近水面波浪对UUV航行的影响

郝宙晓，杜晓旭

(1.中国舰船研究院，北京 100192;2.西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072)

近水面波浪对UUV航行的影响

郝宙晓1，杜晓旭2

(1.中国舰船研究院，北京 100192;2.西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072)

低速UUV在水下航行一定的距离后需要上浮到近水面进行导航定位，而在近水面UUV受波浪的影响不能忽略，因此研究UUV在近水面悬停时受波浪的影响是有意义的。本文在建立UUV六自由度运动模型的基础上，基于规则波的波浪理论，建立了波浪力的计算模型，并仿真计算了UUV在近水面悬停时受海洋波浪力的影响。

波浪;悬停;规则波

0 引言

为提高远航程低速UUV的航行及作业精度，UUV在水下航行一定的距离后需要上浮到近水面进行二次定位，也就是需要在近水面完成悬停作业的任务。一般认为UUV在深水航行时，受水面波浪力的影响较小，可以忽略不计，而在近水面受波浪力的影响比较大，因此有必要研究UUV在近水面悬停时波浪对其的影响。

本文在建立UUV六自由度运动模型的基础上，基于二元规则波的波浪理论，建立了波浪力的计算模型，并仿真计算了UUV在近水面悬停时受海洋波浪力的影响。

1 UUV六自由度运动方程的建立

1.1 坐标系的选择

坐标系选取地面坐标系和体坐标系，分别记作SE(o，x0，y0，z0)和SB(B，x，y，z)，如图1 所示，坐标系间的转换矩阵记为CBE和CEB，文献［1］给出了具体形式。

图1 UUV坐标系Fig.1 The coordinate of UUV body

1.2 动力学方程

根据动量和动量矩方程，UUV的动力学方程为［2－4］

式中:

方程右端的f是指UUV受到的各种力，包括理想流体惯性力、负浮力、粘性阻力、升力、近水面波浪力等。

1.3 运动学方程［5］

运动学方程为

2 近水面波浪力计算模型

根据波浪的二元规则波模型，波浪的复势式［2，6］可以写为

设地面坐标系ox0y0z0的原点距无波浪时水面的距离为H，当原点在水下时，H取正值，在水面以上时，取负值。由于波浪是周期性的，在波浪传播方向，UUV与波浪的相对位置可以利用在时间零点的波浪初相位ε0来确定。波浪在地面坐标系ox0y0z0中的方向角用γ来表示，于是波浪复势在地面坐标系ox0y0z0中的表达式为:

由于UUV的动力学方程是在UUV体坐标系建立的，为了便于研究，这里将波浪复势转换到体坐标系中，有

式中:p=［x，y，z］T为在地面坐标系中表达的位置坐标;x0=［x0，y0，z0］T为在UUV 体坐标系中表示的位置坐标;x0B=［x0B，y0B，z0B］T为UUV体坐标原点在地面坐标系中的坐标;T1为UUV体坐标系到地面坐标系的转化矩阵。

此时，式(7)与式(8)改写为［2］

当UUV在波浪中运动时，波浪对UUV产生扰动作用，UUV对波浪产生散射作用，从而产生一个衍射势流场。因此，当计算波浪对UUV产生的作用力时，所用的流场应是波浪流场与衍射流畅叠加后的流场。衍射流场复势为

因此，由波浪产生的扰动流场为

根据线性化的拉格朗日积分式，并考虑到动坐标系，得到波浪产生的压力场，即［2］

式中，v为动坐标系的牵连速度，即UUV的速度。

把压力p在UUV沾湿表面SB上积分，就可得到波浪力Fw和波浪力矩Mw，即:

式中:n为UUV表面的单位外法线矢量;r为UUV体坐标系至UUV表面任一点的矢径。

3 仿真实例

本文对UUV近水面悬停于点(0，－2，0)时受二级、四级波浪的影响在Matlab/Simulink下进行了仿真，该UUV长7 m，最大直径533 mm。仿真结果如图2～图4所示。

可以看到，二级海况下UUV受波浪的影响很小，可以完成悬停任务;四级海况下波浪对UUV运动的影响十分明显，但UUV还可以完成悬停任务;波浪对UUV在x方向的运动影响较小，而对UUV在y方向的影响较大，这主要是由于UUV具有鱼雷状的外形，在x方向的受力面较y方向要小得多。

4 结语

本文在建立UUV六自由度运动模型的基础上，基于二元规则波的波浪理论，建立了波浪力的计算模型，并仿真计算了UUV在近水面悬停时受海洋波浪力的影响，结果显示，UUV在二级及四级波浪的影响下可以完成悬停作业。

［1］李天森.鱼雷操纵性［M］.北京:国防工业出版社，1999.

［2］杜晓旭，潘光，宋保维，毛昭勇.低速水下航行器横向－横滚操纵性研究［J］.弹箭与制导学报，2005.8:119－121.

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［7］Fjellstad O E，Fossen T I.Position and Attitude Tracking of UUV's:A Quaternion Feedback Approach［J］.IEEE Jouknal of Oceanic Engineering，1994，9(4).

［8］Hsu L，Costa R R，et al.Passive Arm Based on Dynamic PositioningSystem forRemotelyOperated Underwater Vehicloes［J］.Intemational Congerence on Robotics ＆Automation Detroit，1999.5.

Effect of the wave near the sea surface to motion of UUV

HAO Zhou-xiao，DU Xiao-xu
(1.China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China;2.College of Marine，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

The low velocity unmanned underwater vehicle(UUV)needs to be closed to the sea surface to navigate，and the effect of the wave can not be ignored，so the study of the effect of the wave to the UUV which pointing moving at the surface is necessary.This paper builds the model of UUV and the model of the wave force which based on regular wave.Then the effect of the wave to the UUV which pointing moving at the surface is simulated.

wave;pointing moving;regular wave

O353.2;U674.941

A

1672－7649(2011)06－0153－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.035

2011－05－06

郝宙晓(1980－)，男，工程师，从事水中兵器中低速无人水下航行器的研发及管理工作。