國(guó)婧倩， 鄭榮， 呂厚權(quán),4

(1.中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)院 機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819； 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)自主水下機(jī)器人(AUV)的水下能源補(bǔ)充、數(shù)據(jù)傳輸和新任務(wù)下載，20世紀(jì)90年代初至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)了各種自主水下機(jī)器人水下對(duì)接系統(tǒng)[1]，其形式主要可以劃分為5類(lèi)：水面起吊回收式[2]、魚(yú)雷管回收式、捕捉對(duì)接式[3]、包容對(duì)接式和平臺(tái)對(duì)接式[4]。其中包容對(duì)接式能最大限度地減少對(duì)AUV外部的修改，對(duì)聲學(xué)導(dǎo)航、AUV運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、航行控制和水阻力等基本不產(chǎn)生影響。

包容式對(duì)接裝置主要包括導(dǎo)向罩和對(duì)接筒兩部分。對(duì)接時(shí)，由于AUV自身導(dǎo)航精度誤差及海流的影響，AUV不能保證直接進(jìn)入對(duì)接筒，而是首先與導(dǎo)向罩發(fā)生接觸，在依次接觸碰撞中逐步被引導(dǎo)至對(duì)接筒，最終完成對(duì)接。水下對(duì)接裝置也常稱(chēng)為水下塢站，將AUV進(jìn)入導(dǎo)向罩的過(guò)程稱(chēng)為入塢，導(dǎo)向罩結(jié)構(gòu)將直接影響AUV入塢的成敗與難易，因此設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)向罩外形結(jié)構(gòu)十分重要。

本文針對(duì)直徑為534.4 mm的回轉(zhuǎn)體AUV設(shè)計(jì)了一套包容式水下對(duì)接裝置，并對(duì)其有效性進(jìn)行了相應(yīng)的湖試驗(yàn)證，基于虛擬樣機(jī)ADAMS仿真軟件建立AUV入塢碰撞仿真模型，依據(jù)湖試數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行修正。在此基礎(chǔ)上，對(duì)凸形罩、錐形罩和凹形罩3種典型導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，完成了導(dǎo)向罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的導(dǎo)向罩對(duì)AUV入塢時(shí)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)調(diào)整和姿態(tài)調(diào)整都有明顯的改善。

1 AUV水下對(duì)接裝置

AUV的水下對(duì)接是一個(gè)自動(dòng)引導(dǎo)過(guò)程，一般采用超短基線(USBL)進(jìn)行聲學(xué)定位，其對(duì)接過(guò)程主要為：AUV入塢→軸向限位→鎖緊→姿態(tài)校正→插拔傳輸→釋放AUV.目前，包容對(duì)接式裝置的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)有較廣泛的研究，圖1所示為6種典型的對(duì)接裝置。其中：圖1(a)是美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)針對(duì)REMUS AUV[5]研發(fā)的第2代對(duì)接裝置，其將加緊定位與插頭連接融于一體，利用插針固定AUV，在29次試驗(yàn)中成功完成了17次對(duì)接[6-8]；圖1(b)是美國(guó)蒙特利灣海洋研究所(MBARI)針對(duì)Dorado AUV研制的對(duì)接裝置[9-10]，其錐形最大直徑為2 m，中部部署鎖緊拴和充電銷(xiāo)，底部的擺鐘通過(guò)雙軸萬(wàn)向節(jié)與對(duì)接筒連接，可實(shí)現(xiàn)自調(diào)平，試驗(yàn)中連續(xù)4次成功對(duì)接；圖1(c)是西班牙水下機(jī)器人研究中心(CIRS)與赫羅納大學(xué)研發(fā)的Sparus Ⅱ AUV對(duì)接裝置[11]，其對(duì)接系統(tǒng)使用了聲學(xué)導(dǎo)引和燈光導(dǎo)引兩種算法，在15次對(duì)接嘗試中成功完成了12次對(duì)接；圖1(d)是印度國(guó)家海洋科學(xué)研究所研制的電磁制導(dǎo)對(duì)接裝置[12]，將水下塢站設(shè)計(jì)為電源激勵(lì)的電磁線圈，電磁有限元分析精度高達(dá)96%，制導(dǎo)范圍為72 m；圖1(e)是哈爾濱工程大學(xué)研制的自治式潛器搭載對(duì)接裝置[13-14]，使用導(dǎo)向板對(duì)AUV進(jìn)行限位定位，雙頭球鉸機(jī)構(gòu)輔助插拔，完成了全部2次對(duì)接；圖1(f)是浙江大學(xué)研制的“海豚二號(hào)”對(duì)接裝置[15-16]，采用無(wú)線充電和非接觸信號(hào)傳輸方式，通過(guò)打開(kāi)與關(guān)閉電磁鐵實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的鎖緊與釋放，在50 m深海域進(jìn)行的11次回塢對(duì)接操作中成功對(duì)接10次。

此外還有美國(guó)Hydroid公司的REMUS100水面拖曳裝置[17]和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所基于燈光導(dǎo)引的AUV水下對(duì)接裝置[18]等。綜上所述不難發(fā)現(xiàn)，包容式水下對(duì)接裝置大多采用開(kāi)口逐漸向外延伸的凸形罩或簡(jiǎn)單直接的錐形罩，目前已有入口直徑是4倍縮口直徑的結(jié)論，而對(duì)于罩的外形結(jié)構(gòu)研究只有較少公開(kāi)的文獻(xiàn)。

本文針對(duì)直徑534.4 mm回轉(zhuǎn)體AUV設(shè)計(jì)的對(duì)接裝置，主要由艏部推行機(jī)構(gòu)、限位夾緊機(jī)構(gòu)、水下插拔機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向罩、超短基線、行程開(kāi)關(guān)等組成(見(jiàn)圖2)，整體全長(zhǎng)4.7 m，內(nèi)切圓直徑580 mm.其中，導(dǎo)向罩采用凸形罩形狀，長(zhǎng)1.44 m，開(kāi)口直徑2 m. 筆者團(tuán)隊(duì)在千島湖AUV水下對(duì)接試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)導(dǎo)航定位有效、AUV航行至導(dǎo)向罩范圍內(nèi)后發(fā)現(xiàn)：1)AUV碰撞在導(dǎo)向罩入口邊緣時(shí)出現(xiàn)彈出現(xiàn)象，導(dǎo)致入塢失??；2)AUV經(jīng)歷多次碰撞后，雖然入塢成功，但是運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)調(diào)整不良?？梢?jiàn)除了導(dǎo)航精度、運(yùn)動(dòng)控制等多種因素外，導(dǎo)向罩外形結(jié)構(gòu)在AUV入塢最后階段對(duì)AUV的入塢成功率具有直接的影響。

2 AUV入塢的數(shù)理模型

ADAMS仿真軟件集建模、計(jì)算和后處理于一身，并含有碰撞模型，可用以建立多體動(dòng)力學(xué)模型和虛擬試驗(yàn)，能夠直觀地展現(xiàn)碰撞后實(shí)體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。Zhang等[16]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于AUV接駁碰撞過(guò)程研究，獲得了較好的仿真界面。

下面對(duì)AUV入塢時(shí)虛擬樣機(jī)的數(shù)理模型進(jìn)行分析與計(jì)算。首先做出以下基本假設(shè)：

1) 導(dǎo)向罩固定于大地，AUV做均質(zhì)處理；

2) 重力和浮力相互抵消；

3) 碰撞過(guò)程中忽略AUV自身的控制力；

4) 部件均無(wú)變形。

對(duì)接開(kāi)始時(shí)，AUV以一定速度駛向?qū)蛘?，航行使命為定向航行速度開(kāi)環(huán)，主推力恒定，在接觸碰撞過(guò)程中，AUV受到重力、浮力、主推力、黏性水阻力、慣性水阻力[19]和碰撞力的作用。由于本文只分析入塢碰撞過(guò)程，故對(duì)裝置進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，受力模型如圖3所示。

2.1 AUV的黏性水阻力和主推力

黏性水阻力由AUV的速度和角速度引起，在碰撞過(guò)程中側(cè)向速度和角速度很小，故只考慮AUV在前進(jìn)方向的黏性水阻力。由于在入塢前AUV是勻速直線駛向?qū)蛘?，此時(shí)可以認(rèn)為主推力T和黏性水阻力Fn相互平衡。

已知AUV的前進(jìn)速度vx、特征長(zhǎng)度L、濕表面積S，考慮湖水環(huán)境，可得流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)ε、流體密度ρ，進(jìn)而根據(jù)下述公式計(jì)算Fn：

(1)

(2)

(3)

Rp=a×Rf，

(4)

Fn=b×(Rf+Rp)，

(5)

式中：Re為雷諾數(shù)；Cf為摩擦阻力系數(shù)；Rf為摩擦阻力；Rp為黏壓阻力；a、b為取值系數(shù)，需根據(jù)外形趨勢(shì)評(píng)估，一般在0.5～2.0之間，水動(dòng)力外形優(yōu)秀、附體較少，則系數(shù)a、b小，本例中選取a=1、b=1.3，并已通過(guò)流體力學(xué)分析軟件進(jìn)行AUV水阻力仿真驗(yàn)證了其合理性。由于碰撞力作用，AUV的前進(jìn)速度減小，其Fn也隨之減小。

2.2 AUV的慣性水阻力

在碰撞過(guò)程中AUV會(huì)產(chǎn)生加速度和角加速度，由速度引起的黏性力成分遠(yuǎn)小于加速度引起的慣性力成分。計(jì)算加速度水動(dòng)力系數(shù)即為計(jì)算AUV運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量問(wèn)題。Minorsky[20]和Petersen[21]對(duì)船體橫飄運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了大量水動(dòng)力試驗(yàn)，研究了船體在水中的附加質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)船體附加質(zhì)量在碰撞過(guò)程中是不斷變化的，其變化范圍為Myy在0.4M～1.3M之間，Mxx在0.02M～0.07M之間，其中M為船體質(zhì)量，Myy為橫飄運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量，Mxx為進(jìn)退運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量。

當(dāng)考慮空間六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體慣性力共有36項(xiàng)，通常認(rèn)為AUV的左、右和上、下基本對(duì)稱(chēng)，有些系數(shù)很小、可以舍去，故6×6矩陣中只剩下14個(gè)系數(shù)：

(6)

2.3 AUV與導(dǎo)向罩的碰撞力

在ADAMS仿真軟件中，根據(jù)Impact函數(shù)來(lái)計(jì)算兩個(gè)構(gòu)件之間的接觸力時(shí)，其廣義形式可以表示為

Fn=Kδc+Cv，

(7)

式中：Fn為法向接觸力；K為Hertz接觸剛度；δ為接觸點(diǎn)的法向穿透深度；c為力的指數(shù)；C為阻尼系數(shù)；v為接觸點(diǎn)的法向相對(duì)速度。

接觸剛度由Hertz理論計(jì)算如下：

(8)

阻尼系數(shù)C使用Lankarani等[22]提出的修正遲滯阻尼系數(shù)計(jì)算，公式如下：

(9)

式中：e為彈性恢復(fù)系數(shù)；n為非線性彈簧力指數(shù)；u為碰撞速度。在確定導(dǎo)向罩與AUV艏部的材料后，即可根據(jù)材料特性進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

建立如圖4所示靜坐標(biāo)系和動(dòng)坐標(biāo)系來(lái)描述AUV的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)二者軸線位于同一水平面內(nèi)，將Eξηζ坐標(biāo)系建立在導(dǎo)向罩上，為方便表達(dá)軸線夾角，Eη軸垂直于紙面向外；Oxyz坐標(biāo)系類(lèi)似，原點(diǎn)位于AUV重心，此時(shí)認(rèn)為Ox、Oy和Oz為水下機(jī)器人的慣性主軸；D為AUV與導(dǎo)向罩的接觸碰撞點(diǎn)，1方向?yàn)閷?dǎo)向罩上碰撞點(diǎn)D處的法線方向，2方向?yàn)閷?dǎo)向罩上碰撞點(diǎn)D處的切線方向；α為導(dǎo)向罩上碰撞點(diǎn)D處的切線與Eξ軸間的夾角；β為Ox軸與Eξ軸間的夾角。

在AUV與導(dǎo)向罩發(fā)生接觸碰撞過(guò)程中，碰撞點(diǎn)D處會(huì)產(chǎn)生沿法線方向的碰撞力F1和沿切線方向的碰撞力F2，在碰撞力F(F1，F(xiàn)2)的作用下，AUV的運(yùn)動(dòng)可以表達(dá)為

(10)

式中：m為AUV質(zhì)量；cx為AUV縱移運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量系數(shù)；cz為AUV潛浮運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量系數(shù)；R為AUV繞重心的慣性半徑；ry為繞Oy軸轉(zhuǎn)動(dòng)的附加慣性矩系數(shù)；(ξo,ζo)為AUV的重心坐標(biāo)；(ζD,ζD)為碰撞點(diǎn)D的坐標(biāo)。從(10)式中可以直接求出AUV上碰撞點(diǎn)D在1、2方向上的加速度。

3 ADAMS物理仿真模型

綜合第2節(jié)的分析與計(jì)算，仿真模型中各參數(shù)初始值列表如表1所示。

表1 ADAMS仿真模型中各參數(shù)初始值列表

在千島湖AUV水下對(duì)接試驗(yàn)中，將對(duì)接裝置置于試驗(yàn)場(chǎng)雙體船中間，通過(guò)剛性結(jié)構(gòu)由行車(chē)吊放在湖中7 m深處，并固定其位置和姿態(tài)；AUV搭載超短基線收發(fā)器入水航行，首先實(shí)現(xiàn)定深7 m的穩(wěn)定航行；然后與安裝在對(duì)接裝置上的收發(fā)器進(jìn)行通信，解算出對(duì)接裝置的位置和姿態(tài)，自主規(guī)劃回塢路徑；最后AUV跟蹤該路徑駛向?qū)友b置，完成對(duì)接任務(wù)。本文重點(diǎn)關(guān)注AUV與導(dǎo)向罩發(fā)生接觸并逐步被導(dǎo)引入塢的階段。對(duì)接裝置上裝有攝像機(jī)，從多段湖上對(duì)接試驗(yàn)錄像中選取較清晰的一組對(duì)接試驗(yàn)，根據(jù)湖上對(duì)接試驗(yàn)現(xiàn)象選取AUV在導(dǎo)向罩上撞擊點(diǎn)的大概位置，在所建立仿真模型中進(jìn)行AUV入塢仿真，碰撞過(guò)程中AUV姿態(tài)的逐步變化如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)，湖上試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果中AUV的姿態(tài)變化趨勢(shì)一致，二者對(duì)于AUV前進(jìn)速度的變化

表2 碰撞過(guò)程中AUV姿態(tài)變化對(duì)比

Tab.2 Comparison of AUV attitudes during collision

曲線對(duì)比結(jié)果如圖5所示。湖上試驗(yàn)時(shí)，由于水流的影響導(dǎo)致AUV速度增加至300 mm/s左右，而仿真模型中均將碰撞時(shí)AUV的速度設(shè)定為257 mm/s，故初始速度有些出入，但由圖5可知AUV的速度變化趨勢(shì)一致，通過(guò)比較試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果中AUV前向速度的具體數(shù)據(jù)可知，該仿真模型具有可行性。

4 導(dǎo)向罩對(duì)比分析及改進(jìn)結(jié)果

目前，工程中廣泛應(yīng)用的導(dǎo)向罩形式有凸形和錐形兩種，考慮到AUV尺寸與對(duì)接裝置的整體平衡，本文導(dǎo)向罩被限制在長(zhǎng)1.7 m、直徑2 m范圍內(nèi)。分析湖試數(shù)據(jù)得知，在入塢階段，AUV縱軸線與導(dǎo)向罩中軸線間的夾角在4.8°～11.0°間，因此設(shè)計(jì)了如圖6所示的3種導(dǎo)向罩。將入塢前AUV縱軸線與導(dǎo)向罩中軸線間的夾角定義為入塢夾角，其中，圖6(a)為凸形罩，利用弧線實(shí)現(xiàn)錐口15°～30°再到60°的三階圓滑過(guò)渡，起到順延的作用；圖6(b)為錐形罩，在尺寸限制下，簡(jiǎn)單地采用直線結(jié)構(gòu)，開(kāi)口錐角為50°；圖6(c)為凹形罩，基于彈性反彈的設(shè)計(jì)理念[23]，以12°入塢夾角為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)得到。

4.1 仿真與對(duì)比分析

導(dǎo)向罩的最終目的是提高AUV入塢的成功率，在AUV縱軸線與導(dǎo)向罩中軸線不重合的情況下，能夠盡可能引導(dǎo)AUV順利回塢。導(dǎo)向罩的導(dǎo)向性能主要有3個(gè)評(píng)判指標(biāo)：1)AUV成功入塢；2)入塢過(guò)程中的最大碰撞力；3)入塢過(guò)程中AUV的姿態(tài)調(diào)整耗時(shí)。其中，姿態(tài)調(diào)整耗時(shí)最重要，其值越小，AUV入塢越順利；考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能以及AUV速度下降的快慢，最大碰撞力越小越好。在上述3個(gè)評(píng)判指標(biāo)下，針對(duì)AUV入塢偏距與AUV入塢夾角兩種情況分別討論凸形罩、錐形罩和凹形罩的導(dǎo)向性能。

4.1.1 AUV入塢偏距分析

參考湖試數(shù)據(jù)，取AUV入塢夾角為10°，并定義撞擊點(diǎn)與導(dǎo)向罩中軸線的垂直距離為偏距。當(dāng)AUV縱軸線與導(dǎo)向罩中軸線存在10°夾角時(shí)，分別對(duì)凸形罩、錐形罩和凹形罩進(jìn)行不同偏距下的入塢仿真分析，得到仿真結(jié)果如圖7所示。其中，圖7(a)是以最大碰撞力作為評(píng)判指標(biāo)時(shí)，多種偏距下各導(dǎo)向結(jié)構(gòu)AUV入塢仿真結(jié)果；圖7(b)是以姿態(tài)調(diào)整耗時(shí)作為評(píng)判指標(biāo)時(shí)，多種偏距下各導(dǎo)向結(jié)構(gòu)AUV入塢仿真結(jié)果。由圖7可知，在不同偏距區(qū)間內(nèi)，各導(dǎo)向罩調(diào)整能力不一，存在明顯區(qū)別的偏距區(qū)間節(jié)點(diǎn)是50 cm和70 cm，為方便表達(dá)及后續(xù)的改進(jìn)，將弧線在偏距50 cm和70 cm處分割為3段(見(jiàn)圖8)。由圖7可見(jiàn)：凸形罩、錐形罩和凹形罩能夠調(diào)整的最大偏距分別為80 cm、80 cm和90 cm；偏距在10～50 cm區(qū)間，凸形罩調(diào)整效率高，錐形罩略好，但凹形罩效果很差，其產(chǎn)生的大力矩使AUV在框架入口處震蕩，耗時(shí)長(zhǎng)，且偏距10 cm時(shí)均入塢失??；偏距在50～70 cm區(qū)間，凸形罩和錐形罩能力相當(dāng)，但錐形罩產(chǎn)生的碰撞力較大，AUV速度下降較快，凹形罩調(diào)整效果越來(lái)越明顯；偏距在70～100 cm區(qū)間，凸形罩和錐形罩能力相當(dāng)，凹形罩調(diào)整能力明顯較優(yōu)。因此，對(duì)于不同的入塢偏距，3種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。

4.1.2 AUV入塢夾角分析

觀察湖試入塢現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，AUV首次撞擊在導(dǎo)向罩上的位置大部分在第三段的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，即AUV入塢偏距大于70 cm. 如圖9所示，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況，選取撞擊點(diǎn)位于偏距70～80 cm處，對(duì)上述3種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行不同入塢夾角的仿真分析，得到仿真結(jié)果如圖10所示。其中，圖10(a)是以最大碰撞力作為評(píng)判指標(biāo)時(shí)，不同夾角下各導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的AUV入塢仿真結(jié)果；圖10(b)是以姿態(tài)調(diào)整耗時(shí)作為評(píng)判指標(biāo)時(shí)，不同夾角下各導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的AUV入塢仿真結(jié)果。從圖10可以看出：凸形罩、錐形罩和凹形罩能夠調(diào)整的最大角度分別為23°、21°和14°；隨著夾角逐漸變大，凸形罩改變AUV運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的效果越來(lái)越差，調(diào)整AUV自身姿態(tài)越來(lái)越緩慢；錐形罩整體調(diào)整效率較高，但AUV到達(dá)框架入口時(shí)的速度較低甚至為負(fù)值，若要入塢，則需要再進(jìn)行加速控制；當(dāng)AUV入塢夾角略小于12°時(shí)，凹形罩的調(diào)整效果最佳，當(dāng)AUV入塢夾角大于14°時(shí)，凹形罩不再具備調(diào)整能力，該結(jié)構(gòu)具有一定的針對(duì)性；總之，就調(diào)整AUV運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)能力而言，凹形罩>錐形罩>凸形罩。因此，為保證AUV能夠順利入塢，需要對(duì)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)凸形罩、錐形罩和凹形罩的對(duì)比分析結(jié)果，將母線的第三段選用凹形，第一段選用凸形，在具體尺寸限制下得到S形罩的外形結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖11)為長(zhǎng)1.66 m、開(kāi)口直徑2.02 m. 對(duì)該S形罩進(jìn)行ADAMS建模與入塢仿真，具體仿真結(jié)果見(jiàn)圖7和圖10. 由仿真結(jié)果可知，AUV撞擊在S形罩入口邊緣(偏距100 cm)時(shí)，并未彈出而是成功入塢；在AUV入塢姿態(tài)相同的條件下，對(duì)AUV運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的調(diào)整效果明顯改善。

5 導(dǎo)向罩性能對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證S形罩導(dǎo)向性能的改善程度，在水池中進(jìn)行凸形罩與S形罩的性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)從AUV入塢偏距和AUV入塢夾角兩方面進(jìn)行，以驗(yàn)證S形罩更有利于引導(dǎo)AUV順利入塢，對(duì)提高AUV入塢的成功率有一定的改進(jìn)效果。

5.1 AUV入塢偏距試驗(yàn)

試驗(yàn)中保持導(dǎo)向罩固定，通過(guò)AUV與導(dǎo)向罩之間的深度差提供入塢偏距，重點(diǎn)研究其入口邊緣處的導(dǎo)向性能。由前期試驗(yàn)得知凸形罩的邊緣導(dǎo)向能力較差，不具有試驗(yàn)價(jià)值，因此對(duì)凸形罩和S形罩分別進(jìn)行偏距0.6 m和0.9 m的水池入塢試驗(yàn)，如圖12所示。發(fā)生碰撞后AUV的深度變化如圖13所示，其中：32 s為AUV首次接觸S形罩和凸形罩的時(shí)刻，54 s為S形罩和凸形罩引導(dǎo)AUV成功入塢的時(shí)刻，表明S形罩的入口邊緣不僅可以調(diào)整AUV成功入塢，而且在相同時(shí)間內(nèi)S形罩調(diào)整的偏距更大，其導(dǎo)向能力較凸形罩有所提高。

5.2 AUV入塢夾角試驗(yàn)

參考仿真結(jié)果調(diào)整導(dǎo)向罩的位置，使導(dǎo)向罩中軸線與AUV縱軸線之間呈15°夾角，進(jìn)行入塢試驗(yàn)。碰撞后AUV的航向角變化如圖14所示，其中24 s為AUV首次接觸S型罩和凸形罩的時(shí)刻，66 s為使用S形罩進(jìn)行入塢試驗(yàn)時(shí)AUV成功入塢的時(shí)刻，87 s為使用凸形罩進(jìn)行入塢試驗(yàn)時(shí)AUV成功入塢的時(shí)刻。由圖14可以看出，S形罩的AUV入塢航向調(diào)整時(shí)間比凸形罩的AUV入塢航向調(diào)整時(shí)間縮短了21 s，S形罩的導(dǎo)向能力比凸形罩具有明顯的改善，有效地調(diào)整AUV的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可以順利入塢。

6 結(jié)論

1)基于AUV入塢時(shí)接觸碰撞的受力分析及理論計(jì)算搭建的ADAMS仿真模型中，AUV姿態(tài)變化與試驗(yàn)過(guò)程中AUV姿態(tài)變化對(duì)應(yīng)，且仿真模型中AUV的前向速度變化趨勢(shì)與試驗(yàn)過(guò)程中AUV的前向速度變化趨勢(shì)一致，仿真模型具有可行性。

2)在AUV入塢姿態(tài)相同條件下，S形罩能夠調(diào)整的AUV入塢偏距最大為100 cm，比凸形罩提高20 cm；S形罩能夠調(diào)整的AUV入塢偏角最大為22°，比凸形罩降低1°；但S形罩產(chǎn)生的碰撞力和AUV入塢時(shí)間都有所下降，調(diào)整AUV運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)效果明顯。

3)S形罩的外環(huán)采用凹形結(jié)構(gòu)，能更好地包絡(luò)AUV，增加AUV入塢成功率；內(nèi)環(huán)采用凸形結(jié)構(gòu)能夠縮小AUV在導(dǎo)向罩內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)范圍，更順利地將其收縮至框架口；S形罩的導(dǎo)向能力相比凸形罩具有明顯的改善，可有效改善前期試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。