小型AUV研制策略分析*

张 宇 张明宇 吴晓阳 陈海龙

（武警海警学院机电管理系 宁波 315801）

1 引言

近年来，自主式水下航行器一直是水下航行器领域的研究热点，在海洋科学研究、海洋资源调查和海洋安全保证等方面得到了广泛的应用。20世纪50年代美国华盛顿大学研制了世界上首台SUPV（self propelled underwater research vehicles），随着计算机技术和电子技术的发展，20世纪90年代以来，AUV进入快速发展阶段，美国ABE、英国的Autosub-1、加拿大Theseus、我国的“探索者”号、“潜龙一号”、“潜龙二号”以及与俄罗斯共同研制的“CR-01”相继成功研制并投入使用。21世纪以来，AUV技术得到了进一步的发展，商业化的AUV不断涌现，如美国Hydroid公司的Bluefin系列AUV、挪威Kongsberg公司的REMUS系列AUV和HUGIN系列AUV、美国Teledyne公司的Gavia系列AUV，标志着 AUV进入了较大规模实际应用阶段［1～7］。为此，本文在充分调研国内外小型AUV技术现状、应用现状及发展趋势上，重点从型体设计、推进器选型、电机匹配和控制系统以及性能测试等方面进行研制策略分析。

2 性能要求

与传统大中型AUV相比，小型AUV具有如下特点：

1）体积小，重量轻，制造和使用成本低，有浅窄水域任务需求；

2）目标小，隐蔽性强，可以对水面目标和岸上重要目标进行侦察监视；

3）适用于多种运输载体，投放简单，使用灵活；

4）可批量建造、大量部署，实现集群控制，获取数据关联度高。

3 研制策略

综合评估经验设计方法，重点围绕型体、推进器、电机选配及性能方法等部分进行研制策略分析。

3.1 型体设计

针对小型AUV舱容有限、能量携带少的实际，大幅度减小航行器阻力是关键。目前较为成熟的航行器阻力预报方法主要有船模实验法和水动力性能粘性流场数值预报法［8～12］。船模实验法通过制作一定比例的船模在水池中拖曳实验，完成阻力、纵倾、升沉等状态数据的监测，其结果可信度高，但成本高，实验周期长；水动力性能粘性流场数值预报法可以更为直观地反映出航行器复杂的流场特征，能够显示航行器及其附近流域各点的压力、速度等物理量分布，成本相对更低、操作相对更简便。本文兼顾船模实验和水动力性能粘性流场数值预报法的优点，提出一种基于参数化建模与实尺度实验相结合的设计理念：先根据任务需求（航行器航速、重量等）确定现有的类似产品分析样本，确定出初步艇型方案；其次，通过参数化建模技术对初步艇型进行三维建模；然后，根据所建模型进行实尺度加工，并且以该模型为研究对象同时进行船模实验和数值预报，以船模实验指导、验证数值预报结果的准确性；校正CFD数学模型和验证其准确性之后，对其进行水动力性能预报，观察流场计算结果并反馈至三维建模进行减阻优化，如此迭代以实现小型智控航行器的最优化外形设计。设计流程如图1所示。

图1 型体设计流程

3.2 推进器设计

鉴于喷泵推进器声隐身性好、安全性高、应用性广的特点，且其设计理念较为成熟，为此，本文主要围绕喷泵选型和实尺度“喷泵+航行器”系统数值自航预报进行分析。

3.2.1 喷泵选型设计

喷泵选型首先根据喷水推进器的基本原理从部分已知参数和假设参数对所设计喷泵进行参数初选，然后基于无粘流场进行喷泵三维反问题设计，最后对所设计喷泵进行考虑粘性的湍流计算来进一步调整喷泵几何尺寸［13～15］。

3.2.2 实尺度“喷泵+航行器”系统数值自航预报

利用喷泵选型结果进行三维建模数值分析，并根据流场数值计算结果计算喷泵的推进效率，结合航行器与喷泵的相互作用因子，预报航行器航速［16～18］。具体如图 2 所示。

图2 推进器设计流程

3.3 电机选配

电机选配以“船-桨-机”匹配为原则，同时兼顾经济性、安全性、可靠性的特点［19～20］。具体如图3所示。

图3 电机选配流程

3.4 性能测试

小型AUV参照水下机器人总成测试，主要进行：整机尺寸、负载能力、正向/横向/垂直方向推力、最高航速测试、最大能耗测试、推进器性能测试、观测距离、摄像头安装云台运动角、补偿器高压仓功能、最大水深耐压能力等方面测试，此外，还应根据AUV具体形式对其进行作业能力测试、动力定位能力测试、摄像机观测能力测试、通讯及其他相应能力测试［21～24］。

目前国内开展水下机器人测试的机构主要有上海交通大学水下工程研究所、中科院沈阳自动化所海洋技术装备研究室、哈尔滨工程大学智能水下机器人国防重点实验室、浙江大学海洋装备试验技术浙江省工程实验室等。国外较为著名的水下机器人及其配件性能测试的机构有美国麻省理工大学海洋工程系水池试验系统、英国Saab Seaeye公司、美国伍兹霍尔海洋研究所海洋应用物理与工程研究室等。

4 发展趋势

近年来，随着新材料、新技术、新理论不断应用发展，围绕AUV总体设计、智能控制、通信导航、探测识别和动力能源等关键技术不断获得突破，小型AUV未来发展趋势得到了广泛关注：

1）长航程。小型AUV作为一种新兴的水下探测装备，航行距离长短决定了价值的大小，尤其锂电池、混合驱动技术的发展使得水下长时续航成为可能。

2）智能化。当前，小型AUV虽能完成路径规划、避障避碰、编队航行等简单任务，但受人工智能技术和智能控制系统发展水平限制以及水下复杂环境影响，其自主决策能力较差、水下自适应能力不足、智能化程度仍有待提升。

3）协同化。随着计算机技术、人工智能、机器学习、数据挖掘、新型材料等理论和技术的发展，国外相关科研机构相继进行了多AUV海洋环境感知、区域搜索等应用尝试，并推动建设一套用于大范围海洋探索应用的可扩展组网系统；国内主要围绕多AUV系统的编队控制、协同导航、任务分配、水下通信等方面开展研究，并且大部分处于理论研究阶段，实际应用亟待加强。

5 结语

本文根据小型AUV性能要求，从参数化建模与实尺度实验相结合的设计、喷泵选型和实尺度“喷泵+航行器”系统数值自航预报、船机桨匹配设计、总成测试的角度对型体、推进器、电机选配及性能方法进行了研制策略分析，并对发展趋势进行了探讨，为后续装备的研制和测试提供一定的理论指导和方法借鉴。