大型深海<strong>AUV</strong>无动力螺旋下潜运动特性分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.028

工程设计学报

2022, Vol. 29

Issue (3): 370-383 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.028

建模、仿真、分析与决策

大型深海AUV无动力螺旋下潜运动特性分析

高伟^1,^2,³(

),张玮⁴,谷海涛^1,²(

),孟令帅^1,²,高浩^1,²,赵志超^1,^2,³

^1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳 110016
^2.中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁沈阳 110169
^3.中国科学院大学，北京 100049
^4.中国人民解放军海军研究院，北京 100161

Analysis of motion characteristics of large deep-sea AUV unpowered spiral diving

Wei GAO^1,^2,³(

),Wei ZHANG⁴,Hai-tao GU^1,²(

),Ling-shuai MENG^1,²,Hao GAO^1,²,Zhi-chao ZHAO^1,^2,³

^1.State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
^2.Institute of Robotics and Intelligent Manufacturing Innovation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110169, China
^3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
^4.Naval Research Academy of PLA, Beijing 100161, China

全文: PDF(9202 KB) HTML

摘要：

为了合理地设计大型深海自主水下航行器（autonomous underwater vehicle, AUV），针对其无动力螺旋下潜时的静力配置问题展开研究，重点分析其无动力螺旋下潜运动特性。首先，基于拉格朗日方程推导了大型深海AUV的动力学模型，并利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）软件对其直航试验、斜航试验、悬臂水池试验和平面运动机构试验进行数值模拟，通过最小二乘线性回归法拟合得到了相应的水动力系数；同时通过对比给定推力条件下AUV的直航速度验证了动力学模型的有效性。然后，基于所构建的动力学模型，利用MATLAB/Simulink和S函数建立了大型深海AUV的六自由度运动仿真模型，分析了其净负浮力、重心纵向位移和稳心高度与无动力螺旋下潜稳态参数之间的关系。最后，设计了1∶10的大型深海AUV缩比样机，通过水池试验验证了动力学仿真结果的正确性。结果表明：净负浮力作为大型深海AUV下潜时的主要动力来源，决定了AUV的下潜速度和偏航角速度；净负浮力和重心纵向位移与稳心高度的比值越大，AUV的垂向下潜速度越快，下潜至6 000 m深度的用时越短；由于该AUV的体量较大，其纵倾角主要由重心纵向位移与稳心高度的比值决定，压载质量对重心位置和转动惯量的影响几乎可以忽略。研究结果可为大型深海AUV无动力螺旋下潜时的静力配置提供参考。

关键词： 大型深海自主水下航行器; 动力学建模; 无动力螺旋下潜; 运动仿真; 水池试验

Abstract:

In order to reasonably design the large deep-sea autonomous underwater vehicle (AUV), the static configuration problem of its unpowered spiral dive was studied, and the motion characteristics of its unpowered spiral dive were analyzed. Firstly, the dynamic model of large deep-sea AUV was derived based on the Lagrange equation and its direct route test, oblique towing test, cantilever pool test and plane motion mechanism test were numerically simulated by the CFD (computational fluid dynamics) software, and the corresponding hydrodynamic coefficients were fitted by the least square linear regression method; at the same time, the validity of the dynamic model was verified through comparing the route speed of this AUV under the given thrust condition. Then, based on the constructed dynamic model, the six-degree-of-freedom motion simulation model of large deep-sea AUV was established by using the MATLAB/Simulink and S-function, and the relationship between the net negative buoyancy, longitudinal displacement of gravity center, metacentric height and the unpowered spiral diving steady-state parameters was analyzed. Finally, a 1∶10 scaled-down prototype of large deep-sea AUV was designed, and the correctness of dynamic simulation results was verified by the pool test. The results showed that net negative buoyancy was the main power source of large deep-sea AUV, which determined the diving speed and yaw angular speed of the AUV; the greater the net negative buoyancy and the ratio of longitudinal displacement of gravity center to metacentric height, the faster the vertical diving speed of the AUV and the shorter the time to dive to a depth of 6 000 m; due to the large volume of this AUV, its longitudinal inclination angle was mainly determined by the ratio of longitudinal displacement of gravity center to metacentric height, and the influence of ballast mass on the gravity center position and moment of inertia could be almost ignored. The research results can provide a reference for the static configuration of large deep-sea AUV during unpowered spiral diving.

Key words: large deep-sea autonomous underwater vehicle dynamic modeling unpowered spiral diving motion simulation pool test

收稿日期: 2021-05-19 出版日期: 2022-07-05

CLC:

TP 242.3

基金资助: 十三五装备预研项目(2020107/2002)

通讯作者: 谷海涛 E-mail: gaowei1@sia.cn;ght@sia.cn

作者简介: 高伟（1996—），男，安徽合肥人，硕士生，从事水下机器人设计优化方法及其运动分析研究，E-mail：gaowei1@sia.cn，https：//orcid.org/0000-0002-6948-5961

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引用本文:

高伟,张玮,谷海涛,孟令帅,高浩,赵志超. 大型深海AUV无动力螺旋下潜运动特性分析[J]. 工程设计学报, 2022, 29(3): 370-383.

Wei GAO,Wei ZHANG,Hai-tao GU,Ling-shuai MENG,Hao GAO,Zhi-chao ZHAO. Analysis of motion characteristics of large deep-sea AUV unpowered spiral diving[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(3): 370-383.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.028 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I3/370

图1 大型深海AUV的总体布局

图2 大型深海AUV坐标系构建

图3 大型深海AUV的流体计算域及边界条件

表1 大型深海AUV数值模拟的网格无关性验证结果

表2 不同直航试验工况下大型深海AUV阻力的数值模拟结果

表3 大型深海AUV的斜航试验数值模拟工况设计

图4 大型深海AUV斜航试验数值模拟结果（部分）

表4 大型深海AUV的悬臂水池试验数值模拟工况设计

图5 大型深海AUV悬臂水池试验数值模拟结果（部分）

图6 纯横荡运动过程中大型深海AUV所受横向力的变化规律

图7 纯横荡运动过程中大型深海AUV所受偏航力矩的变化规律

振荡频率/Hz	$Y v ˙$ /kg	$N v ˙$ /kg·m
平均值	-5 838.787 5	-28 035.394 1
0.10	-6 695.222 8	-38 568.912 2
0.15	-5 514.450 4	-26 142.592 2
0.20	-5 306.689 4	-19 394.677 8

表5 不同振荡频率下大型深海AUV的加速度相关水动力系数拟合结果

水动力系数	量值
黏性水动力相关系数	$K D 0 = - 194.004 ? 3 ? k g / m K D = - 4 ? 353.732 ? 4 ? k g / (m ? r a d 2)$
	$K β = - 5 ? 707.978 ? 0 ? k g / m ? r a d$
	$K L 0 = - 9.197 ? 3 ? k g / m K L = - 8 ? 486.898 ? 8 ? k g / m ? r a d$
黏性水动力矩相关系数	$K M Y = - 1 ? 323.630 ? 1 ? k g / r a d K p = - 5 ? 292.450 ? 4 ? k g ? s / r a d$
	$K M 0 = 206.040 ? 2 ? k g K M = - 15 ? 338.366 ? 7 ? k g / r a d K q = - 170 ? 274.832 ? 3 ? k g ? s / r a d 2$
	$K M Z = 11 ? 491.559 ? 6 ? k g / r a d K r = - 114 ? 417.337 ? 7 ? k g ? s / r a d 2$
加速度相关系数	$X u ˙ = - 2 ? 707.241 ? 4 ? k g Y v ˙ = - 5 ? 838.787 ? 5 ? k g Y r ˙ = 30 ? 017.879 ? 7 ? k g ? m / r a d Z w ˙ = - 10 ? 159.604 ? 0 ? k g M w ˙ = 42 ? 912.398 ? 6 ? k g ? m M q ˙ = 444 ? 749.939 ? 5 ? k g ? m 2 / r a d 2 N v ˙ = - 28 ? 035.394 ? 1 ? k g ? m N r ˙ = - 269 ? 033.762 ? 9 ? k g ? m 2 / r a d$
舵角相关系数	$X δ b δ b = - 799.853 ? 6 ? k g / m X δ s δ s = - 461.005 ? 4 ? k g / m X δ r δ r = - 489.803 ? 1 ? k g / m Y δ r = - 1 ? 098.460 ? 8 ? k g ? m / r a d 2 Z δ b = - 2 ? 373.612 ? 2 ? k g / m ? r a d Z δ s = - 1 ? 129.144 ? 6 ? k g / m ? r a d M δ b = 15 ? 443.455 ? 8 ? k g / r a d M δ s = - 8 ? 494.593 ? 7 ? k g / r a d N δ r = 7 ? 819.812 ? 8 ? k g / r a d$

表6 大型深海AUV水动力系数计算结果

图8 大型深海AUV的六自由度运动仿真模型

图9 不同推力下大型深海AUV的直航速度对比

图10 大型深海AUV无动力螺旋下潜运动轨迹

图11 大型深海AUV无动力螺旋下潜状态参数随时间的变化规律

图12 净负浮力对大型深海AUV无动力螺旋下潜稳态参数的影响

图13 重心纵向位移对大型深海AUV无动力螺旋下潜稳态的影响

图14 稳心高度对大型深海AUV无动力螺旋下潜稳态参数的影响

图15 大型深海AUV缩比样机

图16 大型深海AUV缩比样机的电子密封舱

图17 大型深海AUV缩比样机水池试验现场

表7 大型深海AUV缩比样机的无动力螺旋下潜水池试验工况

图18 大型深海AUV缩比样机无动力螺旋下潜过程（ W=7.5 N， δr=24°）

图19 不同净负浮力下大型深海AUV缩比样机无动力螺旋下潜状态参数随时间的变化规律（δr =20°）

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