• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究

赵志超 李天辰 谷海涛 高浩

赵志超, 李天辰, 谷海涛, 等. 深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 586-596 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
引用本文: 赵志超, 李天辰, 谷海涛, 等. 深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 586-596 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
ZHAO Zhi-chao, LI Tian-chen, GU Hai-tao, GAO Hao. Research on Unpowered Trim Ascent Motion Characteristics of Deep-sea Vehicles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 586-596. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
Citation: ZHAO Zhi-chao, LI Tian-chen, GU Hai-tao, GAO Hao. Research on Unpowered Trim Ascent Motion Characteristics of Deep-sea Vehicles[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 586-596. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001

深海运载器无动力纵倾上浮运动特性研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111001
基金项目: 十三五预研项目资助(2020107-2002); 中国科学院前沿基础研究项目(QYJC201913).
详细信息
    作者简介:

    赵志超(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下机器人水动力学

  • 中图分类号: U674.941; TJ630.33

Research on Unpowered Trim Ascent Motion Characteristics of Deep-sea Vehicles

  • 摘要: 为提高深海无动力运载器上浮响应速度, 满足任务载荷出水姿态要求, 文中考虑洋流和浮力变化影响, 基于四元数法和自主水下航行器空间运动方程, 建立了运载器空间运动仿真模型, 解决了大纵倾角和垂直上浮姿态求解奇异问题, 探究了净浮力、重浮心距离、舵角、初始发射条件及海洋环境扰动对运载器纵倾上浮运动的作用规律。结果表明: 基于四元数法的深海运载器空间运动方程, 能有效避免运载器大纵倾角或垂直姿态上浮时姿态求解奇异问题; 无动力运载器采用大纵倾角和垂直姿态上浮, 可实现较大上浮垂向速度, 减少其水平面漂移距离; 浮力变化扰动和初始发射条件对运载器上浮状态影响较大。相关研究为无动力运载器总体布局以及大纵倾角和垂直上浮运动预报提供了参考。

     

  • 图  1  深海运载器坐标系示意图

    Figure  1.  Coordinate system of a deep-sea vehicle

    图  2  洋流速度随深度变化剖面图

    Figure  2.  Ocean current velocity at different depths

    图  3  海水温度和盐度随深度变化曲线

    Figure  3.  Temperature and salinity values at different depths

    图  4  浮力随深度变化曲线

    Figure  4.  Buoyancy change at different depths

    图  5  深海运载器空间运动仿真模型

    Figure  5.  Space motion simulation model of the deep-sea vehicle

    图  6  基于STAR-CCM+的无动力纵倾上浮运动仿真

    Figure  6.  Simulation of trim ascent motion of unpowered vehicle based on STAR-CCM+

    图  7  深海运载器纵倾上浮运动仿真对比验证

    Figure  7.  Comparison verification of trim ascent motion of the deep-sea vehicle

    图  8  稳态纵倾角与净浮力、重浮心纵向距离的关系

    Figure  8.  Relationship among steady trim angle, net buoyancy, longitudinal distance between center of gravity and buoyancy

    图  9  稳态垂向速度与净浮力、重浮心纵向距离的关系

    Figure  9.  Relationship among steady vertical velocity, net buoyancy, longitudinal distance between center of gravity and buoyancy

    图  10  稳态上浮参数与重浮心径向距离、水平舵角的关系

    Figure  10.  Relationship among steady parameters, radial distance between center of gravity and buoyancy, rudder angle

    图  11  洋流影响下的运载器浮心运动轨迹

    Figure  11.  Motion trajectory of vehicle under ocean current

    图  12  浮力变化对运载器纵倾上浮运动的影响

    Figure  12.  The effect of buoyancy change on the trim ascent motion of vehicle

    图  13  初始发射条件对纵倾上浮运动的影响

    Figure  13.  The effect of initial lauch conditions on the trim ascent motion

    表  1  运载器浮力变化计算参数

    Table  1.   Calculation parameters of the buoyancy change of the vehicle

    名称符号/单位数值
    运载器初始排水体积V0/m30.031 5
    初始海水密度ρ0/(kg·m−3)1.57×103
    平均海水密度ρa/(kg·m−3)1.024×103
    初始海水温度t0/℃1.616 5
    运载器温度收缩系数αv2.2×10−5
    运载器体积压缩系数βv/Pa−12.89×10−10
    海水体积压缩系数βw/Pa−14.5×10−10
    下载: 导出CSV

    表  2  不同净浮力下运载器阻力系数

    Table  2.   The axial drag coefficient of vehicle at different net buoyancy

    W/NVζ/(m·s−1)计算值平均值试验值误差/%
    0.05V−2.9000.130 090.122 250.121.873
    0.10V−4.2400.121 72
    0.15V−5.3440.114 93
    下载: 导出CSV

    表  3  洋流扰动下的深海运载器水平面漂移距离

    Table  3.   Horizontal drift distance of deep-sea vehicles under the disturbance of ocean current

    洋流扰动形式η/mξ/m
    无海流0225.7
    顺流0°0322.0
    顺流45°68.1293.8
    顺流90°96.3225.7
    逆流0°0129.3
    逆流45°−68.1157.6
    逆流90°−96.3225.7
    下载: 导出CSV

    表  4  水下航行器纵倾上浮水平漂移距离

    Table  4.   Horizontal drift distance of trim ascent of the undersea vehicle

    名称形式θ/(°)漂移距离/mζ/mVζ /(m·s−1)
    深海运载器纵倾85.4~90129.3~322.06 0004.40~4.42
    水下滑翔机纵倾15~202 1009000.3
    载人潜水器螺旋0~1.441.26 0000.28~0.64
    深海AUV纵倾304 777.64 0000.28~0.95
    数据来源: 海燕-Ⅱ数据[19],海燕-Ⅱ数据[20], 蛟龙号第50潜次数据[1], 深海AUV仿真数据[9]
    下载: 导出CSV
  • [1] 胡中惠, 曲文新, 刘帅, 等. 载人潜水器无动力潜浮运动压载匹配方法研究[J]. 船舶力学, 2020, 24(11): 1422-1432. doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2020.11.006

    Hu Zhong-hui, Qu Wen-xin, Liu Shuai, et al. Payload Calculation for Unpowered Ascent & Descent of Manned Vehicles[J]. Journal of Ship Mechanics, 2020, 24(11): 1422-1432. doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2020.11.006
    [2] 于鹏垚, 王天霖, 甄春博, 等. 水下滑翔机的稳态运动速度分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2018, 39(11): 1767-1772. doi: 10.11990/jheu.201705030

    Yu Peng-yao, Wang Tian-lin, Zhen Chun-bo, et al. Analysis of the Steady-state Motion Velocity of an Underwater Glider[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2018, 39(11): 1767-1772. doi: 10.11990/jheu.201705030
    [3] 沈新蕊, 王延辉, 杨绍琼, 等. 水下滑翔机技术发展现状与展望[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(2): 89-106.

    Shen Xin-rui, Wang Yan-hui, Yang Shao-qiong, et al. Development of Underwater Gliders: An Overview and Prospect[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(2): 89-106.
    [4] 张天健, 魏成柱, 张裕芳, 等. 大深度浮力驱动式水下运载器的浮潜运动研究[J]. 船舶工程, 2017, 39(12): 87-94.

    Zhang Tian-jian, Wei Cheng-zhu, Zhang Yu-fang, et al. Study on Floating and Diving for Deep-water Buoyancy-driven Vehicle[J]. Ship Engineering, 2017, 39(12): 87-94.
    [5] 张海洋, 谷海涛, 林扬, 等. 无动力运载器倾斜爬升式上浮特性分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(1): 38-47.

    Zhang Hai-yang, Gu Hai-tao, Lin Yang, et al. Analysis of Inclined Climbing Floating Characteristics of Unpowered Vehicle[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(1): 38-47.
    [6] 徐正武, 唐国元, 邓智勇, 等. 四元数在水下航行体运动建模中的应用[J]. 中国舰船研究, 2014, 9(2): 12-16.

    Xu Zheng-wu, Tang Guo-yuan, Deng Zhi-yong, et al. Applying the Four-parameter Approach to Establish the Motion Model of an AUV[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2014, 9(2): 12-16.
    [7] 王海涛, 彭绍雄, 邹强, 等. 无动力运载器出水过程误差分析[J]. 现代防御技术, 2014, 42(5): 133-138. doi: 10.3969/j.issn.1009-086x.2014.05.024

    Wang Hai-tao, Peng Shao-xiong, Zou Qiang, et al. Error Analysis of Water-Exit Process for Unpowered Vehicle[J]. Modern Defence Technology, 2014, 42(5): 133-138. doi: 10.3969/j.issn.1009-086x.2014.05.024
    [8] 耿斌斌, 徐志程, 裴胤. 无动力运载器水下运动建模与仿真[J]. 计算机仿真, 2017, 34(7): 6-9. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2017.07.002

    Geng Bin-bin, Xu Zhi-cheng, Pei Yin. Modeling and Simulation of Underwater Motion for Unpowered Vehicle[J]. Computer Simulation, 2017, 34(7): 6-9. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2017.07.002
    [9] 高伟, 李天辰, 谷海涛, 等. 深海AUV无动力下潜运动特性研究[J]. 机器人, 2021, 43(6): 674-683.

    Gao Wei, Li Tian-cheng, Gu Hai-tao, et al. Unpowered Diving Motion Characteristics of Deep-sea Autonomous Underwater Vehicle[J]. Robot, 2021, 43(6): 674-683.
    [10] Antonelli G. Underwater Robots: Motion and Force Control of Vehicle-manipulator Systems[M]. Italy: Springer, 2003: 3-15.
    [11] Prestero T. Verification of a Six-degree of Freedom Simulation Model for the REMUS Autonomous Underwater vehicle[D]. Boston: Massachusetts Institute of Technology/Woods Hole Oceanographic Institution, 2001: 57-61.
    [12] Prestero T. Development of a Six-degree of Freedom Simulation Model for the REMUS Autonomous Underwater Vehicle[C]//Annual Conference of the Marine-Technology-Society. Honolulu, HI, USA: IEEE, 2001: 450-455.
    [13] 姚红, 程文华, 张雅声. 飞行器动力学与控制Simulink仿真[M]. 北京: 国防工业出版社, 2018: 3-20.
    [14] 刘水庚. 海洋工程水动力学[M]. 北京: 国防工业出版社, 2012: 47-48.
    [15] 刘金夫. 洋流影响下的水下滑翔机垂直面内滑翔运动数值仿真[D]. 武汉: 华中科技大学, 2016.
    [16] 徐会希, 尹远, 赵宏宇. 自主水下机器人[M]. 北京: 龙门书局, 2019: 73-75.
    [17] Office of Ocean Exploration and Research. CAPSTONE CNMI & Mariana Trench MNM (ROV & Mapping)-EX1605L3[EB/OL]. (2014-02-25)[2021-11-05]. https://www.ncei.noaa.gov/waf/okeanos-rov-cruises/ex1605l3/.
    [18] 武建国, 徐会希, 刘健, 等. 深海AUV下潜过程浮力变化研究[J]. 机器人, 2014, 36(4): 455-460.

    Wu Jian-guo, Xu Hui-xi, Liu Jian, et al. Research on the Buoyancy Change of Deep-sea Autonomous Underwater Vehicle in Diving Process[J]. Robot, 2014, 36(4): 455-460.
    [19] 赵桥生, 何春荣, 李德军, 等. 载人潜水器空间运动仿真计算研究[C]//第三十届全国水动力学研讨会暨第十五届全国水动力学学术会议论文集(下册). 合肥: 《水动力学研究与进展》杂志社, 2019: 372-378.
    [20] 严升, 张润锋, 杨绍琼, 等. 水下滑翔机纵垂面变浮力过程建模与控制优化[J]. 中国机械工程, 2021, 33(1): 109-117.

    Yan Sheng, Zhang Run-feng, Yang Shao-qiong, et al. Modelling and Control Optimization for Underwater Gliders of Variable Buoyancy Process in the Vertical Plane[J]. China Mechanical Engineering, 2021, 33(1): 109-117.
  • 加载中
图(13) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  16
  • HTML全文浏览量:  10
  • PDF下载量:  4
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-08
  • 录用日期:  2022-08-15
  • 修回日期:  2021-12-28
  • 网络出版日期:  2022-09-05

目录

    /

    返回文章
    返回
    服务号
    订阅号