基于续航能力的仿生水下航行器设计及实验

2008年3月第34卷第3期北京航空航天大学学报

JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMarch󰀁2008Vo.l34󰀁No󰀁3

基于续航能力的仿生水下航行器设计及实验

文󰀁力󰀁󰀁梁建宏󰀁󰀁王田苗󰀁󰀁宋永生

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100083)

󰀁󰀁摘󰀁󰀁󰀁要:SPC3󰀂UUV机器鱼是在北航SPC󰀂2仿生机器鱼UUV平台基础上经过优化改进,为提高推进效率和续航力专门研制的水下仿生航行器实验平台.通过在泳池静水中对平台的摄像机测速观测实验和功率数据采集计算机的记录,得到SPC3󰀂UUV速度󰀂频率,功率󰀂频率

特性曲线,由航程估算,得到该平台在不同的拍动频率下续航时间以及估算航程,同时以平台速度和续航能力为评价原则选择了长航程实验的推进频率,范围定为1.5~1.6Hz,并在北戴河长航程实验中得到了验证.SPC󰀂3UUV航程达到22.761km,续航时间6.25h,平均航速1.03m/s.

关󰀁键󰀁词:仿生;推进;水下航行器中图分类号:TP24

文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1001󰀂5965(2008)03󰀂0340󰀂04

Designandexpermientofaunderwatervehicle

basedoncapacityofvoyage

WenLi

LiangJianhong

WangTianmiao

SongYongsheng

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China)

Abstrac:tTheSPC󰀂3UUVprototypeisanexperimentalplatformwhichisespeciallydesignedtoimproveefficiencyofpropulsionandcapacityofvoyagebasedontheSPC󰀂2UUVrobofishbyBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics.BasedontherecordofdatacollectioncomputerandcameralwhichisusedtomeasurethespeedofSPC󰀂3UUVintheswimmingpoo,lthespeed󰀂frequencyandpower󰀂frequencycurvewerefounded.Aftertheestimatingthecapacityofvoyage,thevoyagetimeandvoyageonconditionofdifferentfre󰀂quencywerecalculated,thepropulsionfrequencycouldbeselectedaccordingtothespeedandvoyageandrangefrom1.5Hzto1.6Hz,andithadbeentestifiedinthelongvoyageexperimentinBeidaihe.SPC󰀂3UUVachieved22.761kilometers,anditsvoyagetimewas6.25h,averagespeedwas1.03m/s.

Keywords:bionics;propulsion;underseavehicle

󰀁󰀁20世纪水下机器人技术作为人类探索海洋的最主要的手段,水下无人潜航器UUV(Un󰀂mannedUnderseaVehicle)于20世纪50年代开始研制,主要用于开采海上石油过程中监测海底情况与石油管道,70~80年代由于美国海军的需求,UUV开始逐渐用于监视和侦查、扫雷与通信、水下情报收集等军事任务.现在UUV作为一种尖端水下武器,已经受到普遍的重视,各国已经加速这方面的投入`,美国于2005年1月发布了新的

󰀁收稿日期:2007󰀂06󰀂29

󰀁基金项目:国家杰出青年科学基金支持项目(60525314)

󰀂无人潜航器UUV总体规划 ,规划中明确指出了UUV需进一步在能源系统,推进系统技术以及自主能力等方面投入更多的研究,并将UUV水下航行器分为便携型、轻型、重型、大型4种,其中便携型UUV明确规定其重量不可超过45.4kg,直径在0.9~2.7m之间,高载荷下连续工作10h,低载荷下连续工作20h.

2003年,由美国海军需求,伍兹霍尔海洋研究所研制的!REMUS∀UUV水下航行器,由螺旋

󰀁作者简介:文󰀁力(1983-),男,四川达州人,博士生,alexwen839501@sohu.com.

󰀁第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文󰀁力等:基于续航能力的仿生水下航行器设计及实验341

桨推进,体重36.5kg,在3节的速度下,水下续航时间为22h;同年,北京航空航天大学机器人研究所研制了SPC󰀂2仿生机器鱼UUV平台,重量为45kg,在游泳池测试中,当拍动频率达到2.5Hz时速度达到1.15m/s,但功耗也达到了240W,在2004年的北戴河海试中,续航时间为2~3h,航程3~4km.

尽管机器鱼仿生航行器在效率,隐蔽性以及机动性等方面存在比螺旋桨潜在的优势,但SPC󰀂2机器鱼实验结果表明在提高续航能力和降低功耗方面仍然需要做大量工作,才能使仿生机器鱼平台具有更广阔的水下应用价值.

1)采用类似鱼雷的水滴艏流线形,细长比约为7.3,为满足较小的舱体直径和保持流线形,专门开发了适合舱体空间的传动系统,推进器和动力装置占排水量的比例约为7%;

2)分析了整个推进系统能量损耗的环节,采用优化的配置方案,使得电机驱动环节减少损耗约15W、机械传动环节减少损耗约20W,整个推进器的待机功耗仅3.5W;采用了基于MEMS惯性器件的超低功耗自动控制和导航系统,功耗仅为1.2W;

3)采用钛合金拍动机构、碳纤维尾鳍并减小面积,进一步减少损耗;

4)航行器采用超轻超强碳纤维和阳极化铝合金作为结构材料,使得结构重量仅占排水量的15%左右,从而使电池和有效载荷占排水量达到70%.

1󰀁SPC󰀂3UUV平台主要特点

SPC3󰀂UUV是在北京航空航天大学研发的SPC󰀂2机器鱼基础上经过大量优化改进,为提高推进效率和续航能力专门研制的水下仿生航行器实验平台.为了达到较高的推进效率、较小的阻力

和较大的续航能力,总体设计上具有以下特色:

参数数值

平台SPC󰀂3UUV

长度/m1.60

2󰀁SPC󰀂3UUV平台简介

表1为SPC󰀂3UUV平台总体参数.

平台总重量/kg配重质量/kg壳体重量/kg

46

14

6.7

表1󰀁SPC󰀂3UUV平台参数

总排水量/kg总表面积/m2最大截面积/m2

41

0.875

0.0379

󰀁󰀁图1为SPC󰀂3UUV的系统平台结构图,从机械系统结构上划分可以将系统内部结构分为头锥、主舱段和推进舱3大部分,从功能结构上可以

将系统分为导航与主控模块,动力与驱动模块,推进器系统模块.

了电池放电能量曲线如图2所示.

从图2得知,电池满电压为16.4V,在电池电压降低至14.65的时候,电池的放电性能已经下降到很小,由于整套系统工作在较大的载荷状况下,电池放电能力将决定驱动系统是否能正常工作,所以设定在单块电池电压降低到14.65V时切换新的电池,此时可以通过积分计算得到当单块电池放电至14.6V的时候放电量为4970mA#h,所以当一组电池工作时,其截至电压应在29.2V左右,且到截至阶段一组电池的放电电量Q为9940mA#h.

图1󰀁SPC󰀂3UUV结构图

SPC󰀂3UUV主舱段主要用于容纳动力电池,目前设计安装了26块14.8V6(A#h)的锂聚合物电池,每两块串连构成一个动力电池组与此同时设计并建立一套科学有效的电源管理方法,并在电磁兼容问题作了精心的设计,从而保证动力系统的可靠性.为了进一步了解电池的放电特性,通过多次在机器鱼工作状态下电池放电实验得到

图2󰀁电池电压󰀂放电能量曲线

3󰀁SPC󰀂3UUV泳池测试实验

通过在25m游泳池内对SPC3󰀂UUV水下航行器的多次实验,得到了其在静水中的频率󰀂速度,频率󰀂功率特性.

342北京航空航天大学学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008年󰀁

3.1󰀁尾鳍拍动频率󰀂速度测试及数据分析

为测试SPC󰀂3UUV平台在水中的推进速度,实验过程如下:选择一条泳道,将摄像机固定在泳道边,通过固定的摄像机进行摄像测速,同时在航行器身上做2个显著的标识线,并测量2个标识线之间的距离D.当摄像机捕捉到航行器通过视场时,计算2个标识线进入视场的时间差󰀁T,就可以求得瞬时速度󰀂=D/󰀁T.

利用上述实验方法测试了尾鳍拍动频率0.6~2.0Hz对应平台的推进速度,每增加0.2Hz就做一次采样.通过实验数据分析发现,在0.6~2.0Hz的范围内,平台推进速度和拍动频率基本成正比,利用拍动频率和速度成正比的推论,采用最小二乘法在Matlab中对实验所得的数据进行拟合,得到频率󰀂速度曲线如图3所示.

图3󰀁频率󰀂速度曲线

由此在Matlab中运用最小化绝对残差一次

线性拟和得到的频率f-速度󰀂关系式:

󰀂(f)=0.5917∃f+0.007667

(1)

3.2󰀁尾鳍拍动频率󰀂功率测试及数据分析

在上述同样的实验环境和实验条件下,以测试SPC3󰀂UUV实验平台的拍动频率-功率为目的而设置了如下实验过程:在测试平台在水中的推进速度的同时,通过SPC󰀂3UUV内部的一台12位的PC104数据采集卡对实验平台动力电池电压和2个驱动器的电流进行采样,电流计算得到实时功率,每秒采集500次,然后求均值,每秒向上位机实时发送一次平均功率并且记录,图4为SPC󰀂3UUV内部的功率采集系统的电气系统结构,如图4所示.

由流体阻力公式:

R2

T=0.5∃ ∃V∃Cd∃!(2)

式中, 为流体的密度;V为平台速度;Cd为平板阻力系数;!为平台表面积;所以得RT%V2[1]

,由于在SPC󰀂3UUV巡游过程中推力F和阻力RT可以视作相同,所以R2

T=F,即F%V,由式(1)可知F%f2

;由功率P=F∃󰀂,所以P%f3,通过在Mat󰀂lab中利用最小二乘法对实验测得的数据进行3次的多项式拟和得到拟合曲线,见图5.

图4󰀁推进系统的功率集系统框图

图5󰀁P󰀂f特性曲线

同时得到P与尾鳍拍动f的关系式:

P=-48.41f3+201f2

-182.6f+57.27

󰀁(3)

4󰀁航程估算及实验频率选择

单组电池航程和续航时间估算可以通过下式:

S(f)=(Q/P)∃V

(4)

T(f)=Q/P(5)

式中,Q为单组电池安全放电电量;S为航行器航程;P为SPC󰀂3UUV游动中消耗的功率;V为平台游动速度,通过式(1)和式(2)的P󰀂f和V󰀂f的拟和公式得到了单组电池的f󰀂S曲线,见图6.

单块电池的f󰀂T曲线见图7.

通过图3,图6和图7分析发现:

1)1.5Hz以上的拍动频率满足航行器两节以上速度的要求;

2)1.5~2.0Hz的续航能力很接近,但是最

图6󰀁单块电池f󰀂S特性曲线

󰀁第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文󰀁力等:基于续航能力的仿生水下航行器设计及实验343

原因为驱动器过热保护而不工作以及罗盘航向不稳定导致航向导航问题.第3块电池的使用时间最长,通过GPS航点回传信息可以计算得到第3块电池航程5.441km,且续航时间达到81min,平均航速达到1.12m/s,而在SPC󰀂3UUV内部装有13组电池,如果在所有电池皆充满的状态下,可以作出如下结论:若不出现驱动器故障,SPC󰀂3UUV在推进器保持1.5~1.6Hz的拍动频率的条

图7󰀁单块电池续航时间与频率特性曲线

件下巡航时间可达到17.5h,航程能够达到70.733km,平均航速为1.12m/s.

弱的;

3)1.5~2.0Hz的单组电池航程估算距离值

相差很小,同时续航时间只相差15min.

在实际长航程实验中主要将以下几个标准当作考察因素:

1)航行速度.速度太慢机器鱼将失去巡游意义,所以考虑到的标准是速度至少应该维持在两节或两节以上;

2)续航能力.航程和续航时间是长航程实验的主要考察目标和重要指标;

3)系统稳定性.因为在海上做长航程实验,未知因素太多,相比之下推进频率和功耗较小的状况下机械和电气系统的可靠性都会更高;经过分析,速度和续航能力不可同时兼得,需要损失部分续航能力以保证平台巡游速度,因此以前后者结合得最好的一段频率1.5~1.6Hz为最优的拍动频率并将北戴河长航程实验的主要频率定为1.5~1.6Hz.

5󰀁SPC󰀂3UUV长航程实验

2006年10月11日上午10:29,SPC󰀂3UUV

采用航向导航模式向东南偏东方向19&巡游,试验人员渔船跟随并观测,实验于当天下午17:20结束,图8是长航时实验(巡航频率1.5~1.8HzGPS(GlolePositionSystem)总航迹及整个过程中的主要事件图:由长航程实验图表可以看出,在实验过程中总共的故障时间为50min,主要的故障

图8󰀁北戴河长航时实验GPS航迹

6󰀁结󰀁论

SPC3󰀂UUV采用类似鱼雷的水滴艏流线形,专门开发了适合舱体空间的传动系统和优化了整

个推进系统能量损耗的环节,并提高了电池和有效载荷占排水量.这一系列措施都在保障系统可靠性和总重量不增加的情况下,平台续航能力得到大大的提高.通过北戴河长航时实验可以做出如下总结:∋SPC󰀂3UUV北戴河长航程实验数据基本达到美国󰀂无人潜航器UUV总体规划 中便携式UUV航行器技术指标,说明能够在实际的应用有一席之地;(仿生机器鱼推进器同样能够胜任长航时工作,并在机动性,隐蔽性比螺旋桨更有优势,大有潜力可挖;)SPC󰀂3UUV的推进系统电机驱动器可靠性应该进一步提高,同时仿生推进系统机构优化设计工作将进一步向低噪声,低功耗,高载荷的方向发展.

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