半潛式航行體橫滾調(diào)整方式分析

歐陽凌浩，師子鋒

( 中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌443003)

1 概 述

隨著技術(shù)的發(fā)展，反水雷逐漸轉(zhuǎn)入無人系統(tǒng)，法國DCN 公司開發(fā)的“海上衛(wèi)士”FDS3 遙控獵雷系統(tǒng)(如圖1)就是此類反水雷裝備。該系統(tǒng)是由加拿大ISE 公司開發(fā)的“海豚”半潛式航行體和水下拖曳系統(tǒng)組成，其中半潛式航行體類似于1 艘小型無人潛艇，航行于半潛狀態(tài)，通過艦上遙控設(shè)備控制航行。它拖帶1 個(gè)水下拖體，可避開航行體發(fā)出的噪聲，其上攜帶多種聲吶，可有效探測(cè)海底和海中目標(biāo)。在探測(cè)過程中，航行體的姿態(tài)和航跡對(duì)探測(cè)精度影響較大。本文以該遙控獵雷系統(tǒng)中的“海豚”半潛式航行體作為原型，分析其調(diào)整橫滾和航向的因素，確定控制方案。

“海豚”半潛航行器全長8.3 m，最大直徑2.5 m，質(zhì)量6 700 kg，航行器由柴油機(jī)推進(jìn)，柴油機(jī)的吸氣和排氣孔以及通信天線伸出水面，它可以12 kn的航速航行400 n mile (740 km)。續(xù)航時(shí)間與拖體的深度和速度有關(guān)，大致在16 ～74 h 之間?！昂ｋ唷卑霛撌胶叫衅鞑捎?60 kW Caterpillar 3116 渦輪增壓船用柴油機(jī)作為動(dòng)力，油箱容量726 kg，采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，最高航速達(dá)17.5 kn，拖曳航速達(dá)10 ～12 kn。

圖1 FDS3 探測(cè)系統(tǒng)吊放入水狀態(tài)Fig.1 State of hung into water

2 航行體六自由度運(yùn)動(dòng)方程組

2.1 坐標(biāo)系

建立航行體空間運(yùn)動(dòng)方程組主要用到體坐標(biāo)系oxyz 和地面坐標(biāo)系ox0y0z0兩種坐標(biāo)系。體坐標(biāo)系oxyz的原點(diǎn)位于航行體浮心所在橫截面與航行體軸線的交點(diǎn)，x 軸沿航行體軸線指向航行體頭部;y 軸位于航行體縱對(duì)稱面內(nèi)垂直x 軸，指向上方;z 軸垂直oxy平面，按右手法則指向側(cè)向。地面坐標(biāo)系ox0y0z0的原點(diǎn)取初始時(shí)刻航行體體坐標(biāo)系的原點(diǎn)在水平面上的投影點(diǎn);ox0軸沿航行體的縱對(duì)稱面與水平面的交線，指向前方;oy0軸鉛垂向上;oz0軸按右手規(guī)則。

體坐標(biāo)系用于建立航行體動(dòng)力學(xué)方程，地面坐標(biāo)系主要用于確定幾何參數(shù)。地面坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系之間的夾角確定了航行體的3 個(gè)姿態(tài)角，即俯仰角θ、偏航角ψ 及橫滾角φ，體坐標(biāo)系原點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中的3 個(gè)坐標(biāo):x0，y0，z0確定了航行體的空間位置。

地面坐標(biāo)系到體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

體坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

2.2 空間運(yùn)動(dòng)方程組

利用動(dòng)量和動(dòng)量矩定理可以在體坐標(biāo)系中建立如下的航行體空間運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程組:

式中:各符號(hào)涵義見文獻(xiàn)［3］。

航行體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(ωx，ωy，ωz)與3 個(gè)姿態(tài)角變化率之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式由下式描述:

航行體的空間位置由下式確定:

攻角α、側(cè)滑角β 及速度v 的定義式為

彈道角θc，ψc，φc和姿態(tài)角θ，ψ，φ 及攻角α、側(cè)滑角β 之間的幾何關(guān)系式為

上述各式構(gòu)成了航行體空間運(yùn)動(dòng)方程組，含有vx，vy，vz;ωx，ωy，ωz;θ，ψ，φ;θc，ψc，φc;x0，y0，z0;α，β，v 共18 個(gè)未知量。

3 仿真初始條件

由于“海豚”半潛式航行器使用柴油機(jī)作為動(dòng)力，需采用桅桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)排氣?？紤]桅桿高度，半潛式航行器的航行深度不得大于4 m。初始深度2 m，取航行深度2.5 ～4 m，每0.5 m 一個(gè)計(jì)算狀態(tài)。取航行速度8 ～16 kn，每4 kn 一個(gè)計(jì)算狀態(tài)。共12 個(gè)仿真工況。初始姿態(tài)角、流體動(dòng)力角均為0，前水平舵角為平衡舵角。海流大小3 kn，方向正側(cè)向。

3.1 后水平舵差動(dòng)調(diào)整航行體橫滾

3.1.1 仿真工況與初始條件

表1 后水平舵差動(dòng)調(diào)整航行體橫滾仿真工況Tab.1 The simulation conditions of using diving rudder after to adjust the roll of the vehicle

3.1.2 控制方法

舵功能分配:前水平舵用于平衡，后水平舵用于深度與橫滾控制，后垂直舵用于航向控制。

控制方程:

深度δhh=Kyy+Kθθ+Kωzωz;

航向δv=Kzz+Kψψ+Kωyωy;

橫滾δd=Kφφ+Kφxωx。

3.1.3 仿真結(jié)果

圖2 ～圖5 分別給出了航行體航速8 ～16 kn 速度下姿態(tài)及航線的變化曲線。

由仿真曲線可見:航行體可以實(shí)現(xiàn)定常水平直線運(yùn)動(dòng)3 通道耦合控制，航線控制精度與隨著航速的增加而增加，8 kn 航速下，穩(wěn)態(tài)航線與預(yù)定航線側(cè)偏約0.5 m，16 kn 航速時(shí)，側(cè)偏為0.22 m;航行體俯仰和橫滾角度均可以達(dá)到0°左右，航行體首偏角度隨著速度的增加而減小。

圖5 航行體偏航距離(航速16 kn)Fig.5 Yaw distance of vehicle (speed 16 kn)

3.2 垂直舵差動(dòng)調(diào)整航行體橫滾

3.2.1 仿真工況與初始條件

表2 垂直舵差動(dòng)調(diào)整航行體橫滾仿真工況Tab.2 The simulation conditions of using vertical rudder after to adjust the roll of the vehicle

3.2.2 控制方法

舵功能分配:前水平舵用于平衡，后水平舵用于定深控制，后垂直舵用于航向與橫滾控制。

控制方程:

深度δhh=Kyy+Kθθ+Kωzωz;

航向δv=Kzz+Kψψ+Kωyωy;

橫滾δd=Kφφ+Kφxωx。

3.2.3 仿真結(jié)果

圖6 ～圖9 分別給出了航行體航速8 ～16 kn 速度下姿態(tài)及航線的變化曲線。

由仿真曲線可見:航行深度對(duì)航行體姿態(tài)影響不大，只是過渡時(shí)間略有差別，航行體的俯仰和橫滾均可以達(dá)到0°左右，其首偏角度隨著航行體速度增加而減小;航行體航跡控制精度隨著航速的增加而增加，8 kn 航速下，穩(wěn)態(tài)航線與預(yù)定航線側(cè)偏約0.7 m，16 kn 航速時(shí)，側(cè)偏為0.32 m。

4 結(jié) 語

本文對(duì)不同航行深度和不同航行速度下的航行體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，由結(jié)果可知:水平舵差動(dòng)和垂直舵差動(dòng)對(duì)航行體姿態(tài)控制精度影響不大，航行深度對(duì)航行體姿態(tài)及航跡偏差最終結(jié)果影響較小，只是其過渡時(shí)間有所差別。垂直舵差動(dòng)調(diào)整航行體橫滾時(shí)會(huì)導(dǎo)致航行體航跡偏差增大，因此建議采用水平舵差動(dòng)方式來調(diào)整航行體橫滾，垂直舵只做航向控制。

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