浅域水下滑翔机设计及性能分析

陈孟伟, 刘雁集



浅域水下滑翔机设计及性能分析

陈孟伟1, 刘雁集2

(1. 上海产业技术研究院, 上海, 201206; 2. 上海海事大学 商船学院, 上海, 201306)

水下滑翔机作为一种具有长续航能力的水下航行器, 可通过搭载特定传感器实现对一定水域环境的监测。为解决滑翔机对浅水域环境的监控问题, 文中提出一种运行于浅水域的水下滑翔机设计方案, 分析了俯仰和浮力机构调节与俯仰角度的耦合方式对其整体性能的影响, 设计了基于丝杆副传动装置的可快速调节的单冲程浮力调节系统, 并采用鳍舵调节装置实现机体的转弯调节。同时综合考虑机体内部各移动部件状态变量, 建立浅域滑翔机动力学模型, 设计了线性二次调节器(LQR), 确定控制器各权重参数, 实现了浮态切换的快速调节控制, 并通过水池试验测试其运动能力。试验结果表明, 研制的水下滑翔机可在3 m水深内顺利运行, 转弯半径小, 可达9 m, 完全满足在浅水域稳定运行与顺利巡航的要求。

水下滑翔机; 浅水域; 动力学模型; 水池试验

0 引言

水下滑翔机是由浮力驱动、带有固定机翼的水下航行器, 具有工作时间长、运行范围广等优点, 目前已广泛应用于海洋物理信息监测等领域。运行于海洋环境的水下滑翔机技术经过多年的发展, 国内外已研制出Slocum[1]、Spray[2]、Seaglider[3]、Seawing[4]、Petrel[5]等多种比较成熟的机型。建立起的深海滑翔机动力学模型, 已能较准确反映机体的运动特性[6-8]。但针对浅水域滑翔机的研究较少, 虽然已研制出众多小尺度滑翔机, 但多用于实验室环境做运动控制研究[9-10]。

水下滑翔机由浮力驱动, 因此浮力调节能力是滑翔机运动性能的主要影响因素之一。深海滑翔机为保证浮力系统在高压下稳定运行, 浮力调节速度缓慢, 浮力系统开始调节后, 滑翔机仍要持续运动一定距离[3]。浅水域深度有限, 要求浮力调节机构有快速变换浮力的能力。同时, 浅水域环境极为复杂, 要求滑翔机具有一定的机动灵活性, 可频繁调节完成避障。

针对此, 文中通过对深海滑翔机动力学模型的适当简化, 建立了浅域滑翔机的动力学模型, 并在此基础上, 设计了一种浅水域滑翔机FIBOT200, 该滑翔机依靠线性二次调节器(linear quadratic regulator, LQR)调节滑翔机的潜浮转换过程, 并设计单冲程泵形式的浮力调节机构, 以适应浅水域滑翔机快速改变浮力的需求。

1 机构设计

该滑翔机主体长1.6 m, 重28 kg, 运行环境为浅水域。其运动调节机构主要包括置于机首的浮力调节机构、由电池包构成的俯仰调节机构与转向舵, 如图1所示。

图1 浅域水下滑翔机结构

对于浅域滑翔机, 主要考量的是姿态与潜浮状态的转换能力, FIBOT200滑翔机在纵剖面内依靠浮力机构与俯仰调节机构调节姿态, 采用灵活的舵机调节转向。

1.1 浮力调节机构

根据优化计算, 浮力系统调节量一般是机体总排水体积的0.5%[11]。FIBOT200滑翔机考虑机动性与抗干扰能力, 设计浮力调节量为总排水体积的0.9%, 为250 mL。浮力调节机构由伺服电机驱动, 通过丝杠副系统将电机输出的力矩转换成作用到活塞上的轴向力, 浮力系统吸水部分内径8 cm, 设计行程9 cm, 机构的工作原理如图2所示。

图2 浮力调节机构原理图

浮力调节机构的动作会对滑翔机重心产生影响, 该影响主要来自吸排水的质量和传动机构质量。选取滑翔机浮心为参考原点, 且初始时, 重心在浮心正下方, 则滑翔机重心偏移量满足

设定浮力机构的运动行程为吸水与排水的2个极限位置, 设置滑翔机机头方向为正, 此时各参数见表1。

表1 浅域水下滑翔机参数表

由图3可知, 滑翔机下潜时, 需要增加机体质量, 浮力调节机构吸水125 mL, 产生的俯角为25°。滑翔机上浮时, 需要减小机体质量, 浮力调节机构向外排水125 mL, 产生的俯角为–25°。由此可见, 浮力调节机构的动作会辅助机体完成俯仰调节, 与姿态的调节是正耦合关系。而传统的深海滑翔机考虑布局便利因素, 将浮力调节系统置于机体尾部, 浮力系统的动作与俯仰角度之间是负耦合关系[12]。

图3 执行机构状态对俯仰角度的影响

选择驱动电机为maxon EC-max 22, 最大转速8 000 r/min。搭配传动比14:1的齿轮箱maxon GP22C。

推动活塞的最大运行速度

根据设计参数, 活塞最大运行速度19 mm/s, 完成9 cm满行程运行, 5 s内可调整完毕。完成浮态转换所需调节量约为150 mL, 完成浮态转换则活塞需走行约3 cm, 需要时间约为1.6 s。

1.2 俯仰调节机构

由以上分析可知, 滑翔机的浮力系统动作即可实现机体的浮力调节, 也可实现姿态角度调节。但滑翔机具有最佳滑翔角度, 在最佳滑翔角度下, 滑翔机实现航速最快或滑翔距离最长[11]。为满足滑翔机以特定滑翔角度运动的要求, 需要俯仰调节机构微调俯仰角度。文中设计了可快速调节的俯仰调节机构(见图4), 该机构由丝杠传动装置与电池包构成。电池包挂载在传动机构上, 通过位移传感器反馈位置。

图4 俯仰调节机构原理图

俯仰滑块运动时形成的机体重心偏移

2 动力学模型

上述式中各变量的意义如表2所示。

表2 动力学模型中的符号意义

线性化动力学模型

其中

3 巡航性能分析

巡航于浅水域的水下滑翔机应具有可快速调节、快速响应的性能。文中设计LQR控制器来调节滑翔机俯仰角度[13], 控制滑翔机各状态的变化, 探讨滑翔机的运动性能与控制能力。LQR是一种典型的利用系统全状态的控制方法, 可有效说明系统变量的最优变化过程。

控制律

仿真滑翔机由–30°~30°的运行过程, 设置速度为0.3 m/s, 俯角运行100 s后, 开启控制器。滑翔机俯仰角度变化如图5所示, 浮力系统质量变化如图6所示, 滑翔轨迹如图7所示。

图5 俯仰角度随时间变化曲线

图6 浮力系统质量随时间变化曲线

图7 浅域水下滑翔机巡航路径对比

由图5可知, 机体可平滑稳定地完成俯仰角度的切换。图6中, 浮力系统质量围绕125 mL变化, 总变化量约38 mL, 由此可知, 由平衡状态起始, 浮力机构变化19 mL即可达到速度要求。由图7可知, 经过控制器的调节, 仿真轨迹可以很好地跟随设定值。但在开启控制器后, 滑翔机仍向下运动了约0.4 m, 该深度是由滑翔机的调节机构延时与机体惯性造成的, 与深海滑翔机相比, 该深度值较小, 满足快速调节的性能要求。

4 水池试验

上述分析说明了滑翔机具有快速调节能力, 文中通过试验测试其运动能力, 在尺寸23 m×23 m,深5 m的水池中测试滑翔机运动性能, 利用1个置于机头的压力变送器反馈深度, 拉线位移传感器反馈俯仰滑块与浮力系统状态, 三维电子罗盘反馈滑翔机姿态, 信号反馈周期为1 s, 频率为890 MHz的无线通信模块传输控制与反馈信号。设定滑翔机下俯滑翔到达3 m深度时转换姿态, 开始上浮滑翔, 姿态转换时控制俯仰调节机构与浮力调节机构以匀速状态动作, 机体达到设计状态时执行机构停止动作。以约0.2 m, 60º的滑翔角度滑翔。拍摄的水下滑翔机锯齿形运动轨迹如图8所示。水下滑翔机仿真路径与实测路径存在一定差异, 因为仿真路径基于LQR控制器得到, 控制器利用了系统的全状态, 从而使各个状态变量都平滑过渡, 但同时也牺牲了执行机构的突出作用, 轨迹差异对比如图9所示。因滑翔机没有侧向重心调节装置, 配置的滑翔机重心偏右, 机体微微向右偏转, 滑翔过程中会造成滑翔机微微向右偏航。从试验结果可以看出, 在姿态转换时有明显的过冲现象, 这是因转换过程执行机构调节过快造成的。

图8 浅域水下滑翔机锯齿形运动路径

图9 浅域水下滑翔机运动路径对比

图10 浅域水下滑翔机巡航回转路径

水池试验验证了该水下滑翔机的稳定性和快速俯仰调节的能力, 其具有较小的转弯半径。经过约40 min连续的水池巡航试验, 再次测量电池的容量, 电池消耗了2.5 Ah的容量, 电池包由102节3.7 V, 3.4 Ah的18650电池组成, 总容量250 Ah, 则按此估计, 该水下滑翔机可连续运行约66 h, 达到长时间连续巡航的要求。

5 结束语

为解决滑翔机对浅水域环境的监控问题, 文中提出一种浅水域水下滑翔机设计方案, 该方案设计了基于丝杆副传动装置的可快速调节的单冲程浮力调节系统, 并在建立的浅域滑翔机动力学模型基础上, 设计了LQR控制器, 实现了浮态切换的快速调节控制。其中, 基于丝杆副机构设计的浮力系统具有快速调节浮力的能力, 浮力调节系统布置于机体首部的形式可辅助滑翔机调节姿态, 进一步节省能源。

通过水池试验的验证, 研制的水下滑翔机机体最大潜深30 m, 具有出色的浅水域运动能力, 可以在3 m的深度内顺利运行, 完成潜浮状态的转换, 转弯半径较小, 可达9 m, 能耗量小, 达到较小惯性延时滑翔深度的浅水域巡航需求, 完全满足在浅水域稳定运行与顺利巡航的要求。

目前的研究还存在不足之处, 如控制方法在滑翔机上的实际应用、浅水域环境因素如海水密度与海流对运动的影响等, 也是进一步待研究的内容。

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Design and Performance Analysis of an Underwater Glider for Shallow Water

CHEN Meng-wei1, LIU Yan-ji2

(1. Shanghai Industrial Technology Institute, Shanghai 201206, China; 2. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

For monitoring shallow water environment, an underwater glider for shallow water was designed. The effect of the coupling mode of the pitch and buoyancy mechanism adjustment and the pitch angle on the overall performance of the glider was analyzed. A single stroke buoyancy regulating system based on screw pair transmission device was designed, and the fin rudder adjustment device was used to realize the turning adjustment of the glider body. Moreover, a dynamic model of glider running in shallow water was established, a linear quadratic regulator(LQR) controller was designed, the weight parameters of the controller were determined, and the fast control of buoyancy state switching was realized by comprehensively considering the state variables of the moving parts inside the glider body. At last, the performance of the glider was tested in a water tank, and the result shows that this underwater glider can run smoothly in the depth range of 3 m with a small turning radius of 9 m, which meets the requirements of stable operation and smooth cruise in shallow water.

underwater glider; shallow water; dynamic model; tank test

陈孟伟, 刘雁集. 浅域水下滑翔机设计及性能分析[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(1): 59-64.

TJ6; U665; TP24

A

2096-3920(2019)01-0059-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.010

2018-06-13;

20018-11-19.

上海市经济和信息化委员会专项资金项目资助(JJ-YJCX-01-17-1893).

陈孟伟(1993-), 男, 本科, 主要研究方向为过程自动化技术.

(责任编辑: 杨力军)