蹼翼型波浪滑翔機結構設計和運動原理分析

田寶強 李玲瓏

1.江蘇科技大學海洋裝備研究院，鎮江，2120032.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，沈陽，1100163.中國船舶科學研究中心，無錫，214082

蹼翼型波浪滑翔機結構設計和運動原理分析

田寶強1,2李玲瓏3

1.江蘇科技大學海洋裝備研究院，鎮江，2120032.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，沈陽，1100163.中國船舶科學研究中心，無錫，214082

在傳統波浪滑翔機研究的基礎上，通過柔性蹼翼的引入和結構設計，對蹼翼型波浪滑翔機的運動原理進行了深入研究，建立了柔性蹼翼驅動力計算模型，搭建了原理樣機并初步通過了造波水槽實驗，實現了蹼翼型波浪滑翔機的滑翔功能。蹼翼型波浪滑翔機克服了傳統波浪滑翔機的結構復雜易纏繞、機動性差和波浪能轉化效率低等不足，能更好地應用于大尺度、長期的海洋環境觀測應用研究。

波浪滑翔機;柔性蹼翼;運動原理；海洋觀測

0 引言

海洋環境觀測是人類認識和了解海洋的重要手段，也是開發利用海洋資源的前提。隨著海洋科學研究的不斷深入，對海洋觀測裝備的要求也不斷提高，一方面要求其具有很強的續航力，作業時間長，作業范圍大，能完成大尺度的海洋數據的采集；另一方面要求其功能多樣化，根據不同的研究需要采用不同的觀測策略[1-2]。科學技術的發展也促進了海洋觀測裝備的自動化水平不斷提高，并正向智能化、無人化方向發展，典型的海洋觀測裝備有載人潛器、自治水下機器人(autonomous underwater vehicle,AUV)、纜控水下機器人(remote operated vehicle,ROV)、水下滑翔機和波浪滑翔機等[3-4]。載人潛器和AUV的作業時間一般在數小時到數天時間，作業范圍在數千米到數百千米不等，其運動可實現精確控制，主要用于水面和下層水體測量，使用成本較高；ROV需要的電能通過電纜由母船提供，作業時間可達到數月，作業范圍受到電纜長度的制約，母船的采用大大增加了使用成本；水下滑翔機可實現數月、滑翔數千千米的水下水體測量，使用成本較低，同時，波浪滑翔機的作業時間可以達到數年，航行也可以達到數萬千米，主要用于表層水體的測量，成本也較低，二者已成為重要的智能海洋觀測裝備之一。

波浪滑翔機的續航力(主要表現為作業時間和作業范圍)要比其他觀測裝備高出兩到三個量級，這與其采用海洋新能源(波浪能和太陽能)密切相關。雖然水下滑翔機的續航力也不弱，但是波浪滑翔機強大的傳感器搭載能力，為體積和質量更大的傳感器在海洋觀測中的成功應用提供了可能，此外，波浪滑翔機的實時數據傳輸功能更有利于采集到準確和完整的海洋數據。

然而，波浪滑翔機的缺陷也是很明顯的：一是其三體結構復雜，易發生纏繞事故；二是其波浪能轉化吸收效率低，一般其波浪能轉化和吸收效率不高于30%；三是其機動性差，水面的回轉半徑大約在50米左右[5]，由此導致其不能很好地實現定點觀測。本文在傳統波浪滑翔機研究的基礎上，通過柔性蹼翼的引入和結構設計，提出了蹼翼型波浪滑翔機實現方案[6]，解決了現有的波浪滑翔機的上述問題，為完成更為復雜的海洋觀測任務提供了平臺支撐，具有更加廣闊的應用前景。

1 傳統波浪滑翔機研究現狀

美國Liquid Robotics 公司的工程師Roger Hine于2005 年首先進行了波浪滑翔機的原理樣機研究工作，并通過海試驗證取得了很大的成功，這也是波浪滑翔機的最初概念[7]。目前，該公司的波浪滑翔機已經產品化，國內外很多研究機構基于該平臺，通過搭載不同的傳感設備進行海洋科學研究。主要工作有：水體和洋流的測量[8]，海洋生物監測[9]，海洋環境生態研究[10]，海洋氣象[11]等。波浪滑翔機在結構上由浮體、系纜和水下滑翔體三部分組成。浮體用于提供足夠的浮力，并在波浪的激勵下產生運動；系纜連接于浮體和水下滑翔體，不僅受到拉力作用，又能進行控制和通信；水下滑翔體是其動力部分，通過系纜拉動浮體在水面上運動[12-13]，如圖1所示。在已經完成的橫穿太平洋的PACX活動中，波浪滑翔機打破了無人海洋機器人最遠距離(12872 km)的世界記錄[14]，如圖2所示。中國科學院沈陽自動化研究所[15]、哈爾濱工程大學[16]、國家海洋技術中心[17]等單位從水動力分析、動力學建模和效率優化等方面也進行了相關研究。

圖1 波浪滑翔機結構和運動原理圖Fig.1 Mechanical structure and motion principle of wave glider

圖2 波浪滑翔機在PACX中的運動軌跡Fig.2 Trajectory of wave glider in PACX game

2 蹼翼型波浪滑翔機結構設計與運動原理

2.1 蹼翼型波浪滑翔機結構設計

為了克服傳統波浪滑翔機的不足，蹼翼型波浪滑翔機在結構上與傳統波浪滑翔機有很大差別，如圖3所示。該機器人的柔性蹼翼通過其在水動力下的彈性變形來實現其波浪能轉化和吸收，其運動參數對其波浪能轉化和驅動效率均影響較大。

圖3 蹼翼型波浪滑翔機外觀圖Fig.3 Schematic outline of WGWW

引入柔性蹼翼后的波浪滑翔機，與傳統采用剛性翼板的波浪滑翔機相比具有以下突出優點：①柔性蹼翼能綜合利用殼體的振蕩、縱傾和橫傾運動產生驅動力，從而提高波浪能的吸收(圖4)，而傳統的波浪滑翔機的剛性翼板只有浮體的上下振蕩對其驅動力產生貢獻；②柔性蹼翼通過蹼翼連接件與殼體固連，殼體運動能實時傳給蹼翼，其中通過“杠桿效應”能將殼體在波浪下的縱傾和橫傾運動進行放大，增大蹼翼運動幅度，提高波浪能轉化效率；③蹼翼引入使平臺的結構變得更緊湊，有利于在淺水區域作業，同時舵機的水動力矩能直接作用于平臺，從而提高了機動性，而傳統波浪滑翔機舵機需要水下滑翔體(舵機裝在水下滑翔體尾部，見圖1)通過系纜拉動浮體一步步來實現。

圖4 蹼翼型波浪滑翔機在不同運動狀態下的蹼翼變形圖Fig.4 Deformation of flexible webbed wing under different motion of MGWW

2.2 蹼翼型波浪滑翔機運動原理

蹼翼型波浪滑翔機主要通過柔性蹼翼來實現波浪能的吸收和驅動力的轉化，其殼體在波浪的激勵下會發生垂蕩、縱傾、橫傾等運動，這里先分析單一的垂蕩運動。當波浪的波峰來臨時，殼體受到波浪激勵作用會發生上升運動，同時通過蹼翼連接件將柔性蹼翼拉起，柔性蹼翼上表面受到水流的作用而向下彎曲，這樣水流就會和蹼翼的上表面形成一定的攻角α，蹼翼受到的水動升力L和阻力D的共同作用會產生一個向前的驅動力Fx，進而通過蹼翼連接件拉動該平臺前進，如圖5a所示；當波浪波谷來臨時，整個平臺隨波浪在自身重力作用下下落，柔性蹼翼下表面在水流的作用下向上彎曲，這樣水流就會和蹼翼的下表面形成一定的攻角α，蹼翼受到的水動升力L和阻力D的共同作用會產生一個向前的驅動力，進而通過蹼翼連接件拉動該平臺前進，如圖5b所示。所以，不管波峰還是波谷，柔性蹼翼都能產生一個向前的驅動力Fx，達到波浪能轉化和利用的目的，而且該驅動力的方向與波浪的參數，以及波浪運動的方向沒有關系。

(a)柔性蹼翼向下彎曲

(b)柔性蹼翼向上彎曲圖5 柔性蹼翼驅動力計算圖Fig.5 Force analysis on flexible web bed wing

此外，與傳統波浪滑翔機不同的是，蹼翼型波浪滑翔機當其殼體在波浪的激勵下發生縱傾和橫傾運動時，不管順時針還是逆時針，其產生的驅動力也是始終向前的，與垂蕩運動不同的是其柔性蹼翼的前后或兩側的運動變形狀態剛好相反(參見圖4)，從而大大增加了波浪能的轉化和吸收效率。

柔性蹼翼表面p點附近微元面積dS上水流速度為v(p)，其受到的升力L(p)與水流速度的方向垂直，阻力D(p)與水流速度方向相同，二者可表示為[13]

L(p)=0.5ρv(p)2CL(p,α)dS

(1)

D(p)=0.5ρv(p)2CD(p,α)dS

(2)

式中，CL(p,α)和CD(p,α)分別為升力系數和阻力系數。

在該坐標系中，微元面積dS上驅動力dFx(p)可表示為

dFx(p)=D(p)sinβ+L(p)cosβ

(3)

整個柔性蹼翼上的驅動力Fx為微元面積dS上驅動力Fx(p)的曲面Σ上的面積分，可表示為

Fx=?ΣFx(p)dS=?Σ(D(p)sinβ+L(p)cosβ)dS

(4)

3 蹼翼型波浪滑翔機原理樣機實驗

在完成蹼翼型波浪滑翔機結構設計和實現機理分析基礎上，本團隊完成蹼翼型波浪滑翔機原理樣機的搭建，如圖6a所示，并初步通過了造波水槽實驗，如圖6b所示，其柔性蹼翼的變形情況如圖7所示。結合造波水槽條件，通過設定不同的波浪參數模擬了不同的海況條件，獲得了該原理樣機的速度如圖8所示。

(a)蹼翼波浪滑翔機原理樣機

(b)蹼翼波浪滑翔機水槽實驗圖6 蹼翼型波浪滑翔機原理樣機和水槽實驗Fig.6 Wave tank experiment of WGWW elementary prototype

(a)柔性蹼翼下翻

(b)柔性蹼翼上翻圖7 蹼翼型波浪滑翔機柔性蹼翼在水槽實驗中的變形情況Fig.7 Deformation of flexible webbed wing of MGWW in wave tank

圖8 蹼翼型波浪滑翔機原理樣機在水槽實驗中在不同波高下運動速度Fig.8 Movement velocity of WGWW elementary prototype under different wave height in wave tank

蹼翼型波浪滑翔機是通過波浪能來獲得驅動力的，波浪能是其運動的能量輸入。由波浪理論可知，在一個波長的波動水體范圍內，其所包含的波浪動能和波浪勢能相等，一個波的總能量Ew為[18-19]

(5)

式中，H、λ分別為波浪波高、波長；g為重力加速度；ρ為海水密度。

式(5)表明波浪的能量與波高的二次方成正比，其大小主要由波高來決定。如圖8所示，當設定波高從0.05 m增大到0.16 m時，蹼翼型波浪滑翔機原理樣機的平均速度相應地從0.16 m/s增大到0.26 m/s。可見，當波浪的波高增大時，波浪能也隨著變大，對原理樣機系統的能量輸入也增大，直接導致其運動速度增大，動能增大。通過該原理樣機的水池實驗，積累了大量的第一手資料，為后續理論分析和平臺優化奠定了基礎。

4 結語

目前，觀測裝備續航力和大面積海洋觀測之間矛盾一直是制約觀測裝備大范圍應用的瓶頸，利用海洋新能源來從事海洋研究已成為目前一個新的研究方向。蹼翼型波浪滑翔機具有較明確的應用需求和應用背景，本文通過柔性蹼翼的引入和結構設計，基于原理樣機實驗完成了蹼翼型波浪滑翔機驅動機理的分析。

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StructureDesignandMovementPrincipleofWaveGliderswithWebbedWings

TIAN Baoqiang1,2LI Linglong3

1.Marine Equipment and Technology Institute,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu,212003 2.State key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences，Shenyang，110016 3.China Ship Science Research Center,Wuxi,Jiangsu,214082

Through the introduction to flexible webbed wings and structure design, the movement principle of wave gliders with webbed wings(WGWW) was studied，and its driving force calculation model of flexible webbed wings was set up, based on the traditional wave glider researches. Gliding function of WGWW was verified through the WGWW prototype constructed and pool experiments. WGWW may overcome the shortcomings of traditional wave gliders, such as complicated structures, weak maneuverability and low driving efficiency, so it may be better applied in large scale, and long-term ocean environmental observation researches.

wave glider; flexible webbed wing; movement principle; ocean observation

2017-03-23

機器人學國家重點實驗室開放基金資助項目(2017-O06)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20170577)

TK79

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.24.007

(編輯王艷麗)

田寶強，男，1984年生。江蘇科技大學海洋裝裝備研究院助理研究員、博士。主要研究方向為新概念海洋機器人相關技術。發表論文7篇。授權專利5項。E-mail：tbqcas@126.com。李玲瓏，男，1986年生。中國船舶科學研究中心深海載人裝備國家重點實驗室工程師。