水下駐留無人水下航行器駐留過程建模與仿真

張斌，宋保維，朱信堯，朱崎峰

(西北工業大學 航海學院，陜西 西安710072)

0 引言

為解決能源問題對無人水下航行器(UUV)長時間監測或探測海洋環境的限制，一種可以下潛到海底，通過支撐機構駐留的航行器被研發出來。

該UUV 在航行至目的地后開始下潛著陸，依靠支撐機構長期停留在海底，對周圍環境進行監測，任務結束后，可上浮返航或航行至下一個監測點繼續工作［1］。由于在駐留過程中不需要提供驅動力，可以大量減少能源損耗。

駐留UUV 航行至指定位置后，開始下潛運動，UUV 的軸向速度vx逐漸減小，下潛速度vy逐漸增大，攻角從0°逐漸接近90°，如圖1 所示。此時UUV操縱舵失效，UUV 只能靠一系列輔助推進器控制。

圖1 UUV 下潛運動示意圖Fig.1 Schematic diagram of UUV diving process

水下駐留UUV 能否順利地下潛駐留，關系著UUV 整個工作過程的實現與否。著陸時UUV 的軸向速度、下潛速度及航行過程中俯仰角的變化，都是下潛駐留功能的重要影響因素，因此必須對上述運動過程進行仿真分析。

為分析下潛駐留過程，首先要建立合適的運動模型，然而現有運動分析中的UUV 運動模型只適合小攻角下的運動狀態，在UUV 大攻角運動時會產生很大的誤差，具有一定的局限性［2］。文獻［3 -4］針對潛艇側向垂直發射誘餌時的大攻角運動，建立了對應的運動模型，具有一定的參考意義。

本文針對駐留UUV 的運動特點，建立一種適合UUV 大攻角下運動仿真的數學模型，對水下駐留UUV 的駐留下潛過程進行仿真研究，為實現該UUV穩定可靠的駐留運動提供有意義的參考。

1 動力學和運動學方程組

1.1 坐標系與運動參數的選擇

本文中的坐標系采用文獻［5］中的地面坐標系、體坐標系和速度坐標系，分別記作SE(O0，x0，y0，z0)、SB(O，x，y，z)與SV(O，x1，y1，z1)，如圖2 所示。

圖2 UUV 坐標系示意圖Fig.2 Schematic diagram of UUV coordinate system

運動參數采用文獻［6］中的參數，廣義位置參數表示為R =［x0，y0，z0，q，y，j］T，廣義速度參數表示為V=［vx，vy，vz，ωx，ωy，ωz］T，廣義力參數表示為F=［Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz］T.

1.2 動力學和運動學方程

利用質心動量定理和動量矩定理，可以建立UUV 的動力學方程［7］:

式中:F 是UUV 所受各種力的矩陣，

UUV 的運動學方程描述了UUV 空間運動形式及其規律，其運動學方程組如下:

式中:

1.3 UUV 受力分析

1)理想流體慣性力:UUV 非定常運動時，必然會帶動周圍的部分流體介質運動，這部分流體以與UUV 相同的速度做類剛體運動。其表達式為

式中:

MA為附加質量矩陣，具體形式和計算方法可參考文獻［8］.

2)流體粘性力:UUV 的流體粘性力包括流體粘性位置力和流體粘性阻尼力兩部分，記為FN.

3)UUV 的負浮力:UUV 在低速巡航狀態時，其負浮力接近0，而當其駐留在海底時又要求有較大的負浮力以便能夠穩定地停住在海底。所以，UUV需要變浮力系統通過給排水來改變航行器的重力以實現航行器下潛和著陸功能。UUV 變浮力系統進水量為FGabs、進水位置在體坐標系中為(xabs，yabs，zabs)，其方向與重力方向一致。則負浮力為

4)UUV 輔推控制力:水下駐留UUV 有前后兩個輔助垂直推進器，其推力大小為200 N，用于調節UUV 駐留下潛時的速度和姿態，表示為

從而，(1)式中UUV 受到的合力

UUV 的受力情況如圖3 所示

圖3 UUV 受力示意Fig.3 Schematic diagram of force against UUV

選取合理的控制方式可以確保UUV 的姿態與速度始終處于合理的范圍內，甚至可以節約能源。參考文獻［9］，限定下潛運動中UUV 的俯仰角在［-3°，5°］之間，并且確保航行器的縱向速度vy≤0.3 m/s. 本文通過調節輔助推進器的推力大小和方向來控制UUV 的姿態與速度在安全范圍內。具體控制方式如表1 所示。

表1 UUV 前后輔推控制方式Tab.1 Control mode of front and back auxiliary thrusters

注:表中↑表示垂推力朝上，↓表示垂推力朝下，-表示垂推不工作;左邊符號代表前垂推，右邊符號代表后垂推。

2 大攻角下UUV 流體動力參數

UUV 駐留下潛過程中，攻角在0° ～90°之間變化，這意味著UUV 可能在大攻角條件下運動。在攻角不大的情況下，流體動力隨攻角增加呈線性或基本呈線性關系增大;當攻角增大到一定值后，流動在UUV 末端發生分離，隨著攻角增大擴散到整個UUV，造成流體動力與攻角呈現明顯的非線性關系。此時采用CFD 數值模擬方法得到UUV 不同攻角下的流體動力參數，利用一系列離散值擬合出流體動力參數隨攻角變化曲線，限于篇幅具體方法不再贅述［10-11］。

本文駐留UUV 具有回轉體外形，質量為1 430 kg，長7.0 m，最大直徑0.533 m，部分流體動力參數如圖4 ～6 所示。

圖4 阻力系數隨攻角變化曲線Fig.4 Drag coefficient vs. attack angle

圖5 升力系數隨攻角變化曲線Fig.5 Lift coefficient vs. attack angle

圖6 俯仰力矩系數隨攻角變化曲線Fig.6 Pitching moment coefficient vs. attack angle

3 仿真結果及分析

基于上述的運動模型和控制規律，本文對上述水下駐留UUV 的下潛駐留運動進行仿真。初始時刻UUV 航行在深度為10 m 的水平面內，航速5 kn，俯仰角、偏航角、橫滾角、攻角以及側滑角均為0°.

圖7 給出了下潛過程中UUV 攻角與側滑角的變化情況，可以看出，UUV 在下潛過程中攻角在0° ～90°范圍內變化，攻角隨時間增加趨于穩定，側滑角則保持0°不變。

圖7 下潛過程中UUV 攻角與側滑角變化曲線Fig.7 Attack angle and sideslip angle vs. time

圖8和圖9 分別為下潛過程中軸向速度vx和縱向速度vy的變化曲線，本文通過對輔推的控制方式保證UUV 下潛的縱向速度在安全范圍之內。從圖8 可以看出，UUV 軸向速度在阻力作用下逐漸減小，當下潛運動20 s 后，vx≤0.3 m/s，此時軸向速度較小，可以確保著陸的安全。從圖9 可以看出，UUV下潛速度vy從0 逐漸增大至0.3 m/s，并在前、后輔助推進器的作用下，保持在0.3 m/s 附近。

圖8 UUV 軸向速度隨時間變化曲線Fig.8 UUV axial velocity vs. time

圖9 UUV 下潛過程深度方向速度隨時間變化曲線Fig.9 UUV depth direction velocity vs. time

圖10為UUV 下潛過程中俯仰角θ 的變化曲線，可以看出，俯仰角在UUV 下潛中，在前、后輔助推進器的作用下，不斷調整姿態。俯仰角先增大，隨后逐漸減小，并穩定在-3° ～5°之間，符合UUV 著陸的要求，從而使得UUV 以良好的姿態著陸。

圖10 UUV 下潛過程俯仰角隨時間變化曲線Fig.10 Pitch angle vs. time

4 結論

本文通過建立一種適用于大攻角下航行器運動仿真的六自由度運動數學模型，對水下駐留UUV 下潛駐留運動進行了仿真研究。得到UUV 下潛過程中軸向速度、下潛速度、攻角與側滑角、俯仰角等運動參數，并分析了這些因素對下潛駐留功能的影響。通過對運動參數的分析，可以看到，UUV 能夠穩定地完成下潛運動，以良好的航行姿態實現安全著陸，實現駐留功能。

References)

［1］宋保維，朱信堯. UUV 海底停駐策略及其關鍵技術［J］. 魚雷技術，2010，18(6):401 -405.SONG Bao-wei，ZHU Xin-yao. Strategy and key technologies of UUV parking on the seabed［J］. Torpedo Technology，2010，18(6):401 -405. (in Chinese)

［2］劉正元. 潛水器大攻角范圍內運動的仿真［J］. 船舶力學，2005，9(2):54 -59.LIU Zheng-yuan. Simulation of submersible motion in large attack angle［J］. Journal of Ship Mechanics，2005，9(2):54 -59. (in Chinese)

［3］張振山. 一種提高正橫布置潛艇發射裝置發射安全性的方法［J］. 海軍工程大學學報，2004，16(1):14 -17.ZHANG Zhen-shan. A solution of reducing risk of launched decoy to swing back and hit end of moving submarine［J］. Journal of Naval University of Engineering，2004，16(1):14 - 17. (in Chinese)

［4］李志華. 潛艇正橫發射誘餌安全性的建模與仿真［J］. 火力與指揮控制，2007，32(1):54 -57.LI Zhi-hua. The modeling and the simulation of the submarine launching the decoy from the landscape orientation［J］. Fire Control and Command Control，2007，32(1):54 ～57. (in Chinese)

［5］李天森. 魚雷操縱性［M］. 北京:國防工業出版社，1999:10-14.LI Tian-sen. Torpedo maneuvering［M］. Beijing:National Defense Industry Press，1999:10 -14. (in Chinese)

［6］張宇文. 魚雷彈道與彈道設計［M］. 西安:西北工業大學出版社，1999:42 -47.ZHANG Yu-wen. Torpedo trajectory and ballistic design［M］.Xi’an:Northwestern Polytechnical University Perss，1999:42 -47. (in Chinese)

［7］Smallwood D A，Whitcomb L L. Model-based dynamic positioning of underwater robotic vehicles:theory and experiment［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004，29(1):169 -186.

［8］張宇文. 魚雷外形設計［M］. 西安:西北工業大學出版社，1998:115 -123.ZHANG Yu-wen. Torpedoshape design ［M］. Xi ’ an:Northwestern Polytechnical University Perss，1998:115 - 123.(in Chinese)

［9］王曉鳴，王樹新，張宏偉，等. AUV 水下著陸策略研究［J］. 機器人，2008，30(4):346 -352.WANG Xiao-ming，WANG Shu-xin，ZHANG Hong-wei，et al.Research on the underwater landing strategy of AUV［J］. Robot，2008，30(4):346 -352. (in Chinese)

［10］朱信堯，宋保維，單志雄，等. 海底定點停駐無人水下航行器流體動力特性分析［J］. 上海交通大學學報:自然科學版，2012，46(4):573 -578.ZHU Xin-yao， SONG Bao-wei， SHAN Zhi-xiong， et al.Hydrodynamic characteristics analysis of UUV parking on the seabed［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University:Natural Science，2012，46(4):573 -578. (in Chinese)

［11］Tyagi A， Sen D. Calculation of transverse hydrodynamic coefficients using computational fluid dynami approach［J］.Ocean Engineering，2006，33(5/6):798 -809.