一種新型正浮力自主航行器設(shè)計與實現(xiàn)

王志光，王凱朋，魏照宇，李明杰，姚寶恒，連 璉

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

在海洋觀測、開發(fā)中廣泛應(yīng)用的潛水器主要有自主式潛水器（AUV）[1]、水下滑翔機(jī)（AUG）[2]、無人遙控潛水器（ROV）[3]和載人潛水器[4]等。這些潛水器主要通過搭載不同的傳感器或作業(yè)工具完成諸如海洋考察、水下監(jiān)測、海底管道檢查、水下考古和水下搜救等工作。

目前各國制造的潛水器在水中多為較小的正浮力狀態(tài)或零浮力狀態(tài)。因此，潛水器對目標(biāo)工作水域的密度變化較為敏感，尤其是當(dāng)潛水器在海上工作時，海水的密度在不同的海域、水深、氣象狀況等環(huán)境條件下呈現(xiàn)出相當(dāng)大的變化，從而導(dǎo)致潛水器的浮力、浮心等也出現(xiàn)較大的改變，進(jìn)而影響潛水器工作性能，使其無法完成既定的任務(wù)，甚至威脅到潛水器的安全[5-6]。針對潛水器對目標(biāo)工作水域的密度變化較為敏感的設(shè)計，通常采取提前測量或估計目標(biāo)工作水域的密度，在實驗室水池中進(jìn)行潛水器的配平，而后當(dāng)潛水器到達(dá)目標(biāo)工作水域時，需要再次對目標(biāo)工作水域的密度進(jìn)行測量，當(dāng)潛水器在實驗室水池配平時的密度與該水域的密度一致時，潛水器就可以正常下水工作，一旦發(fā)生變化，就需要對潛水器進(jìn)行重新配平。然而在海上對潛水器進(jìn)行配平、調(diào)試十分不便且費時，尤其是當(dāng)潛水器的目標(biāo)工作水域在極地海域時，由于自然環(huán)境的惡劣，調(diào)整潛水器的配平往往更加困難。因此，潛水器在不同海域的自適應(yīng)能力較弱，應(yīng)用也受到相當(dāng)大的限制。

當(dāng)前國內(nèi)外為了達(dá)到特定的設(shè)計目標(biāo)已經(jīng)出現(xiàn)了一些基于機(jī)翼升力型的潛水器，如水下滑翔機(jī)、水下飛行器、HTW AUV等[7]，不過這些潛水器依然存在不同海域的自適應(yīng)能力較弱或安全性相對較差等問題。本文提出一種新型正浮力自主航行器，通過其機(jī)翼產(chǎn)生負(fù)升力來克服自身正浮力，并結(jié)合其動力學(xué)控制面實現(xiàn)在水下運動。因此該航行器不需要攜帶大量的浮力調(diào)節(jié)裝置，節(jié)省的空間可以攜帶更多的能源或負(fù)載，提升了航行器的續(xù)航能力和負(fù)載能力，并且使其具有較強(qiáng)的海域環(huán)境自適應(yīng)能力和較高的安全性等。此外，該正浮力自主航行器具有水面航行和水下潛航2種工作模式，可以執(zhí)行海洋觀測、海上中繼通信、水下環(huán)境快速評估、水下搜救等任務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 航行器設(shè)計

1.1 原理樣機(jī)設(shè)計概述

正浮力自主航行器原理樣機(jī)示意圖如圖1所示。其長0.8 m，翼展0.3 m，重約5 kg，采用流線型外形和平板機(jī)翼，最大下潛深度約30 m，試驗時可由一個人從岸邊或小艇上完成對正浮力自主航行器的釋放，使用非常方便。

圖1 正浮力自主航行器原理樣機(jī)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of positive buoyancy autonomous vehicle prototype

正浮力自主航行器融合了傳統(tǒng)AUV、固定翼無人機(jī)、水面無人艇等多種航行器的特點，具備水面航行和水下潛航2種工作模式，如圖2所示。在水面航行模式下，可以像無人水面艇一樣執(zhí)行諸如海域巡邏偵察、海上中繼通信、海洋環(huán)境調(diào)查、污染水域監(jiān)測等任務(wù)。在水下潛航模式下，由于其具有較強(qiáng)的海域環(huán)境自適應(yīng)能力、較高的安全性、機(jī)動性好、航速較高等特性，使用前無需進(jìn)行復(fù)雜的配平、調(diào)試，非常適合執(zhí)行一些耗時相對較短的任務(wù)如水下環(huán)境的快速評估、水下搜救等任務(wù)。

圖2 航行器工作模式Fig. 2 Working mode of the vehicle

1.2 工作原理

正浮力自主航行器通過其機(jī)翼在航行中產(chǎn)生的負(fù)升力來克服自身正浮力，并結(jié)合其動力學(xué)控制面實現(xiàn)在水下運動。在水面航行時兩側(cè)的副翼微微同步上抬一定角度，確保航行器始終處于水面航行狀態(tài)。當(dāng)航行器在水下潛航時兩側(cè)副翼同步向下呈一定角度，副翼會產(chǎn)生向上的升力L2，主翼會產(chǎn)生向下的負(fù)升力L1，這兩個力與航行器的重力G，浮力B，推力T和阻力D相互平衡，航行器的受力狀況如圖3所示。若以航行器浮心為力矩平衡中心，則航行器在水下潛航時力與力矩的平衡公式為：

圖3 航行器的受力分析Fig. 3 Force analysis of the vehicle

其中：ML1為主翼升力產(chǎn)生的力矩；ML2為副翼升力產(chǎn)生的力矩；MG為航行器重力產(chǎn)生的力矩；MT為航行器推力產(chǎn)生的力矩；MD為航行器阻力產(chǎn)生的力矩。

1.3 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

正浮力自主航行器外形設(shè)計分為前后導(dǎo)流罩設(shè)計、耐壓密封艙結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)部安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計、推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計等。前導(dǎo)流罩采用半圓形球體設(shè)計，后導(dǎo)流罩采用半橢球體設(shè)計，然后再對后導(dǎo)流罩做變形處理，以減少對推進(jìn)器來流的影響，前后導(dǎo)流罩的設(shè)計使航行器整體呈流線型外形，大大減少了航行器的阻力。耐壓密封艙為圓柱殼體，兩端安裝端蓋，且端蓋上使用兩道O型圈進(jìn)行密封處理，經(jīng)測試密封效果良好。航行器的機(jī)翼可以為航行器提供相應(yīng)的水動力，選用碳纖維材質(zhì)的平板機(jī)翼作為航行器原理樣機(jī)的機(jī)翼，并對主翼前半部分做倒角處理。將防水舵機(jī)安裝在主翼上，通過舵機(jī)拉桿與副翼相連，從而控制航行器副翼的轉(zhuǎn)動。導(dǎo)管推進(jìn)器的安裝稍稍往下，保證航行器在水面航行時，導(dǎo)管推進(jìn)器沒于水面以下，以降低對導(dǎo)管推進(jìn)器推進(jìn)效率的影響。

航行器載體結(jié)構(gòu)如圖4所示。正浮力自主航行器的主控板、姿態(tài)傳感器、無線模塊、電調(diào)和電池等安裝在密封艙內(nèi)部的安裝支架上，如圖5所示。

圖4 航行器載體結(jié)構(gòu)Fig. 4 Carrier structure of the vehicle

圖5 密封艙內(nèi)部實物圖Fig. 5 Physical picture of sealed cabin

1.4 器件選型

表1 為正浮力自主航行器的器件選型表。

表1 器件選型Tab. 1 Device selection

1.5 控制系統(tǒng)開發(fā)

正浮力自主航行器控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，由可在正浮力自主航行器載體上搭載的部分和岸上遙控部分組成，如圖6所示。可搭載在航行器載體上的部分包括深度傳感器、姿態(tài)傳感器、無線接收模塊、舵機(jī)、電調(diào)和控制板等。其中控制板以STM32F427作為主控芯片，包含RS232串口通信模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、PWM電機(jī)驅(qū)動模塊和SD卡存儲模塊等，可以進(jìn)行深度傳感器、姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)采集，無線接收模塊的數(shù)據(jù)處理，航行器的運動控制等，并且具備接入GPS模塊、數(shù)傳模塊和各種科學(xué)傳感器的擴(kuò)展能力，方便正浮力自主航行器的后續(xù)開發(fā)。岸上遙控部分是指一個具有433 MHz無線數(shù)據(jù)通信能力的遙控器，該遙控器開放源代碼可以使用Arduino軟件修改各個按鍵對應(yīng)的編碼，從而提高開發(fā)效率，通過它可以手動遙控航行器運動和向航行器下達(dá)自主控制命令等。

圖6 硬件框架圖Fig. 6 Hardware framework

自主航行器主控系統(tǒng)軟件基于Keil uVision5和STM32CubeMX軟件進(jìn)行開發(fā)，使用STM32CubeMX軟件的圖形界面進(jìn)行簡單配置就可以生成航行器主控系統(tǒng)軟件的初始化代碼，極大提高了航行器主控軟件的開發(fā)進(jìn)度，具體的航行器主控系統(tǒng)軟件控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程圖Fig. 7 Control flow chart

主控系統(tǒng)軟件首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)行深度傳感器和姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)讀取，接著接收遙控器發(fā)過來的控制指令，判斷航行器是否處于自主模式，如果判斷處于自主模式，就按照航行器的預(yù)編程命令進(jìn)行航行器的自主控制；如果是手動模式控制，就等待遙控器的運動控制指令，然后執(zhí)行相應(yīng)的動作。最后將采集到的深度傳感器、姿態(tài)傳感器和調(diào)試數(shù)據(jù)記錄到主控板的SD卡中進(jìn)行存儲。

航行器在實際應(yīng)用中需要面對水下復(fù)雜而危險的環(huán)境，因此航行器主控軟件必須具備足夠的健壯性與可靠性。在航行器主控軟件中使用軟件看門狗，當(dāng)軟件系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致航行器不能正常工作時，軟件看門狗程序就會重新啟動航行器主控系統(tǒng)軟件，以避免造成更大的損失。航行器處于自主控制模式時，須設(shè)定航行器最大下潛時間，當(dāng)航行器下潛超過最大下潛時間而未正常上浮時，主控系統(tǒng)軟件會執(zhí)行緊急上浮指令，以此來保障航行器的安全。此外，還會在航行器中加入漏水檢測模塊、電池電壓檢測模塊等來進(jìn)一步保障正浮力自主航行器的安全。

2 運動軌跡和性能測試

2.1 水池試驗

正浮力自主航行器原理樣機(jī)的水池試驗在一個長25 m，寬15 m，最大深度10 m的水池中進(jìn)行，以驗證航行器的出入水功能、水面回轉(zhuǎn)功能等。試驗前首先在岸上對航行器的傳感器采集、運動控制等基礎(chǔ)功能進(jìn)行測試，基礎(chǔ)功能測試通過后再對航行器密封艙進(jìn)行氣密性檢測，按照制定好的試驗方案，做好航行器入水前準(zhǔn)備，確保航行器處于穩(wěn)定、可靠的狀態(tài)，以避免造成航行器的意外損失。

2.1.1 出入水運動

航行器的出入水運動試驗分為水面航行、入水、水下航行和出水4個階段，如圖8所示。第1階段，將航行器釋放到水池中，航行器開始在水面進(jìn)行航行。第2階段，航行器兩側(cè)的副翼同步向下呈一定角度（15°左右），然后航行器推進(jìn)器的推力慢慢加大，直到航行器順利入水。第3階段，保持航行器推進(jìn)器的推力，調(diào)整航行器兩側(cè)的副翼，使其慢慢同步向上。第4階段，航行器順利出水。在水池試驗中，航行器的整個出入水過程非常平順且用時很短，滿足設(shè)計要求，航行器的出入水運動能力得到了初步驗證。

圖8 航行器出入水運動Fig. 8 The movement of the vehicles in and out of the water

2.1.2 水面回轉(zhuǎn)運動

在水池中對航行器的水面回轉(zhuǎn)運動能力進(jìn)行測試，如圖9所示。航行器的水面回轉(zhuǎn)運動軌跡最小半徑約為6.5 m，航行器在水池中進(jìn)行了多圈次的水面回轉(zhuǎn)運動，并且其可以連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。航行器的水面回轉(zhuǎn)運動軌跡半徑滿足設(shè)計要求，其水面回轉(zhuǎn)運動能力得到了驗證。

圖9 航行器水面回轉(zhuǎn)運動Fig. 9 Water surface turning motion of the vehicle

2.2 湖試試驗

在湖中對航行器的直航運動、水面回轉(zhuǎn)運動、出入水運動等進(jìn)行全面測試，航行器的通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等均達(dá)到設(shè)計要求，航行器整體性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了本文所設(shè)計的功能。

3 結(jié) 語

正浮力自主航行器具有較強(qiáng)的海域環(huán)境自適應(yīng)能力、較高的安全性、并且使用前無需進(jìn)行復(fù)雜的配平、調(diào)試，操作人員使用非常便捷。所設(shè)計的正浮力自主航行器整體性能穩(wěn)定，維護(hù)和升級方便，能夠較好滿足設(shè)計要求，具有良好的應(yīng)用前景。

在后續(xù)開發(fā)中需要對正浮力自主航行器的機(jī)翼及外形，航行器的自主控制系統(tǒng)做進(jìn)一步的優(yōu)化，文中沒有考慮航行器的數(shù)據(jù)通信與定位，還需要在后續(xù)開發(fā)中增加GPS模塊和無線數(shù)據(jù)通信模塊，并開發(fā)航行器的岸站數(shù)據(jù)接收軟件。