一種新型正浮力自主航行器設計與實現

王志光，王凱朋，魏照宇，李明杰，姚寶恒，連 璉

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

在海洋觀測、開發中廣泛應用的潛水器主要有自主式潛水器（AUV）[1]、水下滑翔機（AUG）[2]、無人遙控潛水器（ROV）[3]和載人潛水器[4]等。這些潛水器主要通過搭載不同的傳感器或作業工具完成諸如海洋考察、水下監測、海底管道檢查、水下考古和水下搜救等工作。

目前各國制造的潛水器在水中多為較小的正浮力狀態或零浮力狀態。因此，潛水器對目標工作水域的密度變化較為敏感，尤其是當潛水器在海上工作時，海水的密度在不同的海域、水深、氣象狀況等環境條件下呈現出相當大的變化，從而導致潛水器的浮力、浮心等也出現較大的改變，進而影響潛水器工作性能，使其無法完成既定的任務，甚至威脅到潛水器的安全[5-6]。針對潛水器對目標工作水域的密度變化較為敏感的設計，通常采取提前測量或估計目標工作水域的密度，在實驗室水池中進行潛水器的配平，而后當潛水器到達目標工作水域時，需要再次對目標工作水域的密度進行測量，當潛水器在實驗室水池配平時的密度與該水域的密度一致時，潛水器就可以正常下水工作，一旦發生變化，就需要對潛水器進行重新配平。然而在海上對潛水器進行配平、調試十分不便且費時，尤其是當潛水器的目標工作水域在極地海域時，由于自然環境的惡劣，調整潛水器的配平往往更加困難。因此，潛水器在不同海域的自適應能力較弱，應用也受到相當大的限制。

當前國內外為了達到特定的設計目標已經出現了一些基于機翼升力型的潛水器，如水下滑翔機、水下飛行器、HTW AUV等[7]，不過這些潛水器依然存在不同海域的自適應能力較弱或安全性相對較差等問題。本文提出一種新型正浮力自主航行器，通過其機翼產生負升力來克服自身正浮力，并結合其動力學控制面實現在水下運動。因此該航行器不需要攜帶大量的浮力調節裝置，節省的空間可以攜帶更多的能源或負載，提升了航行器的續航能力和負載能力，并且使其具有較強的海域環境自適應能力和較高的安全性等。此外，該正浮力自主航行器具有水面航行和水下潛航2種工作模式，可以執行海洋觀測、海上中繼通信、水下環境快速評估、水下搜救等任務，具有廣闊的應用前景。

1 航行器設計

1.1 原理樣機設計概述

正浮力自主航行器原理樣機示意圖如圖1所示。其長0.8 m，翼展0.3 m，重約5 kg，采用流線型外形和平板機翼，最大下潛深度約30 m，試驗時可由一個人從岸邊或小艇上完成對正浮力自主航行器的釋放，使用非常方便。

圖1 正浮力自主航行器原理樣機示意圖Fig. 1 Schematic diagram of positive buoyancy autonomous vehicle prototype

正浮力自主航行器融合了傳統AUV、固定翼無人機、水面無人艇等多種航行器的特點，具備水面航行和水下潛航2種工作模式，如圖2所示。在水面航行模式下，可以像無人水面艇一樣執行諸如海域巡邏偵察、海上中繼通信、海洋環境調查、污染水域監測等任務。在水下潛航模式下，由于其具有較強的海域環境自適應能力、較高的安全性、機動性好、航速較高等特性，使用前無需進行復雜的配平、調試，非常適合執行一些耗時相對較短的任務如水下環境的快速評估、水下搜救等任務。

圖2 航行器工作模式Fig. 2 Working mode of the vehicle

1.2 工作原理

正浮力自主航行器通過其機翼在航行中產生的負升力來克服自身正浮力，并結合其動力學控制面實現在水下運動。在水面航行時兩側的副翼微微同步上抬一定角度，確保航行器始終處于水面航行狀態。當航行器在水下潛航時兩側副翼同步向下呈一定角度，副翼會產生向上的升力L2，主翼會產生向下的負升力L1，這兩個力與航行器的重力G，浮力B，推力T和阻力D相互平衡，航行器的受力狀況如圖3所示。若以航行器浮心為力矩平衡中心，則航行器在水下潛航時力與力矩的平衡公式為：

圖3 航行器的受力分析Fig. 3 Force analysis of the vehicle

其中：ML1為主翼升力產生的力矩；ML2為副翼升力產生的力矩；MG為航行器重力產生的力矩；MT為航行器推力產生的力矩；MD為航行器阻力產生的力矩。

1.3 外形結構設計

正浮力自主航行器外形設計分為前后導流罩設計、耐壓密封艙結構設計、內部安裝支架結構設計、機翼結構設計、推進系統設計等。前導流罩采用半圓形球體設計，后導流罩采用半橢球體設計，然后再對后導流罩做變形處理，以減少對推進器來流的影響，前后導流罩的設計使航行器整體呈流線型外形，大大減少了航行器的阻力。耐壓密封艙為圓柱殼體，兩端安裝端蓋，且端蓋上使用兩道O型圈進行密封處理，經測試密封效果良好。航行器的機翼可以為航行器提供相應的水動力，選用碳纖維材質的平板機翼作為航行器原理樣機的機翼，并對主翼前半部分做倒角處理。將防水舵機安裝在主翼上，通過舵機拉桿與副翼相連，從而控制航行器副翼的轉動。導管推進器的安裝稍稍往下，保證航行器在水面航行時，導管推進器沒于水面以下，以降低對導管推進器推進效率的影響。

航行器載體結構如圖4所示。正浮力自主航行器的主控板、姿態傳感器、無線模塊、電調和電池等安裝在密封艙內部的安裝支架上，如圖5所示。

圖4 航行器載體結構Fig. 4 Carrier structure of the vehicle

圖5 密封艙內部實物圖Fig. 5 Physical picture of sealed cabin

1.4 器件選型

表1 為正浮力自主航行器的器件選型表。

表1 器件選型Tab. 1 Device selection

1.5 控制系統開發

正浮力自主航行器控制系統的硬件結構，由可在正浮力自主航行器載體上搭載的部分和岸上遙控部分組成，如圖6所示。可搭載在航行器載體上的部分包括深度傳感器、姿態傳感器、無線接收模塊、舵機、電調和控制板等。其中控制板以STM32F427作為主控芯片，包含RS232串口通信模塊、電源轉換模塊、PWM電機驅動模塊和SD卡存儲模塊等，可以進行深度傳感器、姿態傳感器的數據采集，無線接收模塊的數據處理，航行器的運動控制等，并且具備接入GPS模塊、數傳模塊和各種科學傳感器的擴展能力，方便正浮力自主航行器的后續開發。岸上遙控部分是指一個具有433 MHz無線數據通信能力的遙控器，該遙控器開放源代碼可以使用Arduino軟件修改各個按鍵對應的編碼，從而提高開發效率，通過它可以手動遙控航行器運動和向航行器下達自主控制命令等。

圖6 硬件框架圖Fig. 6 Hardware framework

自主航行器主控系統軟件基于Keil uVision5和STM32CubeMX軟件進行開發，使用STM32CubeMX軟件的圖形界面進行簡單配置就可以生成航行器主控系統軟件的初始化代碼，極大提高了航行器主控軟件的開發進度，具體的航行器主控系統軟件控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程圖Fig. 7 Control flow chart

主控系統軟件首先進行系統的初始化，然后進行深度傳感器和姿態傳感器的數據讀取，接著接收遙控器發過來的控制指令，判斷航行器是否處于自主模式，如果判斷處于自主模式，就按照航行器的預編程命令進行航行器的自主控制；如果是手動模式控制，就等待遙控器的運動控制指令，然后執行相應的動作。最后將采集到的深度傳感器、姿態傳感器和調試數據記錄到主控板的SD卡中進行存儲。

航行器在實際應用中需要面對水下復雜而危險的環境，因此航行器主控軟件必須具備足夠的健壯性與可靠性。在航行器主控軟件中使用軟件看門狗，當軟件系統發生故障，導致航行器不能正常工作時，軟件看門狗程序就會重新啟動航行器主控系統軟件，以避免造成更大的損失。航行器處于自主控制模式時，須設定航行器最大下潛時間，當航行器下潛超過最大下潛時間而未正常上浮時，主控系統軟件會執行緊急上浮指令，以此來保障航行器的安全。此外，還會在航行器中加入漏水檢測模塊、電池電壓檢測模塊等來進一步保障正浮力自主航行器的安全。

2 運動軌跡和性能測試

2.1 水池試驗

正浮力自主航行器原理樣機的水池試驗在一個長25 m，寬15 m，最大深度10 m的水池中進行，以驗證航行器的出入水功能、水面回轉功能等。試驗前首先在岸上對航行器的傳感器采集、運動控制等基礎功能進行測試，基礎功能測試通過后再對航行器密封艙進行氣密性檢測，按照制定好的試驗方案，做好航行器入水前準備，確保航行器處于穩定、可靠的狀態，以避免造成航行器的意外損失。

2.1.1 出入水運動

航行器的出入水運動試驗分為水面航行、入水、水下航行和出水4個階段，如圖8所示。第1階段，將航行器釋放到水池中，航行器開始在水面進行航行。第2階段，航行器兩側的副翼同步向下呈一定角度（15°左右），然后航行器推進器的推力慢慢加大，直到航行器順利入水。第3階段，保持航行器推進器的推力，調整航行器兩側的副翼，使其慢慢同步向上。第4階段，航行器順利出水。在水池試驗中，航行器的整個出入水過程非常平順且用時很短，滿足設計要求，航行器的出入水運動能力得到了初步驗證。

圖8 航行器出入水運動Fig. 8 The movement of the vehicles in and out of the water

2.1.2 水面回轉運動

在水池中對航行器的水面回轉運動能力進行測試，如圖9所示。航行器的水面回轉運動軌跡最小半徑約為6.5 m，航行器在水池中進行了多圈次的水面回轉運動，并且其可以連續穩定的進行轉彎。航行器的水面回轉運動軌跡半徑滿足設計要求，其水面回轉運動能力得到了驗證。

圖9 航行器水面回轉運動Fig. 9 Water surface turning motion of the vehicle

2.2 湖試試驗

在湖中對航行器的直航運動、水面回轉運動、出入水運動等進行全面測試，航行器的通信系統、控制系統等均達到設計要求，航行器整體性能穩定，實現了本文所設計的功能。

3 結 語

正浮力自主航行器具有較強的海域環境自適應能力、較高的安全性、并且使用前無需進行復雜的配平、調試，操作人員使用非常便捷。所設計的正浮力自主航行器整體性能穩定，維護和升級方便，能夠較好滿足設計要求，具有良好的應用前景。

在后續開發中需要對正浮力自主航行器的機翼及外形，航行器的自主控制系統做進一步的優化，文中沒有考慮航行器的數據通信與定位，還需要在后續開發中增加GPS模塊和無線數據通信模塊，并開發航行器的岸站數據接收軟件。