深海載人潛水器的運動仿真與試驗驗證

李德軍，趙橋生，何春榮，楊申申，彭 超，王 磊，張 偉

(中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

潛水器一般可分為載人潛水器（Human Occupied Vehicles，HOVs）、有纜遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicles，ROVs）和水下自治機器人（Autonomous Underwater Vehicles，AUVs）[1]，而載人潛水器，特別是深海載人潛水器，是海洋開發的前沿與制高點之一。目前中國、美國、法國、俄羅斯、日本擁有世界上僅有的幾艘深海載人潛水器，其中我國比較典型的載人潛水器是“蛟龍”號，“蛟龍”號是目前世界上下潛最深的作業型載人潛水器[2-7]。2012 年，“蛟龍”號成功實現了下潛深度7 062 m 的六自由度運動、懸停定位通信、探測、感知和取樣作業[8]。

載人潛水器相對其他潛器而言，其外形較大且復雜，其動力學模型高度非線性耦合，因此對其數學模型的試驗驗證更有意義。目前國內外研究未有在公開文獻對載人潛水器動力學模型進行試驗驗證，本文以“蛟龍”號載人潛水器為研究對象，選取大洋38 航次第3 航段中的第149 次和第151 次試驗數據進行仿真計算，通過與試驗結果反饋對比，驗證其六自由度模型。

1 載人潛水器運動仿真數學模型

1.1 運動學模型

研究載人潛水器的六自由度運動時，通常采用通用坐標系，建立2 個坐標系：一個定義為慣性坐標系，其固定于地球，又稱地球坐標系；另一個定義為隨體坐標系，其固定于潛水器，又稱潛水器坐標系，2 種坐標系均采用右手系。

通過慣性坐標系與潛水器坐標系的轉換，可得到載人潛水器的空間運動學模型[9]：

1.2 動力學模型

可以把載人潛水器看作為一個剛體，對其進行受力分析，采用剛體運動動量定理和動量矩定理，可得到潛水器空間六自由度方程[10]。

其中，外力和外力矩包括螺旋槳推力、水動力、重力和浮力及力矩等，而環境引起的干擾力可由具體的作業環境進行分析，對于外力和外力矩建模可參考文獻[11]，其中縱向、橫向和轉首模型如下：

由式（4）～式（6）看出，其水動力模型高度非線性耦合，載人潛水器外形復雜。水動力系數的來源是某風洞和旋臂水池中的模型試驗，水動力學系數參考文獻[12]。

2 大洋試驗與仿真計算

在大洋38 航次第3 航段中，“蛟龍”號下潛了10 次，成功率100%，超額、圓滿地完成了航段潛水器科學調查任務，充分驗證了“蛟龍”號超深淵區復雜海底地形環境下各系統功能性能和取樣作業能力。

本文選取“蛟龍”號載人潛水器在第149 次和第151 次下潛數據進行試驗驗證。

2.1 第149 潛次運動仿真與試驗驗證

“蛟龍”號和母船在第149 次的軌跡如圖1 所示。從圖中可見，該潛次的無動力下潛運動軌跡比較穩定，因此采用六自由度模型對該階段運動進行仿真計算，并結合海試數據，對仿真結果進行反饋驗證。

圖1 “蛟龍”號與母船運動軌跡Fig.1 Trajectories of Jiaolong and its mother ship

在07:32 進行下潛，對下潛的前3 000 s 進行仿真計算。

試驗下潛的深度和模型仿真計算的下潛深度如圖2所示。

圖2 潛水器下潛深度Fig.2 Depth of submersible

試驗結果和模型仿真計算的升沉速度如圖3 所示。

圖3 潛水器升沉速度Fig.3 Submergence speed of submersible

試驗結果和模型仿真計算的阻力如圖4 所示。

圖4 潛水器下潛阻力Fig.4 Submergence resistance of submersible

通過仿真計算結果和試驗結果對比，可以看出：在t=2 000 s 時下潛深度誤差為8.1 m，在t=3 000 s 時達到下潛過程的最大誤差37.6 m；仿真的下潛加速過程與試驗的下潛過程誤差很小，在t=150 s 時達到穩定速度，潛水器下潛穩定后，升沉速度最大偏差為0.046 m/s。

2.2 第151 潛次運動仿真與試驗驗證

“蛟龍”號在近海底時進行了前進/后退操作航行，采用手動控制方法。因此，選取該潛次推力基本穩定的作業區間作為潛水器模型驗證數據。模型仿真結果與實際結果對比如圖5～圖8 所示。

圖5 潛水器X 位置Fig.5 X position of submersible

圖6 潛水器Y 位置Fig.6 Y position of submersible

圖7 潛水器Z 位置Fig.7 Z position of submersible

圖8 潛水器航向角Fig.8 Heading angle of submersible

通過仿真計算結果與試驗結果對比，慣性坐標系下的載人潛水器位置的仿真計算結果與試驗結果的誤差很小，X位置最大偏差為0.25 m，Y位置最大偏差為1.6 m，Z位置最大偏差為0.61 m；航向角仿真結果和試驗結果的誤差也很小，保持在285°附近，航向角最大偏差為0.55°。引起誤差原因是實際的推力是手動控制，不斷變化的，而仿真推力值是恒定的，實際的推力和仿真的推力比較如圖9 所示。

圖9 推進器推力Fig.9 Thruster thrust

3 結 語

本文以“蛟龍”號載人潛水器為研究對象，采用數學描述和約束模型試驗相結合的方法，得到載人潛水器六自由度數學模型，并選取大洋38 航次第3 航段中的第149 次和151 次試驗數據進行仿真計算，通過模型仿真計算結果與“蛟龍”號載人潛水器在太平洋試驗結果的對比可以看出：試驗結果與仿真計算結果的偏差很小，從而驗證了六自由度數學模型的有效性。研究結果可為復雜外形深海潛器的運動仿真、控制調試和航行監測提供參考，具有一定的工程價值。