侯家怡， 劉可峰， 常 琦， 鄭 怡

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

傾轉(zhuǎn)螺旋槳潛器操控研究

侯家怡， 劉可峰， 常 琦， 鄭 怡

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

由于航速較低，舵效較差，使得低速潛器操縱控制比較困難，通常ROV(無人遙控潛水器)為了實現(xiàn)高性能的矢量推進(jìn)需要配置數(shù)量較多的推進(jìn)器，通過引入傾轉(zhuǎn)螺旋槳可以減少總的推進(jìn)器數(shù)量，利用Simulink軟件建立了傾轉(zhuǎn)槳潛器水下運動仿真模型并進(jìn)行了操縱控制仿真研究，仿真結(jié)果顯示了傾轉(zhuǎn)螺旋槳優(yōu)秀的矢量推進(jìn)性能。

ROV 傾轉(zhuǎn)槳 矢量推進(jìn) 操縱仿真

1 引言

隨著各國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和世界人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多，陸地上的資源正在日益減少。為了生存和發(fā)展，海洋開發(fā)勢在必行。由于水下環(huán)境惡劣危險，人的潛水深度有限，各類潛水器已成為開發(fā)海洋的重要工具。ROV(無人遙控潛水器)是海洋觀測開發(fā)的重要設(shè)備，由于ROV具有安全、經(jīng)濟、高效和作業(yè)深度大等突出特點，在世界上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

潛器的操縱控制性能是其航行能力的重要指標(biāo)，ROV一類的低速潛器由于速度低、舵力小而操縱性能差，一般采用多個推進(jìn)器矢量布置的方法來實現(xiàn)較高的操縱性能需求，然而其系統(tǒng)復(fù)雜驅(qū)動能耗較大，例如國內(nèi)目前最先進(jìn)的“海馬號”ROV在水平面和垂直面分別配置了4套推進(jìn)器，推進(jìn)器總數(shù)達(dá)到了8個。

為了保留潛器推進(jìn)器矢量布置在低速航行時仍然具有較好操縱性能的優(yōu)點，人們對潛器適用的矢量推進(jìn)器進(jìn)行了較多的開發(fā)研究。國外的Emanuele Cavallo等[1]研究了一個裝備3自由度的矢量推進(jìn)器的潛水器；國內(nèi)陳路偉等[2]對加裝可動型矢量噴管的噴水推進(jìn)式水下航行器縱向運動的運動學(xué)方程進(jìn)行了推導(dǎo),并對縱向運動的操縱性進(jìn)行了仿真計算；方世鵬等[3]設(shè)計和研究了基于錐齒輪輪系傳動的矢量推進(jìn)機構(gòu)。該裝置把原來的螺旋槳推進(jìn)軸系和舵合二為一，通過改變螺旋槳的空間姿態(tài)來改變推進(jìn)器的推力矢量方向，由三個電機控制，改變螺旋槳軸的矢量方向和旋轉(zhuǎn)速度，從而獲得方向和大小都可以改變的矢量推進(jìn)力。

潛器采用矢量推進(jìn)器，只需要較少數(shù)量的推進(jìn)器，便可達(dá)到使矢量推進(jìn)方法具有較好操縱性能的目的。然而目前所應(yīng)用的矢量推進(jìn)器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對機構(gòu)長期運行的可靠性有一定影響。受到美國V-22魚鷹式傾轉(zhuǎn)旋翼機的啟發(fā)，在潛器上應(yīng)用了傾轉(zhuǎn)螺旋槳這一相對簡單的水下矢量推進(jìn)器，在維持其原有較好的操縱機動性和靈活性的同時，減少了螺旋槳數(shù)目?；诖嗽黹_發(fā)了相應(yīng)的傾轉(zhuǎn)螺旋槳潛器，并應(yīng)用一種模糊PID控制算法，針對其配置的傾轉(zhuǎn)螺旋槳進(jìn)行了潛器的操控性能研究，通過仿真驗證了傾轉(zhuǎn)螺旋槳優(yōu)越的操縱性能。

2 ROV運動模型

基于研究傾轉(zhuǎn)螺旋槳其操縱性能的目的，設(shè)計了一臺微型ROV作為研究平臺。微型ROV一般可采用簡單的圓柱形外形設(shè)計，在兩端配置半球?qū)Я髡纸M成耐壓筒主體，注意控制整個潛器的設(shè)備重量，可不另外設(shè)置浮力材料。為了滿足ROV低速推進(jìn)的需求，在耐壓筒中部兩側(cè)布置了兩臺導(dǎo)管槳推進(jìn)器，其推力軸線可繞其轉(zhuǎn)軸正負(fù)90°內(nèi)傾轉(zhuǎn)，潛器外形如圖1所示。根據(jù)ROV的航速要求和推進(jìn)器空間布置的需求特點，采用了高轉(zhuǎn)速導(dǎo)管螺旋槳[4]，以便在較小的螺旋槳尺寸下形成所需的推進(jìn)力。分析該ROV的機動能力，主要特點是依靠推進(jìn)器沿著橫向轉(zhuǎn)軸傾轉(zhuǎn)后，在縱向和垂向形成推力分量，使?jié)撈骶邆渌璧拇怪泵婧退矫鏅C動能力。在操控仿真研究中，ROV的運動可以作一定的簡化，其主要運動為垂直面機動和水平面轉(zhuǎn)向機動。

圖1 傾轉(zhuǎn)螺旋槳ROV

為研究的統(tǒng)一性，文中坐標(biāo)系、名詞和符號均采用國際水池會議(ITTC)推薦的坐標(biāo)系統(tǒng)。ROV的操縱數(shù)學(xué)模型沿用格特勒潛艇標(biāo)準(zhǔn)運動方程，潛器的運動模型通常采用慣性坐標(biāo)系和隨動坐標(biāo)系兩套坐標(biāo)系統(tǒng)，分別用于運動的水動力特性和軌跡姿態(tài)模擬。潛艇水下空間運動方程概括起來包含了三個軸向移動方程和三個繞軸向轉(zhuǎn)動方程[8]，根據(jù)所研究ROV的機動能力作相應(yīng)修改和簡化，將推進(jìn)器推力根據(jù)傾轉(zhuǎn)角度分配到相應(yīng)的軸向上，并忽略垂直面對水平面的一些影響和一些高階項及外部環(huán)境力等影響，得到了該ROV適用的三自由度運動方程，其動力學(xué)方程為

設(shè)2個推進(jìn)器的推力分別為t1，t2，可用矩陣表示為Tp=[t1t2]T，和ROV所需推力的矢量矩陣Fp=[XTZTNT]T的關(guān)系為

Fp=ATp(2)

式中A為與推進(jìn)器裝配位置相關(guān)的推力轉(zhuǎn)換矩陣，可表示為

式中：φ為推進(jìn)器與水平面的傾轉(zhuǎn)角；a為推進(jìn)器推力矢量相對中縱平面的力臂。

ROV運動方程需要的是各運動矢量方向上的推力和力矩，而工程上控制的是各推進(jìn)器所發(fā)出的推進(jìn)力，需要轉(zhuǎn)換矩陣A的偽逆矩陣A+，從矢量推力和力矩反向計算出各推進(jìn)器所需發(fā)出的推力：

采用各推進(jìn)器推力Tp表示的ROV運動模型的狀態(tài)方程為

式中：X=[uwr]T；B=M-1P；C=M-1A，

其中

3 傾轉(zhuǎn)螺旋槳ROV仿真實例

以研制中的微型傾轉(zhuǎn)螺旋槳ROV為研究對象，經(jīng)過多方案的權(quán)衡對比，其主尺度最終定為0.46 m×0.335 m×0.16 m (長×寬×高)，推進(jìn)器水平面推力矢量對質(zhì)心的布置力臂a為0.15m。為了保證所建立模型的精度，應(yīng)用設(shè)計軟件SolidWorks三維幾何建模計算得其質(zhì)量為9kg，對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量為0.08kg·m2，利用迭加原理進(jìn)行了一系列水動力系數(shù)計算，經(jīng)過數(shù)值處理和無因次換算后得到的部分水動力系數(shù)如表1所示。

表1 ROV水動力系數(shù)

根據(jù)ROV運動模型和計算出的各類水動力參數(shù)，應(yīng)用仿真軟件Simulink建立傾轉(zhuǎn)槳潛器運動與控制仿真模型，潛器航速、螺旋槳傾轉(zhuǎn)角均采用工程上常用的PID方法[6]來控制。ROV水平航行時，螺旋槳傾轉(zhuǎn)角度為0，控制左右兩個螺旋槳輸出大小相等的力；當(dāng)ROV需要水平轉(zhuǎn)向時，螺旋槳傾轉(zhuǎn)角度不變，當(dāng)兩個螺旋槳推力不等時，形成所需的轉(zhuǎn)艏力矩；當(dāng)ROV需要變深機動時，控制左右兩個螺旋槳輸出大小相等的力，而螺旋槳傾轉(zhuǎn)一定角度，使推力在水平面和垂直面形成所需要的推進(jìn)力。

4 結(jié)果分析

利用上述ROV操控方法，控制ROV到達(dá)2 kn(1.0288 m/s)的巡航速度，經(jīng)過一定時間平穩(wěn)后，在20 s時發(fā)出變深1 m的命令，控制螺旋槳傾轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，潛器變深完成后螺旋槳傾轉(zhuǎn)角度恢復(fù)到初始狀態(tài)，潛器在新的深度上維持原定速巡航工況。

圖2、圖3分別反應(yīng)了這一過程中潛器深度和傾轉(zhuǎn)槳傾轉(zhuǎn)角度變化情況，從數(shù)值模擬曲線可以看出，傾轉(zhuǎn)槳運用于潛器的垂直面操縱時，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，運動狀態(tài)穩(wěn)定，證明了本文方法的有效性。在變深機動時，螺旋槳推力在兩個機動面內(nèi)矢量分布，水平面的推力分量減少，故水平面的運動速度此時有一個降低的過程，(如圖4所示)，隨著變深機動的結(jié)束，螺旋槳傾轉(zhuǎn)角度恢復(fù)為0，推力又全部回到水平面，ROV前進(jìn)速度很快恢復(fù)到原大小。

當(dāng)ROV水平面轉(zhuǎn)向時，兩個螺旋槳推力不等，形成所需的轉(zhuǎn)艏力矩，這和常規(guī)螺旋槳固定矢量布置的ROV情況相似，圖5展示了ROV轉(zhuǎn)向30°的過程中艏向角變化情況。

圖2 潛器深度變化曲線

圖3 傾轉(zhuǎn)槳傾轉(zhuǎn)角度變化曲線

圖4 變深時ROV前進(jìn)速度變化曲線

圖5 ROV轉(zhuǎn)艏30°的角度變化曲線

5 結(jié)論

根據(jù)上述的計算分析，傾轉(zhuǎn)槳應(yīng)用于潛器的垂直面運動時具有非常優(yōu)異的矢量推進(jìn)性能，系統(tǒng)反應(yīng)快，運動穩(wěn)定，達(dá)到了傾轉(zhuǎn)槳的設(shè)計應(yīng)用目標(biāo)。傾轉(zhuǎn)槳ROV轉(zhuǎn)艏與普通ROV響應(yīng)情況相似，在深度機動時表現(xiàn)出較好的機動能力。

通過運用傾轉(zhuǎn)螺旋槳，減少了潛器上推進(jìn)器的運用數(shù)量和操控復(fù)雜性，降低了推進(jìn)系統(tǒng)復(fù)雜程度和推進(jìn)系統(tǒng)的動力消耗，整個系統(tǒng)的運行能耗也隨之進(jìn)一步地降低。同時簡化了潛器的結(jié)構(gòu)和重量，降低了潛器的造價，對于今后潛器的設(shè)計優(yōu)化和工程應(yīng)用具有重要的意義。

[1] Emanuele Cavallo，Rinaldo C Michelini．Conceptual Design of an AUV Equipped with a Three Degree of Freedom Vectored Thruster[J].Journal of Intelligent & Robotic Systems，2004，39:365-391.

[2] 陳路偉,周朝暉．矢量推進(jìn)方式下的自主式水下航行器縱向運動操縱性分析[J].船海工程，2011，40(2)：119-124．

[3] 方世鵬，潘存云，徐海軍．水下載運器矢量推進(jìn)螺旋槳傳動系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].機械制造，2009，47(1)：22-26．

[4] 劉可峰, 姚寶恒, 連璉. 深潛器等厚導(dǎo)管螺旋槳敞水性能計算分析[J]. 船舶工程, 2014, 36(1): 37-40.

[5] 施生達(dá)．潛艇操縱性[M].北京：國防工業(yè)出版社,1995．

[6] 劉可峰，連璉，姚寶恒. 潛艇低速運動時操縱控制仿真[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2014, 36(11): 18-22．

The Manipulation Research on Submarine with Tilt Rotor

HOU Jia-yi, LIU Ke-feng, CHANG Qi, ZHENG Yi

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

Low speed submarine is hard to handle because its low speed and bad steer ability. Normally the ROV needs to equip more propellers to achieve the high performance of vectored propulsion, the number of propellers can be reduced by using tilt rotor. This article builds an underwater motion simulation model of tilt rotor based on Simulink software and studies its manipulation simulation, the result shows that the tilt rotor has a good performance of vectored propulsion.

ROV Tilt rotor Vectored propulsion Manipulation simulation

國家自然科學(xué)青年基金項目(編號：51309125)。

侯家怡(1994-)，女，本科。

U661

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