自主水下航行器折叠天线设计

2021-01-27严天宏申洪彬刘继鑫

机械设计与制造 2021年1期

严天宏，申洪彬，何波，刘继鑫

（1.中国计量大学机电工程学院，浙江杭州 310018；2.中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛 266100）

1 引言

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作为一种移动的海洋监测平台，本身具备使用成本低，监测范围广，下潜深度大等优点，已成为海洋资源的勘测、利用的重要工具[1-3]。目前大部分AUV 使用电池作为驱动能源，但是AUV 携带的能源是有限的。因次，降低外形阻力是提高AUV 航程的有效办法[4]。水下航行器的阻力大部分来源于天线、吊装环等附体。部分AUV 天线引起的阻力甚至达到了整体阻力的10%[5]。AUV 天线是不可或缺的，AUV 通信主要是依靠天线来完成。AUV 的天线主要是在浮出水面后与对应的母船进行信息传递与指令的接收。但是AUV进入水下航行时，天线的通信将被海水屏蔽，这就使得自主水下航行器在水下航行时天线不发挥任何作用，只有在浮出水面的短时间内完成信息传递。然而天线在运行过程中始终存在较大的阻力。自主水下航行器天线的高度与其产生的阻力成正比，与天线的通信效果成反比，所以为保证通信效果不能无限的降低天线的高度。因此介绍一种可折叠天线，该天线在水下航行时保持折叠状态，需要通信时伸出保持直立状态。有效的解决了天线阻力与通信效果成反比的缺点，并且解决了自主水下航行器天线存在的大阻力问题，使自主水下航行器整体阻力减少（5～10）%，有效的增加了航行速度和航行距离。

2 传统AUV 阻力分析

2.1 模型建立

为了保证AUV 主体的水阻力较小，外形采用Myring 线型建模。现选取直径324mm，艉部长度600mm，艏部长度500mm，总长3700mm，作为AUV 模型的基本数据，除此之外艉部需要确定艉部包角θ，艏部需要确定锐度因子m。m=1 时，艏部曲线为抛物线，m=2 时艏部曲线为椭圆，由于艏部为椭圆型水阻力较小[6-8]，故选取m=2。由于θ 过小，艉部线型易出现拐点，而θ 过大易出现艉部半径先变大后变小的情况，这种情况的水动力性能复杂难于研究[9]，故现取θ=25°建立AUV 主体（不包含外附体）外形的基本模型。传统AUV 的外附体主要包括尾舵、天线、声通、吊装环等零部件，根据传统传感器的实际尺寸建立声通模型，根据250KG 级的AUV 建立吊装环模型，尾舵使用NACA0012 曲线进行建模。AUV 天线主要用于安装GPS、铱星、WLAN 等通信设备，根据通信设备的安放位置耐压强度等因素建立传统天线模型。建立的AUV 模型图，如图1 所示。

图1 传统AUV 外形实物图Fig.1 The Shape of the Traditional AUV

2.2 仿真计算

将该AUV 模型导入ICEM 进行网格划分，本采用非结构化网格对建立的模型进行网格划分，由于四面体网格能很好的贴合复杂的几何模型，且生成简单，故选用体网格类型为Tetra/Mixed，表面网格类型为三角形网格。

网格生成后导入fluent 中，设定入口为速度入口，出口为压力出口，压力值为0。由于标准的k-ε 假定湍流为各向同性的均匀湍流，所以在旋流等非均匀湍流问题中存在较大误差[10-11]，所以物理模型选用RNG k-ε 模型。然后模拟了不同速度下的阻力值，如表1 所示；得到的传统AUV 的压力云图，如图2 所示；得到速度云图，如图3 所示。

表1 AUV 主体与天线阻力数值对比表Tab.1 Numerical Comparison of AUV Body Resistance and Antenna Resistance

图2 传统AUV 压力云图Fig.2 Pressure Cloud of Traditional AUV

图3 传统天线2m/s 时速度云图Fig.3 Speed Vector of Traditional AUV

综合表中数据可以看出：AUV 运行过程中主体阻力和AUV附体的阻力都随速度的增长而快速增长，但是天线阻力始终超过其他附体阻力占主体阻力的17%左右，是AUV 外附体阻力的主要来源。从图2 的压力云图以及图3 的速度云图中也可以看出AUV 阻力的主要来源是头部的迎流面，以及天线、水声通信等附体。天线迎流面的高度较高和宽度较大直接导致了天线形成较大阻力。天线内部需要安装通信设备，还需要具备加高的耐压强度，直接导致天线的尺寸很难缩减，为保证通信效果，天线的高度也不可能无限降低，所以传统的AUV 天线很难降低大幅阻力。

2.3 经验公式计算

AUV 的外形阻力可以根据以下经验公式计算：

式中：ρ—AUV 周围流体的密度；Cd—阻力系数；Af—迎流面积；v—航行速度。

将流体密度1.025kg/m3，AUV 迎流面积 0.09m2，各个航速以及各个航速下的阻力系数带入公式计算得到结果对比图，如图4所示。

图4 数值仿真与经验公式计算结果对比图Fig.4 Comparison of Numerical Simulation Results and Empirical Formula Results

3 折叠天线机构设计

传统的天线除了存在大阻力问题还会对尾流场造成影响。传统的AUV 天线一般位于整个AUV 的中部稍偏后位置。由于天线的存在会容易使艉部流场形成不稳定流动区域，即马蹄涡。马蹄涡在传播过程中会对下游流场产生影响，造成尾部伴流场的不稳定[12-15]，从而增加螺旋桨的噪声及功率。

为了解决上述问题，折叠天线设计至少需要满足以下三项指标：（1）折叠所需要的扭矩较小最好在2NM 之内；由于驱动机构提供的力矩一般与其空间的尺寸成正比，小的驱动力矩保证驱动机构不占用太大空间；（2）折叠后天线在运行过程中产生较少或者不产生阻力；（3）折叠天线需要具备足够耐压的空间用来放置GPS、铱星、WLAN 以及电台等天线。为实现上述设计指标，采用四杆机构来实现折叠天线的设计，由于折叠天线需要有90°的摆动角，有两种方案满足要求，一种是双摇杆机构，另一种是曲柄摇杆机构。驱动机构采用舵机驱动，整个天线机构位于透水舱段内，这样保证天线折叠后完全嵌入AUV 舱体内外形保持与AUV主体舱段一致。天线主体上设计单独小舱室用于安装各种天线，舵机驱动机构采用单独密封舱密封。用图解法设计的双摇杆机构折叠天线结构图，如图5 所示。

图5 双摇杆机构设计的折叠天线模型图Fig.5 Folding Antenna Model Diagram Designed by Double Rocker Mechanism

该机构设计的折叠天线装置空间占用较少，只占用了AUV舱段的上部分的空间，结构较为紧凑，透水舱段下部可以用来安放深度计、高度计、DVL 等AUV 用的传感器，适用于透水舱段传感器数量较多空间较紧张的AUV 使用。

根据机械设计手册[16]中，最小传动角具有最大值的条件设计曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构的各杆长度根据以下公式计算：

式中：a—曲柄长度；b—连杆长度；c—摇杆长度；d—机架长度；Ψ—摇杆c 两极限位置的夹角；φ—摇杆从一个极限位置到另一极限位置曲柄转过的角度；β—摇杆在远极限位置时曲柄与机架间的夹角。

根据摇杆摆动角度大于90°，曲柄角度小于180°的条件，由机械设计手册中最小传动角具有最大值设计曲柄摇杆机构线图，选定 β=30°，Ψ=90°，φ=165°，根据天线的高度定 c=165mm，从而得到a=114.3mm，b=211.8mm，d=257.2mm 由此得到的折叠天线模型图，如图6 所示。

由图可以看出曲柄摇杆机构设计的折叠天线与双摇杆机构设计相似，各部分组成一致，主要的区别在于曲柄摇杆设计的折叠天线连杆较长，使得驱动机构在透水舱的中下部，折叠以后下部的空间比较紧张基本放不下传感器等其他设备，这种设计适合于携带传感器不多、空间较充足的AUV。

图6 曲柄摇杆机构设计的折叠天线模型图Fig.6 Folding Antenna Model Designed by Crank Rocker Mechanism

4 折叠天线运动学与动力学分析

将两种方案设计的折叠天线分别用SolidWorks 建立好模型后，以parasolid 文件格式的形式导入Adams 软件中，将两连杆分别命名为L1和L2，将天线的命名为L3，将舱体简化后的模型命名为L4。在各个连杆之间添加旋转副，L4添加固定副使L4固定，给L1、L2、L3施加重力，给 L2与 L4节点处的旋转副添加驱动，角速度为1 度每秒。然后运行Adams 对折叠天线的升起过程进行仿真，得到的驱动机构力矩与天线角速度曲线，如图7 所示。

图7 折叠天线的角速度与驱动机构力矩变化曲线图Fig.7 Curve of the Angular Velocity of the Folded Antenna and the Torque of the Drive Mechanism

由图7 可以看出两种方案设计的折叠天线的动力学特性基本一致，随力矩的增大角速度也不断增大。从两种方案的驱动力矩看，双摇杆机构的最大力矩为1.9NM 左右，而曲柄摇杆的最大力矩为1.6NM 左右，曲柄摇杆所需要的力矩稍小一些。从天线运动的角速度来看，曲柄摇杆的角速度变化范围较小，在1.25°之内。双摇杆机构速度变化在2.4°之内。双摇杆设计的机构虽然力矩稍大于曲柄摇杆机构但是双摇杆机构的天线没有速度的突变，可以看出双摇杆机构的折叠天线在运行过程中不会出现振动等不良影响，力矩也没有发生突变，不会对驱动系统造成功耗，电流等参数的突变，整个系统工作相对平稳。

5 折叠天线耐压强度分析

折叠天线主要由驱动机构、连杆传动机构以及天线主体，三大部分组成，驱动机构是通过单独的密封舱密封于AUV 透水舱段内部。天线主体主要分成两部分设计，一部分位于最顶端用于安放GPS 等定位装置，另一部分是独立的圆柱棒置于天线立杆位置用于安放WLAN 等通信设备。每个小的舱室都进行单独的密封，通过水密插头将通讯设备的线连接到AUV 内部，保证密封的可靠性。AUV 在正常水下航行时天线处于折叠状态，天线主体外形与AUV 外形重合，保证AUV 外部无突出附体不产生运行阻力。同时水下运行时处于折叠状态也避免了天线发生撞击的可能性。保证天线系统的可靠性。当AUV 浮上水面需要与母船进行信息传递或者指令接收时，驱动系统带动连杆机构使天线缓慢竖起，从而达到通信效果。这种设计合理的解决了AUV 天线通信效果与航行阻力成正比的问题。为验证折叠天线的耐压性能。使用SolidWorks 对折叠天线进行了静应力分析，按照1500m 深度级的AUV 设计，安全系数取1.5 倍，给天线施加压力22.5MPa。由于天线是通讯设备，不能选用金属材料故选用聚醚醚酮（PEEK），仿真得到的应力图，如图8 所示。位移图，如图9 所示。

图8 折叠天线应力图Fig.8 Stress Simulation Analysis of Folding Antenna

图9 折叠天线静态位移图Fig.9 Static Displacement Simulation of Folded Antenna

PEEK 材料为韧性材料屈服强度100MPa，但是目前应用最广的为加碳纤维强化的PEEK 材料，经过碳纤维强化PEEK 的最大拉伸强度变为240MPa，同时当强化后的PEEK 材料变为脆性材料，达到最大强度240MPa 后立刻断裂[17]。折叠天线选用了碳纤维增强的PEEK 材料。从图8 应力仿真图中可以看出折叠天线的最大应力值为123.5MPa，应力不超过240MPa，且最大应力出现在螺纹孔处。从图9 中可以看出最大位移为0.5mm，说明强度设计满足设计要求。