自主水下航行器折疊天線設計

嚴天宏，申洪彬，何 波，劉繼鑫

（1.中國計量大學機電工程學院，浙江 杭州 310018；2.中國海洋大學信息科學與工程學院，山東 青島 266100）

1 引言

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作為一種移動的海洋監測平臺，本身具備使用成本低，監測范圍廣，下潛深度大等優點，已成為海洋資源的勘測、利用的重要工具[1-3]。目前大部分AUV 使用電池作為驅動能源，但是AUV 攜帶的能源是有限的。因次，降低外形阻力是提高AUV 航程的有效辦法[4]。水下航行器的阻力大部分來源于天線、吊裝環等附體。部分AUV 天線引起的阻力甚至達到了整體阻力的10%[5]。AUV 天線是不可或缺的，AUV 通信主要是依靠天線來完成。AUV 的天線主要是在浮出水面后與對應的母船進行信息傳遞與指令的接收。但是AUV進入水下航行時，天線的通信將被海水屏蔽，這就使得自主水下航行器在水下航行時天線不發揮任何作用，只有在浮出水面的短時間內完成信息傳遞。然而天線在運行過程中始終存在較大的阻力。自主水下航行器天線的高度與其產生的阻力成正比，與天線的通信效果成反比，所以為保證通信效果不能無限的降低天線的高度。因此介紹一種可折疊天線，該天線在水下航行時保持折疊狀態，需要通信時伸出保持直立狀態。有效的解決了天線阻力與通信效果成反比的缺點，并且解決了自主水下航行器天線存在的大阻力問題，使自主水下航行器整體阻力減少（5～10）%，有效的增加了航行速度和航行距離。

2 傳統AUV 阻力分析

2.1 模型建立

為了保證AUV 主體的水阻力較小，外形采用Myring 線型建模。現選取直徑324mm，艉部長度600mm，艏部長度500mm，總長3700mm，作為AUV 模型的基本數據，除此之外艉部需要確定艉部包角θ，艏部需要確定銳度因子m。m=1 時，艏部曲線為拋物線，m=2 時艏部曲線為橢圓，由于艏部為橢圓型水阻力較小[6-8]，故選取m=2。由于θ 過小，艉部線型易出現拐點，而θ 過大易出現艉部半徑先變大后變小的情況，這種情況的水動力性能復雜難于研究[9]，故現取θ=25°建立AUV 主體（不包含外附體）外形的基本模型。傳統AUV 的外附體主要包括尾舵、天線、聲通、吊裝環等零部件，根據傳統傳感器的實際尺寸建立聲通模型，根據250KG 級的AUV 建立吊裝環模型，尾舵使用NACA0012 曲線進行建模。AUV 天線主要用于安裝GPS、銥星、WLAN 等通信設備，根據通信設備的安放位置耐壓強度等因素建立傳統天線模型。建立的AUV 模型圖，如圖1 所示。

圖1 傳統AUV 外形實物圖Fig.1 The Shape of the Traditional AUV

2.2 仿真計算

將該AUV 模型導入ICEM 進行網格劃分，本采用非結構化網格對建立的模型進行網格劃分，由于四面體網格能很好的貼合復雜的幾何模型，且生成簡單，故選用體網格類型為Tetra/Mixed，表面網格類型為三角形網格。

網格生成后導入fluent 中，設定入口為速度入口，出口為壓力出口，壓力值為0。由于標準的k-ε 假定湍流為各向同性的均勻湍流，所以在旋流等非均勻湍流問題中存在較大誤差[10-11]，所以物理模型選用RNG k-ε 模型。然后模擬了不同速度下的阻力值，如表1 所示；得到的傳統AUV 的壓力云圖，如圖2 所示；得到速度云圖，如圖3 所示。

表1 AUV 主體與天線阻力數值對比表Tab.1 Numerical Comparison of AUV Body Resistance and Antenna Resistance

圖2 傳統AUV 壓力云圖Fig.2 Pressure Cloud of Traditional AUV

圖3 傳統天線2m/s 時速度云圖Fig.3 Speed Vector of Traditional AUV

綜合表中數據可以看出：AUV 運行過程中主體阻力和AUV附體的阻力都隨速度的增長而快速增長，但是天線阻力始終超過其他附體阻力占主體阻力的17%左右，是AUV 外附體阻力的主要來源。從圖2 的壓力云圖以及圖3 的速度云圖中也可以看出AUV 阻力的主要來源是頭部的迎流面，以及天線、水聲通信等附體。天線迎流面的高度較高和寬度較大直接導致了天線形成較大阻力。天線內部需要安裝通信設備，還需要具備加高的耐壓強度，直接導致天線的尺寸很難縮減，為保證通信效果，天線的高度也不可能無限降低，所以傳統的AUV 天線很難降低大幅阻力。

2.3 經驗公式計算

AUV 的外形阻力可以根據以下經驗公式計算：

式中：ρ—AUV 周圍流體的密度；Cd—阻力系數；Af—迎流面積；v—航行速度。

將流體密度1.025kg/m3，AUV 迎流面積 0.09m2，各個航速以及各個航速下的阻力系數帶入公式計算得到結果對比圖，如圖4所示。

圖4 數值仿真與經驗公式計算結果對比圖Fig.4 Comparison of Numerical Simulation Results and Empirical Formula Results

3 折疊天線機構設計

傳統的天線除了存在大阻力問題還會對尾流場造成影響。傳統的AUV 天線一般位于整個AUV 的中部稍偏后位置。由于天線的存在會容易使艉部流場形成不穩定流動區域，即馬蹄渦。馬蹄渦在傳播過程中會對下游流場產生影響，造成尾部伴流場的不穩定[12-15]，從而增加螺旋槳的噪聲及功率。

為了解決上述問題，折疊天線設計至少需要滿足以下三項指標：（1）折疊所需要的扭矩較小最好在2NM 之內；由于驅動機構提供的力矩一般與其空間的尺寸成正比，小的驅動力矩保證驅動機構不占用太大空間；（2）折疊后天線在運行過程中產生較少或者不產生阻力；（3）折疊天線需要具備足夠耐壓的空間用來放置GPS、銥星、WLAN 以及電臺等天線。為實現上述設計指標，采用四桿機構來實現折疊天線的設計，由于折疊天線需要有90°的擺動角，有兩種方案滿足要求，一種是雙搖桿機構，另一種是曲柄搖桿機構。驅動機構采用舵機驅動，整個天線機構位于透水艙段內，這樣保證天線折疊后完全嵌入AUV 艙體內外形保持與AUV主體艙段一致。天線主體上設計單獨小艙室用于安裝各種天線，舵機驅動機構采用單獨密封艙密封。用圖解法設計的雙搖桿機構折疊天線結構圖，如圖5 所示。

圖5 雙搖桿機構設計的折疊天線模型圖Fig.5 Folding Antenna Model Diagram Designed by Double Rocker Mechanism

該機構設計的折疊天線裝置空間占用較少，只占用了AUV艙段的上部分的空間，結構較為緊湊，透水艙段下部可以用來安放深度計、高度計、DVL 等AUV 用的傳感器，適用于透水艙段傳感器數量較多空間較緊張的AUV 使用。

根據機械設計手冊[16]中，最小傳動角具有最大值的條件設計曲柄搖桿機構。曲柄搖桿機構的各桿長度根據以下公式計算：

式中：a—曲柄長度；b—連桿長度；c—搖桿長度；d—機架長度；Ψ—搖桿c 兩極限位置的夾角；φ—搖桿從一個極限位置到另一極限位置曲柄轉過的角度；β—搖桿在遠極限位置時曲柄與機架間的夾角。

根據搖桿擺動角度大于90°，曲柄角度小于180°的條件，由機械設計手冊中最小傳動角具有最大值設計曲柄搖桿機構線圖，選定 β=30°，Ψ=90°，φ=165°，根據天線的高度定 c=165mm，從而得到a=114.3mm，b=211.8mm，d=257.2mm 由此得到的折疊天線模型圖，如圖6 所示。

由圖可以看出曲柄搖桿機構設計的折疊天線與雙搖桿機構設計相似，各部分組成一致，主要的區別在于曲柄搖桿設計的折疊天線連桿較長，使得驅動機構在透水艙的中下部，折疊以后下部的空間比較緊張基本放不下傳感器等其他設備，這種設計適合于攜帶傳感器不多、空間較充足的AUV。

圖6 曲柄搖桿機構設計的折疊天線模型圖Fig.6 Folding Antenna Model Designed by Crank Rocker Mechanism

4 折疊天線運動學與動力學分析

將兩種方案設計的折疊天線分別用SolidWorks 建立好模型后，以parasolid 文件格式的形式導入Adams 軟件中，將兩連桿分別命名為L1和L2，將天線的命名為L3，將艙體簡化后的模型命名為L4。在各個連桿之間添加旋轉副，L4添加固定副使L4固定，給L1、L2、L3施加重力，給 L2與 L4節點處的旋轉副添加驅動，角速度為1 度每秒。然后運行Adams 對折疊天線的升起過程進行仿真，得到的驅動機構力矩與天線角速度曲線，如圖7 所示。

圖7 折疊天線的角速度與驅動機構力矩變化曲線圖Fig.7 Curve of the Angular Velocity of the Folded Antenna and the Torque of the Drive Mechanism

由圖7 可以看出兩種方案設計的折疊天線的動力學特性基本一致，隨力矩的增大角速度也不斷增大。從兩種方案的驅動力矩看，雙搖桿機構的最大力矩為1.9NM 左右，而曲柄搖桿的最大力矩為1.6NM 左右，曲柄搖桿所需要的力矩稍小一些。從天線運動的角速度來看，曲柄搖桿的角速度變化范圍較小，在1.25°之內。雙搖桿機構速度變化在2.4°之內。雙搖桿設計的機構雖然力矩稍大于曲柄搖桿機構但是雙搖桿機構的天線沒有速度的突變，可以看出雙搖桿機構的折疊天線在運行過程中不會出現振動等不良影響，力矩也沒有發生突變，不會對驅動系統造成功耗，電流等參數的突變，整個系統工作相對平穩。

5 折疊天線耐壓強度分析

折疊天線主要由驅動機構、連桿傳動機構以及天線主體，三大部分組成，驅動機構是通過單獨的密封艙密封于AUV 透水艙段內部。天線主體主要分成兩部分設計，一部分位于最頂端用于安放GPS 等定位裝置，另一部分是獨立的圓柱棒置于天線立桿位置用于安放WLAN 等通信設備。每個小的艙室都進行單獨的密封，通過水密插頭將通訊設備的線連接到AUV 內部，保證密封的可靠性。AUV 在正常水下航行時天線處于折疊狀態，天線主體外形與AUV 外形重合，保證AUV 外部無突出附體不產生運行阻力。同時水下運行時處于折疊狀態也避免了天線發生撞擊的可能性。保證天線系統的可靠性。當AUV 浮上水面需要與母船進行信息傳遞或者指令接收時，驅動系統帶動連桿機構使天線緩慢豎起，從而達到通信效果。這種設計合理的解決了AUV 天線通信效果與航行阻力成正比的問題。為驗證折疊天線的耐壓性能。使用SolidWorks 對折疊天線進行了靜應力分析，按照1500m 深度級的AUV 設計，安全系數取1.5 倍，給天線施加壓力22.5MPa。由于天線是通訊設備，不能選用金屬材料故選用聚醚醚酮（PEEK），仿真得到的應力圖，如圖8 所示。位移圖，如圖9 所示。

圖8 折疊天線應力圖Fig.8 Stress Simulation Analysis of Folding Antenna

圖9 折疊天線靜態位移圖Fig.9 Static Displacement Simulation of Folded Antenna

PEEK 材料為韌性材料屈服強度100MPa，但是目前應用最廣的為加碳纖維強化的PEEK 材料，經過碳纖維強化PEEK 的最大拉伸強度變為240MPa，同時當強化后的PEEK 材料變為脆性材料，達到最大強度240MPa 后立刻斷裂[17]。折疊天線選用了碳纖維增強的PEEK 材料。從圖8 應力仿真圖中可以看出折疊天線的最大應力值為123.5MPa，應力不超過240MPa，且最大應力出現在螺紋孔處。從圖9 中可以看出最大位移為0.5mm，說明強度設計滿足設計要求。

6 結論

運用CFD 流體軟件對Myring 外形的AUV 殼體以及傳統的天線進行仿真計算，為降低AUV 附體的阻力，設計了折疊天線機構并對折疊機構進行仿真分析，得出以下結論：

（1）天線是AUV 外附體的主要阻力來源，傳統天線在運行時阻力占AUV 主體外形阻力的17%左右，折疊天線可以使AUV運行時不存在天線阻力。

（2）相對于曲柄搖桿機構，雙搖桿機構設計的折疊天線所需要的驅動力矩較小，普通舵機可以滿足使用要求，運動較平穩，沒有速度的突變，占據空間較小不影響其他傳感器使用。

（3）折疊天線設計可以承受22.5MPa 的壓力，滿足1500m 深度級的AUV 使用。