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(1.中國人民解放軍 92213部隊，廣東 湛江 524064; 2.哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001)

0 引言

隨著海洋的逐步開發(fā)，人類的腳步漸漸邁進深海，但是由于深海環(huán)境的復雜性，各種海洋事故頻發(fā)。深潛救生艇作為對深海設(shè)備及人員進行救援的主要設(shè)備，應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。由于深潛救生艇工作在水下幾百米的深度，遇到緊急情況需要大量緊急信息傳遞時，單靠聲納是明顯不足的。因此，設(shè)計一種用于深潛救生艇緊急信息傳遞的裝置勢在必行。

要實現(xiàn)無人機的潛射工作，一般分為兩種發(fā)射方式：干式發(fā)射方式、濕式發(fā)射方式[4]。

其中干式發(fā)射方式較為普遍[5]；無人機放入到特種運載器的密封運載艙內(nèi)，在水下特種運載器過程中無人機不與水接觸，在整個彈射過程中無人機也是處在干燥的環(huán)境中的；這種潛射方式不用考慮無人機的防水密封問題，因此也降低了對于新的防水無人機的研發(fā)成本[6]。

而濕式發(fā)射方式由于沒有密封防水的特種運載器，無人機在水中點火發(fā)射，這樣就需要考慮無人機的防水問題以及水中點火的技術(shù)難題；這一種方法比較復雜不太適合于深潛救生艇發(fā)射無人機[7]。

美國洛克希勒·馬丁公司研制出了第一架適合于潛射的無人機“海上搜尋者”；這種無人機的機翼可以折疊起來，放入到潛水艇的魚雷發(fā)射管內(nèi)，并加裝相應(yīng)的發(fā)射機構(gòu)，實現(xiàn)利用魚雷發(fā)射管發(fā)射無人機?！昂Ｉ纤褜ふ摺鄙蠑y帶著各種偵查類傳感器，可以實現(xiàn)對海面?zhèn)刹榕c目標的搜尋；當潛艇把天線伸出水面，通過無線電通信無人機就可以實時把水面情況傳輸給潛艇，同時“海上搜尋者”還可以攜帶10 kg以內(nèi)的炸藥，可以通過空中對目標進行打擊。隨后在“阿什維爾”號潛艇上進行了相應(yīng)的科研工作，成功實現(xiàn)了設(shè)計目標。20世紀末，美國開始研制一種多用途的潛射無人機，經(jīng)過洛馬公司多年的研究，研制出了“鸕鶿”無人機，該無人機的發(fā)射方式是利用潛艇發(fā)射彈道導彈的2 110 mm發(fā)射管實現(xiàn)無人機的彈射，利用導彈發(fā)射管能夠?qū)崿F(xiàn)無人機在水面或者水下的發(fā)射任務(wù)，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)無人機回收工作，保證了無人機的可重復使用。該無人機能夠攜帶多種勘探與攻擊裝備，從而可以實現(xiàn)海上偵查與攻擊任務(wù)。

參考了國內(nèi)外許多設(shè)計思路，本文采用干式發(fā)射方式設(shè)計了一種的水下特種運載器。把無人機折疊好放入到一個專門的水下耐壓筒子里面作為無人機從水下運送到水面空氣中的特種運載器，解決了無人機從水下到空氣中的過度問題；本文針對深潛救生艇需要緊急信息傳遞的情況所設(shè)計的潛射無人機的特種運載裝置，能夠保證無人機安全有效的發(fā)射至水面，進行信息傳遞。適用于深潛救生艇上搭載[8]。

1 特種運載器整體機構(gòu)

圖1所示為潛射無人機發(fā)射過程，展示了特種運載器與深潛救生艇分離、特種運載器自主航行到水面、保持好方向與角度、無人機與特種運載器分離、無人機飛向預定方向[9]。

圖1 潛射無人機發(fā)射過程

本設(shè)計的特種運載器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 特種運載器整體結(jié)構(gòu)簡圖

其中：1為矢量推進器；2為控制艙；3為彈射艙；4為折疊后的無人機；5為氣囊；6為特種運載器本體；7為特種運載器端蓋。

特種運載器整體主要分為兩部分，艏端為密封的鋁合金艙體，該艙體是不能進水的里面主要有折疊式無人機、無人機彈射裝置、電池、檢測與控制電路等。艉端為碳纖維制成的艙體，該艙體是可以進水的，里面主要安裝有矢量推進器[10]。

根據(jù)所設(shè)計的無人機的發(fā)射條件，要求特種運載器到達水面后發(fā)射方向與水平面成72°夾角。運載器分為兩種工作狀態(tài)：水下航行、水面發(fā)射，因此特種運載器在水下航行時需浮力近似于重力；當?shù)竭_水面以后浮力大于重力，剩余浮力可以抵消彈射無人機時產(chǎn)生的反向推力，防止海水進入艙體。通過多種方案的設(shè)計與論證，設(shè)計了一種彈出氣囊的方案解決浮力調(diào)節(jié)和與水平面呈72°角的姿態(tài)問題。如圖3所示，在特種運載器筒壁上設(shè)計一種與特種運載器軸向呈72°的環(huán)形氣囊；當特種運載器到達水面后彈出氣囊以增加特種運載器的浮力，同時隨著氣囊的展開，特種運載器發(fā)射筒漏出水面并與水面呈72°角，并保持運載器發(fā)射筒彈射前后的穩(wěn)定性。

當特種運載器浮到水面，打開艙蓋準備彈射無人機時，特種運載器艏部需露出水面一定的體積，防止海水流入到特種運載器艙內(nèi)，同時在彈射無人機的過程中會產(chǎn)生一個后坐力，需要一定的浮力抵消這個力，此時特種運載器的浮力應(yīng)該大于重力，且需要剩余浮力可以抵消彈射無人機時產(chǎn)生的后坐力，露出水面的高度不至于讓海水流入到特種運載器中。這樣特種運載器在水下時浮力等于重力，到達水面以后其浮力要求大于重力，因此需要設(shè)計調(diào)節(jié)特種運載器浮力的裝置。結(jié)合以上兩點彈射無人機要求，圖3展示了特種運載器到達水面以后的姿態(tài)圖。

圖3 特種運載器上的環(huán)形氣囊

特種運載器在流體中運行時主要受到流體對其的阻力，為了節(jié)約能源、增加特種運載器的靈活性和速度，需要對特種運載器殼體外形進行研究以減小特種運載器所受阻力；參考流體力學相關(guān)知識[11]得知，特種運載器外形呈流線型有利于減小與流體的阻力；參照水下無人航行器的外形設(shè)計，呈流向回轉(zhuǎn)體的外形能夠減小特種運載器阻力，同時由于回轉(zhuǎn)體機械結(jié)構(gòu)較為簡單，加工時較為方便。

根據(jù)無人機折疊以后的體積大小和彈射裝置的體積要求對特種運載器整體外形大小進行設(shè)計；無人機機身長度為4 500 mm，其橫截面為470 mm*328.5 mm；無人機與特種運載器之間需要預留一定的間距，同時在特種運載器內(nèi)壁上也設(shè)計有無人機彈射滑道；綜合以上因素考慮特種運載器密閉艙體設(shè)計外徑為533 mm。根據(jù)長度要求粗略估算特種運載器密封艙艙體長度，然后利用三維制圖軟件ProE畫出密封艙艙體三維圖，這里需要補充的是：為了滿足耐壓與彈射要求，密封艙艙體厚度為8 mm的鋁合金；利用ProE軟件可以算出密封艙外壁鋁合金體積，鋁合金密度為2 700 kg每立方米，由此可知密封艙重量。根據(jù)無人機滿載荷重量大約為320 kg，彈射裝置為200 kg，結(jié)合密封艙自身重量和體積要求，經(jīng)過多次數(shù)值計算得出特種運載器密封艙合理長度為5 330 mm，這個長度可以滿足以上兩點設(shè)計要求，此時密封艙浮力略大于重力；對于浮心與重心的計算在后面的內(nèi)容進行介紹。

為了得到運載器良好的水動力特性，設(shè)計了、魚雷型(圖4a)和圓柱UUV型(圖4b)兩種不同線型的外形結(jié)構(gòu)，然后利用Fluent仿真軟件進行相應(yīng)的阻力計算；主要分為以下幾個過程：建立三維模型、設(shè)定邊界條件、劃分網(wǎng)格、設(shè)定求解數(shù)學模型與湍流模型、設(shè)定控制參數(shù)和迭代次數(shù)、開始計算。

圖4 兩種不同線型結(jié)構(gòu)的運載器簡圖

如圖5為魚雷型(圖5a)和圓柱UUV型(圖5b)特種運載器所受到的表面壓差阻力分布云圖，圖6為魚雷型(圖6a)和圓柱UUV型(圖6b)特種運載器表面摩擦阻力分布圖。

圖5 表面壓差阻力分布云圖

圖6 摩擦阻力分布圖

通過利用FLUENT對不同方案下阻力大小的計算，當航行速度為4節(jié)時，得到魚雷型阻力大小為：壓差阻力28.45 N, 摩擦阻力為72.13 N，總阻力100.58 N；圓柱UUV型阻力大小為：壓差阻力18.96 N，摩擦阻力73.94 N，總阻力92.9 N。從阻力大小可以看出，圓柱UUV型結(jié)構(gòu)阻力更小，因此，本文采用圓柱UUV型作為特種運載器線型。

2 特種運載器穩(wěn)性設(shè)計

2.1 重心、浮心估算

特種運載器在水下航行時為保證運行姿態(tài)和穩(wěn)性，對特種運載器重心與浮心位置提出以下要求：浮力近似等于重力且在一條直線上，同時特種運載器浮心應(yīng)略高于重心以增加特種運載器的穩(wěn)性。

首先建立坐標系(單位：m)，坐標原點為特種運載器體心，水平面是XOY平面，艏向為OX軸，OZ軸垂直向下。特種運載器總重量是W,單位kg，每個元件的重量分別為Wi,單位kg，其中每個元件在上述坐標系中的重心坐標為(xi,yi,zi)，那么特種運載器的總重量和重心坐標為：

(1)

(2)

式中，n為各個零部件的個數(shù)，特種運載器在水下運行時，姿態(tài)關(guān)于XOZ面與XOY面對稱；把各零部件重量與重心坐標代入上式中，可得特種運載器的重心為(-0.734,0，0.113)，單位m。

特種運載器的浮心計算是通過每個排開水的零部件所受到的浮力疊加而得到，依然在上面計算重心時設(shè)定的坐標下，假定特種運載器整體浮心是(xb,yb,zb)，那么其浮心計算公式為：

(3)

由上式可得出特種運載器的浮心為(-0.214,0,0)；根據(jù)上面重心計算結(jié)果可知，重心與浮心在OX軸上不重合，因此需要在特種運載器艉部非密封艙內(nèi)加入一定量的浮力材料，同時在特種運載器艏部的艙蓋內(nèi)加入一定量的鉛塊，使重心與浮心在OX軸上保持重合。重心與浮心在OZ軸上的距離為0.113米，符合《船舶穩(wěn)性規(guī)范》中浮心與重心的要求，達到穩(wěn)性要求；當特種運載器在水下航行時能夠保持穩(wěn)定的姿態(tài)要求。

當特種運載器到達水面以后彈出氣囊，整個特種運載器姿態(tài)發(fā)生了變化，浮心的位置也改變；根據(jù)船舶設(shè)計要求，浮心應(yīng)高于重心至少15 cm；因此需要對氣囊的大小和形狀進行調(diào)整和計算。

2.2 初穩(wěn)性計算

當特種運載器到達水面展開氣囊后，特種運載器左右對稱，但是前后并不對稱；在海面容易受到風浪的干擾，影響彈射無人機對于特種運載器的姿態(tài)要求，因此需要對特種運載器的穩(wěn)性進行計算、分析，下面對特種運載器的橫穩(wěn)心高和縱穩(wěn)心高進行計算。如圖7所示，當特種運載器產(chǎn)生一個小的橫傾角時重心、浮心的變化。

圖7 特種運載器的橫向穩(wěn)性

假設(shè)此時水平面為，特種運載器重心為G，浮心為B；當特種運載器受到海風、海浪的干擾時，在橫向?qū)a(chǎn)生一個小角度的傾斜角，水面則是，此時特種運載器的重心沒有改變還是G，但是浮心發(fā)生了變化為，此時浮力作用線與特種運載器的中心軸線的交點是M，則點M為特種運載器的穩(wěn)心。

由圖7所示，當特種運載器產(chǎn)生傾角θ時，在重力與浮力的相互作用下產(chǎn)生一個恢復力矩M1，可以使特種運載器抗擊干擾力恢復到平衡位置，該恢復力矩的大小為：

(4)

在計算特種運載器縱向初穩(wěn)心高度時，方法與上面計算橫向初穩(wěn)心的方法一致，能夠得出特種運載器縱向初穩(wěn)心高度為0.56 m。

2.3 固有頻率計算

在海面上，海浪的傳播具有一定頻率傳播的，因此為了減小海浪對特種運載器的干擾，應(yīng)使特種運載器的固有頻率應(yīng)避開海浪的主頻率。根據(jù)《BUOY ENGEERING》對于船舶設(shè)計中介紹的固有頻率的研究，可以套用船舶的計算公式如下：

(5)

(6)

(7)

特種運載器需要在3級海況能夠完成預定的任務(wù)，其中3級海況下海浪主能量頻率為2.62 rad/s，與上面特種運載器固有頻率計算結(jié)果相比較可知，固有頻率避開了海浪頻率，因此本設(shè)計特種運載器具有一定的耐波性。

3 矢量推進器特性分析

為了對矢量推進器進行研究，建立如圖8坐標系；假設(shè)特種運載器為剛體的，且海面平靜，忽略風浪流的干擾[12]。

圖8 矢量推進器轉(zhuǎn)向受力分析圖

根據(jù)特種運載器的受力情況，建立如下運動學方程和動力學方程：

F(n)·sinφ·L-T(ω)=Iβ

(8)

F(n)·cosφ-f(v)=ma

(9)

式中，F(xiàn)(n)是矢量推進器提供的總推力，單位N，F(xiàn)(n)與該推進器轉(zhuǎn)速n有關(guān)；φ為推進器與特種運載器夾角，即偏轉(zhuǎn)角，單位：°；L為主推進器產(chǎn)生的推力作用點到特種運載器重心的距離，單位m；T(ω)是受到的阻力力矩，單位N.m，其中ω是轉(zhuǎn)向角速度，單位rad/s；I是對應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量,單位kg/m2，β是角加速度,單位rad/s2，f(v)是所受阻力[13],單位N。

推進器的推力是通過尾部的螺旋槳轉(zhuǎn)動而提供的，由螺旋槳推進理論可知，矢量推進器提供的推力是：

F(n)=Ki(Jo)ρn2D4

(10)

式中，Ki為推進器的推力系數(shù)，ρ是流體密度，單位kg/m3，D是推進器槳葉的直徑,單位m。

由勢流理論可知，特種運載器受到的阻力為：

f(v)=0.5ρCdAv2

(11)

其中：Cd是特種運載器所受的阻力系數(shù)，A是特種運載器和流體接觸的最大橫截面積，單位m2。

根據(jù)上面對矢量推進器的分析與公式推導可知，轉(zhuǎn)向力矩F(n)與特種運載器的航行速度v沒有關(guān)系，航行速度不會影響轉(zhuǎn)向力矩，這也是矢量推進器與普通使用舵的推進器的最大區(qū)別，矢量推進的特種運載器在速度較低時也能夠有足夠的力矩實現(xiàn)其轉(zhuǎn)向，使特種運載器的運行更加靈活[14]〗。

當特種運載器到達水面以后其航行速度幾乎為零，為了滿足迎風發(fā)射的姿態(tài)需求，需要對特種運載器的艏向進行調(diào)節(jié)，此時普通推進器將不能有效的進行姿態(tài)調(diào)節(jié)，而矢量推進器的優(yōu)點將顯現(xiàn)出來；而且矢量推進器也更適合工作與狹小的空間，具有較好的操控性和避碰性。

4 控制電路設(shè)計

特種運載器硬件控制系統(tǒng)如圖9所示，整個控制系統(tǒng)包括ARM控制電路，電流、電壓信息采集電路，過流保護電路，漏水檢測電路，爆炸螺栓控制電路，霍爾開關(guān)位置檢測電路，RS232、RS422、CAN電平轉(zhuǎn)換電路以及風速風向系統(tǒng)等。

圖9 特種運載器控制系統(tǒng)組成

整體的主控制器選用三星公司生產(chǎn)的S3C2440A芯片[15]，這個型號的芯片采用ARM920T內(nèi)核，為32位的芯片，其主頻最高可達400 MHz，而且片上資源豐富，而且其運算能力出眾，具有較好的實時中斷能力，功耗很低。使用Linux作為ARM的操作系統(tǒng)，有了Linux操作系統(tǒng)在程序設(shè)計時就可以實現(xiàn)多線程、多進程編程，簡化了程序設(shè)計，提高了工作效率[16]。

陀螺儀采用荷蘭Xsens公司生產(chǎn)的MTi-G，該陀螺儀集成了GPS，因此可以同時提供位置信息與姿態(tài)信息，而且該陀螺儀體積小、精度高、價格便宜，在以前的多個工程項目中使用過，可靠性可以保證。風速風向舵機依靠風速傳感器和風向傳感器所傳遞回來的信息，通過ARM計算機進行處理，得到所需要改變的舵角大小。

5 艏向改變仿真驗證

為了消除特種運載器模型不確定與環(huán)境干擾對特種運載器艏向控制的影響，采用自適應(yīng)模糊滑?？刂品椒ǎ换？刂频膬?yōu)點是當控制參數(shù)不決定時，可以很好的完成艏向控制，由于參數(shù)誤差的影響，需要有較大的控制輸入才能保證最后的控制性能，但是這樣會使特種運載器的魯棒性降低，這里引入自適應(yīng)算法來提高控制性能，同時利用模糊算法對特種運載器動態(tài)系統(tǒng)中存在的非線性函數(shù)進行模糊逼近處理，從而對消除特種運載器模型不確定和環(huán)境干擾對特種運載器艏向控制的影響。

特種運載器艏向控制的動態(tài)方程為：

(12)

假設(shè)特種運載器初始位置的艏向角為0度，需要改變特種運載器的艏向角為30度，此時需要調(diào)節(jié)矢量推進器夾角，從而調(diào)節(jié)特種運載器艏向角，從而滿足發(fā)射對艏向角度的要求；為了驗證在AFSMC控制下的艏向控制效果，這里在相同的控制參數(shù)與同一個環(huán)境中采用單純的滑?？刂谱鳛閷Ρ葘嶒?；其仿真結(jié)果圖10所示。

圖10 特種運載器艏向角的變化

由圖10與11所示，為特種運載器航向由0度變化到30度過程中艏向與矢量推進器夾角δγ的變化曲線，其中紅色曲線線AFSMC為在自適應(yīng)模糊滑?？刂破飨螺敵銮€，曲線SMC為在單純的滑?？刂破飨螺敵銮€。通過對兩種不同控制器下控制效果的對比，AFSMC控制器相對于SMC控制器在相應(yīng)時間上相差較小，但是AFSMC相對于SMC具有更小的靜態(tài)誤差，控制過程也相對更加平穩(wěn)，矢量推進器夾角δγ的變化曲線也較為平穩(wěn)，而SMC控制器具有較大的抖振現(xiàn)象。

圖11 特種運載器矢量推進器夾角的變化

6 結(jié)論

本文主要對深潛救生艇的緊急信息傳遞裝置整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并進一步優(yōu)化器外形的線型，并利用Fluent軟件對阻力進行計算，提出最優(yōu)的殼體線性。然后對運載器的穩(wěn)性進行分析，對特種運載器的浮心、重心進行計算，使特種運載器浮心與重心在一條垂直海面的直線上，保證了發(fā)射姿態(tài)要求，同時提供足夠的浮力使發(fā)射筒露出水面。最后對特種運載器硬件控制系統(tǒng)進行設(shè)計，并對特種運載器上使用的各種傳感器及其設(shè)備進行選型。通過Matlab進行特種運載器航向改變仿真，通過仿真結(jié)果，證明了所設(shè)計特種運載器的航向控制有效性。為深潛救生艇的潛射無人機緊急信息傳遞方式提供了一種安全有效的裝置。