傾轉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 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮江 212003)

傾轉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 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮江 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)為了實現高性能的矢量推進需要配置數量較多的推進器，通過引入傾轉螺旋槳可以減少總的推進器數量，利用Simulink軟件建立了傾轉槳潛器水下運動仿真模型并進行了操縱控制仿真研究，仿真結果顯示了傾轉螺旋槳優秀的矢量推進性能。

ROV 傾轉槳 矢量推進 操縱仿真

1 引言

隨著各國經濟的飛速發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。為了生存和發展，海洋開發勢在必行。由于水下環境惡劣危險，人的潛水深度有限，各類潛水器已成為開發海洋的重要工具。ROV(無人遙控潛水器)是海洋觀測開發的重要設備，由于ROV具有安全、經濟、高效和作業深度大等突出特點，在世界上得到了越來越廣泛的應用。

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

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

潛器采用矢量推進器，只需要較少數量的推進器，便可達到使矢量推進方法具有較好操縱性能的目的。然而目前所應用的矢量推進器結構較為復雜，對機構長期運行的可靠性有一定影響。受到美國V-22魚鷹式傾轉旋翼機的啟發，在潛器上應用了傾轉螺旋槳這一相對簡單的水下矢量推進器，在維持其原有較好的操縱機動性和靈活性的同時，減少了螺旋槳數目。基于此原理開發了相應的傾轉螺旋槳潛器，并應用一種模糊PID控制算法，針對其配置的傾轉螺旋槳進行了潛器的操控性能研究，通過仿真驗證了傾轉螺旋槳優越的操縱性能。

2 ROV運動模型

基于研究傾轉螺旋槳其操縱性能的目的，設計了一臺微型ROV作為研究平臺。微型ROV一般可采用簡單的圓柱形外形設計，在兩端配置半球導流罩組成耐壓筒主體，注意控制整個潛器的設備重量，可不另外設置浮力材料。為了滿足ROV低速推進的需求，在耐壓筒中部兩側布置了兩臺導管槳推進器，其推力軸線可繞其轉軸正負90°內傾轉，潛器外形如圖1所示。根據ROV的航速要求和推進器空間布置的需求特點，采用了高轉速導管螺旋槳[4]，以便在較小的螺旋槳尺寸下形成所需的推進力。分析該ROV的機動能力，主要特點是依靠推進器沿著橫向轉軸傾轉后，在縱向和垂向形成推力分量，使潛器具備所需的垂直面和水平面機動能力。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向機動。

圖1 傾轉螺旋槳ROV

為研究的統一性，文中坐標系、名詞和符號均采用國際水池會議(ITTC)推薦的坐標系統。ROV的操縱數學模型沿用格特勒潛艇標準運動方程，潛器的運動模型通常采用慣性坐標系和隨動坐標系兩套坐標系統，分別用于運動的水動力特性和軌跡姿態模擬。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動方程[8]，根據所研究ROV的機動能力作相應修改和簡化，將推進器推力根據傾轉角度分配到相應的軸向上，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，其動力學方程為

設2個推進器的推力分別為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的關系為

Fp=ATp(2)

式中A為與推進器裝配位置相關的推力轉換矩陣，可表示為

式中：φ為推進器與水平面的傾轉角；a為推進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器所發出的推進力，需要轉換矩陣A的偽逆矩陣A+，從矢量推力和力矩反向計算出各推進器所需發出的推力：

采用各推進器推力Tp表示的ROV運動模型的狀態方程為

式中：X=[uwr]T；B=M-1P；C=M-1A，

其中

3 傾轉螺旋槳ROV仿真實例

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

表1 ROV水動力系數

根據ROV運動模型和計算出的各類水動力參數，應用仿真軟件Simulink建立傾轉槳潛器運動與控制仿真模型，潛器航速、螺旋槳傾轉角均采用工程上常用的PID方法[6]來控制。ROV水平航行時，螺旋槳傾轉角度為0，控制左右兩個螺旋槳輸出大小相等的力；當ROV需要水平轉向時，螺旋槳傾轉角度不變，當兩個螺旋槳推力不等時，形成所需的轉艏力矩；當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，而螺旋槳傾轉一定角度，使推力在水平面和垂直面形成所需要的推進力。

4 結果分析

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

圖2、圖3分別反應了這一過程中潛器深度和傾轉槳傾轉角度變化情況，從數值模擬曲線可以看出，傾轉槳運用于潛器的垂直面操縱時，系統響應迅速，運動狀態穩定，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)，隨著變深機動的結束，螺旋槳傾轉角度恢復為0，推力又全部回到水平面，ROV前進速度很快恢復到原大小。

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

圖2 潛器深度變化曲線

圖3 傾轉槳傾轉角度變化曲線

圖4 變深時ROV前進速度變化曲線

圖5 ROV轉艏30°的角度變化曲線

5 結論

根據上述的計算分析，傾轉槳應用于潛器的垂直面運動時具有非常優異的矢量推進性能，系統反應快，運動穩定，達到了傾轉槳的設計應用目標。傾轉槳ROV轉艏與普通ROV響應情況相似，在深度機動時表現出較好的機動能力。

通過運用傾轉螺旋槳，減少了潛器上推進器的運用數量和操控復雜性，降低了推進系統復雜程度和推進系統的動力消耗，整個系統的運行能耗也隨之進一步地降低。同時簡化了潛器的結構和重量，降低了潛器的造價，對于今后潛器的設計優化和工程應用具有重要的意義。

[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螺旋槳傳動系統設計與分析[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．潛艇操縱性[M].北京：國防工業出版社,1995．

[6] 劉可峰，連璉，姚寶恒. 潛艇低速運動時操縱控制仿真[J]. 艦船科學技術，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

國家自然科學青年基金項目(編號：51309125)。

侯家怡(1994-)，女，本科。

U661

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