韓 濤，楊 翊，王全山，胡志強(qiáng)，李艷杰

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.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；3.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) 110169)

0 引 言

隨著海洋技術(shù)與裝備水平的突飛猛進(jìn)，以自主水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）為代表的新型海洋無(wú)人智能裝備在海洋科考和勘探領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。其中，重量在10 kg 以下的微型自主水下機(jī)器人是一種在近幾年新出現(xiàn)的自主水下機(jī)器人產(chǎn)品。因其耐壓艙內(nèi)部空間有限、搭載的電池能量密度有限等原因，微型AUV 的水下航程一般較短。對(duì)于微型AUV 這一瓶頸問(wèn)題，可采用減少天線等突出物方法，以降低微型AUV 的水下航行阻力，提高其續(xù)航能力[2]。通過(guò)這一方法還可減少天線導(dǎo)致的AUV 尾部流場(chǎng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，從而降低AUV 的航行噪聲，提高推進(jìn)器工作效率[3]。

針對(duì)以上問(wèn)題，嚴(yán)天宏等[4]基于曲柄搖桿和雙搖桿機(jī)構(gòu)提出了2 種天線折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)天線部件的升起與折疊。鄭志航等[2]基于絲桿-滑軌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種天線折疊機(jī)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)天線的升起與折疊。宮穎博等[5]基于齒輪-齒條機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種天線升降機(jī)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)天線的升起與縮回。以上3 種方案的機(jī)構(gòu)在處于折疊或縮回狀態(tài)時(shí)，天線完全處于艙段內(nèi)部，消除了天線部件的水下航行阻力。但以上方案應(yīng)用在微型AUV 上存在以下問(wèn)題：1）天線部件尺寸受到微型AUV 的艙段長(zhǎng)度或直徑的限制，導(dǎo)致天線升起后的高度有限，進(jìn)而影響AUV 的通信與定位質(zhì)量；2）對(duì)耐壓艙段內(nèi)部空間占用過(guò)大，應(yīng)用在微型AUV 上會(huì)嚴(yán)重降低內(nèi)部空間的利用率；3）相關(guān)機(jī)構(gòu)質(zhì)量均集中在艙段上部，對(duì)微型AUV 的衡重設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響[6]。

可見(jiàn)，對(duì)于微型AUV 來(lái)說(shuō)，一方面常規(guī)設(shè)計(jì)類(lèi)型的天線部件對(duì)其航行阻力及運(yùn)動(dòng)操縱性影響尤為明顯，另一方面微型AUV 的外形尺寸限制導(dǎo)致了已有折疊天線的技術(shù)方案均不適用。因此本文提出一種可適用于微型AUV 的折疊天線技術(shù)方案，該方案在保證水面航行通信及定位質(zhì)量同時(shí)，可有效減少AUV 的水下航行阻力。

1 天線外形設(shè)計(jì)與分析

1.1 外形設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的折疊天線將安裝在直徑為76.2 mm、長(zhǎng)度為932 mm 的微型AUV 載體上。為滿足微型AUV 的水面衛(wèi)星定位、近距離高速數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)距離無(wú)線通信功能，選用如圖1 所示的GPS、WiFi 和無(wú)線電天線產(chǎn)品，并將其集成到折疊天線的天線部件中。其中GPS 天線的尺寸為10 mm×10 mm×6.5 mm；WiFi 貼片式天線的尺寸為43 mm×4 mm；無(wú)線電天線尺寸為Φ5 mm×45 mm。

圖1 GPS、WiFi 和無(wú)線電天線實(shí)物圖Fig.1 GPS, WiFi and radio antennas

集成了GPS、WiFi 和無(wú)線電天線的折疊天線部件如圖2 所示，其尺寸為122 mm×13.9 mm×14.39 mm。搭載該天線部件的微型AUV 如圖3 所示。

圖2 天線部件Fig.2 The antenna

圖3 微型AUV 模型圖Fig.3 The micro AUV models

1.2 航行阻力分析

計(jì)算圖3 所示的2 個(gè)微型AUV 模型在0.5～3.5 m/s航速下的水下航行阻力，驗(yàn)證天線部件處于折疊狀態(tài)時(shí)的減阻效果。

以模型1 為例，在SolidWorks 中獲取截面尺寸如圖4（a）所示的長(zhǎng)方體計(jì)算域。為盡可能減小計(jì)算域邊界對(duì)流體的影響，設(shè)AUV 總長(zhǎng)為L(zhǎng)，計(jì)算域入口邊界距AUV 首部距離L，出口邊界距AUV 尾部距離2L，四周邊界距AUV 距離L；邊界類(lèi)型設(shè)置如圖4（b）所示。入口邊界設(shè)定為速度入口（velocity inlet），出口邊界及四周邊界皆設(shè)置為壓力出口(pressure outlet)，壓力值為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖4 計(jì)算域尺寸與邊界類(lèi)型設(shè)置Fig.4 Computational domain size and boundary type settings

將計(jì)算域模型導(dǎo)入到STAR-CCM+中進(jìn)行計(jì)算，使用多面體網(wǎng)格生成器[7]對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格離散。之后進(jìn)行網(wǎng)格控制，如局部網(wǎng)格加密，調(diào)節(jié)棱柱層數(shù)、總厚度和生成速率等。生成的網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)約為316萬(wàn)，網(wǎng)絡(luò)生成示意圖如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格生成示意圖Fig.5 Schematic diagram of grid generation

圖6 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與CFD 計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 Comparison of empirical formula calculation and CFD calculation results

湍流模型選擇剪切應(yīng)力傳輸K-Omega，簡(jiǎn)稱(chēng)SSTK-Omega 模型[8]，該模型可較好預(yù)測(cè)近壁面區(qū)域和遠(yuǎn)場(chǎng)的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。阻力計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 模型1 航行阻力數(shù)據(jù)Tab.1 Navigation resistance data of models one

為驗(yàn)證該仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，使用經(jīng)驗(yàn)公式[9]計(jì)算模型1 的航行阻力：

可看出，使用STAR-CCM+計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果幾乎一致，2 組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.95，故可認(rèn)為上述仿真是準(zhǔn)確的。使用相同方法計(jì)算模型2 的航行阻力，結(jié)果如表2 所示。圖7 與圖8 分別為模型1和模型2 航速為0.5 m/s 時(shí)的壓力云圖和速度云圖。

表2 不同模型航行阻力數(shù)據(jù)Tab.2 Navigation resistance data of different models

圖7 2 個(gè)模型的壓力云圖Fig.7 Pressure contours of the two models

圖8 2 個(gè)模型的速度云圖Fig.8 Velocity contours of the two models

通過(guò)分析表2 數(shù)據(jù)與圖7 所示的壓力云圖，可知微型AUV 在水下航行時(shí)，天線處于折疊狀態(tài)相比于天線處于直立狀態(tài)航行阻力更小，前者相對(duì)后者最高可減少50.40%、最低可減少34.26%、平均可減少40.19% 的航行阻力。此外，通過(guò)分析速度云圖可看出，天線處于折疊狀態(tài)下天線部件對(duì)微型AUV 周邊流場(chǎng)影響更小。

2 折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照天線升起與折疊狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)位置使用解析法設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)[10]，以實(shí)現(xiàn)天線的折疊與升起。

圖9 為鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)示意圖。圖中，兩連架桿對(duì) 應(yīng)角位置 為 ?0、 ψ0、 ? 、 ψ ，其中 ?0、 ψ0記為兩連架桿的初始角位置。各桿的長(zhǎng)度分別為a、b、c、d，由圖可得兩連架桿對(duì)應(yīng)角位置關(guān)系式：

圖9 鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of hinge four-bar linkage

如圖10 所示，取AB桿與水平軸夾角為0°、45°和90°，分別對(duì)應(yīng)天線的折疊狀態(tài)、中間狀態(tài)和豎起狀態(tài)，3 種狀態(tài)下的兩連架桿角位置依次記為（ ?1， ψ1）、（ ?2， ψ2） 和（ ?3， ψ3），代入到式（2）中，可得方程組：

圖10 AB 桿3 種不同角度狀態(tài)下連桿示意圖Fig.10 Schematic diagram of connecting rod under three different angles of AB rod

圖11 折疊機(jī)構(gòu)模型圖Fig.11 Model diagram of the folding mechanism

綜合考慮微型AUV 外形尺寸、零部件的安裝方式和折疊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)因素，機(jī)架OA、OD0和D0D長(zhǎng)度分別設(shè)為14 mm、40 mm 和6.65 mm，3 組連架桿角位置（ ?1， ψ1） 、（ ?2， ψ2） 和（ ?3， ψ3）的值分別為（8.69°，185.2°）。（53.69°，170.65°）和（98.69°，145.07°）。此時(shí)可知AD桿長(zhǎng)40.67 mm，角位置 ?0和 ψ0值皆為0°。將上述各值代入到式（2）中，解方程組可得：

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真

折疊天線機(jī)構(gòu)使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于艙段耐壓艙內(nèi)部，與折疊機(jī)構(gòu)通過(guò)一組錐齒輪嚙合傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用一組齒數(shù)比為1∶2 的直齒輪實(shí)現(xiàn)減速增矩，且通過(guò)在傳動(dòng)軸上布置2 個(gè)封閉圈實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸的動(dòng)密封，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖12 所示。

圖12 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Drive mechanism diagram

如圖13 所示，將天線部件安裝到天線支架上后，使用SolidWorks 三維建模軟件在各零部件間添加配合關(guān)系，運(yùn)行Motion 組件進(jìn)行初步運(yùn)動(dòng)仿真，完成一個(gè)仿真流程后選擇將模型輸出到Adams 仿真軟件，在Adams 中進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真。

圖13 折疊天線機(jī)構(gòu)模型圖Fig.13 Model diagram of folded antenna mechanism

首先對(duì)主動(dòng)件即舵機(jī)所連小齒輪添加旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動(dòng)來(lái)模擬舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度設(shè)定為200°/s。其次根據(jù)在樣機(jī)中擬使用的材料對(duì)各零件設(shè)置材料密度。最后對(duì)相互接觸的零部件根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，添加摩擦系數(shù)：靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。前置條件設(shè)定完成之后運(yùn)行仿真，提取舵機(jī)輸出扭矩曲線和天線升起時(shí)的角速度幅值曲線，其結(jié)果如圖14所示。

圖14 舵機(jī)輸出扭矩曲線和天線角速度幅值曲線Fig.14 Servo output torque curve and antenna angular velocity amplitude curve

可知，天線升起過(guò)程中所需舵機(jī)最大輸出扭矩為0.05 N·m，小于微型水下機(jī)器人所選舵機(jī)（KSTX08H）在200°/s 下的額定扭矩（0.14 N·m），可知舵機(jī)滿足使用要求。天線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍為0°～90°，符合設(shè)計(jì)要求，能夠覆蓋從水平折疊到豎直升起的整個(gè)微型AUV 所需要的運(yùn)動(dòng)范圍。從天線升起時(shí)的角速度幅值曲線可以看出，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行0.11 s 天線升起到38.5°時(shí)天線角速度達(dá)到最大值約400°/s，之后天線繼續(xù)升起角速度緩慢減低，直到天線完全升起同時(shí)角速度降為0°/s，整個(gè)過(guò)程用時(shí)約0.5 s。該過(guò)程角速度過(guò)渡比較平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造成沖擊，能實(shí)現(xiàn)折疊天線機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 折疊機(jī)構(gòu)功能測(cè)試

為驗(yàn)證折疊天線機(jī)構(gòu)是否可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在原理樣機(jī)上進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)升起與折疊測(cè)試。完成樣機(jī)的各零部件裝配后控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖15 所示，折疊天線機(jī)構(gòu)可正常運(yùn)行，其中升起用時(shí)不到1 s，與仿真結(jié)果相近，但最大升起角度僅有75°。通過(guò)觀察得知，導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因在于WIFI、無(wú)線電和GPS 天線灌封安裝到天線支架上后，天線與耐壓艙內(nèi)部通信設(shè)備相連接的線纜彈性較強(qiáng)，給天線升起帶來(lái)了額外的阻力距，導(dǎo)致天線無(wú)法升起至預(yù)定角度。經(jīng)后續(xù)測(cè)試天線最大升起角度為75°不影響微型AUV 的水面航行通信功能，后續(xù)考慮通過(guò)使用線材較軟的天線導(dǎo)線來(lái)解決這一問(wèn)題。

圖15 折疊天線升降試驗(yàn)Fig.15 The folding antenna lift test

3.2 湖上試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該折疊天線機(jī)構(gòu)中WIFI、無(wú)線電和GPS等天線接收信號(hào)的穩(wěn)定性，使用如圖16 所示的微型AUV 原理樣機(jī)開(kāi)展水面航行和水下航行相關(guān)試驗(yàn)。

圖16 微型AUV 原理樣機(jī)Fig.16 Micro AUV prototype

水面航行狀態(tài)下，通過(guò)控制折疊機(jī)構(gòu)保持天線處于升起狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，WIFI 與無(wú)線電信號(hào)良好，滿足水面數(shù)據(jù)傳輸要求。GPS 在水面航行過(guò)程中可穩(wěn)定獲取衛(wèi)星定位信號(hào)，通過(guò)獲取GPS 定位數(shù)據(jù)得到的微型AUV 水面航行軌跡如圖17 所示。

圖17 AUV 航行軌跡Fig.17 AUV navigation track

水下定深和定向航行狀態(tài)下，使天線處于折疊狀態(tài)，將目標(biāo)航向角設(shè)定為325°，目標(biāo)深度設(shè)為2 m，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖18 所示。從圖18（a）看出，天線機(jī)構(gòu)折疊狀態(tài)下微型AUV 可在水下航行時(shí)保持較好航向，航向穩(wěn)定后其誤差不大于±2°。從圖18（b）可知，微型AUV 具備定深的調(diào)節(jié)能力，定深航行誤差不大于±0.5 m，后續(xù)可繼續(xù)優(yōu)化相關(guān)控制參數(shù)，以進(jìn)一步提高微型AUV 的水下自主航行能力。

圖18 AUV 定深定向試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 The results of the AUV fixed depth and orientation test

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一型用于微型自主水下機(jī)器人的折疊天線機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，天線部件尺寸不受限于天線艙段直徑或長(zhǎng)度，彌補(bǔ)了現(xiàn)有升降、折疊天線機(jī)構(gòu)不適用于微型AUV 的不足。通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可靠性，具體結(jié)論如下：

1）設(shè)計(jì)的折疊天線具有水面衛(wèi)星定位、近距離高速數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)距離無(wú)線通信功能。

2）通過(guò)C F D 仿真計(jì)算了不同航速下的微型AUV 航行阻力，結(jié)果表明天線處于折疊狀態(tài)相比于天線處于直立狀態(tài)可減少不少于34.26%的航行阻力。

3）通過(guò)對(duì)折疊天線機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真，天線部件運(yùn)動(dòng)范圍為0°～90°，滿足了微型AUV的使用需求；舵機(jī)最大輸出扭矩為0.05 N·m，小于所選舵機(jī)的額定扭矩。

4）通過(guò)在原理樣機(jī)上試驗(yàn)，驗(yàn)證了折疊機(jī)構(gòu)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)；通過(guò)湖上試驗(yàn)，一方面驗(yàn)證了天線處于升起狀態(tài)時(shí)接收WiFi、無(wú)線電和GPS 信號(hào)的穩(wěn)定性，另一方面驗(yàn)證了天線處于折疊狀態(tài)時(shí)，微型AUV 的水下定向、定深航行功能。

在后續(xù)的研究中，一方面需對(duì)折疊天線的天線外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步減少微型AUV 的航行阻力；另一方面要加工鋁合金殼體的微型AUV 樣機(jī)，提高微型AUV 的耐壓能力和水下航行功能的可靠性。