海军潜艇学院 刘汉明 何明国 付本国
摘 要： 本项研究采用 ROV 自航试验的方法建立了 ROV 操纵运动模型，并进行了操纵运动仿真计算，为 HR — 1 型 ROV 操纵模拟器的研制解决了关键问题。
一．研究目的和基本途径
无人遥控潜水器（ ROV ）的使用操作是一项熟练程度要求比较高的工作，但由于 ROV 属于高科技产品，敏感元件和需防老化材料较多，经常性的训练使用必将减少其使用寿命，且维护保养费用昂贵，同时，其使用的准备工作复杂，需要较长时间和较多的人力、物力支持，而复杂环境条件下操纵训练更是无法进行，这些就造成了院校难以依靠 ROV 实装进行大批量学员操作实习，部队也难以依靠 ROV 实装进行高水平操纵人员培养。国外解决这一问题的主要手段之一是采用 ROV 操纵训练模拟器训练，来解决大批量、高水平 ROV 操纵人员的经常性的训练问题，且在使用 ROV 较发达的国家中规定，操练人员必须经 ROV 操纵训练模拟器训练合格后，才允许进行实装的操纵。因此，研制无人遥控潜水器操纵训练模拟器对于院校教学和部队训练都是非常必要的。
在无人遥控潜水器操纵训练模拟器的研制工作中，而其水下操纵运动模型的是其关键性研究内容。 ROV 操纵运动模型研究的理想方法是进行模型水动力操纵试验，通过试验建立完善的非线性操纵运动模型。但受到经费和实验条件的限制，无法进行此项试验，而 ROV 外型结构复杂，也无法按现有的理论和经验公式进行建模。由于我单位现有一台 HR — 1 型 ROV 实装，因此，决定采用自航式试验方法研究 ROV 操纵运动模型。
二．模型建立
• ROV 操纵模型
首先选择一个固结在地球表面的固定坐标系，该坐标系不属时间而变化，如图 1 所示。其中， O G 是固定坐标系的原点，可选取在 ROV 初始位置向海平面做垂线而与海平面的交点处。 O G x G 轴在静水平面内，其方向取为地理正北方向。 O G y G 轴取为 O G x G 轴在静水平面内沿顺时针旋转 90 O 的方向上。 O G z G 轴垂直于静水表面，以指向地心为正。于是 O G x G y G z G 构成一右手法则的固定坐标系。
可以在固定坐标系下建立 ROV 的空间运动方程，但该方程不便于求解。因此，应采用运动坐标系。运动坐标系固结在 ROV 上，随 ROV 一起运动，如图 2 所示。
O 点为动坐标系原点，可取在 ROV 重心处， Ox 轴取为 ROV 纵轴，以指向 ROV 艏向为正； Oy 轴与纵剖面垂直，以指向右舷为正； Oz 轴垂于水线面，以指向下方向为正，这样应组成一个固结在 ROV 上的右手坐标系。有关矢量在三个坐标轴上的分量记为：
外 力： 
外力矩： 
速 度： 
角速度： 
坐标系中， ψ是相对于固定坐标系的艏向角，β是相对于运动坐标系的航向角。则 ROV 相对于固定坐标系的航向角为（ψ + β），则 ROV 在固定坐标系中的速度矢量为：
在不考虑 ROV 横遥、纵遥条件下（ p=0 ， q=0 ），在动坐标系上建 ROV 空间运动方程如下 ：
式中，下标 H — ROV ； 下标 P —螺旋浆；J Z — ROV 对 Z 轴的转动惯量。
需要说明的是，（ 1 ）式中的速度项是应是在运动坐标系中相对于水流的速度。设 V f 为水流相对于固定坐标系 O O X O 轴的夹角为 α ，见图 2 所示，则水流与动坐标系中 ox 轴的夹角为：（ α - ψ ）。
ROV 在动坐标系中相对于流的速度为：
式中， u c 、 v c —动坐标系原点的速度。 式（ 1 ）中各项力的计算模型如下：
• 船体水动力计算模型
（ 2 ）
（ 3 ）
（ 4 ）
（ 5 ）
式中， m 11 、 m 22 、 m 33 、 m 66 — ROV 在纵向、横向、垂向及转动的附连质量；
R X 、 R Y 、 R Z 、 R N — ROV 在纵向、横向、垂向及转动运动阻力；
C m 、 C y — ROV 曲线运动所引起的阻力增加系数。
• 螺旋浆推力计算模型
（ 1 ）单个螺旋浆推力计算模型
（ 6 ）
式中， ρ —海水密度， 104.51 kg .s 2 /m 4 ；
n —螺旋浆转速，转 / 秒；
D —螺旋浆直径，米；t —推力减额系数，对于潜体其取值范围为 0.10 — 0.18 ；
J P —螺旋浆进速系数 
（ 7 ）
w p —有效伴流系数，潜体伴流系数的取值范围是 0.10 — 0.25 ；
vol — ROV 运动速度在螺旋浆轴线方向上各分速度之合，各浆的速度可表示为：
K T —螺旋浆敞水推力系数，在缺少设计资料情况下，初步选取导管螺旋浆 Ka4-55 系列的敞水推力系数。螺旋浆敞水推力系数是以螺距比 P/D 为曲线族的，经测量，本 ROV 螺旋浆的螺距比 P/D=1.6 ，对相应的 K T 曲线进行回归计算，得计算模型如下：
（ 8 ）
回归的相关系数为 0.999 ，标准差为 2.77 。
（ 2 ）组合螺旋浆推力计算模型
HR — 1 型 ROV 共有五个螺旋浆，其中，四个螺旋浆水平布置，一个螺旋浆垂直布置，具体布置如图 3 所示。水平布置的四个螺旋浆中，艏部的两个螺旋浆与纵轴的夹角为 45 O ，艉部的两个螺旋浆与纵轴的夹角为 40 O 。 则 ROV 各方向的螺旋浆组合推力分别为：
（ 9 ）
（ 10 ）
（ 11 ）
（ 12 ）
计算中，应根据螺旋浆正、反转和如下所设置的动坐标系确定（ 5 ）式中的正负号（前进、右移、右移为正），并忽略 ROV 做曲线运动时对水动力的影响。
• 操纵模型参数估算方案
操纵模型中的各项参数估算采用 ROV 自航试验的方法，其基本方案如图 4 所示。
三．试验方案与结果
根据操纵模型参数估算方案，所需进行的试验项目有：
（一）各螺旋浆转向、转速测量
• 试验目的：掌握在 ROV 各种操纵模式下的各螺旋浆转向及转速分配。
• 试验方法
• 转向判断：在陆上 ROV 低工况操纵条件下，根据纸条摆动方向判断各螺旋浆的转向。
• 转速测量：使用数字式转速测量仪，在陆上 ROV 低工况操纵条件下测量各螺旋浆的转速。
• 试验结果
共进行了 28 种 ROV 运动模式下的螺旋浆转向和转速测量，其中， 12 种为单一运动模式， 16 种为组合运动模式，具体内容如表 1 所示的。
表 1 30 种 ROV 运动模式
| | 前进 | 后退 | 左移 | 右移 | 左前移 | 右前移 | 左后移 | 右后移 | 上浮 | 下潜 |
| 左转 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | | |
| 右转 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | | |
（二） ROV 系柱拖力试验
1 ．试验目的：根据 ROV 系柱拖力试验结果与理论计算结果的比较，修正螺旋浆 K T 曲线。
2 ．试验方法：使用拉力测量仪测量 ROV 系柱拖力。
• 试验结果
分别进行了 ROV 前进和后退的系柱拖力，分别用于修正螺旋浆正、反转的 K T 曲线。经试验修正的螺旋浆正、反转的 K T 曲线回归方程如下：
（三）速度测量试验
1 ．试验目的：根据速度测量数据，估算 ROV 运动阻力。
2 ．试验方法：在匀速运动段测量固定距离的运动时间。
3 ．试验结果
分别进行了各不同螺旋浆转速下的 ROV 前进、后退、横移的速度测量，根据试验结果，建立了 ROV 各向运动阻力回归计算公式。
（四）加速度测量试验
1 ．试验目的：根据加速度测量数据，估算 ROV 运动的附连水质量。
2 ．试验方法：在加速运动段测量固定距离的运动时间。
3 ．试验结果
分别进行了不同螺旋浆转速下的 ROV 前进、后退、横移的加速度测量，根据试验结果，对 ROV 各向运动的附连水质量进行了估算。
（五）一般航行试验
1 ．试验目的：根据测量数据，估算 ROV 潜浮和转动运动阻力和附连水质量。
2 ．试验方法
• 测量上浮运动的全过程的运动时间。
• 测量转动运动的全过程中各固定转动角度的运动时间。
3 ．试验结果
分别进行了各不同螺旋浆转速下的 ROV 上浮、右转的运动时间。
四．仿真计算
• 仿真计算流程
仿真计算流程如图 5 所示。
图 5
• 模型数值算法
式（ 1 ）微分方程组的求解采用四阶龙格—库塔法。
五．结论
本项研究采用 ROV 自航试验的方法建立了 ROV 操纵运动模型，并进行了操纵运动仿真计算。计算结果表明：所建立的操纵运动模型的仿真计算结果与 ROV 在基本运动模式下的试验测量结果具有很高的一致性。今后的工作是进一步提高模型在组合操纵模式下的仿真计算的准确性，这一点有待于相应试验条件的完善。
参考文献：
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（ 1 ） 
