一種AUV載荷分離過程實驗研究與分析

付佳杰，葉玉玲

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

自主式水下航行器（AUV）作為一種開發海洋、保衛海洋的重要工具，無論是在民用還是在軍用上，都發揮著越來越大的作用[1–3]。近些年，AUV作為一種新型運載體越來越廣泛用來攜帶、運送、布放載荷。載荷可以是水下勘探設備、監控設備、偵察設備。載荷的數量可以是單個，也可以是多個。這種航行器是由載荷和運載體組成的一個多體系統[4]。載荷作為航行器的一部分，其被釋放后，航行器一般會由于瞬間浮力發生變化而暫時失去平衡，嚴重時，AUV甚至會發生與載荷碰撞而失控的危險。文獻[5–7]對AUV載荷分離方法和安全性進行了一些理論研究和仿真分析，這些研究都是基于AUV運載體與攜帶的載荷在同一軸線上的方式。本文介紹了一種AUV，其攜帶的載荷對稱布置在AUV兩側。對該型AUV的載荷分離過程作了簡單介紹，并主要針對AUV載荷分離過程的試驗數據進行分析。

1 AUV載荷布置及分離過程

1.1 AUV與攜帶載荷布置方案介紹

AUV攜帶載荷布置如圖1所示，該型AUV運載體采用流線型外形設計，攜帶的2個載荷均為負浮力（重力大于浮力）載荷，對稱布置在AUV中部兩側。為了減少航行阻力和方便攜帶，載荷外形通常做成圓柱流線形。分離裝置將載荷與AUV運載體固連成一體，航行過程中起到攜帶載荷的作用，當載荷與AUV分離時又起到了釋放載荷的作用。浮力調節裝置用來及時調整AUV在水下航行時因分離載荷引起的浮力變化。

1.2 AUV與載荷分離過程

圖1 AUV攜帶載荷布置圖Fig.1 The layout of AUV and carrying loads

當AUV攜帶載荷航行到達目標區域時，一側分離裝置解脫，該側載荷依靠自身重力與AUV分離，繼續航行至下一目標區域時，另一側分離裝置解脫，另一個載荷也依靠自身重力與AUV分離，至此，2個載荷完全實現與AUV分離。為了確保航行安全，通常AUV與載荷組成的多體系統在水下航行時調配成微正浮力[8]，而載荷自身為負浮力，每次載荷分離后，運載體的浮力將大于重力，如果沒有及時平衡這一變化，運載體水下航行將會失去平衡，甚至浮出水面而暴露目標，這一點對軍用AUV尤為重要。鑒于此，AUV運載體內設有浮力調節裝置，在每次載荷分離后，觸發浮力調節裝置快速進水，來平衡載荷分離后的重量變化。浮力調節具體過程可參見文獻[9]。

2 AUV載荷分離實驗數據分析

為了充分驗證該AUV載荷分離方法的可行性，將AUV分別攜帶2種不同重量的載荷在海上進行實際航行實驗，航行過程中的數據實時記錄在AUV中央控制單元內部，實驗結束后下載內計數據，并對AUV航行姿態主要參數進行分析。

2.1 載荷負浮力為150 kg時分離過程AUV航行姿態分析

實驗工況1：AUV攜帶2個載荷水中重量均為150 kg，在水下30 m深以1 m/s的速度直線航行，在每次載荷分離后分別控制浮力調節裝置進水150 kg。將載荷分離前后時刻的AUV航行姿態主要參數整理成圖2所示，其中圖2（a）是載荷分離前后AUV航行深度隨時間變化曲線；圖2（b）是載荷分離前后AUV航速隨時間的變化曲線；圖2（c）是載荷分離前后AUV航行俯仰角隨時間的變化曲線；圖2（d）是載荷分離前后AUV航行橫滾角隨時間的變化曲線。

從圖2可以看出，AUV在水下30 m深度以1 m/s速度航行至10 420 s左右時釋放第1個載荷，由于釋放載荷后AUV重力小于浮力，AUV先小幅上浮至30.7 m，通過自身浮力調節裝置和舵機控制，航行深度小幅震蕩后又恢復到30 m左右；第1個載荷分離前，AUV航行時橫滾角在1.1°左右往復震蕩，俯仰角在–2.5°上下輕微波動。由于第1個載荷位于AUV的右側，其分離后，橫滾角迅速變成在–2.3°左右震蕩；俯仰角先降至–5°左右，又恢復至–2.3°左右。AUV繼 續航行至10 520 s左右時，位于AUV左側的第2個載荷分離，橫滾角迅速變成在1.2°左右震蕩，俯仰角經過小幅波動后又恢復至–2.2°左右。可見，2個載荷全部分離后，AUV的航行深度、速度、俯仰角和橫滾角又基本恢復到了載荷分離前的狀態。

圖2 載荷負浮力為150 kg時分離前后AUV航行姿態參數曲線Fig.2 AUV navigation attitude parameter curves of before and after separation while carrying the loads negative buoyancy as 150 kg

2.2 載荷負浮力為300 kg時分離過程AUV航行姿態分析

實驗工況2：AUV攜帶2個載荷水中重量均為300 kg，在水下30 m深以1 m/s的速度直線航行，在每次載荷分離后分別控制浮力調節裝置進水300 kg。將載荷分離前后時刻的AUV航行姿態主要參數整理成圖3所示，其中圖3（a）是載荷分離前后AUV航行深度隨時間變化曲線；圖3（b）是載荷分離前后AUV航速隨時間的變化曲線；圖3（c）是載荷分離前后AUV航行俯仰角隨時間的變化曲線；圖3（d）是載荷分離前后AUV航行橫滾角隨時間的變化曲線。

從圖3可以看出，AUV在水下30.5 m左右深度以1 m/s速度航行，載荷分離前，AUV航行橫滾角在–0.5°～1.5°之間左右往復擺動，俯仰角在–1.7°左右上下波動。AUV航行至33 030 s左右時釋放第1個載荷，由于第1個載荷位于AUV的右側，其分離后，橫滾角迅速變成在–4.8°左右震蕩；俯仰角先降至–2.9°左右，又恢復至–1.7°左右。AUV繼續航行至33 240 s左右時，位于AUV左側的第2個載荷分離，橫滾角由–4.8°迅速變成在0.3°左右震蕩，俯仰角經過小幅波動后又恢復至–1.7°左右。可見，2個載荷分離后，AUV的航行深度、速度、俯仰角和橫滾角又恢復到了載荷分離前的狀態。

該布置方案中，載荷位于AUV運載體的中間兩側位置，載荷軸向重心基本位于AUV的軸向中間位置，而載荷縱向重心與AUV中間位置有一定的偏距，載荷分離前后對AUV航行俯仰角改變不大，對AUV航行橫滾角影響較明顯，從圖2和圖3中也可看出載荷分離前后對AUV航行橫滾角的影響比對AUV航行俯仰角影響大。另外對比圖2和圖3還可看出，載荷在水中重量越大，第1個載荷分離后AUV的橫滾角變化也越大。

3 結 語

本為介紹了一種AUV左右兩側對稱攜帶載荷布置方法，對AUV與載荷分離過程方案做了簡單說明，通過對AUV攜帶載荷航行實驗數據分析，驗證了采用該布置方案，載荷分離可靠，且載荷分離前后對AUV水中航行姿態影響不大；同時，攜帶載荷水中重量越大，載荷分離對AUV水中航行狀態，尤其是橫滾角影響越大。

圖3 載荷負浮力為300 kg時分離前后AUV航行姿態參數曲線Fig.3 AUV navigation attitude parameter curves of before and after separation while carrying the loads negative buoyancy as 300 kg

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