王晓鸣

（1．天津科技大学 机械工程学院，天津 300222；2．天津大学 机械工程学院，天津 300072）

混合驱动自主潜航器续航能力分析

王晓鸣1，2

（1．天津科技大学 机械工程学院，天津 300222；2．天津大学 机械工程学院，天津 300072）

混合驱动自主潜航器融合了自主潜航器机动灵活和水下滑翔机续航能力强的优点，针对自身携带能源有限的问题，对在两种工作模式下如何实现最大航行距离进行了研究。从航行过程中的能源消耗入手，得出航行距离与速度、电子设备功率等的关系，通过理论分析和仿真手段得出最大续航能力的实现方法。在螺旋桨驱动模式下，当以经济航速航行时，可以达到最大航行距离；在浮力驱动模式下，当以最大滑翔效率航行时，水平方向上的滑翔距离最大，并且水平方向上的滑翔距离随着剖面深度的增大而增大，当剖面深度大到一定程度之后，最大滑翔距离趋于恒定。该研究方法可为类似水下航行器电源管理系统的能源分配提供参考，也可为航行器外形的设计和传感器的选型提供理论指导。

混合驱动自主潜航器；续航能力；螺旋桨驱动；浮力驱动；经济航速；滑翔效率

自主潜航器（Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV）采用动力定位和航行姿态控制技术，能够获得良好的操纵性，但由于螺旋桨的能源消耗较大，需要携带大量的电池，难以实现小型化，续航能力较差，最大为数百千米；与自主潜航器相比，水下滑翔机（Autonomous Underwater Glider，简称AUG）具有两方面的优势：续航能力强和具有垂直剖面走航测量的功能，具有良好的探测能力，水下滑翔机的续航里程很容易达到1 000 km以上，但其缺点是操纵性较差，定位精度很低，很难准确保持任务航迹［1-4］。由于自主潜航器和水下滑翔机存在各自的优缺点，目前水下航行器正在朝混合方向发展，主要是AUV和AUG混合。在这个基础上研发成功了混合驱动自主潜航器（Hybrid Autonomous Underwater Vehicle，简称HAUV），本文主要分析HAUV的续航能力［5-10］。

1　HAUV介绍

本文开发成功的HAUV主要由9部分组成，如图1所示。

图1　HAUV结构布局图

混合驱动使HAUV同时具有AUV和AUG的优点，并克服了各自的缺点，续航里程长，同时具有动力定位能力，有利于完成深远海的精确探测任务。针对海洋探测任务的需要，可搭载CTD、浊度计等海洋环境观测仪器，在需要探测的航线上自主航行，探测深海剖面的温度、盐度和浊度的信息。探测过程中，根据数据的变化情况和任务指令可以随时转化为螺旋桨推进模式工作，对局部区域海洋数据进行精细探测。

HAUV的工作过程如图2所示，首先将HAUV由海洋考察船放入特定的海域，HAUV在浮力驱动模式下进行大范围的目标搜索；当HAUV接近预定目标后，则变换为螺旋桨驱动模式航行，在螺旋桨驱动模式下可以进行高精度定位，并能够按照浮力驱动模式无法实现的精确轨迹航行。

图2　HAUV工作策略示意图

HAUV的能源供给系统由3块电池构成：（1）24 V锂离子电池，其容量为28 Ah，用于给控制系统及传感器供电；（2）24 V镍氢电池，其容量为28 Ah，用于给浮力驱动泵及姿态调节装置供电；（3）48 V镍氢电池，其容量为14 Ah，用于给螺旋桨及舵机供电。如何利用自身携带的有限能源实现航行距离的最大化将是本文的主要研究内容。

2　螺旋桨驱动模式下的续航能力分析

在螺旋桨驱动模式下，24 V锂离子电池和48 V镍氢电池处于工作状态，24 V镍氢电池不工作或工作时间很短，所以暂不考虑24 V镍氢电池的消耗。

在螺旋桨驱动模式下，定义如下变量：S为HAUV的航程，m；ηp为HAUV推进系统的效率；F为HAUV的航行阻力，N；Pd为推进系统的有效功率，W；Pe为用48 V镍氢电池供电的其他电子设备的功率，W；VT为HAUV的巡航速度，m/s；We，Wd，WN48为其他电子设备、推进系统及系统的总能耗，J；t为续航时间，s。

HAUV的航行阻力可以近似表达为：

推进系统的总能耗：

Wd=Pdt/ηp=FVTt/ηp=FS/ηp，其他电子设备的总能耗We=Pet，所以有：

HAUV的总航程：

总航行时间：

HAUV推进系统的效率ηp=0.4，除螺旋桨之外其他电子设备的功率约为Pe=40 W，系统的总能耗等于48 V镍氢电池所能释放出的总能量WN48=48× 14×3600=2.4×106J，则航程和速度的关系如图3所示。

图3　螺旋桨驱动模式下航速与航程的关系

总航程对速度求一阶导数，得：

令S（VT）’=0，即可以求出航程最大时所对应的经济航速：

对应的最大航程为：

总航行时间：

而控制系统和传感器的总功率约为PS=8 W，24 V锂离子电池的总能量WL=24×28×3 600=2.4×106J，锂离子电池的续航时间为所以，HAUV可以在经济航速下完成最大航程约36.6 km。

3　浮力驱动模式下的续航能力分析

在浮力驱动模式下，24 V锂离子电池和24 V镍氢电池处于工作状态，48 V镍氢电池不工作或工作时间很短，所以暂不考虑48 V镍氢电池的消耗。

续航能力分析和螺旋桨驱动模式下类似，定义如下变量：

S为HAUV在水平方向上的航程，m；Pb为液压泵的有效功率，W；ηb为液压泵的效率；Pf为姿态调整系统的功率，W；Vx为HAUV在水平方向上的速度，m/s；Vy为HAUV在纵垂方向上的速度，m/s；d为剖面深度，m；Wf，Wb，WN24为姿态调整系统、泵及系统的总能耗，J；t为续航时间，s。

由于向上滑翔时和向下滑翔时的速度相差不大，简单起见，用向下滑翔代替HAUV的全部工作过程，则完成一个剖面的时间

泵在一个剖面过程中的工作时间约为t2≈50 s，则泵的平均功率；姿态调整系统的实耗功率Pf≈30 W，其在一个剖面过程中的工作时间为t3，则其平均功率。泵消耗的能量Wb=P'bt，姿态调整系统消耗的能量Wf=P'ft，所以有

液压泵的功率：

式中：Q为液压泵流量，L/min；PS为系统压力，bar。

本文暂不考虑泵效率随深度的变化，将其作为定值，分析理想情况下滑翔距离与控制参数的关系。

在滑翔过程中，姿态调整系统并不实时调整姿态，只是将横滚重物转到平衡横滚重物转角，平移重物移动到某固定位置，做自由滑翔运动。这种情况下，在一个剖面过程中姿态调整系统的工作时间t3≈20 s。

由式（16）可得：

图4　最大滑翔距离与剖面深度的关系

HAUV滑翔效率最高时水平方向上的速度约为Vx=0.25 m/s。如果控制系统连续工作，则HAUV的最大滑翔距离同时受24 V镍氢电池续航时间和锂离子电池续航时间的限制，当24 V镍氢电池续航时间足够时，最大滑翔距离由锂离子电池的续航时间决定Smax=Vx×T×3.6=73.8 km。将Smax=73.8 km、Rmax=1.41［5］代入式（19）可求得临界剖面深度dl=17.8 m。

当剖面深度d≤dl时，控制系统可以连续工作，HAUV以最高滑翔效率滑翔时的滑翔距离最大；当剖面深度d＞dl时，HAUV以最高滑翔效率滑翔时，24 V镍氢电池的续航时间大于锂离子电池的续航时间，为了实现滑翔距离的最大化，控制系统应采取间歇工作策略，即每隔10 s或更长时间工作一次，记录必要的传感器数据，然后进入休眠模式，则锂离子电池的续航时间将大大延长，可以完成最大滑翔距离。

HAUV的极限滑翔距离与螺旋桨驱动模式下的航行距离相当，并没有充分体现出浮力驱动的优势，这主要是由于选用的皮囊容积（V=1.5 L）太大引起的，较大的皮囊容积使得HAUV的滑翔速度快、机动性好。但是，由于由式（14）可知，液压泵的功耗与皮囊容积成正比，在自身携带能源一定的情况下，由式（19）极限滑翔距离与皮囊容积成反比。

图5　极限滑翔距离与皮囊容积的关系

4　结论

本文分析了混合驱动自主潜航器最大续航能力的实现方法。在螺旋桨驱动模式下，其经济航速为0.9 m/s，对应最大航行距离36.6 km。在浮力驱动模式下，水平方向上的滑翔距离与滑翔效率和剖面深度相关，滑翔效率越高、剖面深度越大，水平方向上的滑翔距离越大，但当深度增大到一定程度后（500 m），最大滑翔距离趋于恒定，为116 km；在其他条件不变的情况下，混合驱动水下自航行器在水平方向上的最大滑翔距离与皮囊容积成反比。

图6　HAUV航行照片

本文所开发HAUV只是一个原型样机，其能源供给系统分为3个部分：控制系统电源、浮力调节系统电源和螺旋桨电源，而其他类似水下航行器的开发过程中，基本都会采用一个集中能源系统，并采用电源管理系统给各个部分分配电源，本文研究方法不仅可为电源的合理分配提供参考，在设计完成的情况下，除推进系统外的电子设备的功耗决定了经济航速和最大航行距离，电子设备的工作时间又决定了可采集的数据量，可采用本文方法对能源进行有效的分配，在完成必要信息采集的基础上，使航程达到最大，或在航程满足要求的前提下，采集尽可能多的数据；除此之外，本文研究方法还可应用在潜器的设计初期，为传感器的选型和外形设计提供理论指导。

［1］蒋新松，封锡盛，王棣棠.水下机器人［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2000.

［2］燕奎臣，李一平，袁学庆.远程自治水下机器人研究［J］.机器人，2002，24（4）：299-303.

［3］BachmayerR，LeonardN，GraverJ，etal.UnderwaterGliders:RecentDevelopmentsandFutureApplications［C］//UnderwaterTechnology，2004，UT'04.2004 International Symposiumon，2004：195-200.

［4］Sherman J，Davis R E，Owens W B，et al.The Autonomous Underwater Glider“Spray”［J］.IEEE Journal ofOceanic Engineering，2001，26（4）:437-446.

［5］王晓鸣.混合驱动水下自航行器动力学行为与控制策略研究［D］.天津：天津大学，2009.

［6］Hyakudome，Tadahiro，et al.BuoyancyControl for Deep and LongCruisingRange AUV［C］//Proceedings ofthe 12th（2002）International Offshore and Polar EngineeringConference，2002，12:325-329.

［7］Zhao Wen-De，Xu Jian-An，Zhang Ming-Jun.A Variable Buoyancy System for Long Cruising Range AUV［C］//2010 International Conferenceon Computer，Mechatronics，Control and Electronic Engineering，CMCE 2010，2010，2:585-588.

［8］Aoki，Taro，Yokosuka，Kanagawa，et al.Advanced Technologies for Cruising AUV Urashima［J］.International Journal of Offshore and Polar Engineering，2008，18（2）:81-90.

［9］Hobson，Brett W，Bellingham，et al.Tethys-Class Long Range AUVs-Extending the Endurance of Propeller-Driven Cruising AUVs fromDays toWeeks［C］//2012 IEEE/OESAutonomous Underwater Vehicles.

［10］Zhao Wei，Yang Can-Jun，Chen Ying.Design and Dynamic Performance Study of Buoyancy Regulating System of Autonomous Underwater Glider［J］.Journal ofZhejiangUniversity，2009，43（10）:1772-1776.

Analysis on the Cruising Ability of the Hybrid Autonomous Underwater Vehicle

WANG Xiao-ming1，2
1.College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300222，China；
2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China

The hybrid autonomous underwater vehicle（HAUV）has the advantages of high mobility of autonomous underwater vehicle（AUV）and outstanding cruising ability of autonomous underwater glider（AUG）.To resolve the problem of limited onboard electrical power，research is conducted on how to realize the maximal cruising range under two modes.Considering the energy consumption during the cruise，this paper derives the relationship among distance，speed and the power of electronic equipment.The method with which the maximal cruising ability can be obtained is developed through theoretical analysis and simulation.In the propeller-driven mode，the maximal range can be achieved with the economic speed.In contrast，in the buoyancy-driven mode，the maximal gliding range in the horizontal direction can be obtained with the maximal gliding efficiency，and the gliding range becomes larger with increasing profile depth.The gliding range tends to be constant when the depth is large enough.This method is helpful for the power management system of similar underwater vehicles，and can provide theoretical guidance for the configuration design and sensor selection.

hybrid autonomous underwater vehicle（HAUV）；cruising ability；propeller-driven mode；buoyancydriven mode；economic speed；gliding efficiency

P715；TP242.3

A

1003-2029（2016）01-0036-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.005

2015-09-20

王晓鸣（1981-），男，博士研究生，讲师，主要研究方向为机电一体化技术。E-mail：wxm@tust.edu.cn