王曉鳴

（1．天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2．天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072）

混合驅(qū)動自主潛航器續(xù)航能力分析

王曉鳴1，2

（1．天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2．天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072）

混合驅(qū)動自主潛航器融合了自主潛航器機(jī)動靈活和水下滑翔機(jī)續(xù)航能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，針對自身攜帶能源有限的問題，對在兩種工作模式下如何實現(xiàn)最大航行距離進(jìn)行了研究。從航行過程中的能源消耗入手，得出航行距離與速度、電子設(shè)備功率等的關(guān)系，通過理論分析和仿真手段得出最大續(xù)航能力的實現(xiàn)方法。在螺旋槳驅(qū)動模式下，當(dāng)以經(jīng)濟(jì)航速航行時，可以達(dá)到最大航行距離；在浮力驅(qū)動模式下，當(dāng)以最大滑翔效率航行時，水平方向上的滑翔距離最大，并且水平方向上的滑翔距離隨著剖面深度的增大而增大，當(dāng)剖面深度大到一定程度之后，最大滑翔距離趨于恒定。該研究方法可為類似水下航行器電源管理系統(tǒng)的能源分配提供參考，也可為航行器外形的設(shè)計和傳感器的選型提供理論指導(dǎo)。

混合驅(qū)動自主潛航器；續(xù)航能力；螺旋槳驅(qū)動；浮力驅(qū)動；經(jīng)濟(jì)航速；滑翔效率

自主潛航器（Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV）采用動力定位和航行姿態(tài)控制技術(shù)，能夠獲得良好的操縱性，但由于螺旋槳的能源消耗較大，需要攜帶大量的電池，難以實現(xiàn)小型化，續(xù)航能力較差，最大為數(shù)百千米；與自主潛航器相比，水下滑翔機(jī)（Autonomous Underwater Glider，簡稱AUG）具有兩方面的優(yōu)勢：續(xù)航能力強(qiáng)和具有垂直剖面走航測量的功能，具有良好的探測能力，水下滑翔機(jī)的續(xù)航里程很容易達(dá)到1 000 km以上，但其缺點(diǎn)是操縱性較差，定位精度很低，很難準(zhǔn)確保持任務(wù)航跡［1-4］。由于自主潛航器和水下滑翔機(jī)存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，目前水下航行器正在朝混合方向發(fā)展，主要是AUV和AUG混合。在這個基礎(chǔ)上研發(fā)成功了混合驅(qū)動自主潛航器（Hybrid Autonomous Underwater Vehicle，簡稱HAUV），本文主要分析HAUV的續(xù)航能力［5-10］。

1　HAUV介紹

本文開發(fā)成功的HAUV主要由9部分組成，如圖1所示。

圖1　HAUV結(jié)構(gòu)布局圖

混合驅(qū)動使HAUV同時具有AUV和AUG的優(yōu)點(diǎn)，并克服了各自的缺點(diǎn)，續(xù)航里程長，同時具有動力定位能力，有利于完成深遠(yuǎn)海的精確探測任務(wù)。針對海洋探測任務(wù)的需要，可搭載CTD、濁度計等海洋環(huán)境觀測儀器，在需要探測的航線上自主航行，探測深海剖面的溫度、鹽度和濁度的信息。探測過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化情況和任務(wù)指令可以隨時轉(zhuǎn)化為螺旋槳推進(jìn)模式工作，對局部區(qū)域海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)探測。

HAUV的工作過程如圖2所示，首先將HAUV由海洋考察船放入特定的海域，HAUV在浮力驅(qū)動模式下進(jìn)行大范圍的目標(biāo)搜索；當(dāng)HAUV接近預(yù)定目標(biāo)后，則變換為螺旋槳驅(qū)動模式航行，在螺旋槳驅(qū)動模式下可以進(jìn)行高精度定位，并能夠按照浮力驅(qū)動模式無法實現(xiàn)的精確軌跡航行。

圖2　HAUV工作策略示意圖

HAUV的能源供給系統(tǒng)由3塊電池構(gòu)成：（1）24 V鋰離子電池，其容量為28 Ah，用于給控制系統(tǒng)及傳感器供電；（2）24 V鎳氫電池，其容量為28 Ah，用于給浮力驅(qū)動泵及姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置供電；（3）48 V鎳氫電池，其容量為14 Ah，用于給螺旋槳及舵機(jī)供電。如何利用自身攜帶的有限能源實現(xiàn)航行距離的最大化將是本文的主要研究內(nèi)容。

2　螺旋槳驅(qū)動模式下的續(xù)航能力分析

在螺旋槳驅(qū)動模式下，24 V鋰離子電池和48 V鎳氫電池處于工作狀態(tài)，24 V鎳氫電池不工作或工作時間很短，所以暫不考慮24 V鎳氫電池的消耗。

在螺旋槳驅(qū)動模式下，定義如下變量：S為HAUV的航程，m；ηp為HAUV推進(jìn)系統(tǒng)的效率；F為HAUV的航行阻力，N；Pd為推進(jìn)系統(tǒng)的有效功率，W；Pe為用48 V鎳氫電池供電的其他電子設(shè)備的功率，W；VT為HAUV的巡航速度，m/s；We，Wd，WN48為其他電子設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)及系統(tǒng)的總能耗，J；t為續(xù)航時間，s。

HAUV的航行阻力可以近似表達(dá)為：

推進(jìn)系統(tǒng)的總能耗：

Wd=Pdt/ηp=FVTt/ηp=FS/ηp，其他電子設(shè)備的總能耗We=Pet，所以有：

HAUV的總航程：

總航行時間：

HAUV推進(jìn)系統(tǒng)的效率ηp=0.4，除螺旋槳之外其他電子設(shè)備的功率約為Pe=40 W，系統(tǒng)的總能耗等于48 V鎳氫電池所能釋放出的總能量WN48=48× 14×3600=2.4×106J，則航程和速度的關(guān)系如圖3所示。

圖3　螺旋槳驅(qū)動模式下航速與航程的關(guān)系

總航程對速度求一階導(dǎo)數(shù)，得：

令S（VT）’=0，即可以求出航程最大時所對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)航速：

對應(yīng)的最大航程為：

總航行時間：

而控制系統(tǒng)和傳感器的總功率約為PS=8 W，24 V鋰離子電池的總能量WL=24×28×3 600=2.4×106J，鋰離子電池的續(xù)航時間為所以，HAUV可以在經(jīng)濟(jì)航速下完成最大航程約36.6 km。

3　浮力驅(qū)動模式下的續(xù)航能力分析

在浮力驅(qū)動模式下，24 V鋰離子電池和24 V鎳氫電池處于工作狀態(tài)，48 V鎳氫電池不工作或工作時間很短，所以暫不考慮48 V鎳氫電池的消耗。

續(xù)航能力分析和螺旋槳驅(qū)動模式下類似，定義如下變量：

S為HAUV在水平方向上的航程，m；Pb為液壓泵的有效功率，W；ηb為液壓泵的效率；Pf為姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的功率，W；Vx為HAUV在水平方向上的速度，m/s；Vy為HAUV在縱垂方向上的速度，m/s；d為剖面深度，m；Wf，Wb，WN24為姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)、泵及系統(tǒng)的總能耗，J；t為續(xù)航時間，s。

由于向上滑翔時和向下滑翔時的速度相差不大，簡單起見，用向下滑翔代替HAUV的全部工作過程，則完成一個剖面的時間

泵在一個剖面過程中的工作時間約為t2≈50 s，則泵的平均功率；姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的實耗功率Pf≈30 W，其在一個剖面過程中的工作時間為t3，則其平均功率。泵消耗的能量Wb=P'bt，姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)消耗的能量Wf=P'ft，所以有

液壓泵的功率：

式中：Q為液壓泵流量，L/min；PS為系統(tǒng)壓力，bar。

本文暫不考慮泵效率隨深度的變化，將其作為定值，分析理想情況下滑翔距離與控制參數(shù)的關(guān)系。

在滑翔過程中，姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)并不實時調(diào)整姿態(tài)，只是將橫滾重物轉(zhuǎn)到平衡橫滾重物轉(zhuǎn)角，平移重物移動到某固定位置，做自由滑翔運(yùn)動。這種情況下，在一個剖面過程中姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的工作時間t3≈20 s。

由式（16）可得：

圖4　最大滑翔距離與剖面深度的關(guān)系

HAUV滑翔效率最高時水平方向上的速度約為Vx=0.25 m/s。如果控制系統(tǒng)連續(xù)工作，則HAUV的最大滑翔距離同時受24 V鎳氫電池續(xù)航時間和鋰離子電池續(xù)航時間的限制，當(dāng)24 V鎳氫電池續(xù)航時間足夠時，最大滑翔距離由鋰離子電池的續(xù)航時間決定Smax=Vx×T×3.6=73.8 km。將Smax=73.8 km、Rmax=1.41［5］代入式（19）可求得臨界剖面深度dl=17.8 m。

當(dāng)剖面深度d≤dl時，控制系統(tǒng)可以連續(xù)工作，HAUV以最高滑翔效率滑翔時的滑翔距離最大；當(dāng)剖面深度d＞dl時，HAUV以最高滑翔效率滑翔時，24 V鎳氫電池的續(xù)航時間大于鋰離子電池的續(xù)航時間，為了實現(xiàn)滑翔距離的最大化，控制系統(tǒng)應(yīng)采取間歇工作策略，即每隔10 s或更長時間工作一次，記錄必要的傳感器數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠模式，則鋰離子電池的續(xù)航時間將大大延長，可以完成最大滑翔距離。

HAUV的極限滑翔距離與螺旋槳驅(qū)動模式下的航行距離相當(dāng)，并沒有充分體現(xiàn)出浮力驅(qū)動的優(yōu)勢，這主要是由于選用的皮囊容積（V=1.5 L）太大引起的，較大的皮囊容積使得HAUV的滑翔速度快、機(jī)動性好。但是，由于由式（14）可知，液壓泵的功耗與皮囊容積成正比，在自身攜帶能源一定的情況下，由式（19）極限滑翔距離與皮囊容積成反比。

圖5　極限滑翔距離與皮囊容積的關(guān)系

4　結(jié)論

本文分析了混合驅(qū)動自主潛航器最大續(xù)航能力的實現(xiàn)方法。在螺旋槳驅(qū)動模式下，其經(jīng)濟(jì)航速為0.9 m/s，對應(yīng)最大航行距離36.6 km。在浮力驅(qū)動模式下，水平方向上的滑翔距離與滑翔效率和剖面深度相關(guān)，滑翔效率越高、剖面深度越大，水平方向上的滑翔距離越大，但當(dāng)深度增大到一定程度后（500 m），最大滑翔距離趨于恒定，為116 km；在其他條件不變的情況下，混合驅(qū)動水下自航行器在水平方向上的最大滑翔距離與皮囊容積成反比。

圖6　HAUV航行照片

本文所開發(fā)HAUV只是一個原型樣機(jī)，其能源供給系統(tǒng)分為3個部分：控制系統(tǒng)電源、浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)電源和螺旋槳電源，而其他類似水下航行器的開發(fā)過程中，基本都會采用一個集中能源系統(tǒng)，并采用電源管理系統(tǒng)給各個部分分配電源，本文研究方法不僅可為電源的合理分配提供參考，在設(shè)計完成的情況下，除推進(jìn)系統(tǒng)外的電子設(shè)備的功耗決定了經(jīng)濟(jì)航速和最大航行距離，電子設(shè)備的工作時間又決定了可采集的數(shù)據(jù)量，可采用本文方法對能源進(jìn)行有效的分配，在完成必要信息采集的基礎(chǔ)上，使航程達(dá)到最大，或在航程滿足要求的前提下，采集盡可能多的數(shù)據(jù)；除此之外，本文研究方法還可應(yīng)用在潛器的設(shè)計初期，為傳感器的選型和外形設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

［1］蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機(jī)器人［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

［2］燕奎臣，李一平，袁學(xué)慶.遠(yuǎn)程自治水下機(jī)器人研究［J］.機(jī)器人，2002，24（4）：299-303.

［3］BachmayerR，LeonardN，GraverJ，etal.UnderwaterGliders:RecentDevelopmentsandFutureApplications［C］//UnderwaterTechnology，2004，UT'04.2004 International Symposiumon，2004：195-200.

［4］Sherman J，Davis R E，Owens W B，et al.The Autonomous Underwater Glider“Spray”［J］.IEEE Journal ofOceanic Engineering，2001，26（4）:437-446.

［5］王曉鳴.混合驅(qū)動水下自航行器動力學(xué)行為與控制策略研究［D］.天津：天津大學(xué)，2009.

［6］Hyakudome，Tadahiro，et al.BuoyancyControl for Deep and LongCruisingRange AUV［C］//Proceedings ofthe 12th（2002）International Offshore and Polar EngineeringConference，2002，12:325-329.

［7］Zhao Wen-De，Xu Jian-An，Zhang Ming-Jun.A Variable Buoyancy System for Long Cruising Range AUV［C］//2010 International Conferenceon Computer，Mechatronics，Control and Electronic Engineering，CMCE 2010，2010，2:585-588.

［8］Aoki，Taro，Yokosuka，Kanagawa，et al.Advanced Technologies for Cruising AUV Urashima［J］.International Journal of Offshore and Polar Engineering，2008，18（2）:81-90.

［9］Hobson，Brett W，Bellingham，et al.Tethys-Class Long Range AUVs-Extending the Endurance of Propeller-Driven Cruising AUVs fromDays toWeeks［C］//2012 IEEE/OESAutonomous Underwater Vehicles.

［10］Zhao Wei，Yang Can-Jun，Chen Ying.Design and Dynamic Performance Study of Buoyancy Regulating System of Autonomous Underwater Glider［J］.Journal ofZhejiangUniversity，2009，43（10）:1772-1776.

Analysis on the Cruising Ability of the Hybrid Autonomous Underwater Vehicle

WANG Xiao-ming1，2
1.College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300222，China；
2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China

The hybrid autonomous underwater vehicle（HAUV）has the advantages of high mobility of autonomous underwater vehicle（AUV）and outstanding cruising ability of autonomous underwater glider（AUG）.To resolve the problem of limited onboard electrical power，research is conducted on how to realize the maximal cruising range under two modes.Considering the energy consumption during the cruise，this paper derives the relationship among distance，speed and the power of electronic equipment.The method with which the maximal cruising ability can be obtained is developed through theoretical analysis and simulation.In the propeller-driven mode，the maximal range can be achieved with the economic speed.In contrast，in the buoyancy-driven mode，the maximal gliding range in the horizontal direction can be obtained with the maximal gliding efficiency，and the gliding range becomes larger with increasing profile depth.The gliding range tends to be constant when the depth is large enough.This method is helpful for the power management system of similar underwater vehicles，and can provide theoretical guidance for the configuration design and sensor selection.

hybrid autonomous underwater vehicle（HAUV）；cruising ability；propeller-driven mode；buoyancydriven mode；economic speed；gliding efficiency

P715；TP242.3

A

1003-2029（2016）01-0036-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.005

2015-09-20

王曉鳴（1981-），男，博士研究生，講師，主要研究方向為機(jī)電一體化技術(shù)。E-mail：wxm@tust.edu.cn