基于柔性水翼的波浪滑翔器设计

刘莘怡，刘 颖，林爱梅，吴思淇，尹新彦

（北京理工大学珠海学院，广东 珠海 519800）

波浪滑翔器是一种依靠波浪能驱动的新型水面无人航行器，作为一种新型的可持续的海洋观测平台，其通过海洋中源源不断的波浪能获取前进动力[1-3]。利用母船上自带的太阳能电池板不断地补充能量，为控制系统、导航系统、通信系统以及各种海洋监测设施提供能量，续航能力得到了极大的保障，使其作用范围和作业时间要比其他海洋观测装备高[4-8]。另外，应用这2 种可再生的清洁能源，不仅遵循新发展理念，可以更好地去保护生态环境，还可以实现长时间远距离地在宽大的海域上航行，弥补了现有海洋监测设备的不足，开发出完全利用自然能源即可实现自主航行的新型海洋监测器[9]。美国Liquid Robot 公司开发了利用波浪能垂荡运动提供运动能量的机动浮标产品Wave Glider，完成多次海试任务，已在水体和洋流的测量、海洋气象、溢油泄漏检测、海洋生物监测和海洋环境生态研究等多领域得到应用，并且在横穿太平洋的PACX 活动中，打破了无人海洋机器人行驶最远距离的世界记录[1]。

简单来说，波浪滑翔器作为一种新型的自主海洋观测平台，具有航行时间长、自主性强、零排放和经济性高等突出优点。与传统的需自带电源动力的海洋观测设备相比，波浪滑翔器只需依靠自然能源驱动便可航行，具有强大的环境适应性。其能长期、自主地执行环境监测、水文调查、气象预报、生物追踪、远程预警和通信中继等作业，且能在不同海况下进行观测，观测性能良好，在海洋领域呈现广阔的应用前景[10]。

1 机械结构设计

1.1 总体结构

波浪滑翔器主要由3 部分组成，分别是水上母船、柔性缆绳及水下滑翔体。水面母船主要由太阳能电池板、螺旋桨及漂浮材料包围起来的密封舱室、天线、控制系统及各种传感器等组成。水下滑翔体采用纯机械的方式，不需要外界能量供给，只需要从波浪的上下运动中获取能量，将波浪能转化为机械能，便可以驱动机构的前行，其主要由可转动的翼板、转向舵轮、弹簧及身体支撑架等组成。柔性缆绳连接着水上母船和水下滑翔体，保证其整体运动姿态。该类型的机构能够实现长时间、大范围、零排放、灵活自主和经济性高等优势的海洋观测作业，避免反复回收更换电池，有效节约能源，通过PID 技术在某一位置固定观测，具有广泛应用前景。

水上母船的结构基本对称，底面宽，且在母船前进方向侧设置了整流的造型，使水上母船能更好地在水面漂浮，后面的推进器是辅助动力源，一旦需要辅助动力驱动，推进器会开始工作。天线负责与岸基基站的信号接收天线通信，太阳能电池板辅助发电。太阳能电池板捕获的电能储存在蓄电池中，为整个平台的电力系统提供稳定的能源。

水下滑翔体尾部的转向舵轮采用左右对称的结构，中间镂空，使水流通过时水压力相等，从而能直立靠自身重力向下运动。左右两侧的翼板通过翻转产生推力，弹簧式翼板受到下限位角的约束。

1.2 运动机理

波浪滑翔器主要以波浪滑翔器捕获的波浪能作为前行动力，而水上母船搭载的太阳能电池板吸收的能量主要供应给其上搭载的控制系统、通信系统和各类传感器等进行驱动。通过使用该2 种清洁能源，解决了海洋航行器动力源及搭载设备用电的难题。

波浪滑行器的运动以波浪理论和水下动力学为基础。通过计算分析可知，当波浪滑翔器沿着波面爬升时，柔性缆绳处于紧绷状态，此时水上母船上浮并通过柔性缆绳拉动波浪滑翔器向上爬升，但是此时水翼又受到水动力的影响向后下方转动，滑翔器在这二者的共同作用下产生了一个向前的水平推力，带动波浪滑翔器向前运动；当波浪滑翔器随着波面下降的时候，柔性缆绳处于松弛状态，波浪滑翔器受重力影响向下运动，同时拉动水上母船向下运动，与此同时，水翼还受到了水动力的影响向后上方转动，滑翔器在这二者的约束下产生水平向前的推力，于是整机向前推进。综上所述，不难发现，波浪滑翔器在工作过程中，无论是沿着海浪向上浮动还是向下沉坠，波浪滑翔器的侧翼板都会产生向前的推力，波浪滑翔器正式利用该推力向前运动，同时通过柔性缆绳的作用，带动水上母船向前运动，从而实现了整机前进，很好地利用了由波浪能转换而来的机械能，如图1 所示。

图1 波浪滑翔器的水动力分析

由上述可知，只要存在波浪，就能带动母船上浮或者下潜，水下翼板就会产生向前的推力，带动波浪滑翔器整体向前运动。此外，由于波浪滑翔器上带有转向舵机，可以控制波浪滑翔器的航行方向，而且该方向不受海浪方向影响。可以说，巧妙的结构设计保证其能依靠波浪能一直向前航行，而转向舵机的加入很好地解决了方向掌控上的一大难题。

1.3 基于柔性水翼的机械结构设计

波浪滑翔器主要由身体支架、6 组平行对称的柔性水翼、弹簧、转向舵轮和万向节吊钩等组成。由于整机的前进动力能源基本都来自波浪能，因此波浪滑翔器的结构设计就显得尤为重要。受波浪、重力和加速度等因素的影响，水翼所获得的推力并不高，而且推进效率也较低，为了整机能够更理想最大限度地发挥其预设作用，需要对波浪滑翔器整机进行结构设计优化，同时优化整体结构的稳定性。

水翼翼板是波浪滑翔器捕获波浪能并将其转为前进动力的关键结构，水翼翼板的设计和选型决定着波浪滑翔器的推进效率和稳定性。根据水下环境情况及作业要求，在设计水翼翼板时主要参考了低速翼的设计方法，要求侧翼板的尺寸和侧翼板的翼型及尺寸适应实际的海洋水流冲刷，在运动过程中尽量避免在侧翼板发生流动分离现象，进而提高推进效率增加侧翼板往复运动的频率。另外，侧翼板之间的分布间距设计，以及翼板展弦比、后掠角和翼板的摆动角度也需要适应实际的洋流海况，防止发生干涉或交叉，减少对升阻比的影响，保证推进效率，提高稳定性。

当母船受到波浪冲上浮时，波浪滑翔器向前移动，水翼向上翻转的速度远低于向下翻转的速度。假设当海浪浪高较大时，由于波浪滑翔器的工作波高较大，水翼向下旋转运动时，容易在下限位角的固定部件之间产生强烈的刚性碰撞，导致部件疲劳损坏及能量损耗，无法前行。反之，当波浪滑翔器母船工作时遇到波浪的波高较小时，水翼极有可能无法达到其最大下限位角，进而导致翼板无法实现上下正常翻动。因此在这里提出将水翼改进为弹性水翼的设想，通过固定其上限位角，并用弹簧约束其下限位角。如果遇到波浪波高较大时，弹簧机构可以避免在水翼与下限位角固定部件之间产生刚性碰撞，这部分额外能量将被以弹性势能的方式储存在弹簧中，避免翼板结构被破坏; 如果波浪波高比较小，那么储存的弹簧势能将释放给翼板回复力，为波浪滑翔器提供前进的动力。

在波浪滑翔器的运行过程中，期望能尽量实现水上母船的吃水深度在一个稳定范围内波动，同时在这个区间的范围内要兼顾提高波浪传递效率，这就要求母船的面积要大、质量要小且材质要好，以均摊影响；另外与海面接触的下表面应采取流线型设计，以减少前进阻力。由能量守恒定律可得，水上母船的质量减少了，那么波浪滑翔器的重量就要增大。为了保证运动过程当中整机姿态的稳定，要求波浪滑翔器的重心、浮心、吊点及水动力中心保持在同一条竖直线上。

2 硬件设计

2.1 控制系统设计

本设计采用LPC2478 作为Mini ARM 嵌入式核心板的微处理器，中央处理器采用ARM7TDMI 芯片，选用XW540-T260-R 型防水舵机，外围留有端口，用于连接传感器、通信系统和供电系统等，系统框架图如图2 所示。传感器主要用于感知周围环境信息，提供波浪滑翔器的姿态信息、周围噪音、水温、风速和湿度等。GPS 模块的经纬度由LPC2478 接收，航向角数据则由位置保持控制算法处理，进而控制舵机打舵偏角，保证波浪滑翔器的航向控制，完成自主航行。

图2 总体控制框图

无线通信电路通过与远端连接以监测设备正常运行。采取中继通信，在岸基基站建信号接收天线，与波浪滑翔器的天线建立联系取得通信，将发现作业目标踪迹时的监测数据回传给岸基基站。

2.2 电源管理模块设计

波浪滑翔器电源要分别为主控芯片、通信模块和携带的监测设备等供电，而电能持续来源于太阳能板，不同于其他供电方式。因此，电源管理模块采用低功耗单片机，通过外设继电器控制电路，增加太阳能智能控制系统进行电源使用管理，其原理框图如图3 所示。

图3 电源管理示意图

充放电保护电路如图4 所示，左侧为太阳能充电电路的主控芯片CN3065，该充电电路可以将太阳能板转换的电能为锂电池进行充电。如果太阳能板产生的输入电压大于设定的阈值电压及锂电池的端电压，那么主控芯片将开始对锂电池充电，此时红色LED 点亮，当绿色LED 亮起时，则表示锂电池充满。右侧放电保护电路的主控芯片CN301 用于检测锂电池极端的电压。如果太阳能板两端充电电压高于设定的高电压警戒阈值，此时NMOS 管和PMOS 管将被导通，放电回路开始工作。如果锂电池两端电压持续下降到低于设定的过低电压警戒阈值时，那么NMOS 管和PMOS 管将被截止，此时切断放电回路，实现锂电池低电量保护功能。

图4 充电放电保护电路设计原理图

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随波逐流，在发现某特定目标时，需要波浪滑翔器在某一区域停驻监测。因此，为了让波浪滑翔器能够在某一区域保持稳定悬停，本文采用了一种位置保持控制算法，来使波浪滑翔器在某一区域稳定保持。该算法基于分区控制和约束圆理论，如图5 所示。一个圆是由一个只有圆心的位置保持点构成的，这个位置保持点称为约束圆区域。根据坐标系的象限分割法，约束圆分为4 个区域，即区域I、区域II、区域III 和区域IV。在约束圆中，波浪滑翔器的预期航向根据其位置设置为一个常数值，即I 区预期航向为-3π/4、II 区预期航向为3π/4、III区预期航向为π/4 和IV 区的预期航向为-π/4。当波浪滑翔器脱离约束圆时，根据其当前位置和期望保持点计算其期望航向，然后利用模糊PID 控制器计算所需的舵角，使波浪滑翔器移动到位置保持点。由于波浪滑翔器机动性较差，而位置保持控制算法能减少波浪滑翔器在保持位置点附近期望航向的变化次数，将运动区域约束在约束圆区域内，提高了导航稳定性，减少了不必要的能量消耗，实现了保持位置的功能。当波浪滑翔器进入约束区域时，预期航向不会改变，只有当其离开约束区域时，预期航向才会改变。

图5 位置保持控制算法

4 结论

本文设计了一种基于柔性水翼的波浪动力无人航行器，该设备是一种利用海洋波浪能即可实现自主航行的新型海洋监测平台，该设备将海浪的能量转化机械能，将波浪能转化为正向能量推力，与波浪方向无关，其主体结构有水面母船、水下滑翔体和柔性缆绳3大部分组成。通过采用一种柔性水翼设计，以实现有效缓解了水下滑翔体翼板应力损伤以及增加翼板在驱动中的作用。本文采用了一种位置保持控制算法来实现波浪滑翔器能够长时间在某一特定海域保持位置稳定，以便实现特定区域的监测。采用以上设计可以实现波浪滑翔器长时、定点监测任务，以更好地利用和开发海洋资源，保护生态系统多样性。