陳孟偉, 劉雁集

?

淺域水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)及性能分析

陳孟偉1, 劉雁集2

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

水下滑翔機(jī)作為一種具有長(zhǎng)續(xù)航能力的水下航行器, 可通過(guò)搭載特定傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)一定水域環(huán)境的監(jiān)測(cè)。為解決滑翔機(jī)對(duì)淺水域環(huán)境的監(jiān)控問(wèn)題, 文中提出一種運(yùn)行于淺水域的水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)方案, 分析了俯仰和浮力機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)與俯仰角度的耦合方式對(duì)其整體性能的影響, 設(shè)計(jì)了基于絲桿副傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)。同時(shí)綜合考慮機(jī)體內(nèi)部各移動(dòng)部件狀態(tài)變量, 建立淺域滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型, 設(shè)計(jì)了線性二次調(diào)節(jié)器(LQR), 確定控制器各權(quán)重參數(shù), 實(shí)現(xiàn)了浮態(tài)切換的快速調(diào)節(jié)控制, 并通過(guò)水池試驗(yàn)測(cè)試其運(yùn)動(dòng)能力。試驗(yàn)結(jié)果表明, 研制的水下滑翔機(jī)可在3 m水深內(nèi)順利運(yùn)行, 轉(zhuǎn)彎半徑小, 可達(dá)9 m, 完全滿足在淺水域穩(wěn)定運(yùn)行與順利巡航的要求。

水下滑翔機(jī); 淺水域; 動(dòng)力學(xué)模型; 水池試驗(yàn)

0 引言

水下滑翔機(jī)是由浮力驅(qū)動(dòng)、帶有固定機(jī)翼的水下航行器, 具有工作時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行范圍廣等優(yōu)點(diǎn), 目前已廣泛應(yīng)用于海洋物理信息監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。運(yùn)行于海洋環(huán)境的水下滑翔機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展, 國(guó)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(jī)型。建立起的深?；铏C(jī)動(dòng)力學(xué)模型, 已能較準(zhǔn)確反映機(jī)體的運(yùn)動(dòng)特性[6-8]。但針對(duì)淺水域滑翔機(jī)的研究較少, 雖然已研制出眾多小尺度滑翔機(jī), 但多用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境做運(yùn)動(dòng)控制研究[9-10]。

水下滑翔機(jī)由浮力驅(qū)動(dòng), 因此浮力調(diào)節(jié)能力是滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的主要影響因素之一。深海滑翔機(jī)為保證浮力系統(tǒng)在高壓下穩(wěn)定運(yùn)行, 浮力調(diào)節(jié)速度緩慢, 浮力系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)節(jié)后, 滑翔機(jī)仍要持續(xù)運(yùn)動(dòng)一定距離[3]。淺水域深度有限, 要求浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有快速變換浮力的能力。同時(shí), 淺水域環(huán)境極為復(fù)雜, 要求滑翔機(jī)具有一定的機(jī)動(dòng)靈活性, 可頻繁調(diào)節(jié)完成避障。

針對(duì)此, 文中通過(guò)對(duì)深?；铏C(jī)動(dòng)力學(xué)模型的適當(dāng)簡(jiǎn)化, 建立了淺域滑翔機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型, 并在此基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一種淺水域滑翔機(jī)FIBOT200, 該滑翔機(jī)依靠線性二次調(diào)節(jié)器(linear quadratic regulator, LQR)調(diào)節(jié)滑翔機(jī)的潛浮轉(zhuǎn)換過(guò)程, 并設(shè)計(jì)單沖程泵形式的浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu), 以適應(yīng)淺水域滑翔機(jī)快速改變浮力的需求。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該滑翔機(jī)主體長(zhǎng)1.6 m, 重28 kg, 運(yùn)行環(huán)境為淺水域。其運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要包括置于機(jī)首的浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、由電池包構(gòu)成的俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向舵, 如圖1所示。

圖1 淺域水下滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)

對(duì)于淺域滑翔機(jī), 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(jī)在縱剖面內(nèi)依靠浮力機(jī)構(gòu)與俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)姿態(tài), 采用靈活的舵機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向。

1.1 浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

根據(jù)優(yōu)化計(jì)算, 浮力系統(tǒng)調(diào)節(jié)量一般是機(jī)體總排水體積的0.5%[11]。FIBOT200滑翔機(jī)考慮機(jī)動(dòng)性與抗干擾能力, 設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 通過(guò)絲杠副系統(tǒng)將電機(jī)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(shè)計(jì)行程9 cm, 機(jī)構(gòu)的工作原理如圖2所示。

圖2 浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理圖

浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作會(huì)對(duì)滑翔機(jī)重心產(chǎn)生影響, 該影響主要來(lái)自吸排水的質(zhì)量和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量。選取滑翔機(jī)浮心為參考原點(diǎn), 且初始時(shí), 重心在浮心正下方, 則滑翔機(jī)重心偏移量滿足

設(shè)定浮力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程為吸水與排水的2個(gè)極限位置, 設(shè)置滑翔機(jī)機(jī)頭方向?yàn)檎? 此時(shí)各參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 淺域水下滑翔機(jī)參數(shù)表

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

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)對(duì)俯仰角度的影響

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

推動(dòng)活塞的最大運(yùn)行速度

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù), 活塞最大運(yùn)行速度19 mm/s, 完成9 cm滿行程運(yùn)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(shí)間約為1.6 s。

1.2 俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

由以上分析可知, 滑翔機(jī)的浮力系統(tǒng)動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)機(jī)體的浮力調(diào)節(jié), 也可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角度調(diào)節(jié)。但滑翔機(jī)具有最佳滑翔角度, 在最佳滑翔角度下, 滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)航速最快或滑翔距離最長(zhǎng)[11]。為滿足滑翔機(jī)以特定滑翔角度運(yùn)動(dòng)的要求, 需要俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)微調(diào)俯仰角度。文中設(shè)計(jì)了可快速調(diào)節(jié)的俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖4), 該機(jī)構(gòu)由絲杠傳動(dòng)裝置與電池包構(gòu)成。電池包掛載在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上, 通過(guò)位移傳感器反饋位置。

圖4 俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理圖

俯仰滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的機(jī)體重心偏移

2 動(dòng)力學(xué)模型

上述式中各變量的意義如表2所示。

表2 動(dòng)力學(xué)模型中的符號(hào)意義

線性化動(dòng)力學(xué)模型

其中

3 巡航性能分析

巡航于淺水域的水下滑翔機(jī)應(yīng)具有可快速調(diào)節(jié)、快速響應(yīng)的性能。文中設(shè)計(jì)LQR控制器來(lái)調(diào)節(jié)滑翔機(jī)俯仰角度[13], 控制滑翔機(jī)各狀態(tài)的變化, 探討滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(shuō)明系統(tǒng)變量的最優(yōu)變化過(guò)程。

控制律

仿真滑翔機(jī)由–30°~30°的運(yùn)行過(guò)程, 設(shè)置速度為0.3 m/s, 俯角運(yùn)行100 s后, 開(kāi)啟控制器。滑翔機(jī)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(shí)間變化曲線

圖6 浮力系統(tǒng)質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線

圖7 淺域水下滑翔機(jī)巡航路徑對(duì)比

由圖5可知, 機(jī)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(jī)構(gòu)變化19 mL即可達(dá)到速度要求。由圖7可知, 經(jīng)過(guò)控制器的調(diào)節(jié), 仿真軌跡可以很好地跟隨設(shè)定值。但在開(kāi)啟控制器后, 滑翔機(jī)仍向下運(yùn)動(dòng)了約0.4 m, 該深度是由滑翔機(jī)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)延時(shí)與機(jī)體慣性造成的, 與深海滑翔機(jī)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(yàn)

上述分析說(shuō)明了滑翔機(jī)具有快速調(diào)節(jié)能力, 文中通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試其運(yùn)動(dòng)能力, 在尺寸23 m×23 m,深5 m的水池中測(cè)試滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)性能, 利用1個(gè)置于機(jī)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(pán)反饋滑翔機(jī)姿態(tài), 信號(hào)反饋周期為1 s, 頻率為890 MHz的無(wú)線通信模塊傳輸控制與反饋信號(hào)。設(shè)定滑翔機(jī)下俯滑翔到達(dá)3 m深度時(shí)轉(zhuǎn)換姿態(tài), 開(kāi)始上浮滑翔, 姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)控制俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以勻速狀態(tài)動(dòng)作, 機(jī)體達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作。以約0.2 m, 60o的滑翔角度滑翔。拍攝的水下滑翔機(jī)鋸齒形運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。水下滑翔機(jī)仿真路徑與實(shí)測(cè)路徑存在一定差異, 因?yàn)榉抡媛窂交贚QR控制器得到, 控制器利用了系統(tǒng)的全狀態(tài), 從而使各個(gè)狀態(tài)變量都平滑過(guò)渡, 但同時(shí)也犧牲了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的突出作用, 軌跡差異對(duì)比如圖9所示。因滑翔機(jī)沒(méi)有側(cè)向重心調(diào)節(jié)裝置, 配置的滑翔機(jī)重心偏右, 機(jī)體微微向右偏轉(zhuǎn), 滑翔過(guò)程中會(huì)造成滑翔機(jī)微微向右偏航。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出, 在姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)有明顯的過(guò)沖現(xiàn)象, 這是因轉(zhuǎn)換過(guò)程執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)過(guò)快造成的。

圖8 淺域水下滑翔機(jī)鋸齒形運(yùn)動(dòng)路徑

圖9 淺域水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑對(duì)比

圖10 淺域水下滑翔機(jī)巡航回轉(zhuǎn)路徑

水池試驗(yàn)驗(yàn)證了該水下滑翔機(jī)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(guò)約40 min連續(xù)的水池巡航試驗(yàn), 再次測(cè)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(jì), 該水下滑翔機(jī)可連續(xù)運(yùn)行約66 h, 達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)巡航的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決滑翔機(jī)對(duì)淺水域環(huán)境的監(jiān)控問(wèn)題, 文中提出一種淺水域水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)方案, 該方案設(shè)計(jì)了基于絲桿副傳動(dòng)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(jī)動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了LQR控制器, 實(shí)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)體首部的形式可輔助滑翔機(jī)調(diào)節(jié)姿態(tài), 進(jìn)一步節(jié)省能源。

通過(guò)水池試驗(yàn)的驗(yàn)證, 研制的水下滑翔機(jī)機(jī)體最大潛深30 m, 具有出色的淺水域運(yùn)動(dòng)能力, 可以在3 m的深度內(nèi)順利運(yùn)行, 完成潛浮狀態(tài)的轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)彎半徑較小, 可達(dá)9 m, 能耗量小, 達(dá)到較小慣性延時(shí)滑翔深度的淺水域巡航需求, 完全滿足在淺水域穩(wěn)定運(yùn)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(jī)上的實(shí)際應(yīng)用、淺水域環(huán)境因素如海水密度與海流對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響等, 也是進(jìn)一步待研究的內(nèi)容。

[1] Stommel H. The SLOCUM Mission[J]. Oceanography, 1989, 2(1): 22-25.

[2] Sherman J, Davis R E, Owens W B, et al. The Autonomous Underwater Glider “Spray”[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 437-446.

[3] Eriksen C C, Osse T J, Light R D, et al. Seaglider: A long-range Autonomous Underwater Vehicle for Oceanographic Research[J]. IEEE Journal of Ocean- ic Engineering, 2001, 26(4): 424-436.

[4] Zhang S, Yu J, Zhang A, et al. Spiraling Motion of Underwater Gliders: Modeling, Analysis, and Experimental Results[J]. Ocean Engineering, 2013, 60: 1-13.

[5] Wang S, Sun X, Wang Y, et al. Dynamic Modeling and Motion Simulation for a Winged Hybrid-driven Underwater Glider[J]. China Ocean Engineering, 2011, 25(1): 97-112.

[6] Leonard N E, Graver J G. Model-based Feedback Control of Autonomous Underwater Gliders[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 633-645.

[7] Mahmoudian N, Woolsey C. Underwater Glider Motion Control[C]//47th IEEE Conference on Decision and Control. Cancun, Mexico: IEEE, 2008: 552-557.

[8] Bhatta P, Leonard N E. Nonlinear Gliding Stability and Control for Vehicles with Hydrodynamic Forcing[J]. Automatica, 2008, 44(5): 1240-1250.

[9] 楊海, 劉雁集, 張凱. 實(shí)驗(yàn)尺度無(wú)人水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 中國(guó)艦船研究, 2016, 11(1): 102- 107, 120.Yang Hai, Liu Yan-ji, Zhang Kai. Design and Experiment for Laboratory-scale Autonomous Underwater Gliders[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2016, 11(1): 102-107, 120.

[10] Zhang F, Thon J, Thon C, et al. Miniature Underwater Glider: Design and Experimental Results[J]. IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics, 2014, 19(1): 394-399.

[11] Graver J G. Underwater Gliders: Dynamics, Control and Design[D]. USA: Princeton University, 2005.

[12] Yu J C, Zhang A Q, Jin W M, et al. Development and Experiments of the Sea-Wing Underwater Glider. China Ocean Engineering[J]. China Ocean Engineering, 2001, 25(4): 721-736.

[13] 劉雁集. 水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)特性與路徑規(guī)劃研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2018.

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(jī)設(shè)計(jì)及性能分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 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(jì)和信息化委員會(huì)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目資助(JJ-YJCX-01-17-1893).

陳孟偉(1993-), 男, 本科, 主要研究方向?yàn)檫^(guò)程自動(dòng)化技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)