第2期 王奎民：主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 .317. 理环境和水文环境。其中，地理环境主要指海底地 舵对航行器航行运动所产生的力和力矩是很复 形、障碍物等，构成了水下航行器航行的下边界；水 杂的，通常情况下水下航行器的舵作用力，只考虑舵 文环境包括海流、潮流、潮汐、内波、跃层、透明度、海 产生的阻力、力矩和升力。同时忽略他们之间的耦 水温度、海水密度、盐度、声速等，它们会影响水下航 合作用影响。舵的模型可以描述为 行器的航行安全和隐蔽性。众所周知，安全性是水 0 X86.X88.O Xs. 0 X 0 下航行器执行任务的基础，隐蔽性是对水下航行器 0 0 0 0 Y 0 Ya 8 执行任务的基本要求。而海洋中影响水下航行器安 Z 0 0 0 0 Zs. 0 全性、隐蔽性的要素众多，如果不考虑这些要素，轻 62 K 0 0 0 0 0 则会使水下航行器偏离航线、延长任务执行时间：重 N 0 则使水下航行器失去控制，造成重大损失)。复 M 0 0 0 0 Ms. 0 N 杂的水文环境要素不仅给水下航行器的航行作战带 0 0 0 0 0 来机遇也带来了挑战。本文以水下航行器为对象， 其中，各系数按照国际拖曳水池会议(TTC)标准。 重点探讨海流、透明度、跃层、内波等水文环境要素 推进器的模型可以描述为 对水下航行器航行安全的影响。 文章主要通过分析海流、透明度、跃层和内波等 i=a(Cr -nn) 主要海洋环境因素的成因和影响，以便在航路规划 T.=Crnn 的过程中更好地利用海洋环境有利的因素，避开或 式中：n表示螺旋桨的转速，Cra为常数，T、T。分 减少不利的因素。增强水下航行器在复杂海洋环境 别为期望与实际推力。 下的综合能力。 2各种海洋环境因素的分析 1 水下无人航行器及数学模型 2.1海流对水下航行器航行的影响 本文以典型的流线型水下无人航行器作为研究 海流亦称洋流，是指海洋中海水以相对稳定的 对象，AUV的主体为回转体。其中，执行机构包含 速度，沿一定的方向做大规模的非周期性运动。其 水平舵、方向舵、主推以及辅推等。 可以分为风海流、涡流、潮汐流、表层流及深层流等 因航行器在水中通过海水与舵角的作用力矩进 不同形式，其流动方向有水平方向，也有垂直方向。 行各种运动，所以复杂的海洋环境对海水与执行机 一般海流的大小和方向都是随季节的变化而不同， 构之间的作用产生复杂的非线性变化。对航行器的 随温度、盐度的升降而异。海流是水下航行器在水 安全形势起到很不利的影响。建立船体坐标系及固 下执行任务过程中最大的影响因素，因为海流的广 定坐标系如图1所示。 泛存在并且局部地区的海流不确定性，对航行器的 影响非常巨大。从自主控制角度来看，充分利用结 合海流的方向、流速、作用在航行器上的力和力矩， 将这些因素作为自主规划的约束条件是航行器自主 化水平的一个标准。从运动控制角度来看，海流作 为扰动项，是必须在运动过程中消除的因素。所以 通过对海流的建模实现在控制过程中利用或者抵消 图1船体坐标系及固定坐标系 海流的干扰是非常重要的智能方法。 Fig.1 Body coordinate and fixed coordinate systems 海流的数学模型可以简单描述为 水下航行器的数学简化模型为 u话=U.cosa+na (Mi+C(v)v+D(v)v+8()+80=T+Ta u。=U.sina+n n=J(n)v 式中：M、C(v)、D(v)分别表示惯性矩阵、科罗拉力 矩阵以及阻尼矩阵。？、T:分别为舵角产生的力力矩 u。7 以及海洋环境扰动产生的力和力矩。 ÷T-1 为了仿真的需要，建立水下航行器的执行机构 的数学模型。 目前对海流建模主要以定常流为主。在一个方理环境和水文环境。 其中，地理环境主要指海底地 形、障碍物等，构成了水下航行器航行的下边界；水 文环境包括海流、潮流、潮汐、内波、跃层、透明度、海 水温度、海水密度、盐度、声速等，它们会影响水下航 行器的航行安全和隐蔽性。 众所周知，安全性是水 下航行器执行任务的基础，隐蔽性是对水下航行器 执行任务的基本要求。 而海洋中影响水下航行器安 全性、隐蔽性的要素众多，如果不考虑这些要素，轻 则会使水下航行器偏离航线、延长任务执行时间；重 则使水下航行器失去控制，造成重大损失［１⁃３］ 。 复 杂的水文环境要素不仅给水下航行器的航行作战带 来机遇也带来了挑战。 本文以水下航行器为对象， 重点探讨海流、透明度、跃层、内波等水文环境要素 对水下航行器航行安全的影响。 文章主要通过分析海流、透明度、跃层和内波等 主要海洋环境因素的成因和影响，以便在航路规划 的过程中更好地利用海洋环境有利的因素，避开或 减少不利的因素。 增强水下航行器在复杂海洋环境 下的综合能力。 １ 水下无人航行器及数学模型 本文以典型的流线型水下无人航行器作为研究 对象，ＡＵＶ 的主体为回转体。 其中，执行机构包含 水平舵、方向舵、主推以及辅推等。 因航行器在水中通过海水与舵角的作用力矩进 行各种运动，所以复杂的海洋环境对海水与执行机 构之间的作用产生复杂的非线性变化。 对航行器的 安全形势起到很不利的影响。 建立船体坐标系及固 定坐标系如图 １ 所示。 图 １ 船体坐标系及固定坐标系 Ｆｉｇ．１ Ｂｏｄｙ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ａｎｄ ｆｉｘｅｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍｓ 水下航行器的数学简化模型为 Ｍｖ · ＋ Ｃ（ｖ）ｖ ＋ Ｄ（ｖ）ｖ ＋ ｇ（η） ＋ ｇ０ ＝ τ ＋ τｄ η · ＝ Ｊ（η）ｖ { 式中： Ｍ、Ｃ（ｖ）、Ｄ（ｖ） 分别表示惯性矩阵、科罗拉力 矩阵以及阻尼矩阵。 τ、τｄ 分别为舵角产生的力力矩 以及海洋环境扰动产生的力和力矩。 为了仿真的需要，建立水下航行器的执行机构 的数学模型。 舵对航行器航行运动所产生的力和力矩是很复 杂的，通常情况下水下航行器的舵作用力，只考虑舵 产生的阻力、力矩和升力。 同时忽略他们之间的耦 合作用影响。 舵的模型可以描述为 Ｘ Ｙ Ｚ Ｋ Ｍ Ｎ é ë ê ê ê ê ê ê ê ê ù û ú ú ú ú ú ú ú ú ＝ ０ Ｘδｓ δｓ Ｘδｒ δｒ ０ Ｘδｓ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｙδｒ ０ ０ ０ ０ Ｚδｓ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｋδｒ ０ ０ ０ ０ Ｍδｓ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｎδｒ é ë ê ê ê ê ê ê ê ê ê ê ù û ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú · ０ δ ２ ｓ δ ２ ｒ ０ δｓ δｒ é ë ê ê ê ê ê ê ê ê ê ù û ú ú ú ú ú ú ú ú ú 其中，各系数按照国际拖曳水池会议（ＩＴＴＣ）标准。 推进器的模型可以描述为 ｎ · ＝ ａ（ Ｔｄ ＣＴ － ｎ ｎ ） Ｔａ ＝ ＣＴ ｎ ｎ ì î í ï ï ïï 式中： ｎ 表示螺旋桨的转速， ＣＴ 、ａ 为常数， Ｔｄ 、Ｔａ 分 别为期望与实际推力。 ２ 各种海洋环境因素的分析 ２．１ 海流对水下航行器航行的影响 海流亦称洋流，是指海洋中海水以相对稳定的 速度，沿一定的方向做大规模的非周期性运动。 其 可以分为风海流、涡流、潮汐流、表层流及深层流等 不同形式，其流动方向有水平方向，也有垂直方向。 一般海流的大小和方向都是随季节的变化而不同， 随温度、盐度的升降而异。 海流是水下航行器在水 下执行任务过程中最大的影响因素，因为海流的广 泛存在并且局部地区的海流不确定性，对航行器的 影响非常巨大。 从自主控制角度来看，充分利用结 合海流的方向、流速、作用在航行器上的力和力矩， 将这些因素作为自主规划的约束条件是航行器自主 化水平的一个标准。 从运动控制角度来看，海流作 为扰动项，是必须在运动过程中消除的因素。 所以 通过对海流的建模实现在控制过程中利用或者抵消 海流的干扰是非常重要的智能方法。 海流的数学模型可以简单描述为 ｕ Ｅ ｃｘ ＝ Ｕｃ ｃｏｓ α ＋ ηｃｘ ｕ Ｅ ｃｙ ＝ Ｕｃ ｓｉｎ α ＋ ηｃｙ ｕ Ｅ ｃｚ ＝ ηｃｚ ｕｃ ｖｃ ｗｃ é ë ê ê ê ê ù û ú ú ú ú ＝ Ｔ －１ ｕ Ｅ ｃｘ ｕ Ｅ ｃｙ ｕ Ｅ ｃｚ é ë ê ê ê ê ù û ú ú ú ú ì î í ï ï ï ï ï ï ï ï ïï 目前对海流建模主要以定常流为主。 在一个方 第 ２ 期 王奎民：主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 ·３１７·