近水面条件下潜标运动姿态控制技术*

蔡 鹏,朱 海,葛德红,2,朱海荣

(1 海军潜艇学院,山东青岛 266000;2 92267部队,山东青岛 266100)

0 引言

潜标是采用单点或多点锚泊系留方式,固定于深海一定深度实现海洋环境探测的海洋装备,广泛应用于海洋环境调查、科学试验及其他领域。就单点系留深海探测平台而言,其上搭载的探测、通信等功能模块对其水下姿态往往有一定的要求[1],例如,王明午在文献[2]中提出,某深海潜标搭载实验仪器的极限倾角小于26°。

对于系留固定式潜标水下姿态控制通常采用主、被动两种方式进行,被动控制主要通过增加正浮力、系留带、激流丝等方式实现稳定,该方法的优点在于无能耗、成本低,但主要缺点是增加了系留缆索的拉力,抗流能力有限,无法实现姿态的自动调节。因此,需要研究基于推力作用的主动姿态控制方法,文中研究基于单方向推力控制的潜标姿态控制方法。

1 潜标运动分析建模

1.1 外形及结构描述

文中所分析及试验使用的海洋潜标模型外形尺寸为:全长7 m,外径500 mm,其中,姿态控制部分长约5.1 m,重心下移量为820 mm,外形设计如图1所示。

图1 潜标姿态控制部分外形

为实现对上述潜标姿态控制研究,文中在迎流方向上,采用螺旋桨推进器进行姿态调节主动控制,其配置如图2所示。

图2 潜标姿态控制推进器配置

1.2 运动学建模

1)坐标系

建立坐标系是进行平台运动姿态分析的前提,具体包括:大地坐标系Oxgygzg、平台局部坐标系Oxbybzb、速度坐标系Oxayaza和航迹坐标系Oxhyhzh。

其中,大地坐标系在不考虑地球自转情况下,视为惯性参考体,其原点O设在下缆下端点,即系缆和锚的连接处,同时规定X轴的方向与来流方向相同,Z轴方向取竖直向下,Y轴的方向与X轴、Z轴垂直,并构成右手坐标系,标记为Sg;平台主体的局部坐标系的原点o通常设置在主体的重心处,x轴的方向规定为平台的迎流运动方向,z轴的方向沿平台的对称轴向下,y轴的方向与x轴、z轴垂直,并构成右手坐标系,标记为Sb;三个坐标系的具体方向如图3所示。

图3 运动模型坐标系

2)运动学方程

在本体坐标系Sb中,采用矢量矩阵法推导的平台运动数学模型[3-4],基点动力学方程为:

(1)

作用在平台上的外力包括:流体动力、浮力、重力、缆索张力、绕流产生的附加流体动力及其他干扰力,由于平台受海流影响运动速度较低,在计算过程中忽略附加流体动力及干扰力等外力作用,在此仅考虑前四个外力,有:

(F)b=(R)b+Lbg((B)b+(G)b)+(H)b

(2)

式中:(R)b为流体力主矢在Sb中的分量;(L)bg为大地坐标系Sg到平台局部坐标系Sb的转换矩阵;(B)b为浮力在Sb中的分量;(G)b为重力在Sb中的分量;(H)b为缆索张力在Sb中的分量。

式中潜标受到的各种重力、浮力等静力计算及稳态条件下的流体力计算见文献[5-6],缆索张力计算见文献[7-8],在此不再赘述。

基点转动动力学方程为:

(MR)b+(rB×B)b+(r×G)b+(rH×H)b

(3)

潜标近水面运动情况下,由于标体全部位于水面以下,其运动姿态主要受到海流的影响,在进行运动分析时进行了如下近似,一是认为海流流场均匀,流速恒定,没有垂直分量,二是海流作用下,潜标运动与其系留缆索轨迹在同一平面内,则流速U=[Ux00]。根据平台与海流的相对运动为:

(VO)br=(VO)b-LbgU

(4)

2 基于Bang-Bang控制的单方向姿态控制器设计

从上述海洋潜标运动分析可知,在进行水下姿态控制过程中,往往存在系统非线性、参数时变、控制滞后等问题需要解决,且传统控制方法难以适应对象的数学模型不确知的情况,对模型参数变化及干扰的适应能力较差。考虑到潜标提供姿态控制所用能源有限,且在最小时间完成,并避免姿态控制推进器的频繁使用,文中针对潜标姿态控制采用Bang-Bang控制,其控制原理如图4所示。

图4 潜标姿态控制原理

根据潜标近水面条件下姿态控制范围为≤15°的要求,采用Bang-Bang控制器[9]时,控制器输出正转、反转两种转动指令,因此,当姿态传感器测量得到的姿态角正向大于15°时,控制器输出电机正转指令,反之输出反转指令,因此其Bang-Bang控制策略如下:

式中：uc表示姿态控制器转动指令;θ表示近水面条件下潜标姿态角。当姿态角出现正向偏离且超过姿态控制范围最大值时,施加正向推力进行调整,反之,施加反向推力进行调整,最终将潜标姿态角控制在≤15°范围内。

3 试验分析

3.1 试验条件

试验模型长620 mm,外径300 mm,正浮力为15 kg,重心下移200 mm,螺旋桨推力每个约40 N;锚重50 kg;外接供电及控制。

试验水池选择断面水槽实现,如图5所示。水槽长65 m、宽1.2 m、深1.75 m,配有不规则造波机、造流系统,产生的流速范围为0～1.4 m/s,具有测流计可以进行流速现场测量。

图5 试验水池

姿态传感器选用Xsense的MTi-g-700 MIMU,纵横摇精度为0.3°(1σ),航向精度为2°(1σ)。

嵌入式姿态控制板包含串口通讯模块、实时时钟芯片、SD卡存储模块、温度传感器等,用于进行姿态采样,通过采用Bang-Bang控制策略,输出控制指令,控制推进器进行潜标姿态调整。姿态控制推进器外径51 mm,长度135 mm,推进器具体技术参数如下:

1)额定电压:+24 VDC,额定电流:14.5 A,额定功率:350 W;

2)工作深度:≤150 m,额定转速:2 800 r/min,最大推力:40 N;

3)推进器直径:50 mm,螺旋桨直径:90 mm,导流罩直径:96 mm。

姿态控制试验装置如图6所示。

图6 多方向推力姿态控制技术试验装置

3.2 试验结果分析

通过水槽造流造浪以模拟多方向姿态推力控制工作环境,在x轴迎流方向施加控制推力后,考察节点迎流方向上的姿态控制,其运动曲线如图7～图9所示。流速1.0 m/s,海况五级。

图7 施加控制后x轴迎流方向倾角

图8 施加控制后y轴方向倾角

图9 施加控制后z轴方向倾角

根据现场试验数据,在水槽流速最大值为1.0 m/s时,在水下x方向施加推力后,姿态控制在±12.5°以内,满足该潜标水下姿态控制设计要求。

4 结束语

文中在进行潜标运动建模分析基础上,通过采用Bang-Bang控制策略设计了潜标近水面条件下姿态控制器,并研制了基于单方向推进器主动控制的潜标姿态控制试验模型,通过水池试验验证了姿态控制的有效性,可在流速1.0 m/s情况下,将潜标姿态控制在±12.5°以内。

文中仅在单方向姿态控制方面初步验证了利用推进器进行潜标姿态控制的方法,在多方向推力控制、潜标旋转控制、湖海试验方面还需要进一步深入研究,这将是下一步的研究重点。