无人水下航行器陆地模拟试验系统

地模拟试验系统。这一试验系统由池体、水深模拟模块、障碍物模拟模块和检测系统组成。池体、水深

模拟模块和障碍物模拟模块用于模拟试验对象的运行环境通过可升降假底模拟水深变化通过池底滑 块和滑道模拟障碍物。检测系统包括测量单元、数据采集和处理单元、数据传输单元、控制单元和数据

，，输出单元。这一试验系统通过测定俯仰角、偏航角及横滚角等参数，为无人水下航行器的设计和改进提 供技术参考#文章编号：1000 -4998(2020)02 -0080 -03关键词：无人水下航行器模拟试验设计中图分类号：TH6：U674.941 文献标志码：A

Abstract: In ordrr to compensaSr for thr shoicomings duing ocean simulation test such as thr diVicult

data acquisition, larar data volume and complicated environment, a land simulation test system for UUV was

designed. This test system consists of a pool body, a modulr to simulaSr watrr depth, a modulr to simulaSr

obstaclrs, and a detection system. Thr pool body, thr modulr for watrr depth simulation and thr modulr for obstaclr simulation are used to simulatr thr operating environment of thr test object, vv—ation of thr watrr depth ean besomueated bseeevatoon and subs oden ee the a ese bo tom , and theobstaeeeossomueated thaough the sliding block and thr s—deway at thr bottom of thr pool. Thr detection system includrs a measurement unit, a data acqudidon & processing unit, a data processing unit, a control unit, and a data output unit. Thd test

system pmvidrs technical reference for thr design and improvement of UUV by measu—ng parameters such as

pitch anglr, yyw anglr and mil anglr.Keywordt: UUV Simulation Test Design成，池体、水深模拟模块和障碍物模拟模块为试验对象

1设计背景水下航行器的研究工作始于二十世纪四五十年 代，最初为研制载人水下航行器。从二十世纪六十年

提供模拟的运行环境，检测系统包含测量单元、数据采 集和处理单元、数据传输单元、控制单元和数据输出单 元，主要测定俯仰角、偏航角及横滚角等参数。代开始，研制遥控水下航行器(ROV)。最近20年的 研究重点为发展自主式水下航行器(AUV)。ROV和

2运行环境模拟2% 池体池体尺寸为3 mx1.5 mx1.5 m,池体四周材质

AUV统称为无人水下航行器(UUV)⑴。无人水下航行器在海军作战、海洋环境研究及海 洋资源探测方面具有广泛的应用前景。无人水下航行

为有机玻璃。池体底部为采用钢板制作的假底结构， 通过导向装置进行顶紧固定(5),并采用液压升降装置 控制升降。试验对象采用等比例缩比模型，以水下

器航行过程中的障碍识别和路径规划尤为重要，但海 洋模拟存在试验数据采集困难、数据量大、环境复杂、

试验对象易丢失等不足z ,对此，笔者设计了一个陆 地模拟试验系统，主要测定在水深变化和出现障碍物

航行布雷器为例，按照1：制作缩比模型。水下航行 布雷器由高自由度旋转装置固定在托槽中，即采用单

时的航向变动，方便观察试验对象导航、打舵、深度控 制及躲避障碍物的精准度。这一陆地模拟试验系统由

个滚珠固定在类轴承结构中，以减小转向打舵时的外 部阻力及干扰，满足在模拟试验中的测定需求⑺。池

池体、水深模拟模块、障碍物模拟模块和检测系统组

2020582体结构如图1所示。80 |

,()总第666期机植制造®诫验■植测电路送入数字信号处理器进行处理，运算后各项测量

值显示在液晶显示屏上23水深模拟模块体底部采用液压升降装置控制假底升降，假底

上升时模拟水下航行布雷器下潜过程，假底 模

▲图4检测系统原理拟水下航行布雷器上浮过程。水深模拟模块结构如图

32 测量单元2所示。件（10」]，测

增量型光电编码器作为角位置测量元

仰角、偏航角及横滚

参数，对在航障碍识别和路径规划的精确度

o 模拟试据辨率、转动量和机械结构，选择号为

ZKT-59的光电编码器。32 数据采集和处理单元据采集

单元包括数字信号处理器、电源、时钟

23 障碍物模拟模块扩存储器等。舵机的偏

度

动短时、快速，对，因此用信号的采集

TMS320LF2407A型数字信号处理器作为系统的核心 处理器。该处理器指

障碍模拟模块由若干自定义形状的滑块和滑道组 成， 滑块可模拟不同 的水下障碍物。滑块置

期为2.5 ms，实 控 I运设能力强，具有丰富的硬 编

于池底,由机械装置 滑动控制。滑块滑向水下航雷器模型近端时，模 障碍物障碍物模拟模块如图3所示⑻'n 口，内置正交电编码n冲电路，不需其它辅助电路就可

近&况。滑块滑 器的 信号，还具有转向判别和四倍频功能。采用向水下航 雷器模型远 ，模 障碍物远离&况。

10 MHz有源晶振，经LF2407A内部锁相环倍频之后达

到频率为40 MHz的&作时钟。采用MAX811型电源 控器

电

复位控制操作。采用CY7C1021型静态随机存取存储器作为外扩存储器，

具有64 KBytc X 16 bit的存储空间，读写周期为12 ns，

信号

器能够对其

写。外扩存储器设于数字信号处理器的外部总 跳线与

，片选端口通过信号 器的PS DS 相连，可为 存 器 据存 器 用 。3.3数据传输单元3检测系统检测系统原理如图4所示。无人水下航行器的舵 机固定在测

光电编码器&作电压为+5 Vo编码器的正交信

号 位信号分别经74LVC245

信号

片 电 换后送 存储示波器的正交编码脉冲电路单元和捕，加 的 固定， 通获单元。传感器的 3.4 控制单元屏蔽 ，以节与舵机 相连，并随舵机轴偏 的较链力矩（9] o

变形的抗干扰能力。来模拟舵机所 部220 V、50 Hz交流电经交直流转换器转换为稳定的直流电压，为系

电。光电编码器安装在舵机

的近端，用于前需设置系统的配置，例如采样周期等。测

量中为实现在任意位置的相对零位建立、绝对/相对位

感知角度变化，同时转换为正交脉冲数字信号，经n 口 置切换、60进制/10进制显示切换和液晶显示清零等

2020582)

fflJO!lisL^\"666 #,(| 81功能，系统采用四个独立的键盘来分别进行控制。在 系统工作的配置阶段和测量阶段，键盘所实现的功能 是不同的，可通过在软件上设置不同阶段的标志变量 来判断键盘处于何种阶段，可实现何种功能。弹箭与制导学报，2011，31(3) ：49 -52.[3 ]康凤举，何军红，李皓，等.水下航行器系统分布交互仿真

技术研究[J].系统仿真学报，2001(2) ：150 -152.[4 ]任宇飞，吴玉泉，李宇，等.水下无人航行器主动目标自动

检测方法研究[J].船舶力学，2019,23(2) ：227 -233.3.5数据输出单元数据输出单元用于显示参数名称及测量值,参数

[5 ]练继建，燕翔，练冲.一种水下振动台地形模拟假底和分

区结构：201810632648.9[ P] .2018 -11 -02.名称用汉字显示，测量值通过字符显示。为满足显示 容量的需求,采用240 x 128点阵式液晶模块，内置

[6 ]李钊，杨侠，韩t 一种海洋工程可升降水池假底：

201810379242.4[ P] .2018 -08 -24.T6963C型控制器,包含美国信息交换标准代码字符发 生器，每屏可显示15 x 8个汉字或30 X16个字符，能

[7 ]唐建强.水下无人航行器半实物仿真系统设计与实

现[D].西安洒安电子科技大学，2014.够同时显示指标要求的各项测量信息。数字信号处理 器采用间接控制方式控制液晶模块，液晶显示采用5 V电压器件，与数字信号处理器之间需加入电平转换

[8 ]杨志维，王小春，刘春，等•水下无人航行器壳体抗毁伤性

能的数值仿真研究[J].机械制造，2019,57(3)：37-41.[9 ]李朋，周军，高智刚.舵机转角精确测量系统的设计[J] •

单元以避免处理器损坏。4结束语无人水下航行器陆地模拟试验系统设计方案包含

测控技术,2012,31(6) ：18 -21.[10] 王天昊.低成本水下无人试验平台优化设计研究[D].哈

尔滨:哈尔滨工程大学,2019.[11] 李震，宋敏，韦正现，等.水下动平台与无人航行器的对接池体、内部结构和测量系统硬件，可模拟水下航行器在 水深变化及出现障碍物时的工况，测定航行器俯仰角、

路径生成方法[J].舰船科学技术,2019,41 (9)：39 -43,

48.

偏航角及横滚角等参数，为无人水下航行器的设计或 改进提供必要的试验数据。'收稿日期：2019年10月

作者简介：参考文献[1 ]王旭超.新型水下航行器建模与运动控制研究[D].太

李超(1987—),男，助理工程师，主要研究方向为装备技术 与管理。(编辑岚)原:太原科技大学，2018.[2 ]李和.水下自主航行器半实物仿真系统设计与实现[J] •我国最大潮流能发电机组研制成功日前,从自然资源部海洋战略规划与经济司传出

常大’哈电电机600 kW潮流能发电机组的成功制造,

好消息，哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司承担的 海洋可再生能源资金项目“600 kW海底式潮流发电机

对解决我国乃至全球偏远海岛的能源供应、海洋水下

监测仪器供电等问题，以及潮流能的市场化应用具有

整机制造/通过专家组验收，标志着我国最大的单机 容量600 kW的潮流能发电机组制造成功，我国潮流 能机组研制水平迈上新台阶°“600 kW海底式潮流发电机整机制造/项目是哈

重大意义’在600 kW潮流能发电机组研制中，哈电电机充分 考虑了机组的可靠性与可维护性，创新设计了竖井结 构，使人员能够进入机组内部进行及时检修维护，解决

电电机2010年与国家海洋局签订的海洋可再生能源 项 项目 ， 项目 目 为通 项 国 潮 能发电 键设 整 机

，的技术水了潮流能机组维护难的问题。在机组密封、防污&防

腐、传动系统等关键环节上采用了先进技术，提高了机 组运行的安全性和稳定性，同时还增强了对台风等恶

与 能力， 实现 600 kW 海底式潮 发电机整机

劣环境的应对能力’2019 年9 9 ， 电电机 600 kW 潮 能发电

的国产化生产’与太阳能、风能、波浪能等可再生新能源相比,海

机组在浙江舟山摘｝山海域开展海试°现场示范运行 结果显示，这一机组水电能量转换效率达37%，起动

洋潮流能规律性较强，能量稳定,具有较高的开发价 值’但由于能源分散、能源密度低，以及海洋环境严酷 等原因，研制能够有效利用潮流能的发电机组难度非

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流速仅为0.51 m/s,均为国内领先水平°(《科技曰报》)2020,58(2)总第666期机植制造®