秦 悅 ,王冠琳 ,官 晟 ,王巖峰 ,丁軍航,6

(1.青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,山東 青島,266071;2.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島,266061;3.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島,266061;4.山東省海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島,266061;5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島,266237;6.山東省工業(yè)控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島,266071)

0 引言

近年來(lái),由于衛(wèi)星遙感技術(shù)、水下無(wú)人技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)各種海洋現(xiàn)象的研究與探測(cè)也日趨深入[1]。中尺度過(guò)程即為廣泛存在于海洋中的一種海洋現(xiàn)象,主要包括渦旋、鋒面和內(nèi)波等現(xiàn)象,其能量比大尺度過(guò)程高近一個(gè)量級(jí),是海洋中極其重要的一類(lèi)動(dòng)力過(guò)程,為海洋中的能量和物質(zhì)輸送提供了動(dòng)力基礎(chǔ),進(jìn)而影響著全球氣候和海洋生態(tài)系統(tǒng)。另外,由于中尺度過(guò)程對(duì)水聲信號(hào)傳播影響很大,給水下設(shè)備的探測(cè)、定位以及通信都帶來(lái)極大的影響[2-5]。因此,對(duì)海洋中尺度過(guò)程展開(kāi)系統(tǒng)的探測(cè)采樣,深入認(rèn)知其產(chǎn)生和變化機(jī)理,對(duì)海洋資源勘測(cè)、海洋環(huán)境觀測(cè)以及軍事海洋等領(lǐng)域有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

自21 世紀(jì)以來(lái),各類(lèi)海洋探測(cè)工具的發(fā)展為中尺度過(guò)程研究提供了極其豐富的資料[6-9]。Chelton等[6]利用衛(wèi)星高度計(jì)資料,詳盡地描述了全球表層中尺度渦旋的時(shí)空分布、大小以及傳播特性等情況。Liu 等[7]在我國(guó)南海東北部的大陸架斷裂區(qū)周?chē)ㄟ^(guò)錨系、拖曳式溫鹽深儀等,與雷達(dá)衛(wèi)星圖像相結(jié)合,對(duì)南海東沙島附近的內(nèi)波演變以及傳播規(guī)律進(jìn)行了觀測(cè)研究。楊廷龍[9]利用衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),探測(cè)了日本海的中尺度渦旋,研究了在不同深度下溫度鋒和鹽度鋒的分布特征。總的來(lái)說(shuō),目前對(duì)中尺度過(guò)程的產(chǎn)生消散、時(shí)空分布、大小強(qiáng)度以及物質(zhì)輸送等都有較為廣泛的研究和認(rèn)識(shí),但前述研究觀測(cè)到的只是中尺度過(guò)程某時(shí)刻、某些深度層次的三維狀態(tài),而對(duì)其三維結(jié)構(gòu)的研究較少,且大多數(shù)中尺度過(guò)程是非定常的,觀測(cè)這類(lèi)中尺度過(guò)程隨時(shí)間變化的完整三維結(jié)構(gòu)成為了目前學(xué)者們的研究方向之一,同時(shí)也對(duì)觀測(cè)工具提出了更高、更精細(xì)的要求。

水下滑翔機(jī)承擔(dān)的各類(lèi)觀測(cè)任務(wù)在過(guò)去20 年中提供了大量的海洋數(shù)據(jù),在海洋生物學(xué)、海洋物理學(xué)、物理海洋學(xué)以及地質(zhì)海洋學(xué)等不同領(lǐng)域都起到了極其重要的作用[6-7]。近些年來(lái),隨著對(duì)海洋中尺度過(guò)程三維結(jié)構(gòu)探測(cè)要求的發(fā)展,水下滑翔機(jī)也逐漸開(kāi)始應(yīng)用到中尺度過(guò)程的觀測(cè)任務(wù)中[10-14]。Alford 等[10]通過(guò)2 個(gè)系泊系統(tǒng)和一架水下滑翔機(jī)組成的觀測(cè)系統(tǒng),研究了華盛頓大陸架地區(qū)內(nèi)波及其與低頻洋流、分層、溶解氧和營(yíng)養(yǎng)鹽分布的關(guān)系。在南海,Johnston 等[11]利用水下滑翔機(jī)探測(cè)了內(nèi)部潮汐,并通過(guò)分艙測(cè)量獲得了其緯向深度結(jié)構(gòu)。Fan 等[12]利用系泊裝置和滑翔機(jī),觀測(cè)了伊爾明格海的中尺度反氣旋渦旋。天津大學(xué)在南海北部部署了12 架Petrel-Ⅱ自主式無(wú)人水下滑翔機(jī)用以觀測(cè)南海反氣旋渦旋不同斷面的溫鹽垂直結(jié)構(gòu)[13]。Li 等[14]確定了水下滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)配置,重建了南海北部反氣旋渦旋的三維結(jié)構(gòu),并基于一種渦旋溫度異常場(chǎng)的簡(jiǎn)單參數(shù)化模型對(duì)3 種滑翔機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)?？梢钥闯?對(duì)于海洋中尺度過(guò)程的探索與觀測(cè)已較為深入,但對(duì)于中尺度過(guò)程水下的三維結(jié)構(gòu)及其時(shí)空演變?nèi)源嬖谠S多未解之處。水下滑翔機(jī)目前已成為中尺度過(guò)程探測(cè)任務(wù)的重要承擔(dān)平臺(tái),如何優(yōu)化其采樣行為,以適應(yīng)不同的水下探測(cè)任務(wù),成為實(shí)際應(yīng)用中的迫切需求。

文中以Petrel-Ⅱ?yàn)槔?對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模,在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了尾舵調(diào)節(jié)模塊,與滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊共同構(gòu)成了航向調(diào)節(jié)系統(tǒng),能夠較好地實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。另外,分析并化簡(jiǎn)了其在縱向剖面下的動(dòng)力學(xué)模型,利用Simulink 對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。隨后,根據(jù)幾種不同情況下的海洋中尺度過(guò)程探測(cè)需求,針對(duì)性地進(jìn)行了水下滑翔機(jī)在不同深度、距離以及時(shí)間限制等要求下的運(yùn)動(dòng)仿真。

1 水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

基于已有的研究和Petrel-Ⅱ公開(kāi)成果,文中根據(jù)需求建立Petrel-Ⅱ的六自由度動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

1.1 坐標(biāo)系及運(yùn)動(dòng)變量定義

為便于分析,特定義位置角度向量D=[D1D2]T。其中:D1=[X Y Z]T為慣性坐標(biāo)系下的位移矢量,分別表示進(jìn)退、潛浮和側(cè)移;D2=[? ψ θ]T為角度向量,分別代表橫滾、偏航及俯仰。另外,速度和角速度向量定義為P=[V?]T,其中:聯(lián)體坐標(biāo)系下的速度矢量V=[u v w]T,分別表示[X Y Z]方向上的速度;角速度向量?=[p q r]T,分別代表[? ψ θ]方向上的角速度。圖1 給出了Petrel-Ⅱ的坐標(biāo)系具體定義[15],EXYZ表示慣性坐標(biāo)系,Bxyz表示聯(lián)體坐標(biāo)系。

圖1 Petrel-Ⅱ坐標(biāo)系定義Fig.1 Coordinate system definition of Petrel-Ⅱ

Petrel-Ⅱ系統(tǒng)布局簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2 所示[15]。其中:前艙段的浮力驅(qū)動(dòng)模塊主要通過(guò)改變內(nèi)外油囊中油量的分布來(lái)調(diào)節(jié)水下滑翔機(jī)的潛浮狀態(tài);中艙段的滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模塊通過(guò)繞Bx軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)水下滑翔機(jī)的橫滾姿態(tài),俯仰調(diào)節(jié)模塊則沿Bx軸前后移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)水下滑翔機(jī)的俯仰姿態(tài);尾部浸水艙的螺旋槳推進(jìn)模塊會(huì)產(chǎn)生沿Bx軸的推進(jìn)力和力矩,通過(guò)改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)力和力矩的大小。另外,處于尾部的尾舵調(diào)節(jié)模塊通過(guò)改變尾舵繞回轉(zhuǎn)軸的角度來(lái)改變水下滑翔機(jī)的航行角度。

圖2 Petrel-Ⅱ系統(tǒng)布局簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Simplified diagram of system layout of Petrel-Ⅱ

聯(lián)體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣[15]

其中

由此,Petrel-Ⅱ的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

1.2 受力分析

1.2.1 重力、浮力及扶正力矩

水下滑翔機(jī)所受浮力與重力方向相反,浮力作用點(diǎn)位于浮心處,重力作用點(diǎn)位于重心處。這2 個(gè)力在體坐標(biāo)系下分別表示為

由于重心與浮心不重合,重心位置矢量可表示為rG=此時(shí),由于兩者作用點(diǎn)位置不重合,重力會(huì)在浮心上產(chǎn)生扶正力矩,表示為

1.2.2 附加浮力與浮力矩

體坐標(biāo)系下的附加浮力

式中,Bb為浮力驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的浮力。

由于驅(qū)動(dòng)浮力作用于水下滑翔機(jī)頭部,作用點(diǎn)矢量在體坐標(biāo)系下可以表示為rb=故附加浮力在浮心上產(chǎn)生的附加浮力矩為

1.2.3 附加俯仰力矩與橫滾力矩

質(zhì)量塊在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下前后移動(dòng),質(zhì)量塊質(zhì)心與浮心距離為lp,產(chǎn)生的附加俯仰力矩為

同樣地,偏心質(zhì)量塊在滾轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)一定的角度,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加橫滾力矩

在水下滑翔機(jī)采用尾舵調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行航向調(diào)節(jié)過(guò)程中,內(nèi)部偏心質(zhì)量塊不進(jìn)行運(yùn)動(dòng),此時(shí)附加橫滾力矩Tr=0。

1.2.4 慣性水動(dòng)力與粘性水動(dòng)力

水下滑翔機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,會(huì)時(shí)刻受到周?chē)w對(duì)其產(chǎn)生的水動(dòng)力的影響,所受水動(dòng)力的大小與其幾何參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)有關(guān),參考文獻(xiàn)[16]得慣性水動(dòng)力為

粘性水動(dòng)力

式中:V為合速度;Cx、Cy、Cz、Tx、Ty和Tz分 別代表縱向力系數(shù)、垂向力系數(shù)、橫向力系數(shù)、橫滾力矩系數(shù)、偏航力矩系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)。

在尾舵調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,在尾舵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,相對(duì)平衡位置處,尾舵旋轉(zhuǎn)角度為 δv,此時(shí)尾舵所受粘性水動(dòng)力為

故水下滑翔機(jī)受到的總粘性水動(dòng)力

1.2.5 螺旋槳推力及推力矩Ft Tt

在工程實(shí)際中,螺旋槳產(chǎn)生的推力 和扭矩分別為

式中:KT為推力系數(shù);t為推力減額系數(shù);n為螺旋槳轉(zhuǎn)速;dp為螺旋槳外徑;KQ為力矩系數(shù)。

1.2.6 合外力與力矩

根據(jù)上述分析結(jié)果,將式(5)～式(16)中的各力和力矩表達(dá)式結(jié)合起來(lái),便可得到滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的總外力及力矩

1.3 動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)動(dòng)量定理和角動(dòng)量定理,結(jié)合上述受力分析可得Petrel-Ⅱ的動(dòng)力學(xué)模型[15]表達(dá)式為

文中主要考慮Petrel-Ⅱ在縱垂面內(nèi)的運(yùn)動(dòng),故有如下位移矢量D1=角度向量D2=速度矢量V=角速度向量?=因此,可得滑翔機(jī)在縱向剖面內(nèi)的動(dòng)力學(xué)方程為

合速度和攻角分別為

水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型中的特性參數(shù)主要分為幾何物理參數(shù)、水動(dòng)力系數(shù)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)以及輸入控制參數(shù)4 類(lèi)。其中,幾何物理參數(shù)如機(jī)體質(zhì)量、長(zhǎng)度等可直接測(cè)得;水動(dòng)力參數(shù)如Cx(0),和等的獲取方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、試驗(yàn)測(cè)定法、參數(shù)辨識(shí)法及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法[15-16]。文中的水動(dòng)力參數(shù)大多由計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)預(yù)先計(jì)算獲得,并通過(guò)后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正;運(yùn)動(dòng)參數(shù)如速度矢量V及攻角 α,則由運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)時(shí)計(jì)算;控制參數(shù)即運(yùn)動(dòng)控制量,具體數(shù)值人為給定。具體物理參數(shù)如表1 所示[17]。

表1 物理參數(shù)含義及取值Table 1 Meanings of physical parameters and their values

2 模型驗(yàn)證

鋸齒狀的縱垂面運(yùn)動(dòng)作為的主要運(yùn)動(dòng)模式,非常適合大范圍、長(zhǎng)航程的探測(cè)任務(wù)。因此,對(duì)上述建立的縱垂面內(nèi)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行Simulink 仿真驗(yàn)證,具體的模塊圖如圖3 所示。

運(yùn)動(dòng)變量選擇如下的初始狀態(tài):X0=0,Y0=0,θ0=0,u0=0.01 m/s,v0=0,r0=0。

與文獻(xiàn)[15]控制參數(shù)選取類(lèi)似,螺旋槳轉(zhuǎn)速n設(shè)為0,驅(qū)動(dòng)浮力Bb和俯仰調(diào)節(jié)重塊位移lp如圖4 所示,圖5～圖9 為具體的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果?？梢钥闯?在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),水平最大航行距離約為482.9 m,最大下降深度約為159.7 m。另外,穩(wěn)定滑翔運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度分量u=0.34 m/s、v=0.033 m/s,攻角和俯仰角約為5.7°和28°,整個(gè)過(guò)程類(lèi)似于鋸齒狀運(yùn)動(dòng)。在此,與文獻(xiàn)[15]中仿真及海試試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表2 所示。可以看出,文中所提出的動(dòng)力學(xué)方程仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[15]中仿真和海試試驗(yàn)結(jié)果大致相同,文中所建立的動(dòng)力學(xué)模型基本準(zhǔn)確。

表2 文中模型與文獻(xiàn)[15]仿真及海試結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of simulation and sea trial results between models used in this study and reference[15]

圖4 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下驅(qū)動(dòng)浮力和俯仰調(diào)節(jié)單元位移隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Time-history curves of driving buoyancy and displacement of pitch regulating unit under the sawtooth motion

圖5 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下水平位移和垂直深度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Time-history curves of horizontal displacement and vertical depth under the saw-tooth motion

圖6 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下縱垂面運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Trajectory on vertical plane under the saw-tooth motion

圖7 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下攻角隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Time-history curve of attack angle under the sawtooth motion

圖8 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下速度分量隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Time-history curves of velocity component under the saw-tooth motion

圖9 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下俯仰角和角速度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Time-history curves of pitch angle and pitch angular velocity under the saw-tooth motion

3 中尺度過(guò)程采樣運(yùn)動(dòng)仿真

采用科學(xué)文獻(xiàn)中所提及的中尺度過(guò)程參數(shù),對(duì)幾個(gè)實(shí)際空間采樣任務(wù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,以說(shuō)明不同任務(wù)要求下利用Petrel-Ⅱ的可行性。

3.1 鋒面探測(cè)

海洋鋒是一種極其重要的海洋現(xiàn)象,其空間尺度短則幾米,長(zhǎng)則上千公里,時(shí)間尺度短至幾天,而有的海洋鋒幾乎常年存在,在海洋表面、中部及深層都有分布[9]。另外,在海洋鋒存在的區(qū)域,水文狀況異?；钴S,可能會(huì)嚴(yán)重影響水下探測(cè)和水下通信等活動(dòng)。

楊廷龍[9]根據(jù)上海市開(kāi)放數(shù)據(jù)大賽數(shù)據(jù),利用絕對(duì)梯度法提取了日本海海洋鋒若干信息,研究了其空間分布特征和季節(jié)變化等,圖10 為具體的溫度鋒云圖,縱坐標(biāo)Y表示深度。文中將針對(duì)其研究結(jié)果,對(duì)日本海溫度鋒的采樣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,以期為未來(lái)實(shí)際采樣提供參考。

圖10 溫度鋒影響深度云圖Fig.10 Contours of influence depth of thermal front

文中對(duì)日本海海洋內(nèi)部溫度鋒面探測(cè)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,從圖10 和文獻(xiàn)[9]可知,日本海鹽度鋒大致存在于150～700 m 的深度范圍內(nèi)。溫度鋒探測(cè)方案為:首先將滑翔機(jī)下潛至150 m 處,并在此開(kāi)始作鋸齒狀運(yùn)動(dòng),在150～700 m 范圍內(nèi)反復(fù)運(yùn)動(dòng),直至結(jié)束探測(cè)返回水面。此過(guò)程中,下潛階段控制參數(shù)為Bb=?7 N,lp=0.05 m;上浮階段控制參數(shù)為Bb=7 N,lp=?0.05 m,螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)為n=0。圖11～圖13 分別給出了仿真溫度鋒探測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的縱垂面二維運(yùn)動(dòng)軌跡、橫向及縱向曲線和俯仰角曲線。

圖11 溫度鋒探測(cè)縱垂面運(yùn)動(dòng)軌跡仿真曲線Fig.11 Trajectory simulation curve of detected thermal front on vertical plane

圖12 溫度鋒探測(cè)水平位移和垂直深度隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Time-history curves of horizontal displacement and vertical depth of detected thermal front during simulation

圖13 溫度鋒探測(cè)俯仰角和角速度隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Time-history curves of pitch angle and pitch angular velocity of detected thermal front during simulation

文中給出上述鋸齒狀的探測(cè)方案,使滑翔機(jī)能夠滿足預(yù)定深度范圍內(nèi)的空間尺度下的采樣要求。此外,方案中的控制參數(shù)Bb和lp都設(shè)定為最大值,如實(shí)際采樣任務(wù)有對(duì)航程或能耗的具體限制,可以通過(guò)增減Bb、lp和n來(lái)達(dá)到具體的航程范圍。由于篇幅限制,在此不再贅述。

3.2 反氣旋渦旋探測(cè)

海洋中尺度渦旋是由于季風(fēng)和洋流等因素在地球自轉(zhuǎn)的作用下產(chǎn)生的螺旋運(yùn)動(dòng),根據(jù)其溫鹽結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)方向的不同,渦旋主要分為氣旋渦旋和反氣旋渦旋,北半球區(qū)域的氣旋渦旋為順時(shí)針旋轉(zhuǎn),反氣旋渦旋逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

中尺度渦旋是一種極其普遍的海洋現(xiàn)象,在各大洋中幾乎都有分布,存在時(shí)間從幾天到數(shù)月,空間尺度能達(dá)到幾百公里,大部分存在于海洋近表層,有的也可至數(shù)千米的海底。海洋中的中尺度渦旋大多為非定常渦旋,產(chǎn)生的位置和時(shí)間不固定,隨著時(shí)間的推移,其強(qiáng)度和位置也會(huì)發(fā)生變化[3]。文中將仿真空間尺度不同的2 種反氣旋渦旋采樣運(yùn)動(dòng)。

3.2.1 次中尺度反氣旋渦旋探測(cè)

次中尺度過(guò)程是海洋中一類(lèi)空間尺度較小的中尺度現(xiàn)象,其水平尺度約1 m～10 km,垂直尺度約為100 m,會(huì)對(duì)上層海洋動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響[18]。因此,首先針對(duì)文獻(xiàn)[1]中提到的中國(guó)南海北部的次中尺度反氣旋渦旋探測(cè)進(jìn)行采樣運(yùn)動(dòng)仿真,具體運(yùn)動(dòng)要求為:最大深度約80 m,航程范圍100 m～10 km,探測(cè)時(shí)間在1 天之內(nèi)。

首先給出第1 種方案,具體探測(cè)過(guò)程分為3 個(gè)階段:第1 階段為下降階段,控制參數(shù)Bb=?7 N,lp=0.05m,螺旋槳轉(zhuǎn)速n=0;下降到預(yù)定深度80 m且穩(wěn)定后,進(jìn)入第2 階段,即定深運(yùn)動(dòng),此階段內(nèi),控制參數(shù)Bb=0,lp=0,螺旋槳轉(zhuǎn)速n=25 r/s;在到達(dá)預(yù)定航行距離后,進(jìn)入第3 階段,即上升階段,該階段內(nèi),控制參數(shù)Bb=7 N,lp=?0.05 m,螺旋槳轉(zhuǎn)速n=0,直至滑翔機(jī)回到水面。具體運(yùn)動(dòng)仿真見(jiàn)圖14～圖16。

圖14 定深運(yùn)動(dòng)下次中尺度反氣旋渦旋探測(cè)的縱垂面運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.14 Trajectory on vertical plane of detected sub mesoscale anticyclone vortex under the depthkeeping motion

圖15 定深運(yùn)動(dòng)下次中尺度反氣旋渦旋探測(cè)的水平位移和垂直深度隨時(shí)間變化曲線Fig.15 Time-history curves of horizontal displacement and vertical depth of detected sub mesoscale anticyclone vortex under the depthkeeping motion

圖16 定深運(yùn)動(dòng)下次中尺度反氣旋渦旋探測(cè)的俯仰角和角速度隨時(shí)間變化曲線Fig.16 Time-history curves of pitch angle and pitch angular velocity of detected sub mesoscale anticyclone vortex under the depthkeeping motion

上述仿真給出了1 000 s 內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,深度約80 m,航程約1 440 m。可根據(jù)實(shí)際深度和航程要求,分別縮短第1 階段下降過(guò)程時(shí)間和延長(zhǎng)第2 階段定深運(yùn)動(dòng)時(shí)間,以達(dá)到所需深度和航程。

此運(yùn)動(dòng)方案能夠使滑翔機(jī)快速下降到80 m 深度,且前向航程約100 m,隨后展開(kāi)定深運(yùn)動(dòng),在指定深度上進(jìn)行探測(cè)活動(dòng)。定深運(yùn)動(dòng)時(shí)設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速為n=25 r/s,根據(jù)任務(wù)要求時(shí)間,可以適當(dāng)減小螺旋槳轉(zhuǎn)速,以延長(zhǎng)探測(cè)時(shí)間。

此外,給出另一種探測(cè)方案,使滑翔機(jī)在縱垂面內(nèi)反復(fù)進(jìn)行周期性鋸齒狀運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行采樣探測(cè),具體運(yùn)動(dòng)仿真見(jiàn)圖17～圖19。

圖17 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下次中尺度反氣旋渦旋探測(cè)的縱垂面運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.17 Trajectory on vertical plane of detected sub mesoscale anticyclone vortex under the saw-tooth motion

圖18 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下次中尺度反氣旋渦旋探測(cè)的水平位移和垂直深度隨時(shí)間變化曲線Fig.18 Time-history curves of horizontal displacement and vertical depth of detected sub mesoscale anticyclone vortex under the saw-tooth motion

圖19 鋸齒狀運(yùn)動(dòng)下次中尺度反氣旋渦旋探測(cè)的俯仰角和角速度隨時(shí)間變化曲線Fig.19 Time-history curves of pitch angle and pitch angular velocity of detected sub mesoscale anticyclone vortex under the saw-tooth motion

下降時(shí)控制參數(shù)Bb=?1 N,lp=0.01 m,螺旋槳轉(zhuǎn)速n=0;上升時(shí)控制參數(shù)Bb=1 N,lp=?0.01 m,螺旋槳轉(zhuǎn)速n=0。1 個(gè)運(yùn)動(dòng)周期約1 900 s,航程約350 s。

第1 種運(yùn)動(dòng)方案僅能在渦旋最大深處附近進(jìn)行觀測(cè),對(duì)處于整個(gè)渦旋垂直深度上的信息獲取較少?？紤]到這種情況,給出如上方案以應(yīng)對(duì)不同的探測(cè)需求。在此運(yùn)動(dòng)方案下,滑翔機(jī)能夠詳盡地測(cè)量水平面至渦旋最大深處80 m 內(nèi)不同深度下的海洋信息,且滑翔機(jī)能耗達(dá)到最小。

3.2.2 較大尺度的反氣旋渦旋觀測(cè)

針對(duì)文獻(xiàn)[19]所提到的南海中尺度反氣旋渦旋觀測(cè)進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)仿真。圖20 為文獻(xiàn)[19]利用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)所合成的渦旋三維結(jié)構(gòu),最大深度約1 000 m。

圖20 南海渦旋三維結(jié)構(gòu)Fig.20 Three dimensional structure of the vortex of the South China Sea

仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程為螺旋式運(yùn)動(dòng),如圖21～圖26所示,控制參數(shù)Bb=?2 N,lp=0.02 m,螺旋槳轉(zhuǎn)速n=0,尾舵轉(zhuǎn)動(dòng)角度δv=20?,橫滾調(diào)節(jié)重塊轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ=0。

圖21 螺旋式運(yùn)動(dòng)下三維運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.21 Three dimensional trajectory under the spiral motion

圖22 螺旋式運(yùn)動(dòng)下縱垂面運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.22 Trajectory on vertical plane under the spiral motion

圖23 螺旋式運(yùn)動(dòng)下水平面運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.23 Trajectory on horizontal plane under the spiral motion

圖25 螺旋式運(yùn)動(dòng)下角度和角速度曲線隨時(shí)間變化曲線Fig.25 Time-history curves of angle and angular velocity under the spiral motion

圖26 螺旋式運(yùn)動(dòng)下攻角和漂角隨時(shí)間變化曲線Fig.26 Time-history curves of attack angle and drift angle under the spiral motion

該方案的下潛過(guò)程約68 min,垂直距離為1 000 m,在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓周運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)半徑約50 m。上述仿真僅針對(duì)下潛過(guò)程,在實(shí)際采樣任務(wù)完成后,可將運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)取反,即Bb=?2 N,lp=0.02 m,其余不變,使滑翔機(jī)回到水平面。

上述2 類(lèi)不同中尺度過(guò)程的采樣運(yùn)動(dòng)仿真基本達(dá)到了探測(cè)任務(wù)的要求范圍,驗(yàn)證了Petrel-Ⅱ?qū)Σ煌笙氯蝿?wù)的適應(yīng)情況,在今后的工作中,可能會(huì)對(duì)提出的方案作進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以Petrel-Ⅱ號(hào)水下滑翔機(jī)作為研究對(duì)象,仿真了幾類(lèi)中尺度過(guò)程的采樣探測(cè)任務(wù)。首先,簡(jiǎn)要介紹了Petrel-Ⅱ的工作原理,給出了其六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程。假設(shè)在縱垂剖面中運(yùn)動(dòng)時(shí),滑翔機(jī)側(cè)移距離、橫滾角度以及偏航角度均為零,在此條件下,分析了其簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型,并利用Simulink 仿真對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了驗(yàn)證;其次,針對(duì)日本海海洋鋒的觀測(cè)任務(wù),給出了具體的溫度鋒仿真運(yùn)動(dòng)方案;此外,針對(duì)南海的次中尺度反氣旋渦旋探測(cè),提供了2 種可行方案:一是在指定深度作定深運(yùn)動(dòng),二是在預(yù)定深度范圍內(nèi)作鋸齒狀運(yùn)動(dòng)。針對(duì)南海較大尺度的反氣旋渦旋探測(cè),提供了一種三維空間中的運(yùn)動(dòng)方案:通過(guò)改變尾舵調(diào)節(jié)系統(tǒng)繞回轉(zhuǎn)軸的角度來(lái)改變滑翔機(jī)的轉(zhuǎn)向,實(shí)現(xiàn)滑翔機(jī)在三維空間中的螺旋式運(yùn)動(dòng)。幾類(lèi)不同中尺度海洋現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)仿真探索了Petrel-Ⅱ在該類(lèi)觀測(cè)任務(wù)中的可行性,給出的運(yùn)動(dòng)方案及參數(shù)僅供參考,還需在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中予以驗(yàn)證。

水下滑翔機(jī)作為一種能耗低且效率高的自主水下無(wú)人探測(cè)設(shè)備,已逐漸成為一種觀測(cè)海洋中尺度過(guò)程的重要平臺(tái),但由于中尺度過(guò)程存在各種各樣的特征,對(duì)水下滑翔機(jī)也提出了更加豐富的要求。例如,文中提到的中尺度過(guò)程時(shí)間尺度和空間尺度都較大,對(duì)水下滑翔機(jī)的續(xù)航能力及能量?jī)?yōu)化提出了更嚴(yán)格的要求,多水下滑翔機(jī)協(xié)同作業(yè)也成為一大趨勢(shì);另外,中尺度渦旋這類(lèi)非定常的現(xiàn)象移動(dòng)速度有時(shí)會(huì)高于滑翔機(jī)的前進(jìn)速度,難以完全勝任這類(lèi)渦旋的跟蹤觀測(cè)任務(wù);如內(nèi)波、鋒面等中尺度現(xiàn)象對(duì)聲波的傳播有很大的影響,且中尺度過(guò)程存在的區(qū)域水文狀況往往異?；钴S,對(duì)采樣運(yùn)動(dòng)過(guò)程的通信也提出了進(jìn)一步要求[3,20]。

對(duì)海洋中尺度過(guò)程的探索與觀測(cè)仍在不斷發(fā)展中[21-22],新的控制策略和編隊(duì)策略不斷涌現(xiàn),未來(lái)將結(jié)合技術(shù)進(jìn)展以及實(shí)時(shí)觀測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)需求開(kāi)展下一步工作。