规则波作用下海上无人艇防摆吊艇回收系统仿真

冯振威 魏绍亮
河南理工大学机械与动力工程学院 焦作 454000

摘 要：针对海上母船吊艇系统回收无人艇过程中因风浪作用无法精确快速吊装的问题，将海浪运动作规则波处理，设计一种防摇摆吊艇回收系统，从而实现回收或布放无人艇的自动吊装与布放。通过ADAMS 仿真实验表明：在横摇倾角10°和纵摇倾角5°复合作用工况下，防摆吊艇回收系统相比于普通吊艇回收系统减摆幅度达到约60％。

关键词：吊艇系统；防摆吊艇回收系统；规则波；仿真

中图分类 ：TH218 文献标识码：A 文章编 ：1001-0785（2020）11-0052-06

0 引言
随着海洋主权观念的不断深化，世界各大海洋强国都将无人艇作为重要的研究方向[1]。为了保障无人艇能安全迅速地完成作业任务，在母船上必须配置专用的收放装置，以实现无人艇的快速释放和回收工作[2]。由于海上风浪的影响，母船在无人艇完成作业任务回收过程中，先后面临吊装和摆动问题，这些问题极大地影响了母船对无人艇回收的快速性和安全性。

针对海上吊重摆动抑制问题，目前的研究主要分为两个方向：一是机械式防摆，即在船用吊重系统上加装机械或液压机构，在吊绳中段加入绳索进行牵引，以减小吊物的摆动。在这一领域中，刚性连杆式防摆装置[3]、伸缩套管式防摆装置[4，5]、吊盘式防摆装置[6，7] 陆续被提出。二是智能式防摆，即不改变吊重系统机械结构，利用各种传感器监测船体、吊重系统、吊物的运动信息，然后通过设计合理的旋臂运动控制器来抑制运输过程中吊物的摆动[8]。目前RBT 主动控制法[9]、T-S 模糊控制法[10]、二阶滑模控制法[11] 都广泛应用于智能防摆控制器的研究中。

结合海上吊重系统防摆技术研究现状和无人艇回收
或布放无人艇的自动吊装与布放，并通过ADAMS 仿真实验来验证防摆吊艇回收系统在规则波下的防摆效果。

1 海浪与无人艇母船运动分析
1.1 海浪运动分析
引起海浪运动的因素有风浪、潮汐波、地震波、船波等，其中起主导作用的是风浪。由于海平面上海风是多样且复杂的，这就导致海浪是不规则波浪，不能用简单的数学公式来表达，而可用数理统计的方法来研究。为了便于研究，通常都将海浪定义为规则波，规则波可采用经典流体力学简化，简化后的波面方程为

式中：ζa 为波幅，ω 为波浪频率。

1.2 无人艇母船运动分析
无人艇母船在海上作业过程中受到海浪的扰动，会绕其原始平衡位置作六个自由度的摆动。以无人艇母船中心为原点，建立无人艇运动坐标系，被称为萨尔维森坐标系，如图1 所示。沿X 轴、Y 轴和Z 轴的往复运动分别称为纵荡、横荡与升沉运动。绕上述3 个轴的角运动分别称为横摇、纵摇和艏摇。

图1 萨尔维森坐标系

在图1 中，φ 为横摇角，θ 为纵摇角，ψ 为艏摇角。为了便于研究，在研究吊艇系统运动时通常忽略次要因素，只讨论横摇、纵摇及横摇纵摇共同作用3 种情况，吊艇系统即可简化为一个典型的动力学系统，应用矢量动力学、分析动力学及拉格朗日方程进行建模。吊艇系统在被视为规则波的海浪作用下单独作横摇或纵摇运动，由于惯性的作用，被吊起的无人艇将在横摇或纵摇平面内做类似于单摆的运动。实际海况中往往是横摇和纵摇同时发生，无人艇所做的运动可视为这两种运动的叠加，即以主吊点为圆心，以主吊绳的绳长为半径，做类似于球冠面的运动。

2 防摆吊艇回收系统建模
2.1 结构设计
如图2 所示，防摇摆吊艇回收系统由4 根钢缆吊绳、2 根防摇摆直臂以及自动吊装装置组成。4 根钢缆吊绳分别对应连接自动吊装装置上的吊环，以实现防摆直臂与自动吊装装置的配合使用，从而实现海上无人艇回收时的快速准确吊装与起吊过程中的防摆。

图2 防摆吊艇回收系统

如图3 所示，防摆直臂是实现防摆功用的核心部件，分布在吊艇系统吊臂后端的两侧，由万向轮、万向轮架、外延杆、外延杆支撑、斜连杆、斜连杆支撑等组成。

图3 防摆直臂

如图4 所示，自动吊装装置的结构主要分为上连接机构、下连接机构、收放卷扬机构和钢缆连接机构等4部分。针对海上无人艇吊艇系统在作业过程中受到风浪流的影响而不易与无人艇对准的情况，在设计上下连接机构中使用上下磁铁，运用磁铁的吸引力引导吊艇系统与无人艇正确对准。针对海上无人艇吊艇系统在作业过程中要同时兼顾回收布放，在设计时使吊钩只能随吊艇系统做上下运动，而吊环设计成可以通过钢丝绳的收放卷随着电机的正反转做前后运动，通过吊钩吊环的结合与分离进而实现无人艇的布放与回收。针对海上无人艇吊起后运动过程中面对的摇摆问题，在设计钢缆连接机构中钢缆连接端使用多个吊环，使得可以与多段钢缆连接，配合防摆装置，抑制吊艇过程中的摆动。

图4 自动吊装装置

2.2 工作原理
无人艇回收过程可分为吊装和起吊两个过程，吊装过程如图5 所示。当上连接机构与钢缆连接机构组成的上半部分靠近安装在无人艇甲板上的下连接机构时，上下磁铁产生吸引力。上半部分再往下运动时，由于吸引力的作用，上下连接机构的4 根连接柱体一一对应结合在一起。这样就实现了上下两部分的对正，钢缆连接机构就开始单独向下运动了。钢缆连接机构向下运动，直到吊环底座与上连接机构相接触，吊钩到达指定位置。启动减速器正转开关，双输出轴带动两端卷筒运动，由于缠绕的钢丝绳螺旋线方向不同，就会实现两端钢丝绳一个卷曲，一个释放，对应的此时4 个下连接机构吊环体将会在钢丝绳的牵引作用向内运动，直到吊环体最上端与吊钩接触，此时暂停电机转动。吊重系统开始起吊，钢缆连接机构4 个吊钩向上运动，将会挂住下连接机构4 个吊环体，整个回收吊装任务完成。

当吊起的无人艇因为母船摇晃产生摆动时，通过控制吊艇系统箱体内部的马达为防摆索施加张紧力，该张紧力会产生水平分力来平衡无人艇摆动产生的水平惯性力。当3 根防摆绳索均张紧时，就会形成一个空间三角形，吊艇系统在空间任意方向上的运动都会受到阻碍，从而达到防摆的目的。

3 防摆吊艇回收系统仿真
采用ADAMS 仿真软件系统对防摆吊艇回收系统进行仿真实验，验证实验通过在同一工况下，对比普通吊艇回收系统与防摇摆吊艇回收系统摆动面内偏距与面外偏距的大小，以验证防摇摆吊艇回收系统的防摆效果。

鉴于海上无人艇起吊时自动连接装置与无人艇刚性连接，可将自动吊装装置简化为一个整体，无人艇简化为为500 kg 吊重，二者刚性连接。海上无人艇吊艇系统总体模型和相关参数设定好后，在摇摆平台与支撑柱的球铰副上添加驱动函数Ad*sin（ω*time）。参考中国船级 （CCS）起重船稳定性最新标准，设定横摇倾角为10°，纵摇倾角为5°。

图5 无人艇吊装过程示意图

3.1 防摇摆吊艇回收系统样机建模
由于吊艇系统构件较多，结构复杂，一般先利用SolidWorks 对吊艇系统进行三维建模，再通过交换接口导入ADAMS/View 中。导入后的吊艇系统如图6 所示。

图 6 吊艇系统导入模型

在ADAMS 中钢丝绳模型是通过离散柔性连接件来建模的，即将一段钢丝绳离散为一个个小圆柱体，相邻的小圆柱体之间用轴套力进行连接。由于每一个小圆柱体相比于整个钢丝绳的全长极小，故可模拟钢丝绳特性。具体操作中要运用到ADAMS 中的宏命令，步骤为：1）建立一小段圆柱体，命名为part_1；2）通过对小圆柱体复制和移动宏命令，得到一段连续的长杆；3）通过宏程序在对相邻小圆柱体添加轴套力。

二自由度摇摆台模型主要用来模拟船舶在海上的横摇和纵摇等动作，建模方法与吊艇机构相同，先通过SolidWorks 进行三维构型，再导入ADAMS 中。二自由度摇摆台由底座、伸缩缸、球较、万向节、支撑柱、平台等机构组成，底座固定不动，通过伸缩缸按一定运动规律做往复运动，平台球较装置为中心摇摆，实现横摇和纵摇运动。导入后的二自由度摇摆台模型如图7 所示。

吊艇系统和二自由度摇摆台样机参数设置完成后，需要给各构件添加运动副，通过运动副对构件进行约束。将固定副、旋转副、移动副、球铰副、万向副类型的运动副添加至各构件上，使样机整体能有序运行。样机运动副添加完成后，需要在特定运动副上添加驱动函数，以实现二自由度摇摆台的横摇和纵摇运动。为实现二自由度摇摆台的横摇和纵摇运动，需要在摇摆平台与支撑柱的球铰副上添加驱动函数Ad*sin（ω*time）。最终的对比仿真试验台样机模型如图8 和图9 所示。

图7 二自由度摇摆台导入模型

3.2 仿真结果分析
图10 为摇摆平台输入10°横摇激励时普通吊艇回收系统和防摇摆吊艇回收系统面内偏距变化曲线对比图。由图10 可知，普通吊艇回收系统最大面内偏距1.04 m，防摇摆吊艇回收系统最大面内偏距0.42 m，减摆幅度达到59.62%。图11 为摇摆平台输入5°纵摇激励时普通吊艇回收系统和防摇摆吊艇回收系统面外偏距变化曲线对比图。由图11 可知，普通吊艇回收系统最大面外偏距约0.76 m，防摇摆吊艇回收系统最大面外偏距约0.3 m，减摆幅度达到60.52%。

图10 横摇10°面内偏距对比图

图12 为摇摆平台同时输入10°横摇激励和5°纵摇激励复合作用时普通吊艇回收系统和防摇摆吊艇回收系统面内偏距变化曲线对比图。由图12 可知，普通吊艇回收系统最大面内偏距1.03 m，防摇摆吊艇回收系统最大面内偏距0.41 m，减摆幅度达到约60.19%。图13为摇摆平台同时输入10°横摇激励和5°纵摇激励复合作用时普通吊艇回收系统和防摇摆吊艇回收系统最大面外偏距变化曲线对比图。由图13 可知，普通吊艇回收系统最大面外偏距1.06 m，防摇摆吊艇回收系统最大面外偏距0.42 m，减摆幅度达到60.38%。

图12 复合作用面内偏距对比图

图13 复合作用面外偏距对比图

4 结论
为解决海上母船吊艇系统回收无人艇时吊装与防摆问题，对海浪运动作规则波处理，并对无人艇母船运动进行分析，设计了一种防摇摆吊艇回收系统，通过ADAMS 仿真软件联合仿真，验证了防摇摆吊艇回收系统具有一定的防摆效果。

参考文献
[1] 万接喜. 外军无人水面艇发展现状与趋势[J]. 国防科技，2014，35(5)：91-96.
[2] 杨运桃. 舰船搭载系统的发展[J]. 船海工程，2006（2）：7-10.
[3] 王阳. 船用起重机防摇装置设计研究［J］．舰船科学技术，