陳英龍， 宋 男， 張增猛， 侯交義， 弓永軍

(大連海事大學船舶與海洋工程學院， 遼寧大連 116026)

引言

水下遙控機器人水動力特性是水下遙控機器人設計和運動控制的基礎。水下遙控機器人在低速域運動具有低阻尼、水動力變化大的特點，低速域水動力特性的研究難度大，需要通過試驗獲取各項水動力系數(shù)，因此水動力試驗系統(tǒng)成為該領域研究的重要基礎。國內(nèi)外有多個水下機器人實驗室進行水下遙控機器人的相關實驗。上海交通大學的多功能拖曳水池整體尺寸 300 m×16 m×7.5 m，該水池可以開展螺旋槳性能試驗、耐波性能試驗、以及特種航行器的自航與控制試驗[1]。同時上海交通大學還擁有可以測量潛艇、深潛器、水下拖體、導彈等水下運動體的水動力性能的垂直平面運動機構[2]。中國船舶重工集團公司第七〇二研究所擁有的操縱性旋臂水池可進行船舶、 潛水器等的操縱性理論及試驗測試，預報各型水中運動體的操縱性能[3]。哈爾濱工程大學智能水下機器人國家重點實驗室可進行包括航速、推力、定位等水下遙控機器人相關性能實驗[4]。浙江大學海洋裝備試驗技術實驗室擁有20 m×5 m×4.5 m的水下機器人實驗水池，在水池附近布置相關測速、測力、測功率、機械臂性能測試的相應傳感器及裝置，對水下機器人進行性能測試。但國內(nèi)大多相關機構還是以測試船舶相關性能為主，很少或未開展水下遙控機器人性能的研究，而已經(jīng)開展水下遙控機器人實驗的機構，也有很多是由船舶實驗系統(tǒng)改造而來，設備較為大型，實驗代價高昂[5]。國外有一些小型的專門用于進行水下遙控機器人性能實驗的系統(tǒng)。伍茲霍爾海洋研究所海洋應用物理與工程研究室在海洋中進行水下遙控機器人相關性能實驗。實驗項目包括整機性能、進器性能、機械手作業(yè)能力、動力定位能力等[6]。英國的Saab Seaeye公司在法漢姆的室內(nèi)實驗水池可以進行水下遙控機器人多項關鍵性能的實驗[7]。國內(nèi)外并沒有專門為測量水下遙控機器人在低速域運動時產(chǎn)生水動力而設計的試驗系統(tǒng)。本研究根據(jù)水動力仿真試驗得到的數(shù)據(jù)，設計了一套可以用于測量低速域下水下遙控機器人水動力的試驗系統(tǒng)。

1 水動力仿真模型

建立水下遙控機器人模型如圖1所示。水下遙控機器人整體長1.1 m、寬1 m、高0.8 m。確定坐標原點O為水下機器人設計原點，建立載體坐標系(O-xyz)。計算域網(wǎng)格在ICEM中生成，計算區(qū)域如圖2所示。定義面ABCD距離水下遙控機器人中心2 m，面EFGH距離水下遙控機器人中心6 m，大于5倍的水下機器人長度[8]，使湍流充分發(fā)展[9]。網(wǎng)格類型為非結構化網(wǎng)格，在水下遙控機器人模型近壁面設置邊界層，邊界層高度2 mm，壁面y+值在10～80范圍內(nèi)，相鄰邊界層高度比為1.1，邊界層共設置6層，對水下遙控機器人附近網(wǎng)格進行加密，使網(wǎng)格尺寸由內(nèi)而外逐漸過度。適當?shù)臏p小遠離水下遙控機器人的網(wǎng)格密度，以控制流場內(nèi)總網(wǎng)格數(shù)量[10]。網(wǎng)格總數(shù)442萬，計算域網(wǎng)格局部視圖如圖3所示。使用Fluent軟件進行流場仿真計算。設置面ABCD為速度入口，面EFGH為自由流出，其余面以及水下遙控機器人模型均為無滑移、無滲透、固體、絕熱邊界[8]。使用Realizablek-e湍流模型，這種帶有湍流修正的k-e模型對于流動分離和復雜二次流有很好的作用[11]。在計算方法上，選用SIMPIE算法解算壓力速度耦合方程。

圖1 水下遙控機器人模型

圖2 計算區(qū)域

圖3 計算域網(wǎng)格局部視圖

2 水動力仿真分析

在笛卡爾坐標系中，力和力矩可以各自分解為3個分量，因此低速域水下機器人水動力試驗系統(tǒng)需要測量水下機器人模型在低速域進行運動時3個方向上的分力與3個方向上的分力矩。

在設計試驗臺之前，首先進行水動力仿真試驗，試驗測得試驗臺不會受到壁面效應影響的合適距壁面距離以及在最大速度與角速度下水下機器人受到的水阻力與阻力矩。

2.1 水動力仿真分析壁面距離

在試驗水池進行無界流場模型試驗時，水池池壁會對運動中的水下遙控機器人產(chǎn)生干擾，所以在設計試驗系統(tǒng)前，首先確定合適的水下遙控機器人與壁面的距離。令水下機器人模型與面ABFE、面BCGF、面DCGH、面ADHE的距離為0.8， 0.9， 1.0， 1.2， 1.5， 2.0， 3.0， 4.0 m，其他條件不變，共進行8組仿真試驗，測定在沿x軸方向流速為1.0 m/s的水流中，不同的壁面距離下水下遙控機器人模型受到的水阻力，壁面距離d與沿水流方向受力F大小示意圖如圖4所示。

在無限大的流暢中不存在壁面效應，即壁面距離越遠，壁面效應越小，仿真結果越接近真實的水阻力。從圖4的數(shù)據(jù)中可以看到，當壁面距離大于2.0 m后，沿水流方向的受力基本保持在234.0 N，可以認為水下遙控機器人模型在離壁面2.0 m以上的距離運動時，壁面效應基本不會影響到水下遙控機器人模型。所以在設計水下機器人試驗系統(tǒng)時，水下機器人距離壁面的距離最少應為2.0 m。

圖4 壁面距離與沿水流方向受力統(tǒng)計圖

2.2 水動力仿真分析水阻力

確定在試驗中模型與壁面的距離為2.0 m后，還需要通過仿真得到水下遙控機器人模型在6個方向上分別以1.0 m/s的最大設計速度運動時所受到的水阻力，確定試驗系統(tǒng)中所選用的力傳感器的量程，以及根據(jù)測得數(shù)據(jù)對試驗系統(tǒng)結構強度進行校核。水下遙控機器人在水中以1.0 m/s的最大設計速度進行直線運動可以相對為水流以1.0 m/s的速度沖擊固定狀態(tài)的水下遙控機器人模型。水流沿x軸反向流動時水下機器人模型周圍速度矢量圖如圖5所示。不同方向上的水流對水下遙控機器人模型產(chǎn)生的沿水流方向上的力如表1所示。

表1 水流流向與沿水流方向受力統(tǒng)計表

通過仿真結果可以得到當水下遙控機器人模型在不同方向以1.0 m/s的最大設計速度進行直線運動時，最大會受到979.3 N的水阻力。在未來水下遙控機器人模型會更加復雜，框架內(nèi)填充的設備模型會更多，所以在未來水下機器人受到的水阻力會比仿真結果更大，這就要求水下遙控機器人水動力試驗系統(tǒng)的最大拖曳力設計指標應大于979.3 N，所以在這里將最大水阻力翻倍并取整，水下遙控機器人水動力試驗系統(tǒng)的最大拖曳力設計指標定為2000 N。這要求水下遙控機器人水動力試驗系統(tǒng)最大需提供2000 N的拖曳力，其結構也需要可以承受2000 N的外力，力傳感器量程應大于2000 N。

圖5 水流沿x軸反向流動時水下機器人模型周圍速度矢量圖

2.3 水動力仿真分析水阻力矩

通過仿真水下遙控機器人模型以30(°)/s的最大設計角速度繞模型中心旋轉時所受到的力矩，確定所選擇力矩傳感器的最大量程，并對根據(jù)數(shù)據(jù)對試驗系統(tǒng)進行強度校核。因為整個水下遙控機器人模型可以近似的看成一個邊長1 m的正方體，所以當正方體以30(°)/s的角速度運動時，邊緣的最大線速度為0.2618 m/s，而旋轉中心的速度為0。因為需要通過仿真得到最大水下遙控機器人旋轉時的最大力矩，而實際的水阻力距小于水下機器人模型受到0.2618 m/s的勻速水流沖擊時產(chǎn)生的總阻力乘以最大作用力臂的水阻力矩，所以可以用這種方法在量級上分析水下遙控機器人受到的水阻力距。水下遙控機器人形狀復雜，所以需要測量水下遙控機器人以不同的角度下受到水流沖擊產(chǎn)生的阻力。水下遙控機器人本身最大作用力臂為1 m。在不同角度下水下遙控機器人模型在量級上受到最大力矩如表2所示。

通過仿真結果可以得知在水下遙控機器人以最大設計角速度30(°)/s進行回轉運動時，在量級上受到的最大水阻力矩為67.7 N·m，方向為繞y軸與繞z軸。這里同樣將水下遙控機器人最大水阻力矩翻倍并取整，水下遙控機器人最大旋轉力矩設計指標定為200 N·m。在設計低速域水下遙控機器人水動力試驗系統(tǒng)時，系統(tǒng)需要可以提供的最大力矩應200 N·m，其結構也需要可以承受200 N·m的力矩，力矩傳感器的量程大于200 N·m。

表2 在不同角度下水下遙控機器人模型在量級上受到最大力矩

3 系統(tǒng)方案設計

整個低速域水下遙控機器人試驗系統(tǒng)分為2個試驗臺，分別為進行長距離拖曳試驗的拖曳試驗臺以及進行定點回轉運動試驗的旋轉試驗臺。

拖曳試驗臺可以實現(xiàn)水下遙控機器人模型在水下進行低速域的勻速運動或勻加速運動，測量水下遙控機器人在水下的位移與受到的水阻力。拖曳試驗臺結構示意圖如圖6所示。拖曳試驗臺整體通過框架結構懸掛于試驗水池池壁，支撐結構固定連接框架結構與直線導軌，使導軌受力均勻傳遞到框架結構上，結構最大受到4000 N·m的旋轉力矩?；瑝K在直線導軌上進行直線運動，導軌和滑塊采用JSA-LZG45CZ型滾珠直線導軌副，額定靜力距5560 N·m，滿足設計需求?；瑝K上方固定連接懸臂以保證水下遙控機器人在距離壁面2 m的距離上進行直線運動。懸臂的另一端通過連接桿和力傳感器與水下遙控機器人模型連接，力傳感器測量水下遙控機器人在水下運動過程中受到的水阻力，傳感器量程大于2000 N，傳感器精度0.5級。卷揚機拖動滑塊在直線導軌上進行勻速運動或勻加速運動，最大設計速度1 m/s，最大拖曳力2000 N，調(diào)整水下遙控機器人模型的安裝方向來測量模型在不同角度上進行直線運動時受到的阻力。拉線位移傳感器測量水下遙控機器人在水下的位移，根據(jù)測得的位移計算出水下遙控機器人模型實時速度，以及在合適的距離使卷揚機停止工作，使整個滑動機構進行減速。由聚氨酯制成的緩沖裝置緩沖滑塊及其固定連接結構對試驗臺產(chǎn)生的撞擊。

1.框架結構 2.直線導軌 3.支撐結構 4.滑塊 5.緩沖裝置 6.卷揚機 7.拉線位移傳感器 8.懸臂 9.連接桿 10.水下遙控機器人模型 11.力傳感器

旋轉試驗臺可以使水下遙控機器人模型在水下進行低速域的回轉運動，并測量在回轉過程中水下遙控機器人模型受到的水阻力矩。旋轉試驗臺結構示意圖如圖7所示。回轉驅(qū)動選用SDL7型回轉驅(qū)動，最大輸出轉矩14.6 kN·m?；剞D驅(qū)動與支撐桿固定連接，支撐桿使水下遙控機器人模型與池底距離2 m，連接桿的上方通過力矩傳感器與水下遙控機器人模型1相連，力矩傳感器測量在進行回轉運動時水下遙控機器人模型受到的水阻力矩，傳感器量程大于200 N·m，傳感器精度0.5級。水下伺服電機通過驅(qū)動回轉驅(qū)動使水下遙控機器人模型進行回轉運動，水下伺服電機選用HKS100型深水專用電機，額定電壓48 V，額定功率200 W，轉速900 r/min，配1∶150減速機，減速機后電機扭矩260 N·m。通過調(diào)節(jié)模型的安裝方向測量在不同方向上水下遙控機器人在進行回轉運動時受到的水阻力?；剞D驅(qū)動下方通過連接桿與配重塊相連，配重塊平衡在進行回轉運動時產(chǎn)生的反作用力矩，使試驗臺保持穩(wěn)定。連接桿的長度為2 m，令配重塊與地面的摩擦系數(shù)為0.1，單個配重塊重25 kg。

1.水下遙控機器人模型 2.力矩傳感器 3.支撐桿 4.回轉驅(qū)動 5.伺服電機 6.連接桿 7.配重塊

3 結論

本研究根據(jù)仿真實驗數(shù)據(jù)設計了低速域水下遙控機器人水動力試驗系統(tǒng)，為以后進行低速域水下機器人水動力試驗打下了基礎，更好的研究低速域下水下遙控機器人水動力系數(shù)。在整套水動力試驗系統(tǒng)加工完成后會進行水下遙控機器人模型水動力的實際試驗，實際試驗結果會與仿真結果進行對比，分析誤差產(chǎn)生的原因，進一步改進低速域水下遙控機器人水動力試驗系統(tǒng)。