一種AUV載荷分離過程實(shí)驗(yàn)研究與分析

付佳杰，葉玉玲

(中國船舶重工集團(tuán)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(fā)海洋、保衛(wèi)海洋的重要工具，無論是在民用還是在軍用上，都發(fā)揮著越來越大的作用[1–3]。近些年，AUV作為一種新型運(yùn)載體越來越廣泛用來攜帶、運(yùn)送、布放載荷。載荷可以是水下勘探設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、偵察設(shè)備。載荷的數(shù)量可以是單個(gè)，也可以是多個(gè)。這種航行器是由載荷和運(yùn)載體組成的一個(gè)多體系統(tǒng)[4]。載荷作為航行器的一部分，其被釋放后，航行器一般會(huì)由于瞬間浮力發(fā)生變化而暫時(shí)失去平衡，嚴(yán)重時(shí)，AUV甚至?xí)l(fā)生與載荷碰撞而失控的危險(xiǎn)。文獻(xiàn)[5–7]對AUV載荷分離方法和安全性進(jìn)行了一些理論研究和仿真分析，這些研究都是基于AUV運(yùn)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(cè)。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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)載體采用流線型外形設(shè)計(jì)，攜帶的2個(gè)載荷均為負(fù)浮力（重力大于浮力）載荷，對稱布置在AUV中部兩側(cè)。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(yùn)載體固連成一體，航行過程中起到攜帶載荷的作用，當(dāng)載荷與AUV分離時(shí)又起到了釋放載荷的作用。浮力調(diào)節(jié)裝置用來及時(shí)調(diào)整AUV在水下航行時(shí)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(dāng)AUV攜帶載荷航行到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)，一側(cè)分離裝置解脫，該側(cè)載荷依靠自身重力與AUV分離，繼續(xù)航行至下一目標(biāo)區(qū)域時(shí)，另一側(cè)分離裝置解脫，另一個(gè)載荷也依靠自身重力與AUV分離，至此，2個(gè)載荷完全實(shí)現(xiàn)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(tǒng)在水下航行時(shí)調(diào)配成微正浮力[8]，而載荷自身為負(fù)浮力，每次載荷分離后，運(yùn)載體的浮力將大于重力，如果沒有及時(shí)平衡這一變化，運(yùn)載體水下航行將會(huì)失去平衡，甚至浮出水面而暴露目標(biāo)，這一點(diǎn)對軍用AUV尤為重要。鑒于此，AUV運(yùn)載體內(nèi)設(shè)有浮力調(diào)節(jié)裝置，在每次載荷分離后，觸發(fā)浮力調(diào)節(jié)裝置快速進(jìn)水，來平衡載荷分離后的重量變化。浮力調(diào)節(jié)具體過程可參見文獻(xiàn)[9]。

2 AUV載荷分離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了充分驗(yàn)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(jìn)行實(shí)際航行實(shí)驗(yàn)，航行過程中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄在AUV中央控制單元內(nèi)部，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后下載內(nèi)計(jì)數(shù)據(jù)，并對AUV航行姿態(tài)主要參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 載荷負(fù)浮力為150 kg時(shí)分離過程AUV航行姿態(tài)分析

實(shí)驗(yàn)工況1：AUV攜帶2個(gè)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(diào)節(jié)裝置進(jìn)水150 kg。將載荷分離前后時(shí)刻的AUV航行姿態(tài)主要參數(shù)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(shí)間變化曲線；圖2（b）是載荷分離前后AUV航速隨時(shí)間的變化曲線；圖2（c）是載荷分離前后AUV航行俯仰角隨時(shí)間的變化曲線；圖2（d）是載荷分離前后AUV航行橫滾角隨時(shí)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(shí)釋放第1個(gè)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(diào)節(jié)裝置和舵機(jī)控制，航行深度小幅震蕩后又恢復(fù)到30 m左右；第1個(gè)載荷分離前，AUV航行時(shí)橫滾角在1.1°左右往復(fù)震蕩，俯仰角在–2.5°上下輕微波動(dòng)。由于第1個(gè)載荷位于AUV的右側(cè)，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(fù)至–2.3°左右。AUV繼 續(xù)航行至10 520 s左右時(shí)，位于AUV左側(cè)的第2個(gè)載荷分離，橫滾角迅速變成在1.2°左右震蕩，俯仰角經(jīng)過小幅波動(dòng)后又恢復(fù)至–2.2°左右。可見，2個(gè)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(fù)到了載荷分離前的狀態(tài)。

圖2 載荷負(fù)浮力為150 kg時(shí)分離前后AUV航行姿態(tài)參數(shù)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(fù)浮力為300 kg時(shí)分離過程AUV航行姿態(tài)分析

實(shí)驗(yàn)工況2：AUV攜帶2個(gè)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(diào)節(jié)裝置進(jìn)水300 kg。將載荷分離前后時(shí)刻的AUV航行姿態(tài)主要參數(shù)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(shí)間變化曲線；圖3（b）是載荷分離前后AUV航速隨時(shí)間的變化曲線；圖3（c）是載荷分離前后AUV航行俯仰角隨時(shí)間的變化曲線；圖3（d）是載荷分離前后AUV航行橫滾角隨時(shí)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(fù)擺動(dòng)，俯仰角在–1.7°左右上下波動(dòng)。AUV航行至33 030 s左右時(shí)釋放第1個(gè)載荷，由于第1個(gè)載荷位于AUV的右側(cè)，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(fù)至–1.7°左右。AUV繼續(xù)航行至33 240 s左右時(shí)，位于AUV左側(cè)的第2個(gè)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(jīng)過小幅波動(dòng)后又恢復(fù)至–1.7°左右。可見，2個(gè)載荷分離后，AUV的航行深度、速度、俯仰角和橫滾角又恢復(fù)到了載荷分離前的狀態(tài)。

該布置方案中，載荷位于AUV運(yùn)載體的中間兩側(cè)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(gè)載荷分離后AUV的橫滾角變化也越大。

3 結(jié) 語

本為介紹了一種AUV左右兩側(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)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(tài)影響不大；同時(shí)，攜帶載荷水中重量越大，載荷分離對AUV水中航行狀態(tài)，尤其是橫滾角影響越大。

圖3 載荷負(fù)浮力為300 kg時(shí)分離前后AUV航行姿態(tài)參數(shù)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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