水下驻留无人水下航行器驻留过程建模与仿真

张斌，宋保维，朱信尧，朱崎峰

(西北工业大学 航海学院，陕西 西安710072)

0 引言

为解决能源问题对无人水下航行器(UUV)长时间监测或探测海洋环境的限制，一种可以下潜到海底，通过支撑机构驻留的航行器被研发出来。

该UUV 在航行至目的地后开始下潜着陆，依靠支撑机构长期停留在海底，对周围环境进行监测，任务结束后，可上浮返航或航行至下一个监测点继续工作［1］。由于在驻留过程中不需要提供驱动力，可以大量减少能源损耗。

驻留UUV 航行至指定位置后，开始下潜运动，UUV 的轴向速度vx逐渐减小，下潜速度vy逐渐增大，攻角从0°逐渐接近90°，如图1 所示。此时UUV操纵舵失效，UUV 只能靠一系列辅助推进器控制。

图1 UUV 下潜运动示意图Fig.1 Schematic diagram of UUV diving process

水下驻留UUV 能否顺利地下潜驻留，关系着UUV 整个工作过程的实现与否。着陆时UUV 的轴向速度、下潜速度及航行过程中俯仰角的变化，都是下潜驻留功能的重要影响因素，因此必须对上述运动过程进行仿真分析。

为分析下潜驻留过程，首先要建立合适的运动模型，然而现有运动分析中的UUV 运动模型只适合小攻角下的运动状态，在UUV 大攻角运动时会产生很大的误差，具有一定的局限性［2］。文献［3 -4］针对潜艇侧向垂直发射诱饵时的大攻角运动，建立了对应的运动模型，具有一定的参考意义。

本文针对驻留UUV 的运动特点，建立一种适合UUV 大攻角下运动仿真的数学模型，对水下驻留UUV 的驻留下潜过程进行仿真研究，为实现该UUV稳定可靠的驻留运动提供有意义的参考。

1 动力学和运动学方程组

1.1 坐标系与运动参数的选择

本文中的坐标系采用文献［5］中的地面坐标系、体坐标系和速度坐标系，分别记作SE(O0，x0，y0，z0)、SB(O，x，y，z)与SV(O，x1，y1，z1)，如图2 所示。

图2 UUV 坐标系示意图Fig.2 Schematic diagram of UUV coordinate system

运动参数采用文献［6］中的参数，广义位置参数表示为R =［x0，y0，z0，q，y，j］T，广义速度参数表示为V=［vx，vy，vz，ωx，ωy，ωz］T，广义力参数表示为F=［Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz］T.

1.2 动力学和运动学方程

利用质心动量定理和动量矩定理，可以建立UUV 的动力学方程［7］:

式中:F 是UUV 所受各种力的矩阵，

UUV 的运动学方程描述了UUV 空间运动形式及其规律，其运动学方程组如下:

式中:

1.3 UUV 受力分析

1)理想流体惯性力:UUV 非定常运动时，必然会带动周围的部分流体介质运动，这部分流体以与UUV 相同的速度做类刚体运动。其表达式为

式中:

MA为附加质量矩阵，具体形式和计算方法可参考文献［8］.

2)流体粘性力:UUV 的流体粘性力包括流体粘性位置力和流体粘性阻尼力两部分，记为FN.

3)UUV 的负浮力:UUV 在低速巡航状态时，其负浮力接近0，而当其驻留在海底时又要求有较大的负浮力以便能够稳定地停住在海底。所以，UUV需要变浮力系统通过给排水来改变航行器的重力以实现航行器下潜和着陆功能。UUV 变浮力系统进水量为FGabs、进水位置在体坐标系中为(xabs，yabs，zabs)，其方向与重力方向一致。则负浮力为

4)UUV 辅推控制力:水下驻留UUV 有前后两个辅助垂直推进器，其推力大小为200 N，用于调节UUV 驻留下潜时的速度和姿态，表示为

从而，(1)式中UUV 受到的合力

UUV 的受力情况如图3 所示

图3 UUV 受力示意Fig.3 Schematic diagram of force against UUV

选取合理的控制方式可以确保UUV 的姿态与速度始终处于合理的范围内，甚至可以节约能源。参考文献［9］，限定下潜运动中UUV 的俯仰角在［-3°，5°］之间，并且确保航行器的纵向速度vy≤0.3 m/s. 本文通过调节辅助推进器的推力大小和方向来控制UUV 的姿态与速度在安全范围内。具体控制方式如表1 所示。

表1 UUV 前后辅推控制方式Tab.1 Control mode of front and back auxiliary thrusters

注:表中↑表示垂推力朝上，↓表示垂推力朝下，-表示垂推不工作;左边符号代表前垂推，右边符号代表后垂推。

2 大攻角下UUV 流体动力参数

UUV 驻留下潜过程中，攻角在0° ～90°之间变化，这意味着UUV 可能在大攻角条件下运动。在攻角不大的情况下，流体动力随攻角增加呈线性或基本呈线性关系增大;当攻角增大到一定值后，流动在UUV 末端发生分离，随着攻角增大扩散到整个UUV，造成流体动力与攻角呈现明显的非线性关系。此时采用CFD 数值模拟方法得到UUV 不同攻角下的流体动力参数，利用一系列离散值拟合出流体动力参数随攻角变化曲线，限于篇幅具体方法不再赘述［10-11］。

本文驻留UUV 具有回转体外形，质量为1 430 kg，长7.0 m，最大直径0.533 m，部分流体动力参数如图4 ～6 所示。

图4 阻力系数随攻角变化曲线Fig.4 Drag coefficient vs. attack angle

图5 升力系数随攻角变化曲线Fig.5 Lift coefficient vs. attack angle

图6 俯仰力矩系数随攻角变化曲线Fig.6 Pitching moment coefficient vs. attack angle

3 仿真结果及分析

基于上述的运动模型和控制规律，本文对上述水下驻留UUV 的下潜驻留运动进行仿真。初始时刻UUV 航行在深度为10 m 的水平面内，航速5 kn，俯仰角、偏航角、横滚角、攻角以及侧滑角均为0°.

图7 给出了下潜过程中UUV 攻角与侧滑角的变化情况，可以看出，UUV 在下潜过程中攻角在0° ～90°范围内变化，攻角随时间增加趋于稳定，侧滑角则保持0°不变。

图7 下潜过程中UUV 攻角与侧滑角变化曲线Fig.7 Attack angle and sideslip angle vs. time

图8和图9 分别为下潜过程中轴向速度vx和纵向速度vy的变化曲线，本文通过对辅推的控制方式保证UUV 下潜的纵向速度在安全范围之内。从图8 可以看出，UUV 轴向速度在阻力作用下逐渐减小，当下潜运动20 s 后，vx≤0.3 m/s，此时轴向速度较小，可以确保着陆的安全。从图9 可以看出，UUV下潜速度vy从0 逐渐增大至0.3 m/s，并在前、后辅助推进器的作用下，保持在0.3 m/s 附近。

图8 UUV 轴向速度随时间变化曲线Fig.8 UUV axial velocity vs. time

图9 UUV 下潜过程深度方向速度随时间变化曲线Fig.9 UUV depth direction velocity vs. time

图10为UUV 下潜过程中俯仰角θ 的变化曲线，可以看出，俯仰角在UUV 下潜中，在前、后辅助推进器的作用下，不断调整姿态。俯仰角先增大，随后逐渐减小，并稳定在-3° ～5°之间，符合UUV 着陆的要求，从而使得UUV 以良好的姿态着陆。

图10 UUV 下潜过程俯仰角随时间变化曲线Fig.10 Pitch angle vs. time

4 结论

本文通过建立一种适用于大攻角下航行器运动仿真的六自由度运动数学模型，对水下驻留UUV 下潜驻留运动进行了仿真研究。得到UUV 下潜过程中轴向速度、下潜速度、攻角与侧滑角、俯仰角等运动参数，并分析了这些因素对下潜驻留功能的影响。通过对运动参数的分析，可以看到，UUV 能够稳定地完成下潜运动，以良好的航行姿态实现安全着陆，实现驻留功能。

References)

［1］宋保维，朱信尧. UUV 海底停驻策略及其关键技术［J］. 鱼雷技术，2010，18(6):401 -405.SONG Bao-wei，ZHU Xin-yao. Strategy and key technologies of UUV parking on the seabed［J］. Torpedo Technology，2010，18(6):401 -405. (in Chinese)

［2］刘正元. 潜水器大攻角范围内运动的仿真［J］. 船舶力学，2005，9(2):54 -59.LIU Zheng-yuan. Simulation of submersible motion in large attack angle［J］. Journal of Ship Mechanics，2005，9(2):54 -59. (in Chinese)

［3］张振山. 一种提高正横布置潜艇发射装置发射安全性的方法［J］. 海军工程大学学报，2004，16(1):14 -17.ZHANG Zhen-shan. A solution of reducing risk of launched decoy to swing back and hit end of moving submarine［J］. Journal of Naval University of Engineering，2004，16(1):14 - 17. (in Chinese)

［4］李志华. 潜艇正横发射诱饵安全性的建模与仿真［J］. 火力与指挥控制，2007，32(1):54 -57.LI Zhi-hua. The modeling and the simulation of the submarine launching the decoy from the landscape orientation［J］. Fire Control and Command Control，2007，32(1):54 ～57. (in Chinese)

［5］李天森. 鱼雷操纵性［M］. 北京:国防工业出版社，1999:10-14.LI Tian-sen. Torpedo maneuvering［M］. Beijing:National Defense Industry Press，1999:10 -14. (in Chinese)

［6］张宇文. 鱼雷弹道与弹道设计［M］. 西安:西北工业大学出版社，1999:42 -47.ZHANG Yu-wen. Torpedo trajectory and ballistic design［M］.Xi’an:Northwestern Polytechnical University Perss，1999:42 -47. (in Chinese)

［7］Smallwood D A，Whitcomb L L. Model-based dynamic positioning of underwater robotic vehicles:theory and experiment［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004，29(1):169 -186.

［8］张宇文. 鱼雷外形设计［M］. 西安:西北工业大学出版社，1998:115 -123.ZHANG Yu-wen. Torpedoshape design ［M］. Xi ’ an:Northwestern Polytechnical University Perss，1998:115 - 123.(in Chinese)

［9］王晓鸣，王树新，张宏伟，等. AUV 水下着陆策略研究［J］. 机器人，2008，30(4):346 -352.WANG Xiao-ming，WANG Shu-xin，ZHANG Hong-wei，et al.Research on the underwater landing strategy of AUV［J］. Robot，2008，30(4):346 -352. (in Chinese)

［10］朱信尧，宋保维，单志雄，等. 海底定点停驻无人水下航行器流体动力特性分析［J］. 上海交通大学学报:自然科学版，2012，46(4):573 -578.ZHU Xin-yao， SONG Bao-wei， SHAN Zhi-xiong， et al.Hydrodynamic characteristics analysis of UUV parking on the seabed［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University:Natural Science，2012，46(4):573 -578. (in Chinese)

［11］Tyagi A， Sen D. Calculation of transverse hydrodynamic coefficients using computational fluid dynami approach［J］.Ocean Engineering，2006，33(5/6):798 -809.