0 引　言

受海洋勘探、军事对抗等需求牵引，水下航行器技术在21世纪发展迅速。在操纵方式上，目前航行器主要以舵机带动舵翼形式为主，调节快精度高且方法成熟，如美国Hydroid公司的Remus系列、挪威Kongsberg Hugin系列航行器都采用该种方法^[1]。也有部分航行器采用无鳍舵矢量推进的形式，如Bluefin系列航行器等^[2]。

但在低成本小型化的微小型航行器领域，上述常规操控方式受空间所限往往难以实施，目前可见的实例较少。根据俄罗斯学者对航行器的分类，直径低于200 mm的可称之为微型AUV。为了追求任务响应度，微小型航行器中有相当一部分尺寸缩小为A尺寸（北约声呐浮标标准）以内，以空投或鱼雷管形式进行布放。其平台总尺寸含附体最大直径不大于ø124 mm，最大长度不大于914.4 mm，这对操纵机构的设计提出了巨大挑战^[3]。

为解决A尺寸水下航行器的操控问题，以低成本、高可靠为原则，本文提出一种推杆转舵型操控实现方案，制作了样机，并配装航行器通过湖试对实际操控效果进行研究。

1 机构设计 1.1 总体结构

受A尺寸限制，本文提出的航行器操舵机构不同于传统的舵机驱动舵片方式，其结构如图1所示，主要由电磁铁、推杆、舵片、导管组成，可全湿式浸泡于水中。

在舵片分布上，外部的固定舵片与导管支架融合设计，用于增加控制面投影面积，提高平台稳定性。活动舵片内置安装，避免了舵片的外凸与总尺寸超限，主要用于控制平台的操纵运动。活动舵片的上下舵/左右舵连为一体，可绕过盈敲入固定舵片的转轴旋转，其中心圆环结构用于推杆驱动。注意活动舵片安装时呈前后形式，避免旋转时中心圆环区域相互干涉。

在驱动方式上，装置舍弃了成熟的舵机形式，创新地采用了电磁铁装置驱动推杆进行转舵的方法。为降低使用要求，电磁铁使用硫化方法进行了水密封堵，为自承压结构。通过上下电，航行器可主动控制电磁铁装置的吸合，进而控制舵片的转动。4个电磁铁在吸合状态下分别控制方向舵与俯仰舵的4个方向运动，实现操控需求。

相对于舵机，该套机构结构紧凑，更适合空间局促的微小型航行器。尤其是推杆的布置，充分利用了航行器尾部锥形结构，使得操纵装置不必占用平行中体段，将空间留给其他模块。

1.1.1 数学模型

由于2个舵片的转舵机理相同，在进行数学模型建立时可只对单舵进行分析。转舵机构数学模型如图2所示，为降低力损失，将电磁铁直接沿推杆轴向布置。推杆通过推动与舵片弦长垂直的驱动面改变舵角。

在转舵过程中，驱动单个舵实现预定角度β的旋转需要满足2个条件：

1）吸合状态下的电磁铁驱动装置对推杆产生的线性驱动行程LP应能使舵产生β角度的转动；

2）自由状态下的电磁铁装置及推杆与自由态的舵存在不小于LR长度的间隙，以避免干涉；

由图2可知，在舵转动β角度时，根据三角函数关系易计算得到LR及LP的尺寸公式为：

$ LP \geqslant \frac{{LD \cdot \tan \alpha \cdot \sin \beta }}{{\cos (\beta - \alpha )}}，$

$ LR \geqslant \frac{{LD \cdot \tan \alpha \cdot \sin \beta }}{{\cos (\alpha + \beta )}}。$

其中：α为电磁铁布置角度； $ LD $ 为推杆中轴线交点到舵片驱动面的垂向距离。

1.2 电磁铁驱动装置

所设计的电磁铁装置工作机制如图3所示。在平台对电磁铁供电后，电磁铁内部线圈瞬间形成磁通，产生电磁吸力吸合外部衔铁结构，形成直线位移。电磁驱动使得整体的密封变得简单，不再涉及复杂的格莱圈、密封圈、泛塞封等动密封结构，结构更为轻巧。同时由于电磁铁直接浸泡在海水中，温升情况也得到了很大改善。类似结构常见于空间受限的水下驱动装置^[4]。

根据不同的应用状态，设计时可对衔铁材质进行适应性选取。如在大推力、一次性工作的情况下，可选取导磁性较好的低碳钢材质，增大瞬间推力，但相对的防腐能力较差；若对防腐性能要求较高，则可选用具有高导磁性能的不锈钢衔铁。

本文设计的电磁铁主要配装对象为一次性设备，因此选用了低碳钢作为主要材质。通过机翼升力公式推算，在设计航速下舵片所需推力为2 N，而实际电磁铁达到的最大推力经测试可达5 N以上，满足水下转舵所需的推力要求。

1.3 抗横滚结构

该操控机构上下舵及左右舵均为固连形式，无法通过舵角差动来调节航行器横滚，在航行器高速航行时容易产生较大的横滚角。为此，在设计时引入非对称导管支架结构来平衡螺旋桨产生的力矩。这种非对称结构在导管桨航行器上应用广泛，如Bluefin系列航行器导管支架就有明显的偏斜^[5]。

设计阶段，通过CFD方法预先对配装该种操纵机构的AUV进行自航计算，在迭代后使得设计航速下平台横滚力矩接近于0。

由图4可知，航行器在前向水流的作用下，抗横滚结构两侧流场具有非对称性，产生了一个不可忽略的侧向力，可有效平衡当前航行器的螺旋桨反向扭矩，限制航行器在大航速下产生较大横滚。

2 试验研究

在千岛湖水域进行推杆操舵型航行器的航行性能试验。航行器平台总尺寸符合A尺寸要求，最大直径不大于ø124 mm，最大长度不大于914.4 mm。在控制过程中，该型操纵机构因极简的操舵设计，舵角只具备3种状态，左满舵、右满舵及自由态。在自由态时，舵片不与推杆接触，处于随动状态，不产生操控力。

2.1 电磁铁性能

试验中，对电磁铁进行了测试。所采用的单个电磁铁阻值约为35Ω，根据平台电源管理上传功率，打舵消耗功率接近15 W。该功率量级与小型舵机功率相当。

在空气中，电磁铁经测试具有较大的温升，这会导致磁性的减弱，也影响设备的使用寿命。而在水下航行过程中，由于水体的散热，电磁铁温度上升较小，经测试温度不超过50℃，可长期开启，运行稳定。

2.2 控制精度

平台控制方法采取了经典PID法，执行水下定深定向航行任务。最终通过调参优化，航行器深度、横滚、航向、俯仰控制结果如图6～图9所示。图中3200 r/min电机转速对应平台航速6 kn，1600 r/min对应航速3 kn。

在横滚角控制上，经过抗横滚结构的抑制，航行器横滚角控制在了一个小值，6 kn下横滚角幅值不超过5°；在航向角控制上，平台也体现了较好的稳定性，单边振荡幅值不超过2°；在深度与俯仰角控制上，深度稳定能力较好，仅在期望深度附近±0.25 m范围内波动，而俯仰角波动稍大，在±4°范围内波动。

推杆式的航行器只能实现固定舵角的控制，无法进行指定舵角的操纵，因此在进行航向与俯仰控制时，对不同的角度误差及角速度误差无法进行对应的舵角响应，导致了控制精度的下降。但试验的最终控制结果还是优于对平台的预期值，证明了该种控制方式的可行性，表明该种操控形式可应用于一些对控制精度无较高要求的任务场合。

3 结　语

本文提出一种新型电磁推杆式转舵机构，进行了湖试测试。相关结论如下：

1）该型操舵机构在水下打舵响应迅速，运行稳定，单个电磁铁功耗约为15 W；

2）该型操舵机构可有效自平衡螺旋桨产生的横滚力矩，使航行器在大航速前进时横滚角控制在5°以内；

3）由于结构简化，该型操舵机构舵片状态仅有左满舵、右满舵及自由态3个状态。通过试验测试，对比前期舵机驱动式操舵结果，发现平台操控精度稍有下降，但仍可满足大部分的航行任务需求，具有实际应用价值。