水下滑翔机研究进展及关键技术_程雪梅
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1 水下滑翔机驱动及运动原理
水下滑翔机以自身浮力作为航行动力 ,没有 外挂螺旋桨推进系统 ,它通过浮力调节系统动态
收稿日期 : 2009207229; 修回日期 : 2009209201. 作者简介 : 程雪梅 (1972 - ) ,女 ,博士 ,高级工程师 ,主要研究领域为无人飞行器系统总体 、控制总体 、制导以及大系统仿真 。
另一型水下滑翔机称为“温差能驱动的海洋 监测平台 ”[ 17 ] 。它利用系统浮力变化和可更换的 翼板 ,实现垂直剖面运动和水下滑翔运动 。其主 要特点是利用海水表面与水体一定深度的温度差 所产生的温差能量作为驱动能源 。与电能驱动的 水下监测平台相比 ,温差能驱动的水下监测平台 具有噪音小 、续航时间长 、成本低等优点 。
图 3 Spray Glider水下滑翔机 F ig. 3 Photo of Spray Glider
华盛顿大学研制的 Seaglider水下滑翔机 ,能 够在更广阔的海洋中航行数千公里 ,持续时间可 达 6个月 ,最大下潜深度为 1 000 m。它最长的一 次任务持续了 5 个月 ,航行 2 7Байду номын сангаас0 km。 Seaglider 已经航行通过了阿拉斯加海湾和拉布拉多海的许 多冬季风暴 ,能够有效地进行测量 ,能在目标位置 进行垂直采样 (相当于一个虚拟垂直剖面仪 ) 。 Seaglider的俯仰角度范围 10°～75°,它的 GPS卫 星天线装在尾部 1根约 1 m 的杆子上 ,在浮出水 面时 ,不需要辅助的浮力装置 ,天线就能高出水 面 ,成功地获得 GPS定位和通信 [ 14 ] 。
摘 要 : 水下滑翔机是一种无外挂推进系统 、通过内置执行机构调整重心位置和净浮力来控制其运动的新型水下航行 器 , 主要用于长时间 、大范围的海洋环境监测 。该文概述了水下滑翔机的概念 、特点和主要功能 , 介绍了水下滑翔机 的国内外研究成果及现状 , 探讨了目前发展水下滑翔机需攻克的关键技术 , 主要包括水下滑翔机重心调节机构设计 、 浮力变化量的精确控制 、水下滑翔机水动力研究以及低功耗设计 , 最后展望了水下滑翔机的未来发展趋势 。 关键词 : 水下滑翔机 ; 重心调节机构 ; 浮力变化量 ; 水动力学 ; 低功耗设计 ; 海洋环境监测 中图分类号 : TJ630; TP242 文献标识码 : A 文章编号 : 167321948 (2009) 0620001206
有作业时间长 、航行距离大 、作业费用低和对母船 的依靠性小等优点 。将水下滑翔机用于海洋环境 监测与测量 ,将有助于提高海洋环境观测的时间 和空间密度 ,提高人类监测海洋环境的能力 [ 125 ] 。 因此 ,很多国家均在水下滑翔机的研制方面投入 了大量的人力物力 。本文主要介绍水下滑翔机的 特点和关键技术 ,以及国内外的研究现状 ,并展望 了水下滑翔机的未来发展趋势 。
图 2 Slocum Electr ic Glider水下滑翔机 F ig. 2 Photo of Slocum Electr ic Glider
第 6期 程雪梅 :水下滑翔机研究进展及关键技术
美国 Scripp s Institution of Oceanography研制 的 Sp ray Glider水下滑翔机被设计用于更深的海 域 ,最大下潜深度 1 500 m。它采用细长低阻力的 流线型外壳 ,把天线内置于滑翔翼中以进一步减 小阻力 ,当滑翔机浮出水面时旋转 90°,使有天线 的一个滑翔翼垂直露出水面 ,然后就可以进行卫 星通信和 GPS定位 。在尾部的垂直尾翼上装有 备用的 A rgo天线 ,在卫星通信失败时启用 。 [ 13 ]
3 水下滑翔机国内外研究现状
图 1 水下滑翔机的运动示意图 F ig. 1 Schema tic map of AUG m otion m ode
2 水下滑翔机特点及功能
水下滑翔机是一种新概念水下航行器 ,它具 有如下显著特点 。
(1)用途广泛 。可依据具体需求进行使命重 构 ,搭载相应的任务模块 ,担负不同性质的任务 。
利用大洋主温跃层铅直方向的温度梯度来获得能 量 ,因此它的持续航行时间可以非常长 ,航程很 大 。深度范围受温度的限制 ,持续时间 5年 ,航程 可达 30 000 km。 Slocum Thermal Glider滑翔机在 外形设计上与 Slocum electric Glider相似 ,只是在 外壳上增加了用于热机工作的管子 ,使滑翔机所 受的阻力有所增加 [ 15216 ] 。
(4)机动能力强 。能长时间远距离航行 ,可 在复杂海区或浅水区自由机动 。
2
1989年 ,美国人 Henry Stomm el提出了采用 一种能够在水下作滑翔运动的浮标进行海洋环境 研究的设想 ,这就是水下滑翔机的最初构想 。之 后 ,在美国海军研究所 (Office of Naval Research, ONR)的资助下 ,美国至今已经研制出了 4种型号 的水下滑翔机 ,取得了大量的研究成果 。
图 5 Slocum Therma l Glider水下滑翔机 F ig. 5 Photo of Slocum Therma l Glide
在国内 ,虽然关于水下滑翔机研究的起步较 晚 ,但也取得了很多突破性进展 ,并研制出了多台 样机 [ 17 ] 。
文献 [ 17 ]中所提到的水下滑翔机 ,其浮力调 节机构是在保持载体总质量不变的情况下 ,采用 活塞驱动方式改变一个外接皮囊的体积 ,从而改 变载体的排水量 。重心调节机构采用了通过滚珠 丝杠来回移动重块的方法 ,实现浮心纵向和横向 的位置调节 。
D evelopm en t and Key Technolog ies of Autonom ous Underwa ter Glider
CHEN G X ue2m ei
( Institute of 365, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)
Slocum Electric Glider水下滑翔机是由美国 W ebb Research Corp 研制的一种高机动性 、适合 在浅海工作的水下滑翔机 ,如图 2所示 。它身长 1. 5 m ,直径 0. 21 m ,能在 4 ～200 m 的深度范围 内以平均 4 m / s的速度航行 30 d 以上的时间 。 天线内置于尾翼中 ,滑翔机在水面时 ,尾部气囊膨 胀 ,使天线露出水面进行通信 [ 12 ] 。
鱼 雷 技 术 第 17卷
地调节载体自身浮力 ,实现载体正浮力与负浮力 之间的状态转换 ,为载体提供上浮和下潜动力。 水下滑翔机在载体浮力以及滑翔翼的作用下 ,产 生向前的水平滑翔速度 。水下滑翔机重心调节系 统是通过调整载体内部的质量分布 ,从而改变载 体重心与浮心的相对位置 ,以产生横滚力矩和俯 仰力矩 ,实现载体回转和俯仰运动 [ 6 ] 。 在航行过程中 ,水下滑翔机通过重心调节系 统对其姿态和运动轨迹进行控制 ,实现 3D 空间 内的螺旋运动和垂直剖面内的锯齿形运动 ,如图 1所示 。定常滑翔运动和空间定常回转运动是水 下滑翔机作业过程中主要的运动形式 。在水下滑 翔机上浮下潜的过程中 ,只在其锯齿形航迹的最 高点和最低点调节重力和浮力的关系 ,中间航程 完全实现了无动力调节 ;定常回转运动中 ,保持重 心的侧向偏移量不变 ,中间过程无需调节 。因此 , 针对深海大范围的探测 ,水下滑翔机较其他形式 的水下航行器具有较大的能源优势 [ 7 ] 。
(5)效费比值高 。与普通水下航行器相比 , 水下滑翔机造价相对便宜 ,且能够重复使用 [ 829 ] 。
水下滑翔机主要功能包括 3种 。 (1)海上侦察 。水下滑翔机通过平台布放 , 在指定区域内巡航 ,能够及时把搜集到的信息传 回平台 ,或者返回后进行下载 。 (2) 水下搜索和测量 。提供实时的水下数 据 ,例如对海水温度 、盐度和密度的空间分布规律 进行信息化 ,为人类提供科学 、可靠的数据 ,提高 气候预报的精度 ,有效防御严重的气候灾害给人 类造成的威胁 。 (3) 作为网络中心战节点辅助通信 /导航 。 作为海洋网络中心节点 ,水下滑翔机可以捕获 、处 理和格式化测量数据 ,并将其通过双向光纤通信 数据链传给母船 ,或通过标准的通信链将它们传 送到其他个体 ,从而在水雷对抗 、反潜战中担负情 报收集 、侦察和监视的任务 [ 10211 ] 。
0 引言
水下滑翔机 (Autonomous underwater glider, AU G)是为了满足当前海洋环境监测与测量的需 要 ,将浮标技术与水下机器人技术相结合而研制 的一种新型水下航行器 。它不仅可以沿垂直剖面 进行监测作业 ,还可以在水平剖面进行大范围的 海洋环境测量与监测 ,由于配备了 GPS导航定位 系统 ,它还具有实时数据传输与指令接收能力。 与当前被广泛用于海洋环境监测与测量的浮标技 术相比 ,水下滑翔机具有优越的机动性 、可控性和 实时性 。与传统水下航行器相比 ,水下滑翔机具
Abstract: Autonomous underwater glider (AUG) is a new autonomous underwater vehicle (AUV ) w ithout external active p ro2 pulsion. It relies on internal actuator to adjust the gravity center and the net buoyancy for motion control, and can be used to mo2 nitor large area ocean environment for a long time. In this paper, the concep t, characteristics and main function of AUG are briefly introduced. The current researches of AUG both at home and abroad are summarized. Some key technologies in AUG de2 sign are discussed, including design of gravity center adjusting mechanism , accurate control of buoyancy variation, hydrodynam2 ics, and low power consump tion design. In addition, the developmental trend of AUG is forecasted. Key words: autonomous underwater glider (AUG) ; gravity center adjusting mechanism; buoyancy variation; hydrodynam ics; low power consump tion design; ocean environment monitoring
(2)智能程度高 。采用最新人工智能技术 , 可自主进行航路规划 、障碍物规避 、目标运动要素 解算及战术机动等 ,因而可以按照预先设定程序 进行自主管理 ,能够在远离母船的更宽广海域进 行巡航 ,极大提高了海底情况预警能力 。
(3)隐身性能好 。水下滑翔机采用新材料 、 新技术 ,体积小 、噪音小 ,难于被探测 。
第 17卷第 6期 2009年 12月
鱼 雷 TOR PEDO
技 术 Vol. 17 No. 6
TECHNOLO GY
Dec. 2009
水下滑翔机研究进展及关键技术
程雪梅
(西北工业大学 第 365研究所 , 陕西 西安 , 710072)
水下滑翔机以自身浮力作为航行动力 ,没有 外挂螺旋桨推进系统 ,它通过浮力调节系统动态
收稿日期 : 2009207229; 修回日期 : 2009209201. 作者简介 : 程雪梅 (1972 - ) ,女 ,博士 ,高级工程师 ,主要研究领域为无人飞行器系统总体 、控制总体 、制导以及大系统仿真 。
另一型水下滑翔机称为“温差能驱动的海洋 监测平台 ”[ 17 ] 。它利用系统浮力变化和可更换的 翼板 ,实现垂直剖面运动和水下滑翔运动 。其主 要特点是利用海水表面与水体一定深度的温度差 所产生的温差能量作为驱动能源 。与电能驱动的 水下监测平台相比 ,温差能驱动的水下监测平台 具有噪音小 、续航时间长 、成本低等优点 。
图 3 Spray Glider水下滑翔机 F ig. 3 Photo of Spray Glider
华盛顿大学研制的 Seaglider水下滑翔机 ,能 够在更广阔的海洋中航行数千公里 ,持续时间可 达 6个月 ,最大下潜深度为 1 000 m。它最长的一 次任务持续了 5 个月 ,航行 2 7Байду номын сангаас0 km。 Seaglider 已经航行通过了阿拉斯加海湾和拉布拉多海的许 多冬季风暴 ,能够有效地进行测量 ,能在目标位置 进行垂直采样 (相当于一个虚拟垂直剖面仪 ) 。 Seaglider的俯仰角度范围 10°～75°,它的 GPS卫 星天线装在尾部 1根约 1 m 的杆子上 ,在浮出水 面时 ,不需要辅助的浮力装置 ,天线就能高出水 面 ,成功地获得 GPS定位和通信 [ 14 ] 。
摘 要 : 水下滑翔机是一种无外挂推进系统 、通过内置执行机构调整重心位置和净浮力来控制其运动的新型水下航行 器 , 主要用于长时间 、大范围的海洋环境监测 。该文概述了水下滑翔机的概念 、特点和主要功能 , 介绍了水下滑翔机 的国内外研究成果及现状 , 探讨了目前发展水下滑翔机需攻克的关键技术 , 主要包括水下滑翔机重心调节机构设计 、 浮力变化量的精确控制 、水下滑翔机水动力研究以及低功耗设计 , 最后展望了水下滑翔机的未来发展趋势 。 关键词 : 水下滑翔机 ; 重心调节机构 ; 浮力变化量 ; 水动力学 ; 低功耗设计 ; 海洋环境监测 中图分类号 : TJ630; TP242 文献标识码 : A 文章编号 : 167321948 (2009) 0620001206
有作业时间长 、航行距离大 、作业费用低和对母船 的依靠性小等优点 。将水下滑翔机用于海洋环境 监测与测量 ,将有助于提高海洋环境观测的时间 和空间密度 ,提高人类监测海洋环境的能力 [ 125 ] 。 因此 ,很多国家均在水下滑翔机的研制方面投入 了大量的人力物力 。本文主要介绍水下滑翔机的 特点和关键技术 ,以及国内外的研究现状 ,并展望 了水下滑翔机的未来发展趋势 。
图 2 Slocum Electr ic Glider水下滑翔机 F ig. 2 Photo of Slocum Electr ic Glider
第 6期 程雪梅 :水下滑翔机研究进展及关键技术
美国 Scripp s Institution of Oceanography研制 的 Sp ray Glider水下滑翔机被设计用于更深的海 域 ,最大下潜深度 1 500 m。它采用细长低阻力的 流线型外壳 ,把天线内置于滑翔翼中以进一步减 小阻力 ,当滑翔机浮出水面时旋转 90°,使有天线 的一个滑翔翼垂直露出水面 ,然后就可以进行卫 星通信和 GPS定位 。在尾部的垂直尾翼上装有 备用的 A rgo天线 ,在卫星通信失败时启用 。 [ 13 ]
3 水下滑翔机国内外研究现状
图 1 水下滑翔机的运动示意图 F ig. 1 Schema tic map of AUG m otion m ode
2 水下滑翔机特点及功能
水下滑翔机是一种新概念水下航行器 ,它具 有如下显著特点 。
(1)用途广泛 。可依据具体需求进行使命重 构 ,搭载相应的任务模块 ,担负不同性质的任务 。
利用大洋主温跃层铅直方向的温度梯度来获得能 量 ,因此它的持续航行时间可以非常长 ,航程很 大 。深度范围受温度的限制 ,持续时间 5年 ,航程 可达 30 000 km。 Slocum Thermal Glider滑翔机在 外形设计上与 Slocum electric Glider相似 ,只是在 外壳上增加了用于热机工作的管子 ,使滑翔机所 受的阻力有所增加 [ 15216 ] 。
(4)机动能力强 。能长时间远距离航行 ,可 在复杂海区或浅水区自由机动 。
2
1989年 ,美国人 Henry Stomm el提出了采用 一种能够在水下作滑翔运动的浮标进行海洋环境 研究的设想 ,这就是水下滑翔机的最初构想 。之 后 ,在美国海军研究所 (Office of Naval Research, ONR)的资助下 ,美国至今已经研制出了 4种型号 的水下滑翔机 ,取得了大量的研究成果 。
图 5 Slocum Therma l Glider水下滑翔机 F ig. 5 Photo of Slocum Therma l Glide
在国内 ,虽然关于水下滑翔机研究的起步较 晚 ,但也取得了很多突破性进展 ,并研制出了多台 样机 [ 17 ] 。
文献 [ 17 ]中所提到的水下滑翔机 ,其浮力调 节机构是在保持载体总质量不变的情况下 ,采用 活塞驱动方式改变一个外接皮囊的体积 ,从而改 变载体的排水量 。重心调节机构采用了通过滚珠 丝杠来回移动重块的方法 ,实现浮心纵向和横向 的位置调节 。
D evelopm en t and Key Technolog ies of Autonom ous Underwa ter Glider
CHEN G X ue2m ei
( Institute of 365, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)
Slocum Electric Glider水下滑翔机是由美国 W ebb Research Corp 研制的一种高机动性 、适合 在浅海工作的水下滑翔机 ,如图 2所示 。它身长 1. 5 m ,直径 0. 21 m ,能在 4 ～200 m 的深度范围 内以平均 4 m / s的速度航行 30 d 以上的时间 。 天线内置于尾翼中 ,滑翔机在水面时 ,尾部气囊膨 胀 ,使天线露出水面进行通信 [ 12 ] 。
鱼 雷 技 术 第 17卷
地调节载体自身浮力 ,实现载体正浮力与负浮力 之间的状态转换 ,为载体提供上浮和下潜动力。 水下滑翔机在载体浮力以及滑翔翼的作用下 ,产 生向前的水平滑翔速度 。水下滑翔机重心调节系 统是通过调整载体内部的质量分布 ,从而改变载 体重心与浮心的相对位置 ,以产生横滚力矩和俯 仰力矩 ,实现载体回转和俯仰运动 [ 6 ] 。 在航行过程中 ,水下滑翔机通过重心调节系 统对其姿态和运动轨迹进行控制 ,实现 3D 空间 内的螺旋运动和垂直剖面内的锯齿形运动 ,如图 1所示 。定常滑翔运动和空间定常回转运动是水 下滑翔机作业过程中主要的运动形式 。在水下滑 翔机上浮下潜的过程中 ,只在其锯齿形航迹的最 高点和最低点调节重力和浮力的关系 ,中间航程 完全实现了无动力调节 ;定常回转运动中 ,保持重 心的侧向偏移量不变 ,中间过程无需调节 。因此 , 针对深海大范围的探测 ,水下滑翔机较其他形式 的水下航行器具有较大的能源优势 [ 7 ] 。
(5)效费比值高 。与普通水下航行器相比 , 水下滑翔机造价相对便宜 ,且能够重复使用 [ 829 ] 。
水下滑翔机主要功能包括 3种 。 (1)海上侦察 。水下滑翔机通过平台布放 , 在指定区域内巡航 ,能够及时把搜集到的信息传 回平台 ,或者返回后进行下载 。 (2) 水下搜索和测量 。提供实时的水下数 据 ,例如对海水温度 、盐度和密度的空间分布规律 进行信息化 ,为人类提供科学 、可靠的数据 ,提高 气候预报的精度 ,有效防御严重的气候灾害给人 类造成的威胁 。 (3) 作为网络中心战节点辅助通信 /导航 。 作为海洋网络中心节点 ,水下滑翔机可以捕获 、处 理和格式化测量数据 ,并将其通过双向光纤通信 数据链传给母船 ,或通过标准的通信链将它们传 送到其他个体 ,从而在水雷对抗 、反潜战中担负情 报收集 、侦察和监视的任务 [ 10211 ] 。
0 引言
水下滑翔机 (Autonomous underwater glider, AU G)是为了满足当前海洋环境监测与测量的需 要 ,将浮标技术与水下机器人技术相结合而研制 的一种新型水下航行器 。它不仅可以沿垂直剖面 进行监测作业 ,还可以在水平剖面进行大范围的 海洋环境测量与监测 ,由于配备了 GPS导航定位 系统 ,它还具有实时数据传输与指令接收能力。 与当前被广泛用于海洋环境监测与测量的浮标技 术相比 ,水下滑翔机具有优越的机动性 、可控性和 实时性 。与传统水下航行器相比 ,水下滑翔机具
Abstract: Autonomous underwater glider (AUG) is a new autonomous underwater vehicle (AUV ) w ithout external active p ro2 pulsion. It relies on internal actuator to adjust the gravity center and the net buoyancy for motion control, and can be used to mo2 nitor large area ocean environment for a long time. In this paper, the concep t, characteristics and main function of AUG are briefly introduced. The current researches of AUG both at home and abroad are summarized. Some key technologies in AUG de2 sign are discussed, including design of gravity center adjusting mechanism , accurate control of buoyancy variation, hydrodynam2 ics, and low power consump tion design. In addition, the developmental trend of AUG is forecasted. Key words: autonomous underwater glider (AUG) ; gravity center adjusting mechanism; buoyancy variation; hydrodynam ics; low power consump tion design; ocean environment monitoring
(2)智能程度高 。采用最新人工智能技术 , 可自主进行航路规划 、障碍物规避 、目标运动要素 解算及战术机动等 ,因而可以按照预先设定程序 进行自主管理 ,能够在远离母船的更宽广海域进 行巡航 ,极大提高了海底情况预警能力 。
(3)隐身性能好 。水下滑翔机采用新材料 、 新技术 ,体积小 、噪音小 ,难于被探测 。
第 17卷第 6期 2009年 12月
鱼 雷 TOR PEDO
技 术 Vol. 17 No. 6
TECHNOLO GY
Dec. 2009
水下滑翔机研究进展及关键技术
程雪梅
(西北工业大学 第 365研究所 , 陕西 西安 , 710072)