2019,
Vol. 28
无人艇在海洋中用途广泛：在军事方面可用于情报搜集、海洋环境勘查、敌舰定位等；在民用领域，可用于水文信息采集、渔业监测等[1]。现有的无人艇要么为水面艇，要么为水下无人潜水器，相关研究也分别围绕这两个方向。但水面无人艇有诸多缺点，比如在执行任务时容易暴露自己，耐波性较差等。半潜式无人艇作为一种先进的无人艇，大部分潜入水中，水面上只露一个小的平台。它具有主艇体规避浪区[2]、通信和定位不受影响、自稳性、隐蔽性优良和吃水线调节方便等优点，具有很大的应用价值。
在半潜式无人艇的技术研究方面，美国处于领先地位，率先开发研究出了实用型的半潜式无人艇，中国和加拿大也相继开发出了可用的半潜式无人艇，其中著名的研究机构有美国的C & C技术公司[3]、加拿大的纽芬兰纪念大学[4]和中国的天津海之星海洋科技发展有限公司[5]等。现有的半潜式无人艇的水下主艇体的外形结构有单体、双体两种，艇身基本都为流线型，其中以鱼雷型回转体为多，这种外形阻力小，能耗低[6-8]。艇体内部结构大致可分为一体式和模块化结构两类：一体式结构是指整个艇体只有一个舱，所有的仪器设备放在舱的不同位置；模块化结构是指整个艇体按功能划分并设计成不同的模块，模块之间相互组合成半潜式无人艇。
总的来说，现有的半潜式无人艇下潜深度基本都是不可调节的，功能也有限，需要进一步研发新型、功能强大的半潜式无人艇。本文基于上述背景，开展半潜式无人艇的研究，研制了模块化结构、具有升降功能等特点于一身的半潜式无人艇。
1 半潜式无人艇的方案设计 1.1 半潜式无人艇的总体结构方案选择半潜式无人艇的结构形式对其自身性能，诸如快速性阻力、运动稳定性和耐波性有很大影响。半潜式无人艇由水面浮体和水下主艇体两部分组成。主艇体位于水面以下，能根据水面风浪的大小调节潜深。水下主艇体的结构形式一般有单体、双体等两种形式，其中双体型比单体型重心稳定，有更大的容量空间，抗风浪性能好，运动状态也容易控制[9]，所以本文的半潜式无人艇的主艇体采用双体结构。
1.2 半潜式无人艇的结构模块化设计模块化设计可以加速研究进程，降低研究费用，增加半潜式无人艇的使用功能，扩大其使用范围[10-11]，所以使用模块化设计方法进行半潜式无人艇的结构设计。模块化设计方法的原理是整个艇体按功能划分并设计成不同的模块，模块之间相互组合成半潜式无人艇。
1.2.1 整体结构的模块化设计半潜式无人艇主要由下潜的主艇体、水面浮体、控制舱和升降机构组成。主艇体的功能是给整个艇体提供动力并搭载必要的元器件；水面浮体的功能是给整个艇体提供浮力并提高嵌入其中的控制舱的防水性能；控制舱的功能是控制半潜式无人艇的运动以及传输采集的水文数据；升降机构的功能是调整主艇体的下潜深度。
根据这些功能要求，按照模块化的设计思想设计了下潜主艇体、升降机构、浮体、控制舱等结构模块(图 1)。主艇体采用双体式，分为左下潜艇体和右下潜艇体，左、右两个下潜艇体通过支架相连；水面浮体与升降机构连接，控制舱嵌入浮体中。
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1.控制舱；2.浮体；3.升降机构；4.主艇体 1. Control module; 2. Floating body; 3. Lifting mechanism; 4. Main hull 图 1 半潜式无人艇的整体结构 Fig. 1 Integral structure of unmanned semi-submersible vehicle |
主艇体的功能是检测水文数据并给整个无人艇提供动力和能源，主艇体为双体结构，分为左下潜艇体和右下潜艇体。按照功能模块化的思想，把每个下潜艇体设计为艏部导流段、与水接触的传感器舱、能源舱、不与水接触的传感器舱、动力舱等几个功能模块。艏部导流段的作用是破流，减小下潜艇体的运动阻力；与水接触的传感器舱安放需要接触水的一些传感器；能源舱放置电池，是整个无人艇的动力源；不与水接触的传感器舱放置不能接触水的一些传感器；动力舱安放推进器，控制整个无人艇前进、后退、转弯等运动。
根据上述功能要求，把每个下潜艇体分成导流罩、传感器舱1、电池舱、传感器舱2和电机舱等5个功能模块，其中左下潜艇体的结构见图 2。导流罩的外形是一个半椭球，这种外形水阻较小[12-13]；传感器舱1的内部空间放置溶氧量检测仪和pH检测仪；这两个传感器需要接触水，所以放在一个舱室。电池舱内放置电池组，电池为下潜艇体提供所需电能。因水下空间有限，所以选择了重量相对较轻、能量密度高、安全性较高、可循环充电的锂电池。传感器舱2里面放置陀螺仪、侧扫声呐等传感器。电机舱的电机带动螺旋桨转动，使半潜式无人艇运动。为了静密封的可靠性[14]，在电池舱前后盖、传感器舱2的前后盖、电机舱的前后盖各放置两个O型圈。各个模块之间通过套管和螺钉连接起来，如图 3所示。
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1.导流罩；2.传感器舱1；3.电池舱；4.传感器舱2；5.电机舱 1.Dome; 2.Sensor module 1; 3.Battery cabin; 4.Sensor module 2; 5.Electric motor module 图 2 半潜式无人艇的左下潜艇体结构 Fig. 2 Left submarine structure of unmanned semi-submersible vehicle |
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1.模块1；2.内套管；3.模块2；4.螺纹孔1；5.螺纹孔2；6.螺纹孔3；7.螺纹孔4 1. Module 1; 2. Inner sleeve; 3. Module 2; 4. Threaded hole 1; 5. Threaded hole 2; 6. Threaded hole 3; 7. Threaded hole 4 图 3 模块之间的连接方式 Fig. 3 Connection between modules |
升降机构的功能是调整主艇体的下潜深度，采用丝杆螺母式升降，其结构组成为步进电机、防水罩、丝杆、导向轴1、导向轴2、螺母和支架(图 4)。导向轴1和导向轴2起到限位作用，防止浮体在主艇体的升降过程中旋转。
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1.步进电机；2.防水罩；3.导向轴1；4.螺母；5.导向轴2；6.支架；7.丝杆；8.卡箍 1. Stepper motor; 2. Water shield; 3.Guide shaft 1; 4. Nut; 5. Guide shaft 2; 6. Stand; 7. Screw rod; 8. Clamp 图 4 升降机构 Fig. 4 Lifting mechanism |
调整主艇体的下潜深度的原理是：步进电机转动带动丝杆及浮体上升一定高度时，主艇体的重力大于浮力，整个装置往下沉，当浮体的吃水深度回到初始值时，实现新的平衡，这样就加大了主艇体的下潜深度。步进电机反转就可以减小主艇体的下潜深度。
1.2.4 浮体及控制舱的设计浮体的功能有两个：一是给整个机构提供浮力；二是加强嵌入其中的控制舱的水密性。浮体的外形设计成船形，这样的外形阻力较小。
控制舱内含有电机控制系统、步进电机控制系统和通信系统。浮体及控制舱如图 5所示。
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图 5 浮体与控制舱 Fig. 5 Floating body and control module |
半潜式无人艇在水中工作时，受到较小外力的作用时偏离其平衡位置，在外力消失后回到原有平衡位置的能力，称为半潜式无人艇的稳定性。半潜式无人艇的稳性设计主要是把半潜式无人艇的重心和浮心设计到一条铅垂线上，并使重心在稳心之下。由此必须确定半潜式无人艇各个模块的安装位置，根据对各个模块的分析可知，只需确定升降机构的安装位置，就可确定半潜式无人艇的最终形态。最后计算此时半潜式无人艇的稳心，验证此时重心是否在稳心之下。
以主艇体的对称轴线为X轴，以主艇体长度的中点为原点，竖直方向为Z轴正方向，Y轴垂直于XOZ面指向左下潜艇体，建立坐标系，单位为mm(图 1)。分析浮体及升降机构的几何模型特征可知，半潜式无人艇在主艇体上升和下降的过程中，其重心、浮心的X轴和Y轴的坐标不会变化，变化的只是Z轴的坐标。因此求出半潜式无人艇在任一工作状态的平衡状态，就可以得到升降机构的安装位置。由于升降机构是关于X轴对称的，因此只需确定升降机构中丝杆的X轴坐标。下面以半潜式无人艇在水中工作，浮体底面与支架之间距离为Z0时，求升降机构的安装位置。
1.3.1 半潜式无人艇重心位置的计算经计算可知，主艇体的重心坐标点B为(54.79, 0, 0)，质量mB为9 186 g，设升降机构的重心坐标点C为(x, 0, 380)，质量mC为5 855 g，浮体和控制舱的重心坐标点A为(x, 0, 700+Z0)，质量mA为1 600 g，如图 6。
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图 6 各个模块的重心 Fig. 6 The center of gravity of each module |
可求得半潜式无人艇的重心坐标为(30.24+0.45x, 0, 201+0.096Z0)。
1.3.2 半潜式无人艇浮心位置的计算经计算可知，主艇体的浮心坐标点D为(28.26, 0, 0)，质量mD为8 144 g，设升降机构的浮心坐标点E为(x, 0, 380)，质量mE为8 144 g，浮体和控制舱的重心坐标点F为(x, 0, 600+Z0)，质量mF为7 756 g，如图 7。可求得半潜式无人艇的浮心坐标为(13.83+0.51x, 0, 296.57+0.47Z0)。
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图 7 各个模块的浮心 Fig. 7 The center of buoyancy of each module |
要使半潜式无人艇在水中的姿态稳定，必须让重心和浮心在一条竖直线上，也即重心和浮心的X轴坐标相等
(1)
由(1)式可得：x=273.5 mm，此时半潜式无人艇的重心坐标为(153.32, 0, 201+0.096Z0)，浮心坐标为(153.32, 0, 296.57+0.47Z0)。
也即在建立的半潜式无人艇的坐标中，升降机构丝杆的轴线在X轴上的坐标为273.5时，半潜式无人艇的重心和浮心在一条竖直线上。
由以上计算可知，设计的半潜式无人艇的重心在浮心之下，可知重心一定在稳心之下，因此设计的半潜式无人艇稳定性较好。
2 半潜式无人艇的动力计算计算半潜式无人艇的推进功率时首先需要计算其阻力，目前关于艇体阻力的计算方法可以分为两大类：第一类是通过实验和图解计算分析；第二类是利用CFD(计算流体动力学)软件进行模拟仿真计算[15]。第一类方法的缺点是需要花费大量的人力、物力和财力，第二类最常用且精确度较高。本文用流体仿真软件FLUENT计算分析半潜式无人艇在最大航速1 m/s时的阻力，然后计算推动电机功率并选配推进电机。
在选配步进电机时，应根据负载重量计算驱动电机的驱动力矩，然后根据驱动力矩选配电机。为了验证计算的准确性，还需计算出负载转速，用于与实验测量的数据对比。
2.1 流体仿真计算前进阻力首先利用gambit对半潜式无人艇及其外流场进行网格划分，然后利用FLUENT计算阻力[15]。在保留原有特征主尺寸的情况下，为了计算的简便，对半潜式无人艇进行了适当的简化。仿真过程见图 8，计算结果如图 9所示，流动时间经过5 s后，阻力系数基本不变，趋于稳定。
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图 8 半潜式无人艇的仿真 Fig. 8 Simulation of Unmanned Semi-Submersible Vehicle |
由图 9可知，半潜式无人艇在1 m/s时的阻力约为38.28 N。
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图 9 阻力报告 Fig. 9 Resistance report |
半潜式无人艇在以1 m/s的速度匀速行驶时，其阻力与推力相等，则螺旋桨的总推力为38.28 N。设半潜式无人艇的螺旋桨及轴系的总效率为0.6，则公式
(2)
式中：P为总机功率，W; f为螺旋桨的推力，为38.28 N; V为半潜式无人艇的设计速度，为1 m/s。将f和V代入(2)式，可得P=63.8 W，也即单个电机功率为31.9 W。
实际所需功率必然大于31.9 W，所以单个下潜艇体采用额定功率为12 V，额定电流为3 A的电机。其功率为36 W，稍大于计算所需值。
2.3 升降机构的电机配置驱动力矩T1可由式(3)计算，
(3)
式中：m为运送物体的质量，kg；g是重力加速度，m/s2；μ为导向面的摩擦系数；ρh为丝杆导程, m; η为丝杆的效率。
取m=7 kg，g=9.8m/s2，μ=0.05，ρh=4×10-3 m，η=0.85。将m，g，μ，ρh，η代入(3)式，可得升降电机的驱动力矩T1=2.57×10-3N·m。
升降机构采用的步进电机为24 V，工作电流为3.5 A，步进角为1.8°，扭矩T为3 N·m。
那么负载转速n可由(4)式计算，
(4)
式中：P是理论上的步进电机额定功率，为0.084 kW；T是步进电机扭矩，3 N·m。
将P和T代入(4)式，可得负载转速n=305.6 r/min。也就是说，配备24 V，工作电流4 A，步进角1.8°，扭矩T为3 N·m的步进电机后，电机的工作转速将会达到305.6 r/min。
3 试验结果为了检测半潜式无人艇的升降、前进等基本运动性能是否与设计相一致以及无人艇本身的稳定性，制作了实物模型，见图 10。2017年9月在上海海洋大学的水池中进行了实验测试，测试场景如图 11。
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图 10 半潜式无人艇的实物模型 Fig. 10 Physical model of unmanned semi-submersible vehicle |
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图 11 半潜式无人艇的水池实验 Fig. 11 Pool experiment of Unmanned Semi-Submersible Vehicle |
实验结果表明：(1)在支架安装到指定位置后，半潜式无人艇在水中航行时姿态稳定。(2)经实际测量，半潜式无人艇在静水中的前进速度为0.88 m/s，升降电机在水中工作的负载转速为300 r/min，经过一段时间，主艇体通过升降完成主艇体下潜深度调整。前进速度、升降机构性能基本符合方案设计的技术参数要求。
4 结论基于低阻力、功能模块化的思路，并运用机械设计和流体力学分析的方法，设计了一种半潜式无人艇。
按照功能模块化的思想，把整个半潜式无人艇分成主艇体、升降机构、控制舱和浮体等结构模块。再把主艇体分成左右两个对称的下潜艇体，每个下潜艇体按照功能设计为导流罩、传感器舱1、电池舱、传感器舱2和电机舱等5个模块。升降机构采用丝杆螺母式，浮体采用低阻外形的船形。这样的模块化设计大大提高了设计的效率，可缩短设计和加工时间。
在设计好各个模块后，对半潜式无人艇进行稳定性校核，得出了升降机构丝杆的轴线在X轴上的坐标为273.5时，整个半潜式无人艇在水中姿态稳定的结论。经过计算，按照1 m/s设计航速，推进电机采用额定电压为12 V、额定电流为3 A的电机，升降机构采用24 V、4 A的步进电机驱动，并计算出步进电机理论负载转速为305.6 r/min。
2017年9月完成了水池实验，在实验过程中，半潜式无人艇的姿态稳定，且在航行过程中具有良好的操纵性和稳定性。经实际测量，半潜式无人艇在静水中前进的速度为0.88 m/s，升降电机在水中工作的负载转速为300 r/min。实验结果表明该半潜式无人艇基本实现预定航速、航行姿态稳定，安全可靠，也从侧面证明了理论计算是比较准确的。
半潜式无人艇具备基本的航行能力，为半潜式无人艇的结构设计提供了一种新的思路。
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