水下滑翔机及其应用技术发展

作者：刘雁集、杨勇、张桂臣

一、水下滑翔机简介

自主式水下滑翔机（AUG）是浮力驱动的、带翼的自主式水下航行器，常规运行速度约为0.5kn。AUG由壳体与内部执行机构2部分组成，壳体呈流线型，附带机翼，机翼产生升力，改变水动力的作用方向。内部调节机构通过改变机体中心位置产生俯仰角和横滚角等姿态角。AUG内部还有可以调节机体浮力的浮力调节装置，通过油液的内外传递，改变机体的体积，从而改变浮力。机体的浮力、姿态角和升力相结合，形成锯齿形的运动轨迹，运行形式如图1所示。

AUG运动形式

AUG有2种常用的转弯机制：⑴产生横滚角使升力方向偏转，形成侧向力，推动机体回转；⑵通过操纵尾舵产生侧向力实现回转。第1种回转方式受升力等多种水动力因素的影响，转弯半径通常较大；第2种回转方式回转半径小，但需要密封较好的舵机完成工作。

AUG常规巡航时，以稳定的姿态做滑翔运动，只在浮潜状态转换或偏离航线时调节姿态，能耗低，具有长航程能力。AUG在露出水面时与外部设备交互信息，如获取GPS定位数据、上报阶段采样数据和接收新的控制命令等。在水下航行时，通过搭载的姿态传感器和深度计等获取姿态角、航向角和深度等信息，结合航迹推算方法估算水下的三维位置，利用高度计避障，避免触底。在下潜和上浮时，以小于1Hz的较低频率采样水体剖面数据，AUG工作状态如图2所示。

AUG工作状态

二、水下滑翔机的用途

AUG具有一定的挂载能力，可以作为水下移动探测平台，通过搭载不同的传感器可以实现对多种目标的探测，满足海洋信息采集和对海洋进行分析的基本要求。目前，已经成功在AUG上搭载了多种探测传感器：温盐深仪（CTD）、浊度计、海流计、水听器、溶解氧传感器、叶绿素荧光剂和光学后向散射仪等。

加拿大Memorial University在AUG上搭载声呐装置，实现了对浮动冰山水下部分的观测。Rutgers University在大西洋中试验AUG性能，并成功穿越大西洋，获得了大西洋温度盐度的剖面数据。英国利物浦海洋中心在AUG上搭载湍流测量传感器（MicroRider）来测量湍流信息，并基于湍流数据分析了海水与空气的热交换机制。美国Oregon State University在AUG上安装水听器检测突吻鲸的声学特性，并对鲸鱼群进行了跟踪。AUG搭载的传感器如图3所示。

AUG搭载的传感器

AUG运行范围大，组网运行可以覆盖较大尺度的海洋区域。美国组建了海洋采样网络，欧洲组建了AUG观测站，澳大利亚组建了综合海洋观测系统IMOS，海洋采样网络如图4所示。在2010年的墨西哥湾原油泄漏事故中，美国在污染海域投放了11台AUG组成临时监测网络，估算原油泄漏量并预测原油流向。

海洋采样网络

三、水下滑翔机研究现状

1、滑翔机样机研究现状

AUG发展自深潜浮标，样机的研究始于美国，在深潜浮标的基础上增加机翼与姿态调节机构。经过多年的发展，至今已经有多种AUG型号，并且仍在快速发展。较经典的机型包括美国华盛顿大学应用物理实验室（UWAPL）的“Seaglider”、美国Scripps海洋研究所的“Spray”、美国Webb研究所的“SlocumBattery”、天津大学“海燕”号、沈阳自动化研究所“海翼”号和法国ACSA公司的“SeaExplorer”，经典机型如图5所示。以上6种AUG都经过了长时间的运行，各机型尺度相仿，排水量约60kg，长约2m，常规设计深度达1000m，最大巡航时间达到2个月以上。

经典水下滑翔

各种机型都有其特点。“SlocumBattery”滑翔机是目前应用最多的AUG，主体是可分段组装的圆柱体，首尾导流罩是不同长短轴比的椭球体，依靠置于尾部的舵机转弯，通信与定位天线位于垂直尾舵顶部。由于结构简单，“SlocumBattery”也是很多AUG的母型。“Spray”滑翔机采用扁椭球体外形，在常规巡航速度下，运行阻力小。不同于其他AUG的尾部天线布置形式，“Spray”的通信天线安装于左侧机翼，通信时，机体横滚90°。“Spray”设计深度1500m，续航能力180天，最远航程4700km。“Seaglider”滑翔机采用纺锤体外形，在高雷诺数情况下具有更小的阻力。机体的水动力中心靠后，呈现逆耦合的力矩特征，转弯时，内部旋转机构的转动方向与“Spray”的相反。“Seaglider”设计深度1000m，续航能力200天，最远航程4600km。“Seaglider”的耐压壳体采用分段焊接的圆环结构，可以承受较高的压力，在“Seaglider”母型的基础上，康斯伯格公司改造了外壳流线并提高了挂载能力，将“Seaglider”滑翔机应用到海洋物探领域。

天津大学和中科院沈阳自动化研究所是国内最早开始AUG研究的单位，经过多年的迭代更新，已经研发出了成熟的机型。天津大学的“海燕”号尾部配置有推进器，可以克服较大海流的影响。沈阳自动化研究所的“海翼”号采用操舵的回转方式，并且配置了较长的通信天线，以提高海上通信的稳定性。法国ASCA公司研制的“SeaExplorer”主体呈扁椭球型，机体尾部安装有X型固定翼，在缩短水平机翼的同时又不损失升力，其设计航速度高，是常规AUG的2倍，采用分段式结构，可以通过更换头部传感器舱实现不同的探测任务。

除以上几种经典机型外，还有多种具有特色的样机。温差能滑翔机利用海洋中温差能做功，推动浮力调节机构动作。电动滑翔机在航行时，60%～85%的能量消耗用于浮态转换，温差能推进方式极大地减小了电能消耗，温差能滑翔机的续航能力是常规电动滑翔机的3～4倍。

“SlocumThermal”是最早使用温差能驱动的AUG，利用相变工质将温差能转换为机械能，姿态调节机构利用流动传递液同时调节俯仰姿态与浮力状态，极大地提高了AUG的续航时间。天津大学和上海交通大学在温差能滑翔机方面做了深入研究，在相变工质和热机效率的提升上做出了较多贡献。

AUG依靠浮力产生驱动力，较大的净浮力对应着大的滑翔速度。Exocetus公司在美国海军研究所办公室的资助下，开展了对运行于河道及近海区域的“Costal”滑翔机的研制。“Costal”滑翔机采用大容量的浮力调节机构，浮力调节量大，可以克服内河或近海的复杂水流情况。中国船舶集团第七一〇研究所研制了浮力调节量达到4L的高速AUG，可以应用到近海与海流较大的海域。

AUG技术来源于浮标，通过姿态控制降低AUG的运动维度，可以实现浮标的功能，对特定区域采样。中国海洋大学与上海交通大学等单位联合研制了具有浮标-滑翔功能的滑翔机，该AUG在重要区域做浮潜运动，增强采样密度。日本九州大学（KyushuUniversity）联合日本海洋地球科学技术中心研制了具有锚定功能的滑翔机“Tsukuyomi”。该AUG的水平机翼与垂直尾翼都布置在机体尾部。虽然升阻比小、滑翔能力差，但运动稳定性好。在以大攻角的姿态上浮或下潜时，具有很好的稳定性，可以在海床上休眠一段时间再上浮。

AUG可以通过改变水动力作用力达到特殊的滑翔运动效果。Scripps海洋研究所和华盛顿大学开发研制了大型水下AUG系列“Liberdade”，采用机身与机翼融合的形体，具有更高的运动效率。翼展达6.1m，升阻比可达20∶1，可以以小滑翔角运行于近海浅水区域，实现声场监测。九州大学研制了蝶形水下滑翔机“BOOMERANG”与“LUNA”。蝶形AUG通过布置在四周的4个姿态调节机构实现任意方向的滑翔，蝶形的外形增加了流体阻力，降低滑翔效率，但避免了传统AUG低效的盘旋回转方式。

随着海洋探索范围的拓展，极深潜水深度的AUG相继问世。2006年，UWAPL在“Seaglider”滑翔机的基础上，又开发出设计深度6000m的“Deep-Seaglider”滑翔机，该深度可覆盖地球上98%的海洋。ASCA在欧盟的支持下，研制了设计深度6000m的“Ultra-DeepExplorer”滑翔机。

2017年3月，在马里亚纳海沟的试验中，“海翼”号滑翔机下潜深度达到了6329m，是当时的AUG潜深世界纪录。天津大学的“海燕”系列AUG不断创造潜深纪录，并在2020年的试验中达到了10619m的潜水深度，这也是目前AUG的潜深世界纪录。

我国海域面积广大，海洋探测需求多。很多单位都研制了AUG，天津大学、沈阳自动化研究所、国家海洋局、浙江大学、华中科技大学、上海交通大学、中国海洋大学、中国船舶集团第七〇一研究所、中国船舶集团第七〇二研究所、西北工业大学、海军工程大学、哈尔滨工程大学和沈阳工业大学等单位，在AUG方面都有丰富的研究成果。

2、滑翔机控制研究现状

AUG在水面时通过与卫星的信号交互，获取定位数据与控制命令；在水下运行时，依靠自动控制完成航线的跟踪。AUG与飞行器的外形相似，但两者的航行速度与运行环境相差都很大，姿态调节方式不同。飞行器航速高，流体产生的力矩大，所以飞行器主要依靠流体动力调节姿态。AUG航速低，相对于机体产生的力矩，流体产生的力矩较小，所以AUG主要依靠调节重心与浮心的相对位置来调节姿态。AUG通过内部可移动的执行机构来调节姿态，是典型的多体动力学问题。

在AUG动力学研究方面，美国普林斯顿大学机械与宇航工程系动态控制系统试验室的Leonard教授带领团队做了大量基础研究。Leonard等利用经典的牛顿-欧拉法建立了AUG姿态调节动力学方程，该方程建立了执行机构位移、净浮力量2种执行机构状态与滑翔角度和滑翔速度等状态的关联。基于动力学方程可以研究各状态量之间的关系，有利于AUG的优化与运动控制研究。

AUG具有低能耗的特点，在水下自主运动时，只在浮潜状态切换和转弯时才需要姿态的调整；之后，机体达到平衡稳态，以新的姿态滑翔。此外，AUG可以采集较大范围的水体信息，不需要较高的路径跟踪精度和航位推算精度。因此，AUG执行机构的控制要以较小能量消耗为主，姿态切换的快速性与航向跟踪的准确性为次要。AUG的控制量有3个，分别是滑翔速度、滑翔角度和航向角度。其中，滑翔速度主要与机体浮力量有关，通过控制机体的浮力来调节速度。

由于浮力调节机构功耗大，并且承受外部海水压力，因此浮力调节机构通常采用二位控制的方式，即在下潜时将浮力系统控制到最小浮力位置；在上浮时，控制到最大浮力位置。航向角度与滑翔角度决定了航迹跟踪的准确性，在AUG技术中，因为AUG是一个拥有多稳态的系统，2种姿态角控制的实质是稳态的切换问题。为了消除稳态时的偏差，通常结合PID控制进行姿态校正。控制结构如图6所示，图6中设定姿态角可近似替代航向角度与滑翔角度，因为在稳态运行时，水动力角较小，通常不会大于2°。设定值与反馈值的差值首先经过一个死区环节，是为了减少执行机构的调节频率，以更好地节省能源。经过死区环节的误差信号被放大后经过饱和环节，减小外部海流冲击等干扰的影响。控制信号作用到执行机构调节电池包位置，使AUG达到新稳态，完成一个姿态控制调节过程。此外，为了进一步节省能源，AUG姿态控制器的作用间隔较长，如“SeaGlider”滑翔机间隔60s控制一次姿态。

水下滑翔机姿态角的控制结构

学术界对AUG的控制方法做了大量研究，如LQR控制、优化控制、基于Lyapunov的控制、滑模控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络预测控制。先进控制方法的应用研究为AUG特性的深入研究提供了丰富的素材。但先进的控制方法往往追求被控量的平滑过渡，而忽视了执行机构的频繁变化，会极大地增加执行机构的负担和AUG能耗，AUG先进控制方法研究的理论意义大于实际意义。

四、水下滑翔机与传统水下机器人的主要区别

AUG是自主水下机器人（AUV）的一种，但与传统AUV有较大的区别：

（1）AUG结构简单，且不需要精确的导航部件，相对于AUV，AUG的价格较低廉；（2）AUG适用于调查研究，设计质量一般不超过60kg，2人在小船上即可完成释放操作，便于快速投放；（3）AUG的用途明确，是为大尺度海域探测而设计的，采用低能耗的驱动单元与控制形式，续航时间通常在2个月以上，常规AUV的连续巡航时间一般不会超过5天；（4）AUG只能以锯齿形的轨迹巡航，而AUV以水平运动为主，所以AUG适合采集水体剖面数据，而AUV适合采集水体平面数据或对海底进行数据探测；（5）AUG稳态滑翔时，机体的执行机构是无动作的，可以认为是无噪声的，适用于较隐蔽的监控调查或生态监控任务，而AUV的运动则需要推进器驱动，噪声较大，易暴露目标。

五、未来水下滑翔机发展方向

经过多年的发展，AUG各项技术已日趋成熟，但随着人类探索步伐的加快，AUG仍在诸多技术方向持续改进。

（1）在AUG形体优化方面。AUG的稳定力矩小，机体状态受水动力影响大。持续优化AUG形体，提高水动力性能与回转性能仍是需要研究的问题。此外，近年来，AUG技术引起了各国海军的关注，便于发射也是AUG形体的改进方向，“SeaExplorer”与“SeaGlider”较短的十字舵适合在鱼雷管中直接发射。相关研究人员研究了与鱼雷管匹配的环形机翼，为便于发射的AUG的研制做了铺垫。

（2）在大潜深方面。虽然国内外研制了多种机型，也取得了很好的成果，但多是试验性质，还不能达到巡航运行的程度，AUG的深潜技术仍需进一步优化。为了应对深海超大水压的影响，小形变材料的研制、形体结构的优化、浮力补偿机制的优化、浮力系统优化、外皮囊的材料与结构优化等仍是深潜AUG需要解决的问题。

（3）在路径规划与协同控制方面。AUG适合探测水体剖面信息，但如果水体的剖面数据变化小或者想提取某一分布形式的水体数据，则需要灵活调节运动路径，以提高采样探测效率。如何根据不同的目标规划运动路径是当今研究的热点。此外，AUG组网运行可以更快速地完成大范围探测，根据探测目标的不同，设计高效的编队组合模式与优良的协同控制方法是需要持续研究的问题。

（4）在驱动能源形式方面。海洋中蕴含着巨大的能量，能源的充分提取与合理利用会助力AUG的进一步发展。目前的AUG以电能驱动为主，在其他能源驱动形式中，温差能驱动的“SlocumThermal”滑翔机与“SOlO-TREC”水下航行器也取得了成功，为水下机器人温差能的利用打下了基础。研究人员提出利用与海水产生的化学能做功来驱动AUG运动。此外，波浪能AUG虽然不是严格意义上的AUG，但将波浪能直接转换为前进的动力却充分利用了波浪能。这些海洋能源的利用为新型AUG的研制提供了思路。

六、结束语

水下滑翔机作为一种可移动的水下探测传感器搭载平台，在海洋科考领域有大量的应用，滑翔机本体设计与控制技术虽已日趋成熟，但随着人类探索范围的扩大，新需求不断被提出，滑翔机技术需要不断进步以满足新时代的需求。本文概括分析了滑翔机的发展史与应用技术，探讨了滑翔机未来的发展方向，供同行参考。

来源：《船舶工程》（2021年第9期）、溪流之海洋人生