近水面波浪對UUV航行的影響

郝宙曉，杜曉旭

(1.中國艦船研究院，北京 100192;2.西北工業大學航海學院，陜西 西安 710072)

近水面波浪對UUV航行的影響

郝宙曉1，杜曉旭2

(1.中國艦船研究院，北京 100192;2.西北工業大學航海學院，陜西 西安 710072)

低速UUV在水下航行一定的距離后需要上浮到近水面進行導航定位，而在近水面UUV受波浪的影響不能忽略，因此研究UUV在近水面懸停時受波浪的影響是有意義的。本文在建立UUV六自由度運動模型的基礎上，基于規則波的波浪理論，建立了波浪力的計算模型，并仿真計算了UUV在近水面懸停時受海洋波浪力的影響。

波浪;懸停;規則波

0 引言

為提高遠航程低速UUV的航行及作業精度，UUV在水下航行一定的距離后需要上浮到近水面進行二次定位，也就是需要在近水面完成懸停作業的任務。一般認為UUV在深水航行時，受水面波浪力的影響較小，可以忽略不計，而在近水面受波浪力的影響比較大，因此有必要研究UUV在近水面懸停時波浪對其的影響。

本文在建立UUV六自由度運動模型的基礎上，基于二元規則波的波浪理論，建立了波浪力的計算模型，并仿真計算了UUV在近水面懸停時受海洋波浪力的影響。

1 UUV六自由度運動方程的建立

1.1 坐標系的選擇

坐標系選取地面坐標系和體坐標系，分別記作SE(o，x0，y0，z0)和SB(B，x，y，z)，如圖1 所示，坐標系間的轉換矩陣記為CBE和CEB，文獻［1］給出了具體形式。

圖1 UUV坐標系Fig.1 The coordinate of UUV body

1.2 動力學方程

根據動量和動量矩方程，UUV的動力學方程為［2－4］

式中:

方程右端的f是指UUV受到的各種力，包括理想流體慣性力、負浮力、粘性阻力、升力、近水面波浪力等。

1.3 運動學方程［5］

運動學方程為

2 近水面波浪力計算模型

根據波浪的二元規則波模型，波浪的復勢式［2，6］可以寫為

設地面坐標系ox0y0z0的原點距無波浪時水面的距離為H，當原點在水下時，H取正值，在水面以上時，取負值。由于波浪是周期性的，在波浪傳播方向，UUV與波浪的相對位置可以利用在時間零點的波浪初相位ε0來確定。波浪在地面坐標系ox0y0z0中的方向角用γ來表示，于是波浪復勢在地面坐標系ox0y0z0中的表達式為:

由于UUV的動力學方程是在UUV體坐標系建立的，為了便于研究，這里將波浪復勢轉換到體坐標系中，有

式中:p=［x，y，z］T為在地面坐標系中表達的位置坐標;x0=［x0，y0，z0］T為在UUV 體坐標系中表示的位置坐標;x0B=［x0B，y0B，z0B］T為UUV體坐標原點在地面坐標系中的坐標;T1為UUV體坐標系到地面坐標系的轉化矩陣。

此時，式(7)與式(8)改寫為［2］

當UUV在波浪中運動時，波浪對UUV產生擾動作用，UUV對波浪產生散射作用，從而產生一個衍射勢流場。因此，當計算波浪對UUV產生的作用力時，所用的流場應是波浪流場與衍射流暢疊加后的流場。衍射流場復勢為

因此，由波浪產生的擾動流場為

根據線性化的拉格朗日積分式，并考慮到動坐標系，得到波浪產生的壓力場，即［2］

式中，v為動坐標系的牽連速度，即UUV的速度。

把壓力p在UUV沾濕表面SB上積分，就可得到波浪力Fw和波浪力矩Mw，即:

式中:n為UUV表面的單位外法線矢量;r為UUV體坐標系至UUV表面任一點的矢徑。

3 仿真實例

本文對UUV近水面懸停于點(0，－2，0)時受二級、四級波浪的影響在Matlab/Simulink下進行了仿真，該UUV長7 m，最大直徑533 mm。仿真結果如圖2～圖4所示。

可以看到，二級海況下UUV受波浪的影響很小，可以完成懸停任務;四級海況下波浪對UUV運動的影響十分明顯，但UUV還可以完成懸停任務;波浪對UUV在x方向的運動影響較小，而對UUV在y方向的影響較大，這主要是由于UUV具有魚雷狀的外形，在x方向的受力面較y方向要小得多。

4 結語

本文在建立UUV六自由度運動模型的基礎上，基于二元規則波的波浪理論，建立了波浪力的計算模型，并仿真計算了UUV在近水面懸停時受海洋波浪力的影響，結果顯示，UUV在二級及四級波浪的影響下可以完成懸停作業。

［1］李天森.魚雷操縱性［M］.北京:國防工業出版社，1999.

［2］杜曉旭，潘光，宋保維，毛昭勇.低速水下航行器橫向－橫滾操縱性研究［J］.彈箭與制導學報，2005.8:119－121.

［3］潘瑛，徐德民.UUV空間矢量運動模型的建立與仿真［J］.系統仿真學報，2003，(4).

［4］FOSSEN T I. FJELLSTAD O. NonlinearModelingof Marine Vehicles in 6 Degrees of Freedom［J］.Journal of Mathematical Modeling of Systems，1995，1(1).

［5］SMALLWOOD D A，WHITCOMB LL. Model-Based Dynamic PositioningofUnderwaterRoboticVehicles:Theory and Experiment［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004，29(1).

［6］Hwang Yuh-Lin. Hydrodynamic Modeling of LMRS Unmanned UnderwaterVehicle and Tow Tank Test Validation［J］.Oceans Conference Record(IEEE)，2003，3:1425－1430.

［7］Fjellstad O E，Fossen T I.Position and Attitude Tracking of UUV's:A Quaternion Feedback Approach［J］.IEEE Jouknal of Oceanic Engineering，1994，9(4).

［8］Hsu L，Costa R R，et al.Passive Arm Based on Dynamic PositioningSystem forRemotelyOperated Underwater Vehicloes［J］.Intemational Congerence on Robotics ＆Automation Detroit，1999.5.

Effect of the wave near the sea surface to motion of UUV

HAO Zhou-xiao，DU Xiao-xu
(1.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China;2.College of Marine，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

The low velocity unmanned underwater vehicle(UUV)needs to be closed to the sea surface to navigate，and the effect of the wave can not be ignored，so the study of the effect of the wave to the UUV which pointing moving at the surface is necessary.This paper builds the model of UUV and the model of the wave force which based on regular wave.Then the effect of the wave to the UUV which pointing moving at the surface is simulated.

wave;pointing moving;regular wave

O353.2;U674.941

A

1672－7649(2011)06－0153－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.035

2011－05－06

郝宙曉(1980－)，男，工程師，從事水中兵器中低速無人水下航行器的研發及管理工作。