倾转螺旋桨潜器操控研究

侯家怡， 刘可峰， 常 琦， 郑 怡

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

倾转螺旋桨潜器操控研究

侯家怡， 刘可峰， 常 琦， 郑 怡

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

由于航速较低，舵效较差，使得低速潜器操纵控制比较困难，通常ROV(无人遥控潜水器)为了实现高性能的矢量推进需要配置数量较多的推进器，通过引入倾转螺旋桨可以减少总的推进器数量，利用Simulink软件建立了倾转桨潜器水下运动仿真模型并进行了操纵控制仿真研究，仿真结果显示了倾转螺旋桨优秀的矢量推进性能。

ROV 倾转桨 矢量推进 操纵仿真

1 引言

随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。为了生存和发展，海洋开发势在必行。由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，各类潜水器已成为开发海洋的重要工具。ROV(无人遥控潜水器)是海洋观测开发的重要设备，由于ROV具有安全、经济、高效和作业深度大等突出特点，在世界上得到了越来越广泛的应用。

潜器的操纵控制性能是其航行能力的重要指标，ROV一类的低速潜器由于速度低、舵力小而操纵性能差，一般采用多个推进器矢量布置的方法来实现较高的操纵性能需求，然而其系统复杂驱动能耗较大，例如国内目前最先进的“海马号”ROV在水平面和垂直面分别配置了4套推进器，推进器总数达到了8个。

为了保留潜器推进器矢量布置在低速航行时仍然具有较好操纵性能的优点，人们对潜器适用的矢量推进器进行了较多的开发研究。国外的Emanuele Cavallo等[1]研究了一个装备3自由度的矢量推进器的潜水器；国内陈路伟等[2]对加装可动型矢量喷管的喷水推进式水下航行器纵向运动的运动学方程进行了推导,并对纵向运动的操纵性进行了仿真计算；方世鹏等[3]设计和研究了基于锥齿轮轮系传动的矢量推进机构。该装置把原来的螺旋桨推进轴系和舵合二为一，通过改变螺旋桨的空间姿态来改变推进器的推力矢量方向，由三个电机控制，改变螺旋桨轴的矢量方向和旋转速度，从而获得方向和大小都可以改变的矢量推进力。

潜器采用矢量推进器，只需要较少数量的推进器，便可达到使矢量推进方法具有较好操纵性能的目的。然而目前所应用的矢量推进器结构较为复杂，对机构长期运行的可靠性有一定影响。受到美国V-22鱼鹰式倾转旋翼机的启发，在潜器上应用了倾转螺旋桨这一相对简单的水下矢量推进器，在维持其原有较好的操纵机动性和灵活性的同时，减少了螺旋桨数目。基于此原理开发了相应的倾转螺旋桨潜器，并应用一种模糊PID控制算法，针对其配置的倾转螺旋桨进行了潜器的操控性能研究，通过仿真验证了倾转螺旋桨优越的操纵性能。

2 ROV运动模型

基于研究倾转螺旋桨其操纵性能的目的，设计了一台微型ROV作为研究平台。微型ROV一般可采用简单的圆柱形外形设计，在两端配置半球导流罩组成耐压筒主体，注意控制整个潜器的设备重量，可不另外设置浮力材料。为了满足ROV低速推进的需求，在耐压筒中部两侧布置了两台导管桨推进器，其推力轴线可绕其转轴正负90°内倾转，潜器外形如图1所示。根据ROV的航速要求和推进器空间布置的需求特点，采用了高转速导管螺旋桨[4]，以便在较小的螺旋桨尺寸下形成所需的推进力。分析该ROV的机动能力，主要特点是依靠推进器沿着横向转轴倾转后，在纵向和垂向形成推力分量，使潜器具备所需的垂直面和水平面机动能力。在操控仿真研究中，ROV的运动可以作一定的简化，其主要运动为垂直面机动和水平面转向机动。

图1 倾转螺旋桨ROV

为研究的统一性，文中坐标系、名词和符号均采用国际水池会议(ITTC)推荐的坐标系统。ROV的操纵数学模型沿用格特勒潜艇标准运动方程，潜器的运动模型通常采用惯性坐标系和随动坐标系两套坐标系统，分别用于运动的水动力特性和轨迹姿态模拟。潜艇水下空间运动方程概括起来包含了三个轴向移动方程和三个绕轴向转动方程[8]，根据所研究ROV的机动能力作相应修改和简化，将推进器推力根据倾转角度分配到相应的轴向上，并忽略垂直面对水平面的一些影响和一些高阶项及外部环境力等影响，得到了该ROV适用的三自由度运动方程，其动力学方程为

设2个推进器的推力分别为t1，t2，可用矩阵表示为Tp=[t1t2]T，和ROV所需推力的矢量矩阵Fp=[XTZTNT]T的关系为

Fp=ATp(2)

式中A为与推进器装配位置相关的推力转换矩阵，可表示为

式中：φ为推进器与水平面的倾转角；a为推进器推力矢量相对中纵平面的力臂。

ROV运动方程需要的是各运动矢量方向上的推力和力矩，而工程上控制的是各推进器所发出的推进力，需要转换矩阵A的伪逆矩阵A+，从矢量推力和力矩反向计算出各推进器所需发出的推力：

采用各推进器推力Tp表示的ROV运动模型的状态方程为

式中：X=[uwr]T；B=M-1P；C=M-1A，

其中

3 倾转螺旋桨ROV仿真实例

以研制中的微型倾转螺旋桨ROV为研究对象，经过多方案的权衡对比，其主尺度最终定为0.46 m×0.335 m×0.16 m (长×宽×高)，推进器水平面推力矢量对质心的布置力臂a为0.15m。为了保证所建立模型的精度，应用设计软件SolidWorks三维几何建模计算得其质量为9kg，对Z轴的转动惯量为0.08kg·m2，利用迭加原理进行了一系列水动力系数计算，经过数值处理和无因次换算后得到的部分水动力系数如表1所示。

表1 ROV水动力系数

根据ROV运动模型和计算出的各类水动力参数，应用仿真软件Simulink建立倾转桨潜器运动与控制仿真模型，潜器航速、螺旋桨倾转角均采用工程上常用的PID方法[6]来控制。ROV水平航行时，螺旋桨倾转角度为0，控制左右两个螺旋桨输出大小相等的力；当ROV需要水平转向时，螺旋桨倾转角度不变，当两个螺旋桨推力不等时，形成所需的转艏力矩；当ROV需要变深机动时，控制左右两个螺旋桨输出大小相等的力，而螺旋桨倾转一定角度，使推力在水平面和垂直面形成所需要的推进力。

4 结果分析

利用上述ROV操控方法，控制ROV到达2 kn(1.0288 m/s)的巡航速度，经过一定时间平稳后，在20 s时发出变深1 m的命令，控制螺旋桨倾转角度发生变化，潜器变深完成后螺旋桨倾转角度恢复到初始状态，潜器在新的深度上维持原定速巡航工况。

图2、图3分别反应了这一过程中潜器深度和倾转桨倾转角度变化情况，从数值模拟曲线可以看出，倾转桨运用于潜器的垂直面操纵时，系统响应迅速，运动状态稳定，证明了本文方法的有效性。在变深机动时，螺旋桨推力在两个机动面内矢量分布，水平面的推力分量减少，故水平面的运动速度此时有一个降低的过程，(如图4所示)，随着变深机动的结束，螺旋桨倾转角度恢复为0，推力又全部回到水平面，ROV前进速度很快恢复到原大小。

当ROV水平面转向时，两个螺旋桨推力不等，形成所需的转艏力矩，这和常规螺旋桨固定矢量布置的ROV情况相似，图5展示了ROV转向30°的过程中艏向角变化情况。

图2 潜器深度变化曲线

图3 倾转桨倾转角度变化曲线

图4 变深时ROV前进速度变化曲线

图5 ROV转艏30°的角度变化曲线

5 结论

根据上述的计算分析，倾转桨应用于潜器的垂直面运动时具有非常优异的矢量推进性能，系统反应快，运动稳定，达到了倾转桨的设计应用目标。倾转桨ROV转艏与普通ROV响应情况相似，在深度机动时表现出较好的机动能力。

通过运用倾转螺旋桨，减少了潜器上推进器的运用数量和操控复杂性，降低了推进系统复杂程度和推进系统的动力消耗，整个系统的运行能耗也随之进一步地降低。同时简化了潜器的结构和重量，降低了潜器的造价，对于今后潜器的设计优化和工程应用具有重要的意义。

[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] 陈路伟,周朝晖．矢量推进方式下的自主式水下航行器纵向运动操纵性分析[J].船海工程，2011，40(2)：119-124．

[3] 方世鹏，潘存云，徐海军．水下载运器矢量推进螺旋桨传动系统设计与分析[J].机械制造，2009，47(1)：22-26．

[4] 刘可峰, 姚宝恒, 连琏. 深潜器等厚导管螺旋桨敞水性能计算分析[J]. 船舶工程, 2014, 36(1): 37-40.

[5] 施生达．潜艇操纵性[M].北京：国防工业出版社,1995．

[6] 刘可峰，连琏，姚宝恒. 潜艇低速运动时操纵控制仿真[J]. 舰船科学技术，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

国家自然科学青年基金项目(编号：51309125)。

侯家怡(1994-)，女，本科。

U661

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