0 引　言

在海洋观测、开发中广泛应用的潜水器主要有自主式潜水器（AUV）^[1]、水下滑翔机（AUG）^[2]、无人遥控潜水器（ROV）^[3]和载人潜水器^[4]等。这些潜水器主要通过搭载不同的传感器或作业工具完成诸如海洋考察、水下监测、海底管道检查、水下考古和水下搜救等工作。

目前各国制造的潜水器在水中多为较小的正浮力状态或零浮力状态。因此，潜水器对目标工作水域的密度变化较为敏感，尤其是当潜水器在海上工作时，海水的密度在不同的海域、水深、气象状况等环境条件下呈现出相当大的变化，从而导致潜水器的浮力、浮心等也出现较大的改变，进而影响潜水器工作性能，使其无法完成既定的任务，甚至威胁到潜水器的安全^[5-6]。针对潜水器对目标工作水域的密度变化较为敏感的设计，通常采取提前测量或估计目标工作水域的密度，在实验室水池中进行潜水器的配平，而后当潜水器到达目标工作水域时，需要再次对目标工作水域的密度进行测量，当潜水器在实验室水池配平时的密度与该水域的密度一致时，潜水器就可以正常下水工作，一旦发生变化，就需要对潜水器进行重新配平。然而在海上对潜水器进行配平、调试十分不便且费时，尤其是当潜水器的目标工作水域在极地海域时，由于自然环境的恶劣，调整潜水器的配平往往更加困难。因此，潜水器在不同海域的自适应能力较弱，应用也受到相当大的限制。

当前国内外为了达到特定的设计目标已经出现了一些基于机翼升力型的潜水器，如水下滑翔机、水下飞行器、HTW AUV等^[7]，不过这些潜水器依然存在不同海域的自适应能力较弱或安全性相对较差等问题。本文提出一种新型正浮力自主航行器，通过其机翼产生负升力来克服自身正浮力，并结合其动力学控制面实现在水下运动。因此该航行器不需要携带大量的浮力调节装置，节省的空间可以携带更多的能源或负载，提升了航行器的续航能力和负载能力，并且使其具有较强的海域环境自适应能力和较高的安全性等。此外，该正浮力自主航行器具有水面航行和水下潜航2种工作模式，可以执行海洋观测、海上中继通信、水下环境快速评估、水下搜救等任务，具有广阔的应用前景。

1 航行器设计 1.1 原理样机设计概述

正浮力自主航行器原理样机示意图如图1所示。其长0.8 m，翼展0.3 m，重约5 kg，采用流线型外形和平板机翼，最大下潜深度约30 m，试验时可由一个人从岸边或小艇上完成对正浮力自主航行器的释放，使用非常方便。

正浮力自主航行器融合了传统AUV、固定翼无人机、水面无人艇等多种航行器的特点，具备水面航行和水下潜航2种工作模式，如图2所示。在水面航行模式下，可以像无人水面艇一样执行诸如海域巡逻侦察、海上中继通信、海洋环境调查、污染水域监测等任务。在水下潜航模式下，由于其具有较强的海域环境自适应能力、较高的安全性、机动性好、航速较高等特性，使用前无需进行复杂的配平、调试，非常适合执行一些耗时相对较短的任务如水下环境的快速评估、水下搜救等任务。

1.2 工作原理

正浮力自主航行器通过其机翼在航行中产生的负升力来克服自身正浮力，并结合其动力学控制面实现在水下运动。在水面航行时两侧的副翼微微同步上抬一定角度，确保航行器始终处于水面航行状态。当航行器在水下潜航时两侧副翼同步向下呈一定角度，副翼会产生向上的升力L₂，主翼会产生向下的负升力L₁，这两个力与航行器的重力G，浮力B，推力T和阻力D相互平衡，航行器的受力状况如图3所示。若以航行器浮心为力矩平衡中心，则航行器在水下潜航时力与力矩的平衡公式为：

$ {{L_1 + L_2 + G + B + T + D = 0}}{\text{，}} $

(1)

$ {{ML_1 + ML_2 + M_G + M_T + M_D = 0}}{\text{。}} $

(2)

其中：ML₁为主翼升力产生的力矩；ML₂为副翼升力产生的力矩；M_G为航行器重力产生的力矩；M_T为航行器推力产生的力矩；M_D为航行器阻力产生的力矩。

1.3 外形结构设计

正浮力自主航行器外形设计分为前后导流罩设计、耐压密封舱结构设计、内部安装支架结构设计、机翼结构设计、推进系统设计等。前导流罩采用半圆形球体设计，后导流罩采用半椭球体设计，然后再对后导流罩做变形处理，以减少对推进器来流的影响，前后导流罩的设计使航行器整体呈流线型外形，大大减少了航行器的阻力。耐压密封舱为圆柱壳体，两端安装端盖，且端盖上使用两道O型圈进行密封处理，经测试密封效果良好。航行器的机翼可以为航行器提供相应的水动力，选用碳纤维材质的平板机翼作为航行器原理样机的机翼，并对主翼前半部分做倒角处理。将防水舵机安装在主翼上，通过舵机拉杆与副翼相连，从而控制航行器副翼的转动。导管推进器的安装稍稍往下，保证航行器在水面航行时，导管推进器没于水面以下，以降低对导管推进器推进效率的影响。

航行器载体结构如图4所示。

正浮力自主航行器的主控板、姿态传感器、无线模块、电调和电池等安装在密封舱内部的安装支架上，如图5所示。

1.4 器件选型

表1 为正浮力自主航行器的器件选型表。

1.5 控制系统开发

正浮力自主航行器控制系统的硬件结构，由可在正浮力自主航行器载体上搭载的部分和岸上遥控部分组成，如图6所示。可搭载在航行器载体上的部分包括深度传感器、姿态传感器、无线接收模块、舵机、电调和控制板等。其中控制板以STM32F427作为主控芯片，包含RS232串口通信模块、电源转换模块、PWM电机驱动模块和SD卡存储模块等，可以进行深度传感器、姿态传感器的数据采集，无线接收模块的数据处理，航行器的运动控制等，并且具备接入GPS模块、数传模块和各种科学传感器的扩展能力，方便正浮力自主航行器的后续开发。岸上遥控部分是指一个具有433 MHz无线数据通信能力的遥控器，该遥控器开放源代码可以使用Arduino软件修改各个按键对应的编码，从而提高开发效率，通过它可以手动遥控航行器运动和向航行器下达自主控制命令等。

自主航行器主控系统软件基于Keil uVision5和STM32CubeMX软件进行开发，使用STM32CubeMX软件的图形界面进行简单配置就可以生成航行器主控系统软件的初始化代码，极大提高了航行器主控软件的开发进度，具体的航行器主控系统软件控制流程如图7所示。

主控系统软件首先进行系统的初始化，然后进行深度传感器和姿态传感器的数据读取，接着接收遥控器发过来的控制指令，判断航行器是否处于自主模式，如果判断处于自主模式，就按照航行器的预编程命令进行航行器的自主控制；如果是手动模式控制，就等待遥控器的运动控制指令，然后执行相应的动作。最后将采集到的深度传感器、姿态传感器和调试数据记录到主控板的SD卡中进行存储。

航行器在实际应用中需要面对水下复杂而危险的环境，因此航行器主控软件必须具备足够的健壮性与可靠性。在航行器主控软件中使用软件看门狗，当软件系统发生故障，导致航行器不能正常工作时，软件看门狗程序就会重新启动航行器主控系统软件，以避免造成更大的损失。航行器处于自主控制模式时，须设定航行器最大下潜时间，当航行器下潜超过最大下潜时间而未正常上浮时，主控系统软件会执行紧急上浮指令，以此来保障航行器的安全。此外，还会在航行器中加入漏水检测模块、电池电压检测模块等来进一步保障正浮力自主航行器的安全。

2 运动轨迹和性能测试 2.1 水池试验

正浮力自主航行器原理样机的水池试验在一个长25 m，宽15 m，最大深度10 m的水池中进行，以验证航行器的出入水功能、水面回转功能等。试验前首先在岸上对航行器的传感器采集、运动控制等基础功能进行测试，基础功能测试通过后再对航行器密封舱进行气密性检测，按照制定好的试验方案，做好航行器入水前准备，确保航行器处于稳定、可靠的状态，以避免造成航行器的意外损失。

2.1.1 出入水运动

航行器的出入水运动试验分为水面航行、入水、水下航行和出水4个阶段，如图8所示。第1阶段，将航行器释放到水池中，航行器开始在水面进行航行。第2阶段，航行器两侧的副翼同步向下呈一定角度（15°左右），然后航行器推进器的推力慢慢加大，直到航行器顺利入水。第3阶段，保持航行器推进器的推力，调整航行器两侧的副翼，使其慢慢同步向上。第4阶段，航行器顺利出水。在水池试验中，航行器的整个出入水过程非常平顺且用时很短，满足设计要求，航行器的出入水运动能力得到了初步验证。

2.1.2 水面回转运动

在水池中对航行器的水面回转运动能力进行测试，如图9所示。航行器的水面回转运动轨迹最小半径约为6.5 m，航行器在水池中进行了多圈次的水面回转运动，并且其可以连续稳定的进行转弯。航行器的水面回转运动轨迹半径满足设计要求，其水面回转运动能力得到了验证。

2.2 湖试试验

在湖中对航行器的直航运动、水面回转运动、出入水运动等进行全面测试，航行器的通信系统、控制系统等均达到设计要求，航行器整体性能稳定，实现了本文所设计的功能。

3 结　语

正浮力自主航行器具有较强的海域环境自适应能力、较高的安全性、并且使用前无需进行复杂的配平、调试，操作人员使用非常便捷。所设计的正浮力自主航行器整体性能稳定，维护和升级方便，能够较好满足设计要求，具有良好的应用前景。

在后续开发中需要对正浮力自主航行器的机翼及外形，航行器的自主控制系统做进一步的优化，文中没有考虑航行器的数据通信与定位，还需要在后续开发中增加GPS模块和无线数据通信模块，并开发航行器的岸站数据接收软件。