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，水翼翼板的設(shè)計(jì)和選型決定著波浪滑翔器的推進(jìn)效率和穩(wěn)定性。根據(jù)水下環(huán)境情況及作業(yè)要求，在設(shè)計(jì)水翼翼板時(shí)主要參考了低速翼的設(shè)計(jì)方法，要求側(cè)翼板的尺寸和側(cè)翼板的翼型及尺寸適應(yīng)實(shí)際的海洋水流沖刷，在運(yùn)動(dòng)過程中盡量避免在側(cè)翼板發(fā)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，進(jìn)而提高推進(jìn)效率增加側(cè)翼板往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率。另外，側(cè)翼板之間的分布間距設(shè)計(jì)，以及翼板展弦比、后掠角和翼板的擺動(dòng)角度也需要適應(yīng)實(shí)際的洋流海況，防止發(fā)生干涉或交叉，減少對(duì)升阻比的影響，保證推進(jìn)效率，提高穩(wěn)定性。

當(dāng)母船受到波浪沖上浮時(shí)，波浪滑翔器向前移動(dòng)，水翼向上翻轉(zhuǎn)的速度遠(yuǎn)低于向下翻轉(zhuǎn)的速度。假設(shè)當(dāng)海浪浪高較大時(shí)，由于波浪滑翔器的工作波高較大，水翼向下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，容易在下限位角的固定部件之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的剛性碰撞，導(dǎo)致部件疲勞損壞及能量損耗，無法前行。反之，當(dāng)波浪滑翔器母船工作時(shí)遇到波浪的波高較小時(shí)，水翼極有可能無法達(dá)到其最大下限位角，進(jìn)而導(dǎo)致翼板無法實(shí)現(xiàn)上下正常翻動(dòng)。因此在這里提出將水翼改進(jìn)為彈性水翼的設(shè)想，通過固定其上限位角，并用彈簧約束其下限位角。如果遇到波浪波高較大時(shí)，彈簧機(jī)構(gòu)可以避免在水翼與下限位角固定部件之間產(chǎn)生剛性碰撞，這部分額外能量將被以彈性勢能的方式儲(chǔ)存在彈簧中，避免翼板結(jié)構(gòu)被破壞; 如果波浪波高比較小，那么儲(chǔ)存的彈簧勢能將釋放給翼板回復(fù)力，為波浪滑翔器提供前進(jìn)的動(dòng)力。

在波浪滑翔器的運(yùn)行過程中，期望能盡量實(shí)現(xiàn)水上母船的吃水深度在一個(gè)穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)在這個(gè)區(qū)間的范圍內(nèi)要兼顧提高波浪傳遞效率，這就要求母船的面積要大、質(zhì)量要小且材質(zhì)要好，以均攤影響；另外與海面接觸的下表面應(yīng)采取流線型設(shè)計(jì)，以減少前進(jìn)阻力。由能量守恒定律可得，水上母船的質(zhì)量減少了，那么波浪滑翔器的重量就要增大。為了保證運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中整機(jī)姿態(tài)的穩(wěn)定，要求波浪滑翔器的重心、浮心、吊點(diǎn)及水動(dòng)力中心保持在同一條豎直線上。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LPC2478 作為Mini ARM 嵌入式核心板的微處理器，中央處理器采用ARM7TDMI 芯片，選用XW540-T260-R 型防水舵機(jī)，外圍留有端口，用于連接傳感器、通信系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等，系統(tǒng)框架圖如圖2 所示。傳感器主要用于感知周圍環(huán)境信息，提供波浪滑翔器的姿態(tài)信息、周圍噪音、水溫、風(fēng)速和濕度等。GPS 模塊的經(jīng)緯度由LPC2478 接收，航向角數(shù)據(jù)則由位置保持控制算法處理，進(jìn)而控制舵機(jī)打舵偏角，保證波浪滑翔器的航向控制，完成自主航行。

圖2 總體控制框圖

無線通信電路通過與遠(yuǎn)端連接以監(jiān)測設(shè)備正常運(yùn)行。采取中繼通信，在岸基基站建信號(hào)接收天線，與波浪滑翔器的天線建立聯(lián)系取得通信，將發(fā)現(xiàn)作業(yè)目標(biāo)蹤跡時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳給岸基基站。

2.2 電源管理模塊設(shè)計(jì)

波浪滑翔器電源要分別為主控芯片、通信模塊和攜帶的監(jiān)測設(shè)備等供電，而電能持續(xù)來源于太陽能板，不同于其他供電方式。因此，電源管理模塊采用低功耗單片機(jī)，通過外設(shè)繼電器控制電路，增加太陽能智能控制系統(tǒng)進(jìn)行電源使用管理，其原理框圖如圖3 所示。

圖3 電源管理示意圖

充放電保護(hù)電路如圖4 所示，左側(cè)為太陽能充電電路的主控芯片CN3065，該充電電路可以將太陽能板轉(zhuǎn)換的電能為鋰電池進(jìn)行充電。如果太陽能板產(chǎn)生的輸入電壓大于設(shè)定的閾值電壓及鋰電池的端電壓，那么主控芯片將開始對(duì)鋰電池充電，此時(shí)紅色LED 點(diǎn)亮，當(dāng)綠色LED 亮起時(shí)，則表示鋰電池充滿。右側(cè)放電保護(hù)電路的主控芯片CN301 用于檢測鋰電池極端的電壓。如果太陽能板兩端充電電壓高于設(shè)定的高電壓警戒閾值，此時(shí)NMOS 管和PMOS 管將被導(dǎo)通，放電回路開始工作。如果鋰電池兩端電壓持續(xù)下降到低于設(shè)定的過低電壓警戒閾值時(shí)，那么NMOS 管和PMOS 管將被截止，此時(shí)切斷放電回路，實(shí)現(xiàn)鋰電池低電量保護(hù)功能。

圖4 充電放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)原理圖

3 位置保持控制算法

波浪滑翔器有效地利用了波浪能在海面上隨波逐流，在發(fā)現(xiàn)某特定目標(biāo)時(shí)，需要波浪滑翔器在某一區(qū)域停駐監(jiān)測。因此，為了讓波浪滑翔器能夠在某一區(qū)域保持穩(wěn)定懸停，本文采用了一種位置保持控制算法，來使波浪滑翔器在某一區(qū)域穩(wěn)定保持。該算法基于分區(qū)控制和約束圓理論，如圖5 所示。一個(gè)圓是由一個(gè)只有圓心的位置保持點(diǎn)構(gòu)成的，這個(gè)位置保持點(diǎn)稱為約束圓區(qū)域。根據(jù)坐標(biāo)系的象限分割法，約束圓分為4 個(gè)區(qū)域，即區(qū)域I、區(qū)域II、區(qū)域III 和區(qū)域IV。在約束圓中，波浪滑翔器的預(yù)期航向根據(jù)其位置設(shè)置為一個(gè)常數(shù)值，即I 區(qū)預(yù)期航向?yàn)?3π/4、II 區(qū)預(yù)期航向?yàn)?π/4、III區(qū)預(yù)期航向?yàn)棣?4 和IV 區(qū)的預(yù)期航向?yàn)?π/4。當(dāng)波浪滑翔器脫離約束圓時(shí)，根據(jù)其當(dāng)前位置和期望保持點(diǎn)計(jì)算其期望航向，然后利用模糊PID 控制器計(jì)算所需的舵角，使波浪滑翔器移動(dòng)到位置保持點(diǎn)。由于波浪滑翔器機(jī)動(dòng)性較差，而位置保持控制算法能減少波浪滑翔器在保持位置點(diǎn)附近期望航向的變化次數(shù)，將運(yùn)動(dòng)區(qū)域約束在約束圓區(qū)域內(nèi)，提高了導(dǎo)航穩(wěn)定性，減少了不必要的能量消耗，實(shí)現(xiàn)了保持位置的功能。當(dāng)波浪滑翔器進(jìn)入約束區(qū)域時(shí)，預(yù)期航向不會(huì)改變，只有當(dāng)其離開約束區(qū)域時(shí)，預(yù)期航向才會(huì)改變。

圖5 位置保持控制算法

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于柔性水翼的波浪動(dòng)力無人航行器，該設(shè)備是一種利用海洋波浪能即可實(shí)現(xiàn)自主航行的新型海洋監(jiān)測平臺(tái)，該設(shè)備將海浪的能量轉(zhuǎn)化機(jī)械能，將波浪能轉(zhuǎn)化為正向能量推力，與波浪方向無關(guān)，其主體結(jié)構(gòu)有水面母船、水下滑翔體和柔性纜繩3大部分組成。通過采用一種柔性水翼設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)有效緩解了水下滑翔體翼板應(yīng)力損傷以及增加翼板在驅(qū)動(dòng)中的作用。本文采用了一種位置保持控制算法來實(shí)現(xiàn)波浪滑翔器能夠長時(shí)間在某一特定海域保持位置穩(wěn)定，以便實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的監(jiān)測。采用以上設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)波浪滑翔器長時(shí)、定點(diǎn)監(jiān)測任務(wù)，以更好地利用和開發(fā)海洋資源，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)多樣性。