官 晟, 何志強, 金久才, 王巖峰

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一種新型雙體無人監(jiān)測船風力作用下的運動特性變化預報研究

官 晟1, 2, 何志強3, 金久才1, 王巖峰1, 2

(1. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061; 2. 青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室, 山東 青島 266237; 3. 中國船舶重工集團公司 第七一五研究所, 浙江 杭州 310023)

小型雙體無人監(jiān)測船運行平穩(wěn), 甲板尺寸大, 吃水淺, 在水環(huán)境監(jiān)測、工程測量、巡邏跟蹤、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展與應用前景。但該類船風阻大, 水動力復雜, 運動特性在風力作用下變化明顯。本文對雙體無人監(jiān)測船的風作用力進行了分析, 將風作用項引入其動力學模型。利用該模型, 對其主要運動特性進行了仿真預報。仿真結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)具有良好的一致性。該研究結(jié)果可以為新型雙體無人監(jiān)測船運動控制算法在不同風作用環(huán)境下的適應性調(diào)整提供依據(jù), 從而提高其海上作業(yè)能力與控制精度。

雙體船; 風力作用; 運動特性; 仿真預報

近幾年, 小型自動表面船(Unmanned Surface Vehicle, USV)在水環(huán)境監(jiān)測、工程測量、巡邏跟蹤、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域應用越來越廣[1-4]。相比有人船, USV具有更高的作業(yè)效率, 可以連續(xù)長時間自主作業(yè), 大大降低時間、人力、物力成本。USV還可以進入海況更復雜的區(qū)域, 尤其是有人船不易到達的島礁區(qū), 淺水區(qū)等。因此, USV和無人機、無人車技術(shù)一樣, 具有廣闊的發(fā)展與應用前景。雙體無人船是USV船型結(jié)構(gòu)中一種重要的類型。相比于傳統(tǒng)船型, 雙體無人船具有運行平穩(wěn), 甲板尺寸大, 吃水淺等優(yōu)點, 是一種很有發(fā)展前途的USV類型。

準確的運動控制算法是無人船實現(xiàn)自動作業(yè)的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。而無論是在人工遙控算法, 路線跟蹤算法, 還是自主規(guī)劃算法中, 運動特性都是基本參數(shù)[5-8]。運動特性既有USV自身結(jié)構(gòu)、外形、動力等因素決定的部分, 也有USV對不同運動環(huán)境產(chǎn)生的響應部分。自然水體中, 風、流、波浪是對USV運動性能影響最大、最直接的環(huán)境因素[9]。由于小型USV在動力、速度等參數(shù)上遠遠小于一般船舶, 因此, 其運動性能受風、流、波浪等環(huán)境因素的影響也比一般船舶顯著。雙體USV船型新穎, 但風阻大, 水動力復雜, 風力作用研究尤為重要。

本文在一種搭載測深儀、溫鹽等傳感器的雙體USV運動模型研究的基礎(chǔ)上, 分析了風場對其運動特性的作用, 并對主要運動性能進行了仿真預報。該工作可以為新型雙體USV運動控制算法在不同風作用環(huán)境下的適應性調(diào)整提供依據(jù)。

1 雙體無人監(jiān)測船風作用下運動建模

1.1 雙體無人監(jiān)測船概述

該型USV整體結(jié)構(gòu)如圖1所示, 采用雙體船結(jié)構(gòu), 安裝雙電力驅(qū)動器推動, 每個推進器轉(zhuǎn)速等級范圍0~200級, 對應推力0~37.5N。該船主要參數(shù)如表1所示。

1.2 雙體無人監(jiān)測船運動模型

水下載體運動時受到各種力和力矩的作用, 這些力和力矩形成的合力和合力矩使水下運動載體產(chǎn)生6個自由度的空間運動, 對應6個自由度的動力學描述公式, 稱為六自由度方程。對USV而言, 六自由度方程中只考慮,,三式即可[10-11]。其中是方向拉力,是方向拉力,是水平轉(zhuǎn)矩。雙體USV的分離型船舶建模(Maneuvering Mathematical Modeling Group, MMG)相關(guān)方程如公式(1)~公式(3)所示。

圖1 雙體無人監(jiān)測船結(jié)構(gòu)示意圖

表1 目標USV主要參數(shù)

Tab.1 The main parameters of the USV

由于篇幅所限, 對上述經(jīng)典方程就不做過多的解釋, 詳細情況可查閱相關(guān)資料[12-14]。

1.3 風力作用分析與運動模型中風作用項的引入

風對USV的作用就是USV出水部分所受的風阻力。風阻力公式為:

其中,為空氣阻力系數(shù), 和USV的特征面積(迎風面積), 物體光滑程度和整體形狀有關(guān),值通常是實驗值, 一般在0.3~0.6之間;為空氣密度, 正常的干燥空氣可取1.293 kg/m3;為USV迎風面積;為運動物體與風的相對速度。

(14)

(15)

圖3 USV受Y軸反方向風阻分析圖

2 雙體無人監(jiān)測船運動仿真與實驗

本文采用四階龍格—庫塔方法, 對由公式(14)~公式(16)及公式(7)~公式(9)組成的微分方程組求解。

2.1 逆風對USV最高速度的影響

假設風沿USV前進方向反向吹來, 仿真了不同風速下, 推進器不同轉(zhuǎn)速等級下, USV的最高速度變化, 如圖4所示。一般情況下, USV動作精度要求較高時, 都會降低速度。而從表2可以看出, 降低速度時, 風的影響比例提高, 在控制過程中需要格外注意。

圖4 螺旋槳推力等級100時USV啟動過程速度仿真圖

2.2 側(cè)向風對USV直行路徑影響

仿真了2 m/s正側(cè)向風作用下USV在不同推進力下的運動過程, 如圖5所示。仿真了不同風速正側(cè)向風作用下, USV在最大推力200級時的運動響應過程, 如圖6所示。需要注意的是, 在10 m/s風速下, 由于USV側(cè)向轉(zhuǎn)矩較大, USV向來風方向轉(zhuǎn)頭, 并逆風前進了一段距離。仿真結(jié)果說明, 風場作用下USV轉(zhuǎn)彎半徑并不是隨風速增大而一直減小。

表2 不同逆風速下USV最高速度變化

圖5 左右推進器轉(zhuǎn)速相同等級下USV受2 m/s正側(cè)向風運動軌跡仿真

圖6 左右推進器轉(zhuǎn)速等級200時USV受正側(cè)向風運動軌跡仿真

2.3 風對圓周運動USV路徑影響

假設風沿軸反方向吹來, USV在風場內(nèi)做圓周運動, 仿真了USV運動軌跡的變化。將該預報結(jié)果與雙體USV在有風作用情況下, 做圓周運動的實際運動軌跡進行了對比。由于實驗是在范圍較小的水庫靜水中開展, 基本排除了水流、波浪對雙體USV圓周運動的影響, 因此實際運動軌跡的變化主要是風作用引起。

左、右推進器轉(zhuǎn)速等級分別為50、100時, 圓周運動軌跡直徑仿真值為9.5 m, 實測平均值為12 m, , 誤差為–20.8%; 在4 m/s風場中每圈位移3.1 m, 實測位移4 m, 誤差為–22.5%, 上述情況如圖7所示。左、右推進器轉(zhuǎn)速等級分別為50、150時, 圓周運動軌跡直徑仿真值為7 m, 實測平均值為8 m, 誤差為–12.5%, 在4 m/s風場中每圈位移2.3 m, 實測位移2 m,誤差為15%, 上述情況如圖8所示。

3 結(jié)論與分析

本文在一種USV動力學模型基礎(chǔ)上, 研究了風場作用項的引入, 并進行了不同風速, 不同推力下, USV速度、直行、轉(zhuǎn)彎等主要運動特性的仿真預報。本研究結(jié)果能為USV實用性運動控制研究中相關(guān)部分奠定基礎(chǔ)。

風作用項的引入預報了雙體USV多種運動特性在風作用下的變化趨勢。通過與前期研究結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的對比, 證明了風場引入模型的可信性。圓周運動位移預報結(jié)果的誤差與半徑預報結(jié)果誤差保持了較高的一致性, 兩個實驗中分別為1.08和1.2。這說明雙體USV風作用運動模型中部分參數(shù)的選取, 以及不同推力作用下預報模型誤差變化規(guī)律, 可在今后工作中進一步研究。

仿真結(jié)果和現(xiàn)場實驗也揭示了, 該型USV盡管能夠完成部分無人監(jiān)測作業(yè), 連續(xù)工作時長等指標能夠達到設計要求, 但動力較小, 速度較慢, 抗風能力較差, 大大降低了環(huán)境適用性。下一步考慮采用增強推力, 加裝穩(wěn)定呆木、方向舵等措施, 提高USV對惡劣海洋環(huán)境的適應能力。

圖7 左、右推進器轉(zhuǎn)速等級分別為50、100的情況下USV在4 m/s風場中運動軌跡仿真與實測圖

圖8 左、右推進器轉(zhuǎn)速等級分別為50、150的情況下USV在4 m/s風場中運動軌跡仿真與實測圖

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(本文編輯: 李曉燕)

Prediction of change in motion characteristics of marine- monitoring two-body unmanned surface vehicle by wind force

GUAN Sheng1, 2, HE Zhi-qiang3, JIN Jiu-cai1, WANG Yan-feng1, 2

(1.The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China, 2. Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China, 3. 715thResearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Hangzhou 310023, China)

Small two-body marine-monitoring unmanned surface vehicles (USVs) sail smoothly with a larger deck and shallower draft than other common ships. USVs can be widely used in water environmental monitoring, engineering surveying, andpatrolling. However, the motion characteristics of this two-body ship are significant in complicated hydrodynamic environments and strong wind forces. In this paper, we studied the wind influence on the USV by wind forces introduced into a dynamic model and used our model to predict the USV’s motion characteristics induced by these wind forces. We found the simulation results to befairly consistent with observed data. As such, to further improve the USV’s working capability and control accuracy, we proved the usefulness of this model for the development of a control algorithm for determining theUSV’s adaptabilityunder different wind environments.

two-body unmanned surface vehicle; wind effects; motion characteristics; simulation and prediction

[National key research and development plan “Development and application of long ramge underwater gliders”. No. 2016YFC031100; National key research and development program “Verification and application of the sea trial for long distance underwater glider”, No. 2016YFC0301103; National High Technology Research and Development Program(863 Program) “Wave Glider Remote Ocean Environmental Observation System”, No. 2014AA09A508]

Mar. 31, 2017

P715.4+1

A

1000-3096(2017)08-0070-06

10.11759/hykx20170331

2017-03-31;

2017-05-31

國家重點研發(fā)計劃項目“長航程水下滑翔機研制與海試應用”(2016YFC031100); 國家重點研發(fā)計劃“長航程水下滑翔機海試驗證與應用”(2016YFC0301103); 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“波浪滑翔器無人自主海洋環(huán)境觀測系統(tǒng)”(2014AA09A508)

官晟(1972-), 男, 山東青島人, 研究員, 博士, 研究方向為海洋物理應用技術(shù), 電話: 0532-88896378, E-mail: gsh30@163.com; 王巖峰,通信作者, 研究員, 電話: 0532-88968181, E-mail: wangyf@fio.org.cn