鐘朝廷+張印桐+張永祥+徐詩(shī)婧

摘 要：通過(guò)研究開(kāi)架式ROV水動(dòng)力特性，分析了開(kāi)架式ROV特殊的幾何外型和作業(yè)特點(diǎn)，討論了研究的必要性，通過(guò)1∶4的拘束模型試驗(yàn)測(cè)得了一套無(wú)因次水動(dòng)力系數(shù)，并得到了五自由度ROV運(yùn)動(dòng)方程。該試驗(yàn)對(duì)校正ROV水動(dòng)力模型、提高仿真精準(zhǔn)度起到了至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：ROV；水動(dòng)力系數(shù)；拘束模試驗(yàn)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.013

ROV（Remotely Operated Vehicle）即遙控式無(wú)人潛水器，因其水下作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，并且能夠在深海和復(fù)雜危險(xiǎn)的工作環(huán)境中完成高強(qiáng)度、高負(fù)荷的作業(yè)任務(wù)，所以，被廣泛應(yīng)用于海洋資源開(kāi)發(fā)、水下工程、海底調(diào)查和打撈作業(yè)等領(lǐng)域。當(dāng)前，安全性和穩(wěn)定性對(duì)ROV實(shí)際作業(yè)十分重要，ROV水動(dòng)力特性和運(yùn)動(dòng)控制策略是ROV研發(fā)過(guò)程中的2大關(guān)鍵技術(shù)，而ROV運(yùn)動(dòng)控制策略又依賴(lài)于其本身的水動(dòng)力特性。因此，在研究ROV水動(dòng)力特性時(shí)，要建立適用于ROV的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，從而得到一套較為完備、準(zhǔn)確的水動(dòng)力系數(shù)。

當(dāng)前，絕大多數(shù)ROV的運(yùn)動(dòng)仿真都是基于美國(guó)海軍泰勒水池（DTNSRDC）發(fā)表的“模擬潛艇的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程”進(jìn)行的，并適當(dāng)簡(jiǎn)化。然而，該方程中的黏性水動(dòng)力項(xiàng)是基于等速直航狀態(tài)下進(jìn)行泰勒展開(kāi)，再根據(jù)潛艇的幾何特性（左右對(duì)稱(chēng)、前后不對(duì)稱(chēng)、上下近似對(duì)稱(chēng)）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)化水動(dòng)力項(xiàng)得到的。因?yàn)镽OV幾何外形具有左右對(duì)稱(chēng)、前后近似對(duì)稱(chēng)、上下不對(duì)稱(chēng)和框架式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，所以，可判定其與潛艇有很大的差別；因?yàn)镽OV布置有多個(gè)推進(jìn)器，作業(yè)時(shí)能夠進(jìn)行前后、左右、上下、原地回轉(zhuǎn)等靈活運(yùn)動(dòng)，這與潛艇以縱向直航為主要運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)也有很大的差異。由此可知，用潛艇標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程不能很好地描述ROV的運(yùn)動(dòng)特性。Fossen假設(shè)ROV前后、左右、上下對(duì)稱(chēng)，提出了一種簡(jiǎn)化的、用于ROV的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。這種ROV運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單明了、水動(dòng)力系數(shù)少，獲取比較方便，而且考慮到ROV靈活多變的運(yùn)動(dòng)特性，特別是在低速作業(yè)的情況下，它能較好地模擬ROV運(yùn)動(dòng)，所以，近年來(lái)被不少學(xué)者運(yùn)用。但是，這種數(shù)學(xué)模型忽略了ROV自身幾何外形上前后、上下的不對(duì)稱(chēng)性，因此，還是與實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況有一定的差異。

到目前為止，仍然缺少1套經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證、被廣泛認(rèn)可的ROV水動(dòng)力模型。ROV水動(dòng)力模型的主要研究方法有CFD 仿真計(jì)算、系統(tǒng)辨識(shí)（SI）和拘束模型試驗(yàn)。由于ROV外型復(fù)雜、附體較多，并且流體力學(xué)理論、計(jì)算方法和設(shè)備還不夠完善，所以，CFD 仿真計(jì)算受到了一定的限制。因?yàn)橄到y(tǒng)辨識(shí)（SI）主要依賴(lài)ROV實(shí)際航行過(guò)程中傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，而鑒于傳感器的精度等問(wèn)題，測(cè)得的結(jié)果一般誤差比較大，所以，這種方法多用于水動(dòng)力模型的修正。目前，模型試驗(yàn)仍然是研究ROV水動(dòng)力模型最有效的手段。因此，本文選用拘束模試驗(yàn)研究ROV水動(dòng)力性能。

本文先介紹了所研究的ROV，然后介紹了ROV模型試驗(yàn)、試驗(yàn)裝置和方案，之后介紹了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，并給出了無(wú)因次水動(dòng)力系數(shù)，最后作了相關(guān)總結(jié)。

1 ROV總體性能

以英國(guó)SMD公司生產(chǎn)的工作級(jí)Quantum為例，研究了這一類(lèi)型的深水作業(yè)型開(kāi)架式ROV。如圖1所示，Quantum是SMD公司成熟的水下機(jī)器人產(chǎn)品，它可以在高強(qiáng)度電流下穩(wěn)定工作。該ROV擁有強(qiáng)勁的動(dòng)力，可以完成各種復(fù)雜的工作，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 ROV水動(dòng)力試驗(yàn)

2.1 ROV試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù) ROV 的本體結(jié)構(gòu)和布置特征，建造了縮尺比為1∶4的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型情況如圖2所示。該模型長(zhǎng)0.875 m，寬0.5 m，高0.5 m，質(zhì)量約為78 kg。模型上部為浮力材料，下部桁架為鐵質(zhì)。該模型只制作了 ROV 本體，并沒(méi)有考慮纜線(xiàn)和機(jī)械手等部分。

2.2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方案

ROV水動(dòng)力試驗(yàn)分為2部分，一部分試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽完成。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?根連桿與平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（PMM）相連，以約束模型運(yùn)動(dòng)；另一部分試驗(yàn)在“風(fēng)、浪、流海洋環(huán)境模擬水池”（大水池）（50 m×50 m×30 m）進(jìn)行，模型通過(guò)連桿與XY航車(chē)相連，以約束模型運(yùn)動(dòng)。循環(huán)水槽長(zhǎng)17.3 m，寬6.0 m，高2.77 m；工作段長(zhǎng)7.0 m，寬1.7 m，高1.5 m；最大流速為2.0 m/s；平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)最大振幅為0.04 m；震蕩周期為1～5 s；頻率0.2～1 Hz；2根連桿跨距為0.40 m。在試驗(yàn)過(guò)程中，水溫為14 ℃，受試驗(yàn)裝置的限制，并沒(méi)有作橫搖試驗(yàn)。試驗(yàn)工況如表2所示。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析

為了方便描述ROV受力和運(yùn)動(dòng)，ROV運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系如圖3所示。坐標(biāo)系原點(diǎn)為ROV重心，u，v和w分別表示縱向、側(cè)向和垂向方向的線(xiàn)速度，X，Y和Z代表相應(yīng)方向的力。此外，p，q和r表示橫搖、俯仰和轉(zhuǎn)艏角速度，K，M和N表示對(duì)應(yīng)的力矩。

在試驗(yàn)過(guò)程中，水動(dòng)力系數(shù)運(yùn)用最小二乘法擬合得到。為了將試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用到ROV實(shí)體中，需將得到的水動(dòng)力系數(shù)作無(wú)因次化處理，它不同于潛艇標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程中以縱向直航運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行泰勒展開(kāi)。結(jié)合ROV的運(yùn)動(dòng)特性，以ROV靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行水動(dòng)力泰勒展開(kāi)。因此，文中水動(dòng)力無(wú)因次化方法也與潛艇標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程不同，具體差異表現(xiàn)在一階黏性水動(dòng)力系數(shù)（ ）的無(wú)因次化方法上，具體表達(dá)式為：

式（1）（2）（3）中： 為無(wú)因次一階黏性水動(dòng)力系數(shù)；FU為有因次一階黏性水動(dòng)力系數(shù)；ρ為流體密度；l為ROV特征長(zhǎng)度，文中取為ROV長(zhǎng)度；g為重力加速度。

試驗(yàn)獲得的無(wú)因次水動(dòng)力系數(shù)如表3所示。

表3 無(wú)因次水動(dòng)力系數(shù)

4 五自由度ROV運(yùn)動(dòng)方程

受試驗(yàn)條件的限制沒(méi)有作橫搖試驗(yàn)。但是，鑒于本文研究的開(kāi)架式ROV自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的橫很小，因此，可以忽略ROV的橫搖運(yùn)動(dòng)，將ROV的運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化成五自由度運(yùn)動(dòng)方程，即：

式（4）（5）（6）（7）（8）中：XT，YT，ZT，MT，NT為ROV推進(jìn)器推力（矩）；m為ROV質(zhì)量；Iy，Iz為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；xB，yB，zB為ROV浮心坐標(biāo)。

5 結(jié)論

簡(jiǎn)要探討了ROV的水動(dòng)力性能，由于ROV的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)不同于潛艇，它可以前后、左右、上下靈活運(yùn)動(dòng)，所以，區(qū)別于潛艇標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程，以等速直航的平衡狀態(tài)對(duì)水動(dòng)力進(jìn)行泰勒展開(kāi)。本文以ROV靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行水動(dòng)力泰勒展開(kāi)，并利用拘束模型試驗(yàn)測(cè)定了水動(dòng)力系數(shù)。受試驗(yàn)條件的限制，沒(méi)有作橫搖試驗(yàn)。但是，鑒于本文研究的開(kāi)架式ROV自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的橫搖很小，可以忽略ROV的橫搖運(yùn)動(dòng)，將ROV的運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化成五自由度運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，文中得到的ROV水動(dòng)力模型并沒(méi)有考慮纜線(xiàn)和機(jī)械手ROV單體的水動(dòng)力特性，所以，今后要研究ROV與機(jī)械手和纜線(xiàn)整體的耦合運(yùn)動(dòng)特性。

參考文獻(xiàn)

[1]SB Fan，L. Lian，P.Ren.Research on Hydrodynamics Model Test for Deepsea Open-Framed Remotely Operated Vehicle[J].China Ocean Eng，2012，26（2）：329-339.

[2]B. Buckham，M.Nahon，Seto M，et al.Dynamics and control of a towed underwater vehicle system part I：model development[J].Ocean Eng，2003（30）：453-470.

[3]Avila，J.P.J.，J.C. Adamowski.Experimental evaluation of the hydrodynamic coefficients of a ROV through Morisons equation[J].Ocean Engineering，2011，38（11）：2162-2170.

[4]張燕，徐國(guó)華，徐筱龍，等.微型開(kāi)架式水下機(jī)器人水動(dòng)力系數(shù)測(cè)定[J].中國(guó)造船，2010（01）：63-72.

〔編輯：白潔〕