【作者简介】文章作者张明,博士,工程师,研究方向为水下智能装备。本篇文章节选自论文《自主水下航行器自噪声控制及实验验证》,发表于《舰船科学技术》,2020年12月第42卷第12期。
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【摘要】自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)是一种可以根据预设任务,在水下自主航行的无人潜水器,其作为移动测量平台逐渐被应用于海洋环境监测、水下目标识别、水底地形探测等领域。由于AUV平台较小,其自噪声严重制约搭载于平台的声呐系统性能,如何有效控制AUV的自噪声,对于平台声呐系统实现最佳性能具有重要实际意义。AUV的自噪声主要由航行器舵机等产生的机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声几部分组成。本文通过AUV平台与声呐系统一体化控噪设计,利用机械降噪、隔振材料、智能控制等手段,对AUV进行系统性噪声控制。通过室内和湖上实验,测试平台不同部件、不同工况下的噪声特性,以及降噪效果。搭载声呐系统的平台湖上自噪声测量试验结果表明,在典型平均航速为3kn情况下,平台自噪声1kHz以上频段可控制在80dB以下。
【关键词】自主水下航行器;自噪声;降噪;智能控制
0.引言
自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)是一种可以根据预设任务,在水下自主航行的无人潜水器,具有自主航行、自主导航、自主探测的功能[1–4]。近年来随着AUV能源、导航、自动控制技术等方面的提升,AUV作为移动测量平台逐渐被应用于海洋环境监测、水下目标识别、水底地形探测等领域[5–7]。由于AUV平台较小,其自噪声严重制约搭载于平台的声呐系统性能。如何有效控制AUV的自噪声,对于平台声呐系统实现最佳性能具有重要实际意义。
AUV的自噪声主要由航行器舵机等产生的机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声几部分组成[8–9]。文中的AUV典型航速为3kn,航速较低,噪声主要由机械振动、螺旋桨噪声产生[10],本文主要对舵机等转动产生的机械噪声、螺旋桨噪声进行分析。通过AUV平台与声呐系统一体化控噪设计,利用机械降噪、隔振材料、智能控制等手段,对AUV进行系统性噪声控制。
1.AUV自噪声分析及控制
1.1 自噪声分析
本文AUV推进系统采用单推进器、4个舵机驱动的方式,其结构如图1所示。推进器电机固定于舱体内部,通过联轴器、传动轴驱动螺旋桨转动,产生推力;4个舵机固定于舱体内部,通过轴杆驱动舵板转动,控制方向和升沉。
图1 AUV推进系统结构图
首先在室内对推进器噪声、舵机噪声进行测试。推进器噪声分为电机噪声、电机加传动轴的噪声,以及电机加传动轴和螺旋桨的噪声。电机噪声指拆除传动轴和螺旋桨,只将电机固定在舱体内工作所产生的噪声;电机加传动轴噪声指电机接上传动轴后工作所产生的噪声;电机加传动轴和螺旋桨噪声指电机接上传动轴,并且安装螺旋桨后工作所产生的噪声。为了测试不同部件的噪声,本文对这几部分噪声单独测试。声学测量设备为麦克风和一套数据采集系统,其中数据采集系统采样频率 52 kHz。室内噪声测试结果已经做归一化处理。
图2为电机在不同转速下(分别为300,400和500r/min)的噪声,可以发现在15kHz附近有一个较强的单频信号,其频率值不随转速的改变而发生变化,其幅度会随着转速的增大而增大。
图2 不同转速下电机噪声、幅度已归一化处理
图3比较了推进系统电机噪声、电机加传动轴的噪声,以及电机加传动轴和螺旋桨的噪声,电机转速500r/min。可以发现,3 种情况总体噪声特性基本一致,加装传动轴、螺旋桨后在低频处的噪声会增大。由于在空气中测试,螺旋桨转动没有与水体接触的噪声,所以相比于只安装传动轴,噪声特性变化不大,需要在湖上进一步测试。
图3 推进系统电机噪声、电机加传动轴噪声,以及电机加传动轴和螺旋桨噪声比较
对舵机噪声进行测试,如图4所示。这是转舵18°的噪声测量结果,可以发现噪声频带较宽,并且在低频区域(0.5~1kHz)噪声尤为明显。
图4 舵机转舵噪声,背景噪声,舵机转动噪声
1.2 自噪声控制
电机通过螺丝固定在舱体内部,为了减小电机振动,并且减小振动噪声通过壳体传播,本文在电机固定面增加橡胶垫。此外,在电机舱内壁包裹一圈隔音棉,以起到吸收噪声、减小噪声通过舱体向外辐射的效果。图5为对电机进行降噪处理后的测量结果,可由于在空气中测试,螺旋桨转动没有与水体接触的噪以发现降噪效果较为明显,尤其是在15kHz处,噪声下降约20dB。
图5 电机降噪处理后的噪声,降噪前的电机转动的噪声,增加橡胶垫和隔音棉后的噪声
通过分析可知,电机安装传动轴后噪声会变大,其中一个原因是传动轴与电机安装不够紧密,对传动轴连接件做改进,使安装间隙减小,以起到降噪的效果。
本文AUV采用的是减速舵机,通过齿轮减速,以提高转动扭矩,所以在转舵过程中由于齿轮的转动,会产生噪声。1.1节图4中舵机是快速转舵18°,也就是驱动模块在收到转舵18°指令后,以最快的速度转到18°的舵角。通过优化舵机转舵方式,降低转舵速度,但又不影响控制效果,比如每20ms转舵4°,100ms内完成转舵,这样舵机齿轮转动的噪声就会降低。图6为优化转舵方式后的噪声特性与未优化时的噪声特性比较结果,可以看到优化转舵方式后,噪声明显减小。
图6 优化转舵方式的噪声,背景噪声,优化转舵方式后的噪声,原始转舵方式下的噪声
优化转舵方式能降低舵机的噪声,根据测量任务,优化推进系统控制方式,也能进一步降低噪声,对此将在湖上试验进行验证。
2.湖上试验
AUV 首先在湖上利用水听器进行噪声测试,图7比较了AUV静止状态下电机转动、电机安装螺旋桨后转动,以及舵机转舵情况下的噪声。电机转动时噪声频谱较宽,在15kHz 处有一个明显的噪声,与室内测试一致;当安装螺旋桨后,由于螺旋桨在水体中转动,低频处的噪声会增大;转舵时,低频处的噪声较大,与室内测试一致。
图7 AUV 静止状态下湖上噪声测试,背景噪声,未安装螺旋桨的噪声,安装螺旋桨后的噪声;舵机转动的噪声
湖上航行试验主要对AUV工作状态下总体噪声进行测试,即AUV以平均航速3kn航行,航行深度10m,利用搭载在AUV上的水听器及数据采集系统记录噪声,比较AUV正常航行,以及经过智能噪声控制后的噪声特性。智能噪声控制指根据测量任务,优化转舵方式,优化电机控制,但不影响整体航行及测量。噪声测试结果如图8所示。在正常航行情况下,AUV噪声较大,在低频处噪声大于100dB;当进行智能噪声控制后,噪声幅度明显减小,1kHz以上频率除个别频点外基本控制在80dB以下。个别频点可能是测试环境中有其他信号的干扰,需要进一步验证。
图8 AUV湖上航行噪声测试,背景噪声,智能噪声控制后的结果,正常航行的噪声3.结语
本文主要对AUV推进系统自噪声进行分析,提出自噪声控制方法,通过隔振材料和吸声材料的应用,降低推进器电机的噪声;通过减小联轴器与电机及螺旋桨的安装间隙,降低联轴器等传动装置引入的噪声;通过优化转舵控制方式,减小舵机转动时的噪声;通过优化推进系统控制方式,降低AUV工作时的噪声。通过室内及湖上测量,验证了降噪措施的有效性。湖上试验结果表明,在典型平均航速为3kn情况下,平台自噪声1kHz以上频段可控制在80dB以下。
【参考文献】
[1] ALLEN B, STOKEY R, AUSTIN T, et al. REMUS: a small, low cost AUV; system description, field trials and performance results [C]. Oceans conference, Halifax, 1997:994–1000.
[2] CRUZ N, MATOS A. The MARES AUV, a modular Autonomous robot for environment sampling [C]. Oceans conference, Quebec City, 2008:1–6.
[3] MOLINE M A, BLACK WELL S M, VON Alt C, et al. Remote environmental monitoring units: an autonomous vehicle for characterizing coastal environments [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2005,22(11): 1797–1808.
[4] ZHANG Ming, XU Yuan-xin, LI Bo, et al. A modular autonomous underwater vehicle for environmental sampling: system design and preliminary experimental results [C]. Oceans conference, Taipei, 2014:1–5.
[5-10] 略.