唐東生,谷海濤,馮萌萌,孟令帥,陳佳倫,高 偉
(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽(yáng)110016;2.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院,遼寧沈陽(yáng)110016;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)
海洋蘊(yùn)含著豐富的資源,未來(lái)海洋觀測(cè)及資源探測(cè)必定是全方位的、立體的,這對(duì)AUV續(xù)航、通信、探測(cè)能力提出了更高要求[1]。通過(guò)回收/布放AUV及時(shí)進(jìn)行能源補(bǔ)充、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋蓸O大提高AUV的作業(yè)能力[2]。目前AUV主要通過(guò)有人水面船回收,這種回收方式易受天氣影響,無(wú)法在淺灘及惡劣環(huán)境下作業(yè),存在較大弊端。USV作為一種小型無(wú)人水面平臺(tái),其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟,通過(guò)搭載合適的傳感器設(shè)備,USV不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水上水下資源探測(cè),還可與AUV建立通信,增大探測(cè)范圍。通過(guò)USV回收AUV,充分聯(lián)通水上、水下兩大平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),是一種非常有效的方案[3–4]。
目前USV自主回收AUV有捕獲回收、尾部滑道回收2種方式[5],捕獲回收方式中具有代表性的是佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)使用WAM-V 14雙體船回收REMUS 100 AUV時(shí)采用的LCLR(Line Capture Line Recovery)方法[6],如圖1(a)所示。其中壓力翼可產(chǎn)生下壓力,繃緊纜繩,便于AUV捕獲回收。該方式可實(shí)現(xiàn)全方位對(duì)接,受海浪等干擾相對(duì)較小,對(duì)接可靠性較高。近期,由日本財(cái)團(tuán)資助的國(guó)際團(tuán)隊(duì)GEBCO-NFA lumni 獲得了以海底地形測(cè)繪為主題的Shell Ocean Discovery XPRIZ挑戰(zhàn)賽的冠軍,其設(shè)計(jì)的SEA-KIT無(wú)人艇具有長(zhǎng)航時(shí)、USV-AUV集成設(shè)計(jì)、易于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn),獲得了廣泛的關(guān)注[7],如圖1(b)所示。SEA-KIT尾部含有傳送帶裝置,當(dāng)HUGIN 1000 AUV航行至尾部開(kāi)口區(qū)域,其首部與傳送帶完全接觸后,可關(guān)閉主推,在傳送帶作用下完成回收。
圖1 典型回收方法Fig.1 Typical recovery methods
為了提高AUV回收的效率與成功率,使用一種合理的USV自主回收AUV方式至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)比以上2種回收方法,LCLR捕獲回收方式對(duì)海況的適應(yīng)性更高,故本文采用該方式對(duì)AUV進(jìn)行回收。LCLR回收過(guò)程中壓力翼的姿態(tài)會(huì)對(duì)纜繩的松緊狀態(tài)產(chǎn)生較大影響,從而影響對(duì)接成功率。
日本九州大學(xué)設(shè)計(jì)的具有自驅(qū)動(dòng)能力的水下拖體DELTA[8]如圖2(a)所示,可通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)重心位置,具有非常出色的姿態(tài)調(diào)節(jié)能力,所搭載的2個(gè)導(dǎo)管推進(jìn)器使得其可以像ROV一樣自由作業(yè)。本文參考DELTA設(shè)計(jì)了一款V型拖曳裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)V型翼),其主要由背部浮體、拖曳掛環(huán)、電子艙以及尾舵組成,如圖2(b)所示。
圖2 拖曳裝置Fig.2 Tow ing device
其中,背部浮體不僅可以提供浮力,還能增加穩(wěn)心高,提高穩(wěn)定性。電子艙內(nèi)搭載TCM 5電子羅盤(pán)、深度計(jì)等傳感器,實(shí)時(shí)記錄中V型翼的姿態(tài)、深度等信息。對(duì)稱(chēng)布置的尾舵可以在航行過(guò)程中輔助調(diào)節(jié)V型翼姿態(tài)。本文所設(shè)計(jì)的V型翼相較于DELTA位姿控制更為簡(jiǎn)單,但不具有自驅(qū)動(dòng)性。V型翼的主要參數(shù)如表1所示。
表1 V型翼主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of V-shaped w ing
試驗(yàn)表明,使用LCLR進(jìn)行AUV回收時(shí),V型翼的穩(wěn)定性是成功回收AUV的關(guān)鍵[9]。故本文首先采用STAR-CCM+流體仿真分析軟件,通過(guò)空間拘束法[10,14]求解V型翼的部分水動(dòng)力系數(shù),分析其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,建立V型翼直航水動(dòng)力模型。其次,結(jié)合并分析外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出舵角、姿態(tài)角之間存在響應(yīng)關(guān)系,并開(kāi)展公式推導(dǎo)及驗(yàn)證工作。
為了確定拖曳裝置在水中的位置以及航行姿態(tài),本文引入2個(gè)右手坐標(biāo)系[11]。一個(gè)為固定的大地坐標(biāo)系用于確定V型翼在水中航行的位置,其原點(diǎn)選在拖曳裝置運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn);另一個(gè)為隨V型翼運(yùn)動(dòng)的隨體坐標(biāo)系,其原點(diǎn)固定于V型翼重心處,用于確定其相對(duì)于起始狀態(tài)的姿態(tài)變化等信息,如圖3所示。
圖3 V型翼坐標(biāo)系Fig.3 V-shaped w ing coordinate system
V型翼采用流線(xiàn)型設(shè)計(jì),關(guān)于縱平面對(duì)稱(chēng),前后以及上下不對(duì)稱(chēng)。假設(shè)V型翼為定常質(zhì)量剛體,其外部形狀以及質(zhì)量分布相對(duì)均勻,在拖曳航行過(guò)程中,忽略海浪及暗流影響,V型翼空間六自由度模型可參考潛艇標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程[11],其空間運(yùn)動(dòng)方程可表示為:
式中:m為V型翼空氣中重量;Ix,Iy,Iz包含V型翼繞各個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性矩及慣性積分量。方程式等號(hào)右邊為V型翼在航行過(guò)程中所受到的力,主要包括重力、浮力、慣性水動(dòng)力、粘性水動(dòng)力、舵力、纜繩拉力等。可用式(2)來(lái)統(tǒng)一表示上述力(力矩)。
式中:下標(biāo)g為重力;b為浮力;i為慣性流體力;d為粘性水動(dòng)力;r為舵力;t為纜繩拉力。
在水面無(wú)人艇USV拖曳V型翼穩(wěn)定航行過(guò)程中,V型翼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)近似于直航運(yùn)動(dòng)。本文主要研究V型翼的水動(dòng)力特性,在忽略舵力、重力等外力情況下,V型翼直航時(shí)水動(dòng)力模型可以表示為式(3)~式(8)。
V型翼的位姿及深度穩(wěn)定性越高,AUV捕獲回收成功率越高。V型翼的穩(wěn)定性研究在其設(shè)計(jì)初期及實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)具有重要意義。
穩(wěn)定性可分為靜穩(wěn)定性與動(dòng)穩(wěn)定性[11],靜穩(wěn)定性通常只考慮擾動(dòng)除去后,潛器最初瞬間的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),一般指的是沖角、漂角穩(wěn)定性;動(dòng)穩(wěn)定性是指潛器受到瞬時(shí)干擾后,在未操舵情況下,能夠自行恢復(fù)到初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。
水平面以及垂直面穩(wěn)定性判別依據(jù)[11,13]如下式:
式中:ρ為流體密度;L為V型翼特征長(zhǎng)度;GH水平面動(dòng)穩(wěn)定性指標(biāo);GV為垂直面動(dòng)穩(wěn)定性指標(biāo)。以GH為例介紹指標(biāo)含義。當(dāng)0
本文選取SUBOFF進(jìn)行空間拘束法水動(dòng)力仿真,驗(yàn)證仿真參數(shù)設(shè)置的正確性。所選艇體模型總長(zhǎng)為4.356m,最大直徑為0.508m,特征長(zhǎng)度為4.261m,附體有尾部呈十字排列的舵翼及圍殼。選用SST k-ω湍流模型,入口以及四周設(shè)置為速度入口,出口設(shè)為壓力出口。具體設(shè)置如下:SUBOFF首部距入口1.5倍體長(zhǎng),首部距出口3.5倍體長(zhǎng),主艇體距四周2倍體長(zhǎng)。對(duì)圍殼、首部、舵翼進(jìn)行局部加密,參考文獻(xiàn)[14]網(wǎng)格設(shè)置,采用切割體網(wǎng)格劃分器生成網(wǎng)格,劃分結(jié)果如圖4所示,網(wǎng)格總數(shù)約為501萬(wàn)。
基于空間拘束法,通過(guò)STAR-CCM+模擬SUBOFF速度為6.5 kn的直航運(yùn)動(dòng),所選運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖5所示。
圖4 SUBOFF網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation of SUBOFF
圖5 運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.5 Motion regularities
為驗(yàn)證SUBOFF仿真精度,本節(jié)采用最小二乘法對(duì)式(4)、式(5)、式(7)和式(8)進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸求取對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力系數(shù),首先根據(jù)公式對(duì)前75%的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí),之后將擬合結(jié)果用于后25%數(shù)據(jù)驗(yàn)證,并通過(guò)擬合優(yōu)度R2來(lái)評(píng)價(jià)擬合結(jié)果的可靠性,擬合優(yōu)度R2定義如下式[14]:式中:n為樣本總數(shù);為擬合值;為原始數(shù)據(jù);為其平均值。
圖6 依次為側(cè)向力(Y)、垂向力(Z)、縱傾力矩(M)以及偏航力矩(N)擬合結(jié)果,圖中除個(gè)別波峰(谷)處存在細(xì)微差異,2條曲線(xiàn)其余部分幾乎重合,擬合優(yōu)度范圍[0.97,0.99]。將辨識(shí)的水動(dòng)力系數(shù)與文獻(xiàn)[15]對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果如表2所示。
圖6 擬合效果圖Fig.6 Fitting results
表2 水動(dòng)力系數(shù)驗(yàn)證Tab.2 Verification of hydrodynam ic coefficient
通過(guò)對(duì)比表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),空間拘束法獲得的水動(dòng)力系數(shù),除個(gè)別加速度項(xiàng)誤差較大外,其余估計(jì)數(shù)值都具有良好的精度,證明本文所采用的仿真手段及相關(guān)參數(shù)設(shè)置合理。
基于空間拘束法求解V型翼水動(dòng)力模型時(shí),其參數(shù)設(shè)置原則同上。V型翼仿真流域尺寸為6m×3.6m×3.6 m,為提高網(wǎng)格質(zhì)量,分別對(duì)V型翼近體、首部、舵葉進(jìn)行加密,近體加密區(qū)尺度為2.2m×2m×1.3m。邊界條件設(shè)置如圖7所示。
圖 7流域設(shè)置Fig.7 Drainage area setting
一般而言,網(wǎng)格越精細(xì)迭代越容易收斂,結(jié)果更加精確。在計(jì)算機(jī)資源及周期允許的情況下,一般選用更為精細(xì)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。表3為模擬V型翼以2 kn速度直航時(shí)阻力值隨網(wǎng)格數(shù)量的變化情況。考慮到計(jì)算資源充足,選用445萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)仿真計(jì)算。
表3 阻力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Resistance calculation results
根據(jù)工況需求,V型翼設(shè)計(jì)航速為1~3 kn,通過(guò)空間拘束法模擬V型翼航速為3 kn直航運(yùn)動(dòng)。由于V型翼左右對(duì)稱(chēng),上下前后不對(duì)稱(chēng),故縱傾角速度擾動(dòng)幅值適當(dāng)大些。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下式:
在殘差收斂后,監(jiān)測(cè)V型翼各方向受力(力矩)情況,運(yùn)動(dòng)時(shí)間持續(xù)200 s左右,如圖8所示。
3.2.1 模型辨識(shí)及簡(jiǎn)化
蘭德通過(guò)改變美國(guó)的“二次打擊姿態(tài)”,從而徹底改變了核威懾政策。在美國(guó)本土建立空軍基地、依靠遠(yuǎn)程轟炸機(jī)和空中加油機(jī)的建議為空軍節(jié)省了數(shù)十億美元。
不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響程度不同,式(3)~式(8)所描述的動(dòng)力學(xué)模型較為復(fù)雜,實(shí)際上運(yùn)動(dòng)方程中只有少數(shù)參數(shù)起主要作用。通過(guò)皮爾遜相關(guān)性分析、顯著性檢驗(yàn),保留主要水動(dòng)力系數(shù),剔除次要參數(shù),可獲得V型翼直航簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型。皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下:
一般情況下,r的取值在(?1,1)之間,其絕對(duì)值越大,相關(guān)程度越高。
本文首先對(duì)V型翼所受力(力矩)進(jìn)行相關(guān)性分析、P值顯著性檢驗(yàn)[16],然后根據(jù)分析結(jié)果篩選出對(duì)運(yùn)動(dòng)影響較大水動(dòng)力系數(shù),構(gòu)建新的動(dòng)力學(xué)方程用于系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)。若簡(jiǎn)化后模型擬合優(yōu)度未發(fā)生明顯改變,且數(shù)值大于0.95,則重新構(gòu)建動(dòng)力學(xué)方程,逐個(gè)試驗(yàn)剔除對(duì)擬合優(yōu)度影響最小的水動(dòng)力項(xiàng)。重復(fù)上述操作直到擬合優(yōu)度出現(xiàn)明顯下降,以此來(lái)簡(jiǎn)化V型翼動(dòng)力學(xué)模型。相關(guān)性以及P檢驗(yàn)分析如圖9所示。
在P值顯著性分析時(shí),選取置信水平α為0.05,即當(dāng)P值小于0.05時(shí),則認(rèn)為該水動(dòng)力項(xiàng)在運(yùn)動(dòng)方程
圖9 相關(guān)顯著性分析Fig.9 Correlation and significance analysis
中作用顯著。V型翼直航動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化過(guò)程中R2變化情況如圖10所示,當(dāng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)方程在水動(dòng)力系數(shù)去除到一定數(shù)目時(shí),擬合優(yōu)度會(huì)急劇下降。
圖10 簡(jiǎn)化模型R2變化示意圖Fig.10 Diagram of R2 change during simplification
本文在保證R2大于0.95的情況下,將式(3)~式(8)中運(yùn)動(dòng)參數(shù)項(xiàng)系數(shù)記作某參數(shù),則V型翼直航動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型可化為下式:
V型翼力(力矩)簡(jiǎn)化模型擬合結(jié)果如圖11所示,表4為水動(dòng)力系數(shù)辨識(shí)結(jié)果。
3.2.2 穩(wěn)定性判斷及舵角系數(shù)求解
V型翼可在湖/海中工作,本文假設(shè)流體密度ρ=998.55 kg/(m3),將表4中水動(dòng)力參數(shù)代入式(9)可得GH=0.936 5,故V型翼在水平面具有動(dòng)穩(wěn)定性;GV=1.082,故V型翼在縱垂面具有攻角穩(wěn)定性,動(dòng)穩(wěn)定性稍顯不足,處于臨界穩(wěn)定或隨遇穩(wěn)定狀態(tài)。因此在實(shí)際航行過(guò)程,V型翼需要依靠尾舵輔助調(diào)節(jié)位姿,故研究縱垂面內(nèi)尾舵對(duì)V型翼運(yùn)動(dòng)的影響很有必要。本節(jié)首先在?12°~12°舵角,航速2 kn下,對(duì)V型翼進(jìn)行CFD拖曳水池仿真,之后使用3次多項(xiàng)式擬合舵角力/力矩系數(shù),結(jié)果如圖12所示。
通過(guò)求取0°舵角處切線(xiàn)斜率獲取的舵角力(力矩)系數(shù)如下式:
圖11 簡(jiǎn)化模型的擬合效果Fig.11 Fitting curve of simplified model
在V型翼穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)中,舵角隨V型翼姿態(tài)做自適應(yīng)調(diào)節(jié),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖13所示。其中曲線(xiàn)1表示USV兩推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和,曲線(xiàn)2為深度曲線(xiàn),曲線(xiàn)3和曲線(xiàn)4分別表示縱傾角、舵角曲線(xiàn),曲線(xiàn)5為橫滾角曲線(xiàn)。圖13表明,V型翼具有深度、姿態(tài)穩(wěn)定性;V型翼穩(wěn)定拖曳時(shí),其舵角、拖曳速度與縱傾角之間具有明顯的響應(yīng)關(guān)系。
表4 V型翼水動(dòng)力系數(shù)Tab.4 Hydrodynamic coefficient of V-shaped w ing
圖12 舵角系數(shù)擬合曲線(xiàn)Fig.12 Fitting curve of rudder angle coefficient
圖13 V型翼實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.13 Measured data of V-shaped w ing
3.2.3 舵角—縱傾角響應(yīng)關(guān)系
當(dāng)V型翼穩(wěn)定拖曳航行時(shí),其受力(力矩)情況如圖14所示。通過(guò)調(diào)節(jié)拖曳點(diǎn)位置,可使得拖曳點(diǎn)與浮心處于同一水平線(xiàn)。
圖中,Xot表示拖曳點(diǎn)與浮心間距,Xgh表示重心距浮心水平距離,Xgv表示心距浮心垂直距離。當(dāng)V型翼穩(wěn)定拖曳航行時(shí),有符號(hào)由右手定則判定,故縱垂面運(yùn)動(dòng)方程可化簡(jiǎn)為下式:
式中,Xot=0.35m,Xgh=0.02m,Xgv=0.06m,代入數(shù)值,可得舵角—縱傾角響應(yīng)關(guān)系如下式:
相關(guān)參數(shù)解釋如下:δ/(°)為舵角,α/(rad)為縱傾角,u(m/s)為穩(wěn)定拖曳航速。式(15)存在以下局限性:當(dāng)攻角8°時(shí),w=vsinα=vα將不成立,式(15)將不可用;當(dāng)舵角大于失速舵角時(shí),舵效變化明顯,式(15)亦不適用。
由式(15)可得:當(dāng)航速一定時(shí),穩(wěn)定縱傾角和舵角近似呈線(xiàn)性關(guān)系;當(dāng)舵角值為定值時(shí),穩(wěn)定縱傾角與速度近似呈反比例關(guān)系。圖15為速度與縱傾角曲線(xiàn),舵角隨姿態(tài)做自適應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí),使用式(15)時(shí),拖曳速度所滿(mǎn)足的取值范圍,其值為[0.44,0.69]。
圖15 速度-縱傾角曲線(xiàn)Fig.15 Speed-pitch curve
可以看出,當(dāng)舵角一定時(shí),隨著拖曳速度的增加,V型翼抬首變?yōu)榈褪谞顟B(tài),產(chǎn)生下壓力,從而使得纜繩繃緊,為L(zhǎng)CLR方式捕獲回收AUV創(chuàng)造有利條件。
圖16 外場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)景圖Fig.16 The scene diagram of out-field test
為進(jìn)一步驗(yàn)證回收AUV的可能性,在杭州千島湖進(jìn)行了試驗(yàn),如圖16所示。V型翼通過(guò)長(zhǎng)度為7m的電纜與水面USV連接,USV航行速度為1~2 kn。可以看出,V型翼能夠保持自身航行穩(wěn)定性。該試驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)V型翼進(jìn)行AUV捕獲回收是可行的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1 3所示,截取圖中V型翼穩(wěn)定航行時(shí)段的舵角、姿態(tài)、以及速度等信息代入式(15)進(jìn)行對(duì)比分析,其結(jié)果如表5所示。
表5 理論實(shí)際值對(duì)比Tab.5 Comparison of theoretical and practical values
可以看出,理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)得值變化趨勢(shì)基本一致。大舵角下,縱傾角數(shù)值差異較小;當(dāng)舵角較小時(shí),舵效較小,V型翼在USV拖曳航行過(guò)程中容易產(chǎn)生“海豚”運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生較大誤差。總體上來(lái)說(shuō),計(jì)算結(jié)果是可靠的。
本文根據(jù)USV自主回收AUV需求,設(shè)計(jì)了一款V型拖曳裝置,通過(guò)CFD方法研究了V型翼的水動(dòng)力特性。所獲取的成果如下:
1)基于空間拘束法求解了V型翼的水動(dòng)力系數(shù),并以擬合優(yōu)度為指標(biāo),在不考慮舵力、纜繩拉力等外力情況下,通過(guò)相關(guān)性和顯著性分析獲得了V型翼的簡(jiǎn)化直航水動(dòng)力模型。
2)基于獲得的水動(dòng)力系數(shù),根據(jù)穩(wěn)定性判別公式分別從水平面和縱垂面對(duì)V型翼進(jìn)行穩(wěn)定性分析,計(jì)算結(jié)果顯示,文設(shè)計(jì)的V型翼在水平面內(nèi)具有動(dòng)穩(wěn)定性,在縱垂面內(nèi)動(dòng)穩(wěn)定性稍顯不足,在尾舵輔助調(diào)節(jié)下可滿(mǎn)足穩(wěn)定要求。
3)基于V型翼直航水動(dòng)力模型,考慮舵角、纜繩拉力等因素,建立了舵角—縱傾角響應(yīng)關(guān)系,并與試驗(yàn)中獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相符。