微型自主水下機器人折疊天線設計

韓 濤，楊 翊，王全山，胡志強，李艷杰

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學院沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院，遼寧 沈陽 110169)

0 引 言

隨著海洋技術與裝備水平的突飛猛進，以自主水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）為代表的新型海洋無人智能裝備在海洋科考和勘探領域得到了廣泛應用[1]。其中，重量在10 kg 以下的微型自主水下機器人是一種在近幾年新出現的自主水下機器人產品。因其耐壓艙內部空間有限、搭載的電池能量密度有限等原因，微型AUV 的水下航程一般較短。對于微型AUV 這一瓶頸問題，可采用減少天線等突出物方法，以降低微型AUV 的水下航行阻力，提高其續航能力[2]。通過這一方法還可減少天線導致的AUV 尾部流場不穩定等問題，從而降低AUV 的航行噪聲，提高推進器工作效率[3]。

針對以上問題，嚴天宏等[4]基于曲柄搖桿和雙搖桿機構提出了2 種天線折疊機構設計方案，通過舵機驅動連桿實現天線部件的升起與折疊。鄭志航等[2]基于絲桿-滑軌機構設計了一種天線折疊機構，通過電機帶動絲桿轉動實現天線的升起與折疊。宮穎博等[5]基于齒輪-齒條機構設計了一種天線升降機構，通過電機驅動齒輪實現天線的升起與縮回。以上3 種方案的機構在處于折疊或縮回狀態時，天線完全處于艙段內部，消除了天線部件的水下航行阻力。但以上方案應用在微型AUV 上存在以下問題：1）天線部件尺寸受到微型AUV 的艙段長度或直徑的限制，導致天線升起后的高度有限，進而影響AUV 的通信與定位質量；2）對耐壓艙段內部空間占用過大，應用在微型AUV 上會嚴重降低內部空間的利用率；3）相關機構質量均集中在艙段上部，對微型AUV 的衡重設計產生較大影響[6]。

可見，對于微型AUV 來說，一方面常規設計類型的天線部件對其航行阻力及運動操縱性影響尤為明顯，另一方面微型AUV 的外形尺寸限制導致了已有折疊天線的技術方案均不適用。因此本文提出一種可適用于微型AUV 的折疊天線技術方案，該方案在保證水面航行通信及定位質量同時，可有效減少AUV 的水下航行阻力。

1 天線外形設計與分析

1.1 外形設計

本文設計的折疊天線將安裝在直徑為76.2 mm、長度為932 mm 的微型AUV 載體上。為滿足微型AUV 的水面衛星定位、近距離高速數據傳輸和遠距離無線通信功能，選用如圖1 所示的GPS、WiFi 和無線電天線產品，并將其集成到折疊天線的天線部件中。其中GPS 天線的尺寸為10 mm×10 mm×6.5 mm；WiFi 貼片式天線的尺寸為43 mm×4 mm；無線電天線尺寸為Φ5 mm×45 mm。

圖1 GPS、WiFi 和無線電天線實物圖Fig.1 GPS, WiFi and radio antennas

集成了GPS、WiFi 和無線電天線的折疊天線部件如圖2 所示，其尺寸為122 mm×13.9 mm×14.39 mm。搭載該天線部件的微型AUV 如圖3 所示。

圖2 天線部件Fig.2 The antenna

圖3 微型AUV 模型圖Fig.3 The micro AUV models

1.2 航行阻力分析

計算圖3 所示的2 個微型AUV 模型在0.5～3.5 m/s航速下的水下航行阻力，驗證天線部件處于折疊狀態時的減阻效果。

以模型1 為例，在SolidWorks 中獲取截面尺寸如圖4（a）所示的長方體計算域。為盡可能減小計算域邊界對流體的影響，設AUV 總長為L，計算域入口邊界距AUV 首部距離L，出口邊界距AUV 尾部距離2L，四周邊界距AUV 距離L；邊界類型設置如圖4（b）所示。入口邊界設定為速度入口（velocity inlet），出口邊界及四周邊界皆設置為壓力出口(pressure outlet)，壓力值為1 個標準大氣壓。

圖4 計算域尺寸與邊界類型設置Fig.4 Computational domain size and boundary type settings

將計算域模型導入到STAR-CCM+中進行計算，使用多面體網格生成器[7]對計算域進行網格離散。之后進行網格控制，如局部網格加密，調節棱柱層數、總厚度和生成速率等。生成的網格總節點數約為316萬，網絡生成示意圖如圖5 所示。

圖5 網格生成示意圖Fig.5 Schematic diagram of grid generation

圖6 經驗公式計算與CFD 計算結果對比圖Fig.6 Comparison of empirical formula calculation and CFD calculation results

湍流模型選擇剪切應力傳輸K-Omega，簡稱SSTK-Omega 模型[8]，該模型可較好預測近壁面區域和遠場的流體運動狀態。阻力計算結果如表1 所示。

表1 模型1 航行阻力數據Tab.1 Navigation resistance data of models one

為驗證該仿真計算結果準確性，使用經驗公式[9]計算模型1 的航行阻力：

可看出，使用STAR-CCM+計算結果與經驗公式計算結果幾乎一致，2 組數據的相關系數為0.95，故可認為上述仿真是準確的。使用相同方法計算模型2 的航行阻力，結果如表2 所示。圖7 與圖8 分別為模型1和模型2 航速為0.5 m/s 時的壓力云圖和速度云圖。

表2 不同模型航行阻力數據Tab.2 Navigation resistance data of different models

圖7 2 個模型的壓力云圖Fig.7 Pressure contours of the two models

圖8 2 個模型的速度云圖Fig.8 Velocity contours of the two models

通過分析表2 數據與圖7 所示的壓力云圖，可知微型AUV 在水下航行時，天線處于折疊狀態相比于天線處于直立狀態航行阻力更小，前者相對后者最高可減少50.40%、最低可減少34.26%、平均可減少40.19% 的航行阻力。此外，通過分析速度云圖可看出，天線處于折疊狀態下天線部件對微型AUV 周邊流場影響更小。

2 折疊機構設計與分析

2.1 機構設計

按照天線升起與折疊狀態下的對應位置使用解析法設計四連桿機構[10]，以實現天線的折疊與升起。

圖9 為鉸鏈四連桿機構示意圖。圖中，兩連架桿對 應角位置 為 ?0、 ψ0、 ? 、 ψ ，其中 ?0、 ψ0記為兩連架桿的初始角位置。各桿的長度分別為a、b、c、d，由圖可得兩連架桿對應角位置關系式：

圖9 鉸鏈四連桿機構示意圖Fig.9 Schematic diagram of hinge four-bar linkage

如圖10 所示，取AB桿與水平軸夾角為0°、45°和90°，分別對應天線的折疊狀態、中間狀態和豎起狀態，3 種狀態下的兩連架桿角位置依次記為（ ?1， ψ1）、（ ?2， ψ2） 和（ ?3， ψ3），代入到式（2）中，可得方程組：

圖10 AB 桿3 種不同角度狀態下連桿示意圖Fig.10 Schematic diagram of connecting rod under three different angles of AB rod

圖11 折疊機構模型圖Fig.11 Model diagram of the folding mechanism

綜合考慮微型AUV 外形尺寸、零部件的安裝方式和折疊機構的傳動機構設計等設計因素，機架OA、OD0和D0D長度分別設為14 mm、40 mm 和6.65 mm，3 組連架桿角位置（ ?1， ψ1） 、（ ?2， ψ2） 和（ ?3， ψ3）的值分別為（8.69°，185.2°）。（53.69°，170.65°）和（98.69°，145.07°）。此時可知AD桿長40.67 mm，角位置 ?0和 ψ0值皆為0°。將上述各值代入到式（2）中，解方程組可得：

2.2 運動學與動力學仿真

折疊天線機構使用舵機驅動，其驅動機構位于艙段耐壓艙內部，與折疊機構通過一組錐齒輪嚙合傳動。驅動機構中使用一組齒數比為1∶2 的直齒輪實現減速增矩，且通過在傳動軸上布置2 個封閉圈實現傳動軸的動密封，驅動機構的結構圖如圖12 所示。

圖12 驅動機構結構圖Fig.12 Drive mechanism diagram

如圖13 所示，將天線部件安裝到天線支架上后，使用SolidWorks 三維建模軟件在各零部件間添加配合關系，運行Motion 組件進行初步運動仿真，完成一個仿真流程后選擇將模型輸出到Adams 仿真軟件，在Adams 中進行機構的運動學與動力學仿真。

圖13 折疊天線機構模型圖Fig.13 Model diagram of folded antenna mechanism

首先對主動件即舵機所連小齒輪添加旋轉副驅動來模擬舵機的轉動，其角速度設定為200°/s。其次根據在樣機中擬使用的材料對各零件設置材料密度。最后對相互接觸的零部件根據相對運動關系，添加摩擦系數：靜摩擦系數設置為0.5，動摩擦系數設置為0.3。前置條件設定完成之后運行仿真，提取舵機輸出扭矩曲線和天線升起時的角速度幅值曲線，其結果如圖14所示。

圖14 舵機輸出扭矩曲線和天線角速度幅值曲線Fig.14 Servo output torque curve and antenna angular velocity amplitude curve

可知，天線升起過程中所需舵機最大輸出扭矩為0.05 N·m，小于微型水下機器人所選舵機（KSTX08H）在200°/s 下的額定扭矩（0.14 N·m），可知舵機滿足使用要求。天線機構的運動范圍為0°～90°，符合設計要求，能夠覆蓋從水平折疊到豎直升起的整個微型AUV 所需要的運動范圍。從天線升起時的角速度幅值曲線可以看出，當機構運行0.11 s 天線升起到38.5°時天線角速度達到最大值約400°/s，之后天線繼續升起角速度緩慢減低，直到天線完全升起同時角速度降為0°/s，整個過程用時約0.5 s。該過程角速度過渡比較平穩，不會對驅動系統造成沖擊，能實現折疊天線機構的穩定運行。

3 樣機試驗驗證

3.1 折疊機構功能測試

為驗證折疊天線機構是否可正常運轉，在原理樣機上進行天線結構升起與折疊測試。完成樣機的各零部件裝配后控制舵機運轉，如圖15 所示，折疊天線機構可正常運行，其中升起用時不到1 s，與仿真結果相近，但最大升起角度僅有75°。通過觀察得知，導致這一結果的主要原因在于WIFI、無線電和GPS 天線灌封安裝到天線支架上后，天線與耐壓艙內部通信設備相連接的線纜彈性較強，給天線升起帶來了額外的阻力距，導致天線無法升起至預定角度。經后續測試天線最大升起角度為75°不影響微型AUV 的水面航行通信功能，后續考慮通過使用線材較軟的天線導線來解決這一問題。

圖15 折疊天線升降試驗Fig.15 The folding antenna lift test

3.2 湖上試驗

為了驗證該折疊天線機構中WIFI、無線電和GPS等天線接收信號的穩定性，使用如圖16 所示的微型AUV 原理樣機開展水面航行和水下航行相關試驗。

圖16 微型AUV 原理樣機Fig.16 Micro AUV prototype

水面航行狀態下，通過控制折疊機構保持天線處于升起狀態。試驗結果表明，WIFI 與無線電信號良好，滿足水面數據傳輸要求。GPS 在水面航行過程中可穩定獲取衛星定位信號，通過獲取GPS 定位數據得到的微型AUV 水面航行軌跡如圖17 所示。

圖17 AUV 航行軌跡Fig.17 AUV navigation track

水下定深和定向航行狀態下，使天線處于折疊狀態，將目標航向角設定為325°，目標深度設為2 m，試驗數據如圖18 所示。從圖18（a）看出，天線機構折疊狀態下微型AUV 可在水下航行時保持較好航向，航向穩定后其誤差不大于±2°。從圖18（b）可知，微型AUV 具備定深的調節能力，定深航行誤差不大于±0.5 m，后續可繼續優化相關控制參數，以進一步提高微型AUV 的水下自主航行能力。

圖18 AUV 定深定向試驗結果Fig.18 The results of the AUV fixed depth and orientation test

4 結 語

本文設計了一型用于微型自主水下機器人的折疊天線機構，其機構簡單可靠，天線部件尺寸不受限于天線艙段直徑或長度，彌補了現有升降、折疊天線機構不適用于微型AUV 的不足。通過仿真與試驗驗證了設計方案的可靠性，具體結論如下：

1）設計的折疊天線具有水面衛星定位、近距離高速數據傳輸和遠距離無線通信功能。

2）通過C F D 仿真計算了不同航速下的微型AUV 航行阻力，結果表明天線處于折疊狀態相比于天線處于直立狀態可減少不少于34.26%的航行阻力。

3）通過對折疊天線機構進行運動學與動力學仿真，天線部件運動范圍為0°～90°，滿足了微型AUV的使用需求；舵機最大輸出扭矩為0.05 N·m，小于所選舵機的額定扭矩。

4）通過在原理樣機上試驗，驗證了折疊機構可正常運轉；通過湖上試驗，一方面驗證了天線處于升起狀態時接收WiFi、無線電和GPS 信號的穩定性，另一方面驗證了天線處于折疊狀態時，微型AUV 的水下定向、定深航行功能。

在后續的研究中，一方面需對折疊天線的天線外形進行優化設計，以進一步減少微型AUV 的航行阻力；另一方面要加工鋁合金殼體的微型AUV 樣機，提高微型AUV 的耐壓能力和水下航行功能的可靠性。