蹼翼型波浪滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)原理分析

田寶強(qiáng) 李玲瓏

1.江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院，鎮(zhèn)江，2120032.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，沈陽(yáng)，1100163.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫，214082

蹼翼型波浪滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)原理分析

田寶強(qiáng)1,2李玲瓏3

1.江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院，鎮(zhèn)江，2120032.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，沈陽(yáng)，1100163.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫，214082

在傳統(tǒng)波浪滑翔機(jī)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)柔性蹼翼的引入和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)蹼翼型波浪滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行了深入研究，建立了柔性蹼翼驅(qū)動(dòng)力計(jì)算模型，搭建了原理樣機(jī)并初步通過(guò)了造波水槽實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了蹼翼型波浪滑翔機(jī)的滑翔功能。蹼翼型波浪滑翔機(jī)克服了傳統(tǒng)波浪滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜易纏繞、機(jī)動(dòng)性差和波浪能轉(zhuǎn)化效率低等不足，能更好地應(yīng)用于大尺度、長(zhǎng)期的海洋環(huán)境觀測(cè)應(yīng)用研究。

波浪滑翔機(jī);柔性蹼翼;運(yùn)動(dòng)原理；海洋觀測(cè)

0 引言

海洋環(huán)境觀測(cè)是人類認(rèn)識(shí)和了解海洋的重要手段，也是開(kāi)發(fā)利用海洋資源的前提。隨著海洋科學(xué)研究的不斷深入，對(duì)海洋觀測(cè)裝備的要求也不斷提高，一方面要求其具有很強(qiáng)的續(xù)航力，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)范圍大，能完成大尺度的海洋數(shù)據(jù)的采集；另一方面要求其功能多樣化，根據(jù)不同的研究需要采用不同的觀測(cè)策略[1-2]?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了海洋觀測(cè)裝備的自動(dòng)化水平不斷提高，并正向智能化、無(wú)人化方向發(fā)展，典型的海洋觀測(cè)裝備有載人潛器、自治水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicle,AUV)、纜控水下機(jī)器人(remote operated vehicle,ROV)、水下滑翔機(jī)和波浪滑翔機(jī)等[3-4]。載人潛器和AUV的作業(yè)時(shí)間一般在數(shù)小時(shí)到數(shù)天時(shí)間，作業(yè)范圍在數(shù)千米到數(shù)百千米不等，其運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)精確控制，主要用于水面和下層水體測(cè)量，使用成本較高；ROV需要的電能通過(guò)電纜由母船提供，作業(yè)時(shí)間可達(dá)到數(shù)月，作業(yè)范圍受到電纜長(zhǎng)度的制約，母船的采用大大增加了使用成本；水下滑翔機(jī)可實(shí)現(xiàn)數(shù)月、滑翔數(shù)千千米的水下水體測(cè)量，使用成本較低，同時(shí)，波浪滑翔機(jī)的作業(yè)時(shí)間可以達(dá)到數(shù)年，航行也可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)千米，主要用于表層水體的測(cè)量，成本也較低，二者已成為重要的智能海洋觀測(cè)裝備之一。

波浪滑翔機(jī)的續(xù)航力(主要表現(xiàn)為作業(yè)時(shí)間和作業(yè)范圍)要比其他觀測(cè)裝備高出兩到三個(gè)量級(jí)，這與其采用海洋新能源(波浪能和太陽(yáng)能)密切相關(guān)。雖然水下滑翔機(jī)的續(xù)航力也不弱，但是波浪滑翔機(jī)強(qiáng)大的傳感器搭載能力，為體積和質(zhì)量更大的傳感器在海洋觀測(cè)中的成功應(yīng)用提供了可能，此外，波浪滑翔機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能更有利于采集到準(zhǔn)確和完整的海洋數(shù)據(jù)。

然而，波浪滑翔機(jī)的缺陷也是很明顯的：一是其三體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易發(fā)生纏繞事故；二是其波浪能轉(zhuǎn)化吸收效率低，一般其波浪能轉(zhuǎn)化和吸收效率不高于30%；三是其機(jī)動(dòng)性差，水面的回轉(zhuǎn)半徑大約在50米左右[5]，由此導(dǎo)致其不能很好地實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)觀測(cè)。本文在傳統(tǒng)波浪滑翔機(jī)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)柔性蹼翼的引入和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了蹼翼型波浪滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)方案[6]，解決了現(xiàn)有的波浪滑翔機(jī)的上述問(wèn)題，為完成更為復(fù)雜的海洋觀測(cè)任務(wù)提供了平臺(tái)支撐，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)波浪滑翔機(jī)研究現(xiàn)狀

美國(guó)Liquid Robotics 公司的工程師Roger Hine于2005 年首先進(jìn)行了波浪滑翔機(jī)的原理樣機(jī)研究工作，并通過(guò)海試驗(yàn)證取得了很大的成功，這也是波浪滑翔機(jī)的最初概念[7]。目前，該公司的波浪滑翔機(jī)已經(jīng)產(chǎn)品化，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)基于該平臺(tái)，通過(guò)搭載不同的傳感設(shè)備進(jìn)行海洋科學(xué)研究。主要工作有：水體和洋流的測(cè)量[8]，海洋生物監(jiān)測(cè)[9]，海洋環(huán)境生態(tài)研究[10]，海洋氣象[11]等。波浪滑翔機(jī)在結(jié)構(gòu)上由浮體、系纜和水下滑翔體三部分組成。浮體用于提供足夠的浮力，并在波浪的激勵(lì)下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；系纜連接于浮體和水下滑翔體，不僅受到拉力作用，又能進(jìn)行控制和通信；水下滑翔體是其動(dòng)力部分，通過(guò)系纜拉動(dòng)浮體在水面上運(yùn)動(dòng)[12-13]，如圖1所示。在已經(jīng)完成的橫穿太平洋的PACX活動(dòng)中，波浪滑翔機(jī)打破了無(wú)人海洋機(jī)器人最遠(yuǎn)距離(12872 km)的世界記錄[14]，如圖2所示。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所[15]、哈爾濱工程大學(xué)[16]、國(guó)家海洋技術(shù)中心[17]等單位從水動(dòng)力分析、動(dòng)力學(xué)建模和效率優(yōu)化等方面也進(jìn)行了相關(guān)研究。

圖1 波浪滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理圖Fig.1 Mechanical structure and motion principle of wave glider

圖2 波浪滑翔機(jī)在PACX中的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Trajectory of wave glider in PACX game

2 蹼翼型波浪滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)原理

2.1 蹼翼型波浪滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了克服傳統(tǒng)波浪滑翔機(jī)的不足，蹼翼型波浪滑翔機(jī)在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)波浪滑翔機(jī)有很大差別，如圖3所示。該機(jī)器人的柔性蹼翼通過(guò)其在水動(dòng)力下的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)其波浪能轉(zhuǎn)化和吸收，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)其波浪能轉(zhuǎn)化和驅(qū)動(dòng)效率均影響較大。

圖3 蹼翼型波浪滑翔機(jī)外觀圖Fig.3 Schematic outline of WGWW

引入柔性蹼翼后的波浪滑翔機(jī)，與傳統(tǒng)采用剛性翼板的波浪滑翔機(jī)相比具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：①柔性蹼翼能綜合利用殼體的振蕩、縱傾和橫傾運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而提高波浪能的吸收(圖4)，而傳統(tǒng)的波浪滑翔機(jī)的剛性翼板只有浮體的上下振蕩對(duì)其驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生貢獻(xiàn)；②柔性蹼翼通過(guò)蹼翼連接件與殼體固連，殼體運(yùn)動(dòng)能實(shí)時(shí)傳給蹼翼，其中通過(guò)“杠桿效應(yīng)”能將殼體在波浪下的縱傾和橫傾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行放大，增大蹼翼運(yùn)動(dòng)幅度，提高波浪能轉(zhuǎn)化效率；③蹼翼引入使平臺(tái)的結(jié)構(gòu)變得更緊湊，有利于在淺水區(qū)域作業(yè)，同時(shí)舵機(jī)的水動(dòng)力矩能直接作用于平臺(tái)，從而提高了機(jī)動(dòng)性，而傳統(tǒng)波浪滑翔機(jī)舵機(jī)需要水下滑翔體(舵機(jī)裝在水下滑翔體尾部，見(jiàn)圖1)通過(guò)系纜拉動(dòng)浮體一步步來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 蹼翼型波浪滑翔機(jī)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的蹼翼變形圖Fig.4 Deformation of flexible webbed wing under different motion of MGWW

2.2 蹼翼型波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)原理

蹼翼型波浪滑翔機(jī)主要通過(guò)柔性蹼翼來(lái)實(shí)現(xiàn)波浪能的吸收和驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)化，其殼體在波浪的激勵(lì)下會(huì)發(fā)生垂蕩、縱傾、橫傾等運(yùn)動(dòng)，這里先分析單一的垂蕩運(yùn)動(dòng)。當(dāng)波浪的波峰來(lái)臨時(shí)，殼體受到波浪激勵(lì)作用會(huì)發(fā)生上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)蹼翼連接件將柔性蹼翼拉起，柔性蹼翼上表面受到水流的作用而向下彎曲，這樣水流就會(huì)和蹼翼的上表面形成一定的攻角α，蹼翼受到的水動(dòng)升力L和阻力D的共同作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向前的驅(qū)動(dòng)力Fx，進(jìn)而通過(guò)蹼翼連接件拉動(dòng)該平臺(tái)前進(jìn)，如圖5a所示；當(dāng)波浪波谷來(lái)臨時(shí)，整個(gè)平臺(tái)隨波浪在自身重力作用下下落，柔性蹼翼下表面在水流的作用下向上彎曲，這樣水流就會(huì)和蹼翼的下表面形成一定的攻角α，蹼翼受到的水動(dòng)升力L和阻力D的共同作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向前的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而通過(guò)蹼翼連接件拉動(dòng)該平臺(tái)前進(jìn)，如圖5b所示。所以，不管波峰還是波谷，柔性蹼翼都能產(chǎn)生一個(gè)向前的驅(qū)動(dòng)力Fx，達(dá)到波浪能轉(zhuǎn)化和利用的目的，而且該驅(qū)動(dòng)力的方向與波浪的參數(shù)，以及波浪運(yùn)動(dòng)的方向沒(méi)有關(guān)系。

(a)柔性蹼翼向下彎曲

(b)柔性蹼翼向上彎曲圖5 柔性蹼翼驅(qū)動(dòng)力計(jì)算圖Fig.5 Force analysis on flexible web bed wing

此外，與傳統(tǒng)波浪滑翔機(jī)不同的是，蹼翼型波浪滑翔機(jī)當(dāng)其殼體在波浪的激勵(lì)下發(fā)生縱傾和橫傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，不管順時(shí)針還是逆時(shí)針，其產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力也是始終向前的，與垂蕩運(yùn)動(dòng)不同的是其柔性蹼翼的前后或兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)變形狀態(tài)剛好相反(參見(jiàn)圖4)，從而大大增加了波浪能的轉(zhuǎn)化和吸收效率。

柔性蹼翼表面p點(diǎn)附近微元面積dS上水流速度為v(p)，其受到的升力L(p)與水流速度的方向垂直，阻力D(p)與水流速度方向相同，二者可表示為[13]

L(p)=0.5ρv(p)2CL(p,α)dS

(1)

D(p)=0.5ρv(p)2CD(p,α)dS

(2)

式中，CL(p,α)和CD(p,α)分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

在該坐標(biāo)系中，微元面積dS上驅(qū)動(dòng)力dFx(p)可表示為

dFx(p)=D(p)sinβ+L(p)cosβ

(3)

整個(gè)柔性蹼翼上的驅(qū)動(dòng)力Fx為微元面積dS上驅(qū)動(dòng)力Fx(p)的曲面Σ上的面積分，可表示為

Fx=?ΣFx(p)dS=?Σ(D(p)sinβ+L(p)cosβ)dS

(4)

3 蹼翼型波浪滑翔機(jī)原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

在完成蹼翼型波浪滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)機(jī)理分析基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)完成蹼翼型波浪滑翔機(jī)原理樣機(jī)的搭建，如圖6a所示，并初步通過(guò)了造波水槽實(shí)驗(yàn)，如圖6b所示，其柔性蹼翼的變形情況如圖7所示。結(jié)合造波水槽條件，通過(guò)設(shè)定不同的波浪參數(shù)模擬了不同的海況條件，獲得了該原理樣機(jī)的速度如圖8所示。

(a)蹼翼波浪滑翔機(jī)原理樣機(jī)

(b)蹼翼波浪滑翔機(jī)水槽實(shí)驗(yàn)圖6 蹼翼型波浪滑翔機(jī)原理樣機(jī)和水槽實(shí)驗(yàn)Fig.6 Wave tank experiment of WGWW elementary prototype

(a)柔性蹼翼下翻

(b)柔性蹼翼上翻圖7 蹼翼型波浪滑翔機(jī)柔性蹼翼在水槽實(shí)驗(yàn)中的變形情況Fig.7 Deformation of flexible webbed wing of MGWW in wave tank

圖8 蹼翼型波浪滑翔機(jī)原理樣機(jī)在水槽實(shí)驗(yàn)中在不同波高下運(yùn)動(dòng)速度Fig.8 Movement velocity of WGWW elementary prototype under different wave height in wave tank

蹼翼型波浪滑翔機(jī)是通過(guò)波浪能來(lái)獲得驅(qū)動(dòng)力的，波浪能是其運(yùn)動(dòng)的能量輸入。由波浪理論可知，在一個(gè)波長(zhǎng)的波動(dòng)水體范圍內(nèi)，其所包含的波浪動(dòng)能和波浪勢(shì)能相等，一個(gè)波的總能量Ew為[18-19]

(5)

式中，H、λ分別為波浪波高、波長(zhǎng)；g為重力加速度；ρ為海水密度。

式(5)表明波浪的能量與波高的二次方成正比，其大小主要由波高來(lái)決定。如圖8所示，當(dāng)設(shè)定波高從0.05 m增大到0.16 m時(shí)，蹼翼型波浪滑翔機(jī)原理樣機(jī)的平均速度相應(yīng)地從0.16 m/s增大到0.26 m/s?？梢?jiàn)，當(dāng)波浪的波高增大時(shí)，波浪能也隨著變大，對(duì)原理樣機(jī)系統(tǒng)的能量輸入也增大，直接導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)速度增大，動(dòng)能增大。通過(guò)該原理樣機(jī)的水池實(shí)驗(yàn)，積累了大量的第一手資料，為后續(xù)理論分析和平臺(tái)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，觀測(cè)裝備續(xù)航力和大面積海洋觀測(cè)之間矛盾一直是制約觀測(cè)裝備大范圍應(yīng)用的瓶頸，利用海洋新能源來(lái)從事海洋研究已成為目前一個(gè)新的研究方向。蹼翼型波浪滑翔機(jī)具有較明確的應(yīng)用需求和應(yīng)用背景，本文通過(guò)柔性蹼翼的引入和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)完成了蹼翼型波浪滑翔機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理的分析。

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StructureDesignandMovementPrincipleofWaveGliderswithWebbedWings

TIAN Baoqiang1,2LI Linglong3

1.Marine Equipment and Technology Institute,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu,212003 2.State key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences，Shenyang，110016 3.China Ship Science Research Center,Wuxi,Jiangsu,214082

Through the introduction to flexible webbed wings and structure design, the movement principle of wave gliders with webbed wings(WGWW) was studied，and its driving force calculation model of flexible webbed wings was set up, based on the traditional wave glider researches. Gliding function of WGWW was verified through the WGWW prototype constructed and pool experiments. WGWW may overcome the shortcomings of traditional wave gliders, such as complicated structures, weak maneuverability and low driving efficiency, so it may be better applied in large scale, and long-term ocean environmental observation researches.

wave glider; flexible webbed wing; movement principle; ocean observation

2017-03-23

機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(2017-O06)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20170577)

TK79

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.24.007

(編輯王艷麗)

田寶強(qiáng)，男，1984年生。江蘇科技大學(xué)海洋裝裝備研究院助理研究員、博士。主要研究方向?yàn)樾赂拍詈Ｑ髾C(jī)器人相關(guān)技術(shù)。發(fā)表論文7篇。授權(quán)專利5項(xiàng)。E-mail：tbqcas@126.com。李玲瓏，男，1986年生。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師。