欠驱动型ROV改进设计与纵倾优化

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.200

欠驱动型ROV改进设计与纵倾优化

许哲^,^,¹, 代威¹, 曹宇¹, 李永国^,^,¹, 张舜²

1.上海海洋大学工程学院，上海 201306

2.上海遨拓深水装备技术开发有限公司，上海 201306

Improved design and longitudinal pitch optimization of underdriven ROV

XU Zhe^,^,¹, DAI Wei¹, CAO Yu¹, LI Yongguo^,^,¹, ZHANG Shun²

1.College of Engineering Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China

2.AutoSubsea Vehicles Inc. , Shanghai 201306, China

通讯作者: 李永国（1979—），男，青海西宁人，副教授，博士，从事无人系统智能检测技术研究，E-mail: yg-li@shou.edu.cn，https://orcid.org/0000-0001-6407-5763

收稿日期: 2023-08-31 修回日期: 2023-10-26

基金资助:

国家自然科学基金资助项目. 51876114

First author contact: XU Z， DAI W， CAO Y， et al. Improved design and longitudinal pitch optimization of underdriven ROV［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2024， 31(4): 483-490.

Received: 2023-08-31 Revised: 2023-10-26

作者简介 About authors

许　哲（1970—），男，吉林安图人，副教授，博士，从事机电一体化研究，E-mail:xuzhe@shou.edu.cn，https://orcid.org/0009-0002-0423-320X , E-mail：xuzhe@shou.edu.cn

摘要

针对无人遥控潜水器（remotely operated vehicle, ROV）在高速航行时因受流场作用而导致纵倾幅值、纵倾角度变化较大的问题，提出通过搭配选择扩展底盘和尾翼结构参数的方法来实现欠驱动型ROV的零纵倾或微纵倾高速运动。基于格子玻尔兹曼方法（lattice Boltzmann method, LBM），通过壁面自适应细化算法，结合ROV的结构参数进行六自由度仿真实验，以模拟ROV的航行运动。对扩展底盘和尾翼高度不同的ROV分别进行数值分析，得到扩展底盘、尾翼的结构参数与ROV纵倾幅值、纵倾角度的关系。通过对航行表现相似的ROV的旋转力矩进行比较，确定了在相同扩展底盘条件下ROV的稳定性与尾翼高度的关系。开展了扩展底盘和尾翼结构优化正交实验，利用遗传算法对不同实验方案下ROV的纵倾数据进行了拟合处理。结合实际需求确定了扩展底盘和尾翼的高度，并通过实际测试验证了ROV纵倾优化设计方案的正确性。结果表明，合理搭配扩展底盘和尾翼的结构可有效减小欠驱动型ROV的纵倾幅值，从而实现ROV在无幅值补偿时的微纵倾航行运动。研究结果可为相关水下装置纵倾运动的改进提供参考。

关键词： 无人遥控潜水器 ; 格子玻尔兹曼方法 ; 纵倾 ; 六自由度仿真 ; 结构优化

Abstract

Aiming at the problems of large changes in longitudinal pitch amplitude and longitudinal pitch angle caused by the flow field when the remotely operated vehicle (ROV) sails at high speed, a method for achieving high speed underdriven ROV operated with zero longitudinal pitch or slight longitudinal pitch by matching and selecting structural parameters of the extended chassis and the tailplane was proposed. Based on the lattice Boltzmann method (LBM), a six-degree-of-freedom simulation experiment was carried out by using the wall adaptive refinement algorithm combined with the structural parameters of the ROV to simulate the ROV sailing motion. The numerical analysis for the ROV with different height of extended chassis and tailplane was analyzed numerically to obtain the relationship between the structural parameters of extended chassis and tailplane and the longitudinal pitch amplitude and longitudinal pitch angle. By comparing the rotating torque of ROVs with similar sailing performance, the relationship between ROV stability and tailplane height was determined under the same extended chassis conditions. The orthogonal experiments for structure optimization of the extended chassis and tailplane were conducted, and the longitudinal pitch data of the ROV under different experimental schemes were fitted by using genetic algorithm. Combined with the actual requirements, the height of the extended chassis and tailplane was determined, and the correctness of the ROV longitudinal pitch design scheme was verified by the actual test. The results showed that the reasonable match of the extended chassis and tailplane structure could effectively reduced the longitudinal pitch amplitude of underdriven ROVs, so as to achieve slight longitudinal pitch sailing motion of ROVs without amplitude compensation. The research results can provide reference for improving the longitudinal pitch motion of relevant underwater devices.

Keywords： remotely operated vehicle ; lattice Boltzmann method ; longitudinal pitch ; six-degree-of-freedom simulation ; structure optimization

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本文引用格式

许哲, 代威, 曹宇, 李永国, 张舜. 欠驱动型ROV改进设计与纵倾优化[J]. 工程设计学报, 2024, 31(4): 483-490 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.200

XU Zhe, DAI Wei, CAO Yu, LI Yongguo, ZHANG Shun. Improved design and longitudinal pitch optimization of underdriven ROV[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(4): 483-490 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.200

本文链接：https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.200

随着海洋强国战略的实施和不断推进，无人遥控潜水器（remotely operated vehicle, ROV）已在多个领域替代人工进行观测作业。其中，开架型ROV具有作业效率高、价格低廉等优势^[1]。但是，开架型结构的单一性导致ROV在运动灵活性和稳定性方面存在缺陷^[2]。ROV在高速航行时常常因水下环境复杂而产生姿态纵倾问题，导致无法获得预期图像或视频^[3]。常规改善ROV纵倾缺陷的手段主要有2种：推进器补偿^[4]和结构优化^[5]。其中：推进器补偿只能在ROV前后垂向推进器不少于2个时采用，可通过PID（proportional integral derivative，比例-积分-微分）控制^[6]、模糊控制^[7]等方式来进行纵倾幅值补偿，以保持ROV姿态稳定。结构优化通常采用改变配重块位置的方式，即在不影响ROV静态平衡的前提下，通过改变配重块位置来增大ROV的回转力矩。改变配重块位置虽可改善ROV的纵倾问题，但过大的重量会增加推进器的负担，从而降低ROV的最大航行速度^[8]。

为解决上述问题，本文通过改变扩展底盘的高度和增加尾翼结构来改变水动力合力的位置，从而减小由推力和水动力引起的旋转力矩，以使欠驱动型ROV（只有1个前后垂向推进器）可在最大航行速度不受影响的情况下以零纵倾或微纵倾的运动方式平稳地接近目标物体。

1 欠驱动型ROV的结构参数

欠驱动型ROV的实物图如图1所示。该ROV的结构分为两部分：ROV主体和扩展底盘。其中，ROV主体主要包括起吊环、浮力材料、电源舱、推进器（前后垂向推进器只有1个）和框架，用于实现ROV多个方向的运动。扩展底盘上可安装不同的作业设备，以满足ROV的不同作业需求^[9]。图1中ROV的主要结构参数如表1所示。

图1

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图1 欠驱动型ROV实物图

Fig.1 Physical diagram of underdriven ROV

表1 欠驱动型ROV的主要结构参数

Table 1 Main structural parameters of underdriven ROV

参数	数值
主体质量/kg	65
主体外形尺寸^①/(mm×mm×mm)	550 $\times$ 820 $\times$ 500
扩展底盘尺寸^①/(mm×mm×mm)	550 $\times$ 830 $\times$ 200
垂向推进器数量/个	2
水平推进器数量/个	8
最大水平推力/N	700
正浮力/N	20

① 尺寸指长 $×$ 宽 $×$ 高。

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2 格子玻尔兹曼方法

在格子玻尔兹曼方法（lattice Boltzmann method, LBM）中，流体被离散成微观粒子，微观粒子在离散格子上碰撞和迁移，通过统计微观粒子的运动情况来获得流体的宏观运动特性。该方法采用分布函数 $f (r, t)$ 来描述流体系统中粒子的密度分布，采用分布函数的矩来表示宏观物理量。因此，LBM可看作是对分布函数 $f (r, t)$ 演化规律的离散求解方法。离散求解方程定义如下^[10]：

f_{i} (r + c_{i} Δ t, t + Δ t) = f_{i} (r, t) + Ω_{i}^{}

式中： $i$ 为粒子运动方向的编号， $i = 1, 2, \dots, n$ ； $f_{i} (r, t)$ 为粒子沿 $i$ 方向的分布函数； $r$ 为粒子在离散格子中的位置向量； $c_{i}$ 为粒子速度； $t$ 为离散时间； $Δ t$ 为时间步长； $Ω_{i}$ 为碰撞项。

LBM的关键在于构造粒子之间的碰撞模型。对于运动复杂、速度较快的流体，常采用多松弛时间模型。多松弛时间模型 $Ω_{i}^{M R T}$ 的表达式如下：

Ω_{i}^{M R T} = M_{i j}^{- 1} {\hat{S}}_{i j} (m_{i, e q}^{} - m_{i})

式中： $M_{i j}$ 为转换矩阵，用于将分布函数 $f_{i} (r, t)$ 投影到对应的矩中^[11]； ${\hat{S}}_{i j}$ 为对角松弛矩阵； $m_{i}$ 和 $m_{i, e q}$ 分别为分布函数 $f_{i} (r, t)$ 的矩及其平衡值，通过对分布函数求矩可得到流体的宏观物理量。

3 欠驱动型ROV航行运动仿真分析

3.1　计算流域参数设置

本文利用SolidWorks软件来完成欠驱动型ROV各模块零件的建模与装配^[12]，并配置ROV各零件的材料参数，得到其重心、浮心位置等质量属性^[13]。随后，将ROV三维模型导入XFlow软件，并基于LBM对ROV的计算流域进行大涡模拟，如图2所示。XFlow软件的预处理器可以根据每个几何图形的分辨率自动生成原始的网格结构，无须浪费时间绘制网格^[14-15]。本文将ROV计算流域的远场分辨率设为0.050 m，近壁、尾迹分辨率设为0.025 m^[16]。采用自适应细化算法对ROV壁面及其周围流域的网格进行自动加密；采用均匀非平衡壁函数来模拟ROV的边界层。选择虚拟风洞模式^[17]，并将计算流域尺寸设置为10 m×8 m×3 m^[18]，所生成的网格数约为3.9×10⁶个。计算流域两侧分别设置为自由进口和自由出口，流域内为不可压缩流体，其参考密度为1 000 $k g / m^{3}$ ，动力黏度为1.003×10^-3 $P a ∙ s$ ^[19]。

图2

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图2 欠驱动型ROV的计算流域

Fig.2 Calculation domain for underdriven ROV

3.2　仿真结果验证

为验证本文所采用的数值方法以及所设置的结构参数等能够有效且准确地模拟欠驱动型ROV的航行性能，将仿真得到的ROV在航行过程中的纵倾幅值、纵倾角度与对应的实测数据进行对比^[20]。基于XFlow软件仿真得到的欠驱动型ROV的航行运动云图（3 s内）如图3所示。

图3

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图3 欠驱动型ROV航行运动云图

Fig.3 Sailing motion cloud map of underdriven ROV

由图3可知，在欠驱动型ROV航行过程中，因推进器作用位置靠下和起始推力迅速增大，ROV先作抬艏运动，但抬艏运动持续时间较短，约为0.2 s。当ROV抬艏一定时间后，在旋转力矩和回转力矩的双重作用下，其抬艏角度迅速减小，最终恢复为0°，该过程约持续0.1 s。之后，因旋转力矩远大于回转力矩，ROV开始作埋艏运动，埋艏角度最终可达90°。

为获得ROV实际航行时的纵倾幅值和纵倾角度数据，先将ROV放置在水中并静止半分钟，待ROV稳定后通电运行；通电后，迅速将控制手柄推至功率最大位置，以使ROV全力前行。在ROV航行过程中，利用惯性导航系统和深度计获取特定时刻下ROV的纵倾幅值和纵倾角度并记录。欠驱动型ROV纵倾幅值、纵倾角度的实测值与仿真值的对比如图4所示。

图4

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图4 欠驱动型ROV纵倾幅值、纵倾角度的实测值与仿真值对比

Fig.4 Comparison of measured and simulated values of longitudinal pitch amplitude and longitudinal pitch angle of underdriven ROV

图4结果显示，该欠驱动型ROV的纵倾幅值、纵倾角度的实测数据与仿真数据的变化趋势一致，数值基本吻合，两者的最大相对误差为13.6%。由此说明，LBM可模拟ROV的真实航行运动，基于XFlow软件得到的仿真结果可为ROV的结构优化提供理论支持。

4 欠驱动型ROV结构优化方案选择

本文通过结构优化（调整扩展底盘高度和增加尾翼结构）来干涉欠驱动型ROV所受的水动力，以达到减小旋转力矩、纵倾幅值和纵倾角度的目的。

4.1　扩展底盘对ROV纵倾的影响

ROV扩展底盘所受的水动力主要为底盘与水体的摩擦阻力。改变扩展底盘的高度可改变摩擦阻力与推力的相对位置，从而影响ROV的旋转力矩。取扩展底盘的高度分别为100，120，150，180，200，220，250 mm，对应的部分欠驱动型ROV的三维模型如图5所示。根据3.1节中的仿真参数设置，利用XFlow软件进行仿真分析，得到扩展底盘高度不同时欠驱动型ROV的纵倾幅值与纵倾角度（t=3 s时刻），结果如图6所示。

图5

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图5 扩展底盘高度不同的欠驱动型ROV三维模型

Fig.5 Three-dimensional models of underdriven ROV with different heights of extended chassis

图6

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图6 扩展底盘高度对欠驱动型ROV纵倾的影响（ t=3 s）

Fig.6 Effect of extended chassis height on longitudinal pitch of underdriven ROV (t=3 s)

由图6可知，欠驱动型ROV的纵倾幅值、纵倾角度与扩展底盘高度呈正相关，即扩展底盘越高，ROV的纵倾幅值、纵倾角度越大。当扩展底盘高度为100 mm时，ROV的纵倾幅值与纵倾角度均最小，此时ROV航行得最平稳。当扩展底盘高度增大至120 mm时，ROV的纵倾幅值、纵倾角度少量增大，此时ROV仍处于平稳状态。但由于旋转力矩增大，当ROV姿态因受干扰而发生变化时，其回转力矩需较长时间才能维持平衡。当扩展底盘高度增大至180 mm时，ROV的纵倾幅值、纵倾角度急剧增大，此时ROV处于埋艏姿态，其旋转力矩大于回转力矩。随着扩展底盘高度继续增大至200 mm时，ROV的纵倾角度已接近或达到90°，此时ROV的前进性能完全失效。综上，减小扩展底盘高度可有效减小ROV的纵倾幅值和纵倾角度。因此，在满足作业设备安装要求的前提下，应尽可能减小扩展底盘的高度。

4.2　尾翼对ROV纵倾的影响

分析图3可知，ROV航行时水流速度最快处为浮力材料尾部倒角区域。水流经过此处时会对ROV施加垂直于倒角切面的压力，导致ROV向斜下方航行，通过填补此区域可有效改变压力的大小和方向。将填补结构称为尾翼，本文采用三棱柱形尾翼。欠驱动型ROV中尾翼的安装位置和结构如图7所示。在尾翼结构中，面ABD始终紧贴ROV浮力材料尾部倒角区域，线段AB、AD的长度分别与倒角对应的斜边长度、倒角区域长度相等；∠CAB恒定为倒角角度。通过控制尾翼高度（线段AC的长度）来改变尾翼形状，本文取尾翼高度分别为0，10，20，30，35，40，45，50，55，60，70 mm。根据3.1节中的仿真参数设置（扩展底盘高度为200 mm），利用XFlow软件进行仿真分析，记录t=3 s时搭载不同高度尾翼（含无尾翼情况）的欠驱动型ROV的纵倾幅值与纵倾角度，结果如图8所示。

图7

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图7 欠驱动型ROV尾翼的安装位置与结构

Fig.7 Installation position and structure of underdriven ROV tailplane

图8

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图8 尾翼高度对欠驱动型ROV纵倾的影响（ t=3 s）

Fig.8 Effect of tailplane height on longitudinal pitch of underdriven ROV (t=3 s)

由图8可知，欠驱动型ROV的纵倾幅值、纵倾角度与尾翼高度整体呈负相关。当尾翼高度为0 mm（即无尾翼）时，ROV的纵倾幅值、纵倾角度最大，此时ROV作埋艏运动，且旋转力矩远大于回转力矩。当尾翼高度增大至20 mm时，ROV的旋转力矩减小，但仍远大于回转力矩，此时ROV的纵倾幅值、纵倾角度呈线性减小趋势。当尾翼高度增大至35 mm时，ROV的旋转力矩继续减小且线性变化趋势剧烈。当尾翼高度为35~45 mm时，ROV的旋转力矩小于等于回转力矩，此时ROV保持水平航行姿态。当尾翼高度从50 mm增大至70 mm时，ROV的旋转力矩反向且大于回转力矩，此时ROV作抬艏运动。综上，选择不同高度尾翼时欠驱动型ROV有埋艏、水平和抬艏三种运动姿态，故确定合理的尾翼高度是保证ROV水平航行的关键。

鉴于尾翼高度为35，40，45 mm时欠驱动型ROV的纵倾幅值、纵倾角度接近，为进一步探究这3组ROV纵倾的不同之处，对其旋转力矩的变化情况进行分析，结果如图9所示。

图9

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图9 尾翼高度为35，40，45 mm时欠驱动型ROV的旋转力矩对比

Fig.9 Comparison of rotating torque of underdriven ROV with tailplane height of 35, 40, 45 mm

分析图9可知，对于纵倾幅值和纵倾角度相近的3组欠驱动型ROV，其旋转力矩具有明显差异：尾翼越高，ROV的旋转力矩越小；而旋转力矩越小，回转力矩越易与旋转力矩平衡，则ROV的动态稳定性越好。因此，为使ROV更易保持水平姿态航行，当ROV的纵倾幅值和纵倾角度相近时，应选择增加较高的尾翼。

4.3　基于正交实验的扩展底盘与尾翼高度优选

对于特定的扩展底盘，须匹配合适的尾翼，以保证欠驱动型ROV水平航行。为增加优化组合的多样性和普适性，将7种扩展底盘高度和11种尾翼高度两两组合并开展正交实验。共得到77组ROV航行数据，利用MATLAB软件对航行数据进行分析，以探究ROV纵倾幅值与扩展底盘、尾翼高度的关系。由于该关系为非线性关系，无法借助常规代数手段直接求得，本文利用遗传算法对获得的航行数据进行拟合处理，以构建高阶多项式来进行近似求解。遗传算法的参数设置如表2所示。最终拟合得到的ROV纵倾幅值与扩展底盘、尾翼高度的关系曲面如图10所示。

表2 遗传算法的参数设置

Table 2 Parameter setting for genetic algorithm

参数及函数	数值及表达式
种群数量/个	100
最大迭代数/次	500
交叉概率	0.5
变异概率	0.07
目标函数	$\begin{array}{l} F (x, y) = c_{1} + c_{2} x + c_{3} y + c_{4} x^{2} + c_{5} y^{2} + \\ c_{6} x y + c_{7} y^{3} + c_{8} y^{4} + c_{9} x^{2} y + \\ c_{10} x y^{2} + c_{11} x^{2} y^{2} + c_{12} x^{3} + \\ c_{13} x^{3} y + c_{14} x y^{3} \end{array}$
适应度函数	$E^{①} = \frac{1}{N} \sum_{h = 1}^{N} (F_{h} - z_{h})^{2}$

① E为拟合值F_h 与原始值z_h 之间的均方误差，N为拟合值个数。

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图10

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图10 欠驱动型ROV的纵倾幅值与扩展底盘、尾翼高度的关系曲面

Fig.10 Relationship surface between longitudinal pitch amplitude of underdriven ROV and height of extended chassis and tailplane

由图10可知，欠驱动型ROV纵倾幅值的峰值出现在扩展底盘高度最小（100 mm）、尾翼高度最大（70 mm）时，此时ROV作角加速度增大的抬艏运动。ROV纵倾幅值的谷值出现在扩展底盘高度最大（250 mm）、尾翼高度最小（0 mm）时，此时ROV作角加速度增大的埋艏运动。根据图10所示的拟合曲面，可知任意扩展底盘、尾翼高度组合下ROV的纵倾幅值。通过计算得到7组扩展底盘高度对应的最优尾翼高度，如表3所示。

表3 7组扩展底盘高度对应的最优尾翼高度 (mm)

Table 3 Optimum tailplane height corresponding to 7 groups of extended chassis height

扩展底盘高度	尾翼高度
100	35.29
120	40.68
150	43.17
180	45.26
200	47.53
220	52.94
250	60.15

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5 欠驱动型ROV样机制作与测试

ROV作业时要搭载直径为130 mm的MS1000声呐以开展观测任务。考虑到实际的安装便利性，选用高度为180 mm的扩展底盘。由表3可得，该扩展底盘对应的最优尾翼高度为45.26 mm。综合考虑，取尾翼的最终高度为45 mm。制作优化后的欠驱动型ROV样机，如图11所示。

图11

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图11 优化后的欠驱动型ROV样机

Fig.11 Underdriven ROV prototype after optimization

利用优化后的ROV样机开展水池实验，使用惯性导航系统同步记录该ROV每行驶2 m时的纵倾幅值与纵倾角度，并与优化前ROV的纵倾幅值与纵倾角度进行对比，结果如图12所示。

图12

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图12 优化前后欠驱动型ROV的纵倾幅值、纵倾角度对比

Fig.12 Comparison of longitudinal pitch amplitude and longitudinal pitch angle of underdriven ROV before and after optimization

由图12可知，优化前的ROV在航行了4.5 m时，其纵倾角度已达90°，航行性能失效。对于优化后的ROV，因受水流等的影响，其纵倾幅值恒定为0.3 m，纵倾角度稳定在1.5°左右，满足实际使用需求。

6 结论

无法采用推进器进行纵倾幅值补偿的欠驱动型ROV在水域环境中易产生较为显著的纵倾运动，严重时会扰乱正常的航行运动，从而影响观测画面。本文通过调整扩展底盘高度和增加尾翼结构的方式，实现了对欠驱动型ROV纵倾幅值与纵倾角度的改善。同时，基于遗传算法拟合得到了该ROV纵倾幅值与扩展底盘、尾翼高度的关系曲面，可为ROV结构参数的确定提供指导性依据。优化后的ROV在无幅值补偿的条件下能以微纵倾姿态稳定航行，验证了本文优化方法的可行性。研究结果可为相关水下设备纵倾幅值等的改善提供参考。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

RAHIMUDDIN， HASAN

， RIVAI

H A

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Design of omni directional remotely operated vehicle （ROV）

［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2018， 962： 012017.