一种近水面拖曳式浮标的设计及仿真分析

秦 成，史淑玲

（1.北京7220信箱，北京 100071；2.北京北方车辆集团有限公司，北京 100072）

21世纪是海洋的世纪，加强海洋的开发利用关系到国家的安全和长远发展，同时，为了实现海洋经济的可持续发展，在开发海洋的同时，必须加强对海洋环境的监测和保护。目前拖曳系统被广泛用于海洋监测和海洋环境调查[1，2]。

拖曳系统一般由浮标和缆绳等组成，由船舶拖带并通过浮标中携带的探测设备实现海洋环境监测。在海洋环境监测过程中，海上风浪流等自然因素都会对拖曳系统造成干扰，因此，拖曳式浮标设计中必须要实现浮标的拖曳稳定性和良好的可操控性[3-9]。基于以上要求，本文进行了一种近水面拖曳式浮标总体设计和仿真分析。

1 拖曳式浮标的总体设计

根据拖曳式浮标的使用环境及布设手段要求，确定了浮标的设计要求，如表1所示。

表1 浮标的设计要求

为降低拖曳阻力，本拖曳浮标外形采用流线型设计，并采用Rhinoceros软件对浮标的流线进行了优化设计，如图1所示为得到的浮标设计方案。

图1 浮标Rhinoceros流线优化设计

浮标主要由艇体、系留环、方位灯、水平翼、垂直翼、仪器舱、尾盖等部分构成，如图2所示。

图2 浮标组成图

艇体由内部发泡体和外层聚氨酯高分子层制成，艇体前端装有系留环，两侧和尾部装有平衡翼，顶部设有方位灯，其闪光灯用于夜间补给；垂直翼主要起导向作用（与舵相似）；水平翼是在拖曳时产生升力。

艇体外层由高性能TPU聚合材料构成，具有弹性，能有效避免收放接触冲击损伤。艇体采用国际先进的流线型外型，通过对其密度、重心、浮心等进行设计，配合符合流体力学设计的平衡翼，保证了浮标在水中静止和拖曳航行时的稳定性。艇体由高性能TPU聚合物构成，具有弹性，抗冲击特性。前端的系留环使用高强度不锈钢材料制成，经久耐用。顶部的方位灯为闪烁光源，使用节能高效的发光二极管，装入两节普通的7号电池即可使用100 h以上，并有透光性好的防弹材料外壳保护。

2 拖曳式浮标的建模

浮标坐标系定义：模型的大地坐标系位为oexeyeze，其中oexe为舰船前进方向，oeye垂直向上，oeze满足右手定则。拖曳载体坐标系oxbybzb，其中oxb为舰船前进方向，oyb垂直向上，ozb满足右手定则，具体如图3所示。

图3 浮标坐标系示意图

在大地坐标系中，浮标的位置在地面坐标系中表示为pe=[x，y，z]T；在浮标体坐标系中，速度为vb=[u，v，w]T，角速度为 ωbnb=[p，q，r]T；浮标受力与力矩分别为 fb=[X，Y，Z]T与 mb=[K，M，N]T.

浮标位置与姿态即广义位置η，可表示为η=[pn，θ]T；速度与角速度即广义速度V，可表示为 V=[vb，ωbnb]T；则浮标所受力与力矩可表示为广义力τ，有 τ=[fb，mb]T.

从而，得到拖曳式浮标的六自由度运动的动力学方程：

其中：

式（1）右端的τ是浮标受到的力和力矩，包括附件质量力、浮力、粘性阻力、升力、控制力等。

拖曳式浮标的运动学方程为：

3 仿真与分析

利用matlab对建立的拖曳式载体的动力学模型进行数值求解，得到了浮标的主要性能参数，结合流线型设计中确定的参数，汇总得到浮标的性能参数，如表2所示。

表2 浮标主要性能参数

对比浮标的设计要求（表1），浮标的总体设计满足指标要求。并进行了设计要求海况（4级海况）条件下，拖曳系统的稳定性仿真计算，拖曳式浮标的升沉和横摇曲线分别如图4、5所示。

图4 拖曳式浮标的升沉响应仿真曲线

图5 拖曳式浮标的横摇幅频响应仿真曲线

由图4、5可见，在海上波浪频率影响范围内，浮标的升沉和横摇发生波动后趋于稳定，并且升沉和横摇的波动幅度相对较小。可见，在设计海况条件下，浮标的运动和姿态稳定性满足海洋环境监测要求。

4 结论

拖曳浮标系统在海洋资源监测中有广泛的应用，本文进行了一种拖曳式浮标的总体设计并进行了仿真建模和分析，仿真分析结果表明：在设计海况条件下，拖曳式浮标的稳定性满足要求。

参考文献：

[1]丁翠环，李孟学，韩 硕.海上试验声学浮标多功能设计[J].船舶电子工程，2015，35（3）：129-131.

[2]李俊文，刘惠康，张孝春.基于ARM的波浪浮标设计[J].电子技术应用，2014，40（9）：17-20.

[3]杨 瑞，刘寅东，顾 群.等.海上溢油跟踪定位浮标参数分析及技术优化研究[J].船海工程，2014，43（4）：101-103.

[4]刘国栋.波浪浮标系统设计与测波方法研究[J].科学技术与工程，2011，11（35）：8805-8809.

[5]徐玉如，苏玉民，庞永杰.海洋空间智能无人运载器技术发展展望[J].中国舰船研究，2006，1（3）：1-4.

[6]燕奎臣，李一平，袁学庆.远程自治水下机器人研究[J].机器人，2002，24（4）：299-303.

[7]李 哗，刘建成，徐玉如，等.带翼水下机器人运动控制的动力学建模[J].机器人，2005，27（2），128-131.

[8]冯更生，朱克强.水下拖曳系统运动姿态仿真研究[J].海洋工程，2005，23（4）：56-63.

[9]王光源，马海洋，李 东.拖曳式通信浮标对潜艇隐蔽性的影响[J].舰船科学技术，2012，34（3）：107-110.