一種新型雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船風(fēng)力作用下的運(yùn)動(dòng)特性變化預(yù)報(bào)研究

官 晟, 何志強(qiáng), 金久才, 王巖峰

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一種新型雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船風(fēng)力作用下的運(yùn)動(dòng)特性變化預(yù)報(bào)研究

官 晟1, 2, 何志強(qiáng)3, 金久才1, 王巖峰1, 2

(1. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237; 3. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一五研究所, 浙江 杭州 310023)

小型雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船運(yùn)行平穩(wěn), 甲板尺寸大, 吃水淺, 在水環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程測(cè)量、巡邏跟蹤、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。但該類船風(fēng)阻大, 水動(dòng)力復(fù)雜, 運(yùn)動(dòng)特性在風(fēng)力作用下變化明顯。本文對(duì)雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船的風(fēng)作用力進(jìn)行了分析, 將風(fēng)作用項(xiàng)引入其動(dòng)力學(xué)模型。利用該模型, 對(duì)其主要運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真預(yù)報(bào)。仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的一致性。該研究結(jié)果可以為新型雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船運(yùn)動(dòng)控制算法在不同風(fēng)作用環(huán)境下的適應(yīng)性調(diào)整提供依據(jù), 從而提高其海上作業(yè)能力與控制精度。

雙體船; 風(fēng)力作用; 運(yùn)動(dòng)特性; 仿真預(yù)報(bào)

近幾年, 小型自動(dòng)表面船(Unmanned Surface Vehicle, USV)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程測(cè)量、巡邏跟蹤、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣[1-4]。相比有人船, USV具有更高的作業(yè)效率, 可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間自主作業(yè), 大大降低時(shí)間、人力、物力成本。USV還可以進(jìn)入海況更復(fù)雜的區(qū)域, 尤其是有人船不易到達(dá)的島礁區(qū), 淺水區(qū)等。因此, USV和無(wú)人機(jī)、無(wú)人車技術(shù)一樣, 具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。雙體無(wú)人船是USV船型結(jié)構(gòu)中一種重要的類型。相比于傳統(tǒng)船型, 雙體無(wú)人船具有運(yùn)行平穩(wěn), 甲板尺寸大, 吃水淺等優(yōu)點(diǎn), 是一種很有發(fā)展前途的USV類型。

準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制算法是無(wú)人船實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。而無(wú)論是在人工遙控算法, 路線跟蹤算法, 還是自主規(guī)劃算法中, 運(yùn)動(dòng)特性都是基本參數(shù)[5-8]。運(yùn)動(dòng)特性既有USV自身結(jié)構(gòu)、外形、動(dòng)力等因素決定的部分, 也有USV對(duì)不同運(yùn)動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生的響應(yīng)部分。自然水體中, 風(fēng)、流、波浪是對(duì)USV運(yùn)動(dòng)性能影響最大、最直接的環(huán)境因素[9]。由于小型USV在動(dòng)力、速度等參數(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般船舶, 因此, 其運(yùn)動(dòng)性能受風(fēng)、流、波浪等環(huán)境因素的影響也比一般船舶顯著。雙體USV船型新穎, 但風(fēng)阻大, 水動(dòng)力復(fù)雜, 風(fēng)力作用研究尤為重要。

本文在一種搭載測(cè)深儀、溫鹽等傳感器的雙體USV運(yùn)動(dòng)模型研究的基礎(chǔ)上, 分析了風(fēng)場(chǎng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的作用, 并對(duì)主要運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了仿真預(yù)報(bào)。該工作可以為新型雙體USV運(yùn)動(dòng)控制算法在不同風(fēng)作用環(huán)境下的適應(yīng)性調(diào)整提供依據(jù)。

1 雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船風(fēng)作用下運(yùn)動(dòng)建模

1.1 雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船概述

該型USV整體結(jié)構(gòu)如圖1所示, 采用雙體船結(jié)構(gòu), 安裝雙電力驅(qū)動(dòng)器推動(dòng), 每個(gè)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速等級(jí)范圍0~200級(jí), 對(duì)應(yīng)推力0~37.5N。該船主要參數(shù)如表1所示。

1.2 雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船運(yùn)動(dòng)模型

水下載體運(yùn)動(dòng)時(shí)受到各種力和力矩的作用, 這些力和力矩形成的合力和合力矩使水下運(yùn)動(dòng)載體產(chǎn)生6個(gè)自由度的空間運(yùn)動(dòng), 對(duì)應(yīng)6個(gè)自由度的動(dòng)力學(xué)描述公式, 稱為六自由度方程。對(duì)USV而言, 六自由度方程中只考慮,,三式即可[10-11]。其中是方向拉力,是方向拉力,是水平轉(zhuǎn)矩。雙體USV的分離型船舶建模(Maneuvering Mathematical Modeling Group, MMG)相關(guān)方程如公式(1)~公式(3)所示。

圖1 雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船結(jié)構(gòu)示意圖

表1 目標(biāo)USV主要參數(shù)

Tab.1 The main parameters of the USV

由于篇幅所限, 對(duì)上述經(jīng)典方程就不做過(guò)多的解釋, 詳細(xì)情況可查閱相關(guān)資料[12-14]。

1.3 風(fēng)力作用分析與運(yùn)動(dòng)模型中風(fēng)作用項(xiàng)的引入

風(fēng)對(duì)USV的作用就是USV出水部分所受的風(fēng)阻力。風(fēng)阻力公式為:

其中,為空氣阻力系數(shù), 和USV的特征面積(迎風(fēng)面積), 物體光滑程度和整體形狀有關(guān),值通常是實(shí)驗(yàn)值, 一般在0.3~0.6之間;為空氣密度, 正常的干燥空氣可取1.293 kg/m3;為USV迎風(fēng)面積;為運(yùn)動(dòng)物體與風(fēng)的相對(duì)速度。

(14)

(15)

圖3 USV受Y軸反方向風(fēng)阻分析圖

2 雙體無(wú)人監(jiān)測(cè)船運(yùn)動(dòng)仿真與實(shí)驗(yàn)

本文采用四階龍格—庫(kù)塔方法, 對(duì)由公式(14)~公式(16)及公式(7)~公式(9)組成的微分方程組求解。

2.1 逆風(fēng)對(duì)USV最高速度的影響

假設(shè)風(fēng)沿USV前進(jìn)方向反向吹來(lái), 仿真了不同風(fēng)速下, 推進(jìn)器不同轉(zhuǎn)速等級(jí)下, USV的最高速度變化, 如圖4所示。一般情況下, USV動(dòng)作精度要求較高時(shí), 都會(huì)降低速度。而從表2可以看出, 降低速度時(shí), 風(fēng)的影響比例提高, 在控制過(guò)程中需要格外注意。

圖4 螺旋槳推力等級(jí)100時(shí)USV啟動(dòng)過(guò)程速度仿真圖

2.2 側(cè)向風(fēng)對(duì)USV直行路徑影響

仿真了2 m/s正側(cè)向風(fēng)作用下USV在不同推進(jìn)力下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程, 如圖5所示。仿真了不同風(fēng)速正側(cè)向風(fēng)作用下, USV在最大推力200級(jí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過(guò)程, 如圖6所示。需要注意的是, 在10 m/s風(fēng)速下, 由于USV側(cè)向轉(zhuǎn)矩較大, USV向來(lái)風(fēng)方向轉(zhuǎn)頭, 并逆風(fēng)前進(jìn)了一段距離。仿真結(jié)果說(shuō)明, 風(fēng)場(chǎng)作用下USV轉(zhuǎn)彎半徑并不是隨風(fēng)速增大而一直減小。

表2 不同逆風(fēng)速下USV最高速度變化

圖5 左右推進(jìn)器轉(zhuǎn)速相同等級(jí)下USV受2 m/s正側(cè)向風(fēng)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

圖6 左右推進(jìn)器轉(zhuǎn)速等級(jí)200時(shí)USV受正側(cè)向風(fēng)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

2.3 風(fēng)對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)USV路徑影響

假設(shè)風(fēng)沿軸反方向吹來(lái), USV在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng), 仿真了USV運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。將該預(yù)報(bào)結(jié)果與雙體USV在有風(fēng)作用情況下, 做圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了對(duì)比。由于實(shí)驗(yàn)是在范圍較小的水庫(kù)靜水中開展, 基本排除了水流、波浪對(duì)雙體USV圓周運(yùn)動(dòng)的影響, 因此實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的變化主要是風(fēng)作用引起。

左、右推進(jìn)器轉(zhuǎn)速等級(jí)分別為50、100時(shí), 圓周運(yùn)動(dòng)軌跡直徑仿真值為9.5 m, 實(shí)測(cè)平均值為12 m, , 誤差為–20.8%; 在4 m/s風(fēng)場(chǎng)中每圈位移3.1 m, 實(shí)測(cè)位移4 m, 誤差為–22.5%, 上述情況如圖7所示。左、右推進(jìn)器轉(zhuǎn)速等級(jí)分別為50、150時(shí), 圓周運(yùn)動(dòng)軌跡直徑仿真值為7 m, 實(shí)測(cè)平均值為8 m, 誤差為–12.5%, 在4 m/s風(fēng)場(chǎng)中每圈位移2.3 m, 實(shí)測(cè)位移2 m,誤差為15%, 上述情況如圖8所示。

3 結(jié)論與分析

本文在一種USV動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上, 研究了風(fēng)場(chǎng)作用項(xiàng)的引入, 并進(jìn)行了不同風(fēng)速, 不同推力下, USV速度、直行、轉(zhuǎn)彎等主要運(yùn)動(dòng)特性的仿真預(yù)報(bào)。本研究結(jié)果能為USV實(shí)用性運(yùn)動(dòng)控制研究中相關(guān)部分奠定基礎(chǔ)。

風(fēng)作用項(xiàng)的引入預(yù)報(bào)了雙體USV多種運(yùn)動(dòng)特性在風(fēng)作用下的變化趨勢(shì)。通過(guò)與前期研究結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比, 證明了風(fēng)場(chǎng)引入模型的可信性。圓周運(yùn)動(dòng)位移預(yù)報(bào)結(jié)果的誤差與半徑預(yù)報(bào)結(jié)果誤差保持了較高的一致性, 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中分別為1.08和1.2。這說(shuō)明雙體USV風(fēng)作用運(yùn)動(dòng)模型中部分參數(shù)的選取, 以及不同推力作用下預(yù)報(bào)模型誤差變化規(guī)律, 可在今后工作中進(jìn)一步研究。

仿真結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也揭示了, 該型USV盡管能夠完成部分無(wú)人監(jiān)測(cè)作業(yè), 連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)等指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 但動(dòng)力較小, 速度較慢, 抗風(fēng)能力較差, 大大降低了環(huán)境適用性。下一步考慮采用增強(qiáng)推力, 加裝穩(wěn)定呆木、方向舵等措施, 提高USV對(duì)惡劣海洋環(huán)境的適應(yīng)能力。

圖7 左、右推進(jìn)器轉(zhuǎn)速等級(jí)分別為50、100的情況下USV在4 m/s風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡仿真與實(shí)測(cè)圖

圖8 左、右推進(jìn)器轉(zhuǎn)速等級(jí)分別為50、150的情況下USV在4 m/s風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡仿真與實(shí)測(cè)圖

[1] Claudia Doria Rodriguez-Ortiz. Automated bathymetry mapping using an autonomous surface craft[D]. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1996.

[2] Curcio J, Leonard J, Patrikalakis A. SCOUT - a low cost autonomous surface platform for research in cooperative autonomy[C]//MTS/IEEE. OCEANS 2005. USA: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc, 2005: 725-729.

[3] 金久才, 張杰, 王巖峰, 等. 自動(dòng)表面船用于島礁水深測(cè)繪[J]. 海洋技術(shù), 2010, 29(2): 5-8. Jin Jiucai, Zhang Jie, Wang Yanfeng, et al. Bathymetry Mapping around Islands Using an Autonomous Surface Vehicle[J]. Ocean Technology, 2010, 29(2): 5-8.

[4] 金久才, 張杰, 馬毅, 等. 一種無(wú)人船水深測(cè)量系統(tǒng)及試驗(yàn)[J]. 海洋測(cè)繪, 2013, 33(2): 53-56. Jin Jiucai, Zhang Jie, Ma Yi, et al. An unmanned surface vehicle for bathymetry[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2013, 33(2): 53-56.

[5] 趙月林, 古文賢. 淺水低速狀態(tài)下操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型研究[J]. 大連海事學(xué)院學(xué)報(bào), 1993, 18(3): 242-246. Zhao Yuelin, Gu Wenxian. Research on mathematic ship motion model under shoal water and low speed[J]. Journal of Dalian Maritime University, 1993, 18(3): 242-246.

[6] 楊鹽生. 船舶運(yùn)動(dòng)控制研究[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2003, 3(2): 34-39. Yang Yansheng. Review on ship motion control[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2003, 3(2): 34-39.

[7] Evans J, Nahon M. Dynamics modeling and performance valuation of an autonomous underwater vehicle[J]. Ocean Engineering, 2004, 31: 1835-1858.

[8] Wu Jiaming, Ye Jiawei, Yang Cheng, et al. Experimental study on a controllable underwater towed system[J]. Ocean Engineering, 2005, 32: 1803-1817.

[9] 郎濟(jì)才, 胡翩, 范蠡, 等. 雙體船干擾阻力計(jì)算研究[J]. 船海工程, 2014, 43(2): 62-65. Lang Jicai, Hu Pian, Fan Li, et al. Research on the interference resistance of catamaran[J]. Ship ＆ Ocean Engineering, 2014, 43(2): 62-65.

[10] Wang Zhidong, Li Wei. The prediction of kinetic characteristics of dynamically stationed ship acted by wind and current[J]. Journal of East China Shipbuilding Institute, 1995, 9(2): 1-6.

[11] 馬建文, 張安西, 周兆欣, 等.小水線面雙體船五自由度運(yùn)動(dòng)建模與仿真[J]. 中國(guó)艦船研究, 2017, 12(2): 133-136.Ma Jianwen, Zhang Anxi, Zhou Zhaoxin, et al. Modeling and simulation of five dof motions for swath ships[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(2): 133-136.

[12] 蔣新松, 封錫圣, 王棣棠. 水下機(jī)器人[M]. 沈陽(yáng): 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 2000: 244. Jiang Xinsong, Feng Xisheng, Wang Ditang. Unmanned underwater vehicles[M]. Shenyang: Liaoning Science and Technology Publishing House, 2000: 244.

[13] Hirano M. On calculation method of ship maneuvering motion at initial design phase[J]. Journal of the Society of Naval Architects of Japan, 1980, 147: 144-153.

[14] Inoue S, Hirano M, Kijima K. A practical calculation method of ship maneuvering motion[J]．International Shipbuilding Progress, 1981, 28(325): 207-222.

[15] Guan Sheng, Wang Yanfeng, Jin Jiucai, et al. A marine monitoring two-body unmanned surface vehicle motion modeling and validation studies[C]//The 11th World Congress on Intelligent Control and Automation. Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA).New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc, 2015: 3118-3121.

(本文編輯: 李曉燕)

Prediction of change in motion characteristics of marine- monitoring two-body unmanned surface vehicle by wind force

GUAN Sheng1, 2, HE Zhi-qiang3, JIN Jiu-cai1, WANG Yan-feng1, 2

(1.The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China, 2. Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China, 3. 715thResearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Hangzhou 310023, China)

Small two-body marine-monitoring unmanned surface vehicles (USVs) sail smoothly with a larger deck and shallower draft than other common ships. USVs can be widely used in water environmental monitoring, engineering surveying, andpatrolling. However, the motion characteristics of this two-body ship are significant in complicated hydrodynamic environments and strong wind forces. In this paper, we studied the wind influence on the USV by wind forces introduced into a dynamic model and used our model to predict the USV’s motion characteristics induced by these wind forces. We found the simulation results to befairly consistent with observed data. As such, to further improve the USV’s working capability and control accuracy, we proved the usefulness of this model for the development of a control algorithm for determining theUSV’s adaptabilityunder different wind environments.

two-body unmanned surface vehicle; wind effects; motion characteristics; simulation and prediction

[National key research and development plan “Development and application of long ramge underwater gliders”. No. 2016YFC031100; National key research and development program “Verification and application of the sea trial for long distance underwater glider”, No. 2016YFC0301103; National High Technology Research and Development Program(863 Program) “Wave Glider Remote Ocean Environmental Observation System”, No. 2014AA09A508]

Mar. 31, 2017

P715.4+1

A

1000-3096(2017)08-0070-06

10.11759/hykx20170331

2017-03-31;

2017-05-31

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)研制與海試應(yīng)用”(2016YFC031100); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)海試驗(yàn)證與應(yīng)用”(2016YFC0301103); 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“波浪滑翔器無(wú)人自主海洋環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)”(2014AA09A508)

官晟(1972-), 男, 山東青島人, 研究員, 博士, 研究方向?yàn)楹Ｑ笪锢響?yīng)用技術(shù), 電話: 0532-88896378, E-mail: gsh30@163.com; 王巖峰,通信作者, 研究員, 電話: 0532-88968181, E-mail: wangyf@fio.org.cn