基于柔性水翼的波浪滑翔器設(shè)計

劉莘怡，劉 穎，林愛梅，吳思淇，尹新彥

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519800）

波浪滑翔器是一種依靠波浪能驅(qū)動的新型水面無人航行器，作為一種新型的可持續(xù)的海洋觀測平臺，其通過海洋中源源不斷的波浪能獲取前進動力[1-3]。利用母船上自帶的太陽能電池板不斷地補充能量，為控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及各種海洋監(jiān)測設(shè)施提供能量，續(xù)航能力得到了極大的保障，使其作用范圍和作業(yè)時間要比其他海洋觀測裝備高[4-8]。另外，應(yīng)用這2 種可再生的清潔能源，不僅遵循新發(fā)展理念，可以更好地去保護生態(tài)環(huán)境，還可以實現(xiàn)長時間遠(yuǎn)距離地在寬大的海域上航行，彌補了現(xiàn)有海洋監(jiān)測設(shè)備的不足，開發(fā)出完全利用自然能源即可實現(xiàn)自主航行的新型海洋監(jiān)測器[9]。美國Liquid Robot 公司開發(fā)了利用波浪能垂蕩運動提供運動能量的機動浮標(biāo)產(chǎn)品Wave Glider，完成多次海試任務(wù)，已在水體和洋流的測量、海洋氣象、溢油泄漏檢測、海洋生物監(jiān)測和海洋環(huán)境生態(tài)研究等多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且在橫穿太平洋的PACX 活動中，打破了無人海洋機器人行駛最遠(yuǎn)距離的世界記錄[1]。

簡單來說，波浪滑翔器作為一種新型的自主海洋觀測平臺，具有航行時間長、自主性強、零排放和經(jīng)濟性高等突出優(yōu)點。與傳統(tǒng)的需自帶電源動力的海洋觀測設(shè)備相比，波浪滑翔器只需依靠自然能源驅(qū)動便可航行，具有強大的環(huán)境適應(yīng)性。其能長期、自主地執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測、水文調(diào)查、氣象預(yù)報、生物追蹤、遠(yuǎn)程預(yù)警和通信中繼等作業(yè)，且能在不同海況下進行觀測，觀測性能良好，在海洋領(lǐng)域呈現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景[10]。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

波浪滑翔器主要由3 部分組成，分別是水上母船、柔性纜繩及水下滑翔體。水面母船主要由太陽能電池板、螺旋槳及漂浮材料包圍起來的密封艙室、天線、控制系統(tǒng)及各種傳感器等組成。水下滑翔體采用純機械的方式，不需要外界能量供給，只需要從波浪的上下運動中獲取能量，將波浪能轉(zhuǎn)化為機械能，便可以驅(qū)動機構(gòu)的前行，其主要由可轉(zhuǎn)動的翼板、轉(zhuǎn)向舵輪、彈簧及身體支撐架等組成。柔性纜繩連接著水上母船和水下滑翔體，保證其整體運動姿態(tài)。該類型的機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)長時間、大范圍、零排放、靈活自主和經(jīng)濟性高等優(yōu)勢的海洋觀測作業(yè)，避免反復(fù)回收更換電池，有效節(jié)約能源，通過PID 技術(shù)在某一位置固定觀測，具有廣泛應(yīng)用前景。

水上母船的結(jié)構(gòu)基本對稱，底面寬，且在母船前進方向側(cè)設(shè)置了整流的造型，使水上母船能更好地在水面漂浮，后面的推進器是輔助動力源，一旦需要輔助動力驅(qū)動，推進器會開始工作。天線負(fù)責(zé)與岸基基站的信號接收天線通信，太陽能電池板輔助發(fā)電。太陽能電池板捕獲的電能儲存在蓄電池中，為整個平臺的電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能源。

水下滑翔體尾部的轉(zhuǎn)向舵輪采用左右對稱的結(jié)構(gòu)，中間鏤空，使水流通過時水壓力相等，從而能直立靠自身重力向下運動。左右兩側(cè)的翼板通過翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，彈簧式翼板受到下限位角的約束。

1.2 運動機理

波浪滑翔器主要以波浪滑翔器捕獲的波浪能作為前行動力，而水上母船搭載的太陽能電池板吸收的能量主要供應(yīng)給其上搭載的控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和各類傳感器等進行驅(qū)動。通過使用該2 種清潔能源，解決了海洋航行器動力源及搭載設(shè)備用電的難題。

波浪滑行器的運動以波浪理論和水下動力學(xué)為基礎(chǔ)。通過計算分析可知，當(dāng)波浪滑翔器沿著波面爬升時，柔性纜繩處于緊繃狀態(tài)，此時水上母船上浮并通過柔性纜繩拉動波浪滑翔器向上爬升，但是此時水翼又受到水動力的影響向后下方轉(zhuǎn)動，滑翔器在這二者的共同作用下產(chǎn)生了一個向前的水平推力，帶動波浪滑翔器向前運動；當(dāng)波浪滑翔器隨著波面下降的時候，柔性纜繩處于松弛狀態(tài)，波浪滑翔器受重力影響向下運動，同時拉動水上母船向下運動，與此同時，水翼還受到了水動力的影響向后上方轉(zhuǎn)動，滑翔器在這二者的約束下產(chǎn)生水平向前的推力，于是整機向前推進。綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)，波浪滑翔器在工作過程中，無論是沿著海浪向上浮動還是向下沉墜，波浪滑翔器的側(cè)翼板都會產(chǎn)生向前的推力，波浪滑翔器正式利用該推力向前運動，同時通過柔性纜繩的作用，帶動水上母船向前運動，從而實現(xiàn)了整機前進，很好地利用了由波浪能轉(zhuǎn)換而來的機械能，如圖1 所示。

圖1 波浪滑翔器的水動力分析

由上述可知，只要存在波浪，就能帶動母船上浮或者下潛，水下翼板就會產(chǎn)生向前的推力，帶動波浪滑翔器整體向前運動。此外，由于波浪滑翔器上帶有轉(zhuǎn)向舵機，可以控制波浪滑翔器的航行方向，而且該方向不受海浪方向影響。可以說，巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證其能依靠波浪能一直向前航行，而轉(zhuǎn)向舵機的加入很好地解決了方向掌控上的一大難題。

1.3 基于柔性水翼的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

波浪滑翔器主要由身體支架、6 組平行對稱的柔性水翼、彈簧、轉(zhuǎn)向舵輪和萬向節(jié)吊鉤等組成。由于整機的前進動力能源基本都來自波浪能，因此波浪滑翔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計就顯得尤為重要。受波浪、重力和加速度等因素的影響，水翼所獲得的推力并不高，而且推進效率也較低，為了整機能夠更理想最大限度地發(fā)揮其預(yù)設(shè)作用，需要對波浪滑翔器整機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，同時優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

水翼翼板是波浪滑翔器捕獲波浪能并將其轉(zhuǎn)為前進動力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，水翼翼板的設(shè)計和選型決定著波浪滑翔器的推進效率和穩(wěn)定性。根據(jù)水下環(huán)境情況及作業(yè)要求，在設(shè)計水翼翼板時主要參考了低速翼的設(shè)計方法，要求側(cè)翼板的尺寸和側(cè)翼板的翼型及尺寸適應(yīng)實際的海洋水流沖刷，在運動過程中盡量避免在側(cè)翼板發(fā)生流動分離現(xiàn)象，進而提高推進效率增加側(cè)翼板往復(fù)運動的頻率。另外，側(cè)翼板之間的分布間距設(shè)計，以及翼板展弦比、后掠角和翼板的擺動角度也需要適應(yīng)實際的洋流海況，防止發(fā)生干涉或交叉，減少對升阻比的影響，保證推進效率，提高穩(wěn)定性。

當(dāng)母船受到波浪沖上浮時，波浪滑翔器向前移動，水翼向上翻轉(zhuǎn)的速度遠(yuǎn)低于向下翻轉(zhuǎn)的速度。假設(shè)當(dāng)海浪浪高較大時，由于波浪滑翔器的工作波高較大，水翼向下旋轉(zhuǎn)運動時，容易在下限位角的固定部件之間產(chǎn)生強烈的剛性碰撞，導(dǎo)致部件疲勞損壞及能量損耗，無法前行。反之，當(dāng)波浪滑翔器母船工作時遇到波浪的波高較小時，水翼極有可能無法達到其最大下限位角，進而導(dǎo)致翼板無法實現(xiàn)上下正常翻動。因此在這里提出將水翼改進為彈性水翼的設(shè)想，通過固定其上限位角，并用彈簧約束其下限位角。如果遇到波浪波高較大時，彈簧機構(gòu)可以避免在水翼與下限位角固定部件之間產(chǎn)生剛性碰撞，這部分額外能量將被以彈性勢能的方式儲存在彈簧中，避免翼板結(jié)構(gòu)被破壞; 如果波浪波高比較小，那么儲存的彈簧勢能將釋放給翼板回復(fù)力，為波浪滑翔器提供前進的動力。

在波浪滑翔器的運行過程中，期望能盡量實現(xiàn)水上母船的吃水深度在一個穩(wěn)定范圍內(nèi)波動，同時在這個區(qū)間的范圍內(nèi)要兼顧提高波浪傳遞效率，這就要求母船的面積要大、質(zhì)量要小且材質(zhì)要好，以均攤影響；另外與海面接觸的下表面應(yīng)采取流線型設(shè)計，以減少前進阻力。由能量守恒定律可得，水上母船的質(zhì)量減少了，那么波浪滑翔器的重量就要增大。為了保證運動過程當(dāng)中整機姿態(tài)的穩(wěn)定，要求波浪滑翔器的重心、浮心、吊點及水動力中心保持在同一條豎直線上。

2 硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用LPC2478 作為Mini ARM 嵌入式核心板的微處理器，中央處理器采用ARM7TDMI 芯片，選用XW540-T260-R 型防水舵機，外圍留有端口，用于連接傳感器、通信系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等，系統(tǒng)框架圖如圖2 所示。傳感器主要用于感知周圍環(huán)境信息，提供波浪滑翔器的姿態(tài)信息、周圍噪音、水溫、風(fēng)速和濕度等。GPS 模塊的經(jīng)緯度由LPC2478 接收，航向角數(shù)據(jù)則由位置保持控制算法處理，進而控制舵機打舵偏角，保證波浪滑翔器的航向控制，完成自主航行。

圖2 總體控制框圖

無線通信電路通過與遠(yuǎn)端連接以監(jiān)測設(shè)備正常運行。采取中繼通信，在岸基基站建信號接收天線，與波浪滑翔器的天線建立聯(lián)系取得通信，將發(fā)現(xiàn)作業(yè)目標(biāo)蹤跡時的監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳給岸基基站。

2.2 電源管理模塊設(shè)計

波浪滑翔器電源要分別為主控芯片、通信模塊和攜帶的監(jiān)測設(shè)備等供電，而電能持續(xù)來源于太陽能板，不同于其他供電方式。因此，電源管理模塊采用低功耗單片機，通過外設(shè)繼電器控制電路，增加太陽能智能控制系統(tǒng)進行電源使用管理，其原理框圖如圖3 所示。

圖3 電源管理示意圖

充放電保護電路如圖4 所示，左側(cè)為太陽能充電電路的主控芯片CN3065，該充電電路可以將太陽能板轉(zhuǎn)換的電能為鋰電池進行充電。如果太陽能板產(chǎn)生的輸入電壓大于設(shè)定的閾值電壓及鋰電池的端電壓，那么主控芯片將開始對鋰電池充電，此時紅色LED 點亮，當(dāng)綠色LED 亮起時，則表示鋰電池充滿。右側(cè)放電保護電路的主控芯片CN301 用于檢測鋰電池極端的電壓。如果太陽能板兩端充電電壓高于設(shè)定的高電壓警戒閾值，此時NMOS 管和PMOS 管將被導(dǎo)通，放電回路開始工作。如果鋰電池兩端電壓持續(xù)下降到低于設(shè)定的過低電壓警戒閾值時，那么NMOS 管和PMOS 管將被截止，此時切斷放電回路，實現(xiàn)鋰電池低電量保護功能。

圖4 充電放電保護電路設(shè)計原理圖

3 位置保持控制算法

波浪滑翔器有效地利用了波浪能在海面上隨波逐流，在發(fā)現(xiàn)某特定目標(biāo)時，需要波浪滑翔器在某一區(qū)域停駐監(jiān)測。因此，為了讓波浪滑翔器能夠在某一區(qū)域保持穩(wěn)定懸停，本文采用了一種位置保持控制算法，來使波浪滑翔器在某一區(qū)域穩(wěn)定保持。該算法基于分區(qū)控制和約束圓理論，如圖5 所示。一個圓是由一個只有圓心的位置保持點構(gòu)成的，這個位置保持點稱為約束圓區(qū)域。根據(jù)坐標(biāo)系的象限分割法，約束圓分為4 個區(qū)域，即區(qū)域I、區(qū)域II、區(qū)域III 和區(qū)域IV。在約束圓中，波浪滑翔器的預(yù)期航向根據(jù)其位置設(shè)置為一個常數(shù)值，即I 區(qū)預(yù)期航向為-3π/4、II 區(qū)預(yù)期航向為3π/4、III區(qū)預(yù)期航向為π/4 和IV 區(qū)的預(yù)期航向為-π/4。當(dāng)波浪滑翔器脫離約束圓時，根據(jù)其當(dāng)前位置和期望保持點計算其期望航向，然后利用模糊PID 控制器計算所需的舵角，使波浪滑翔器移動到位置保持點。由于波浪滑翔器機動性較差，而位置保持控制算法能減少波浪滑翔器在保持位置點附近期望航向的變化次數(shù)，將運動區(qū)域約束在約束圓區(qū)域內(nèi)，提高了導(dǎo)航穩(wěn)定性，減少了不必要的能量消耗，實現(xiàn)了保持位置的功能。當(dāng)波浪滑翔器進入約束區(qū)域時，預(yù)期航向不會改變，只有當(dāng)其離開約束區(qū)域時，預(yù)期航向才會改變。

圖5 位置保持控制算法

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于柔性水翼的波浪動力無人航行器，該設(shè)備是一種利用海洋波浪能即可實現(xiàn)自主航行的新型海洋監(jiān)測平臺，該設(shè)備將海浪的能量轉(zhuǎn)化機械能，將波浪能轉(zhuǎn)化為正向能量推力，與波浪方向無關(guān)，其主體結(jié)構(gòu)有水面母船、水下滑翔體和柔性纜繩3大部分組成。通過采用一種柔性水翼設(shè)計，以實現(xiàn)有效緩解了水下滑翔體翼板應(yīng)力損傷以及增加翼板在驅(qū)動中的作用。本文采用了一種位置保持控制算法來實現(xiàn)波浪滑翔器能夠長時間在某一特定海域保持位置穩(wěn)定，以便實現(xiàn)特定區(qū)域的監(jiān)測。采用以上設(shè)計可以實現(xiàn)波浪滑翔器長時、定點監(jiān)測任務(wù)，以更好地利用和開發(fā)海洋資源，保護生態(tài)系統(tǒng)多樣性。