[论文解读] Morpheus: An A-sized AUV with morphing fins and algorithms for agile maneuvering

Supun Randeni, Michael Sacarny+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Underwater Vehicles and Communication Systems被引用 5

一句话总结

本文提出Morpheus，一种A型自主水下航行器（AUV），其采用仿生变形鳍，可动态调节稳定性和机动性。通过展开或收回前鳍并结合主动方向舵控制，该AUV实现了转弯速率提升35–50%——最高达35 deg/s，证明了在刚性船体AUV中，传统上相互矛盾的稳定性与敏捷性需求可通过自适应流体外形设计得以克服。

ABSTRACT

We designed and constructed an A-sized base autonomous underwater vehicle (AUV), augmented with a stack of modular and extendable hardware and software, including autonomy, navigation, control and high fidelity simulation capabilities (A-size stands for the standard sonobuoy form factor, with a maximum diameter of 124 mm). Subsequently, we extended this base vehicle with a novel tuna-inspired morphing fin payload module (referred to as the Morpheus AUV), to achieve good directional stability and exceptional maneuverability; properties that are highly desirable for rigid hull AUVs, but are presently difficult to achieve because they impose contradictory requirements. The morphing fin payload allows the base AUV to dynamically change its stability-maneuverability qualities by using morphing fins, which can be deployed, deflected and retracted, as needed. The base vehicle and Morpheus AUV were both extensively field tested in-water in the Charles river, Massachusetts, USA; by conducting hundreds of hours of operations over a period of two years. The maneuvering capability of the Morpheus AUV was evaluated with and without the use of morphing fins to quantify the performance improvement. The Morpheus AUV was able to showcase an exceptional turning rate of around 25-35 deg/s. A maximum turn rate improvement of around 35% - 50% was gained through the use of morphing fins.

研究动机与目标

• 克服刚性船体AUV中方向稳定性与机动性之间的固有权衡。
• 设计并实现一种模块化、A型尺寸的AUV基础平台，兼容声纳浮标发射器。
• 开发一种仿金枪鱼的变形鳍有效载荷，实现对水动力稳定性和控制力的实时调节。
• 通过在查尔斯河中进行广泛的水中测试，验证变形鳍的性能提升。
• 利用分析模型和实测数据，量化转弯速率的提升以及稳定性-机动性权衡关系。

提出的方法

• 设计一种A型基础AUV（直径124 mm，长度约0.9 m），具备模块化自主、导航、控制及仿真能力。
• 实现一种仿金枪鱼解剖结构的变形鳍有效载荷，具备可展开、可偏转和可收回的鳍片。
• 采用线性水动力理论建模稳定性与机动性，更新方向舵与前鳍贡献的系数。
• 引入稳定性指数C、偏航速率r/δ以及水动力力（Y, N）的关键方程，包含方向舵与鳍片的位置相关项。
• 应用控制面参数A = Yδ/U与B = Yfδ/U，量化方向舵与前鳍产生的升力与力矩贡献。
• 在实地测试前，通过硬件在回路（HITL）与软件在回路（SITL）仿真对系统进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 变形鳍能否在刚性船体AUV中动态解决稳定性-机动性权衡问题？
• RQ2 当变形鳍展开与收回时，转弯速率的定量提升幅度是多少？
• RQ3 前部变形鳍的尺寸、位置及偏转角度如何影响车辆的稳定性指数与偏航速率？
• RQ4 前鳍的存在是否足以使车辆变得更具敏捷性，同时不损害巡航效率？
• RQ5 方向舵与前鳍的水动力系数在多大程度上相互作用，从而影响整体机动性？

主要发现

• Morpheus AUV在真实环境中实现了最高达25–35 deg/s的转弯速率，展现出优异的敏捷性。
• 与未展开鳍片的基线配置相比，使用变形鳍使最大转弯速率提升了35–50%。
• 当展开前鳍时，稳定性指数C显著降低，提升了车辆对方向舵输入的敏感度，从而增强了机动性。
• 理论建模证实，方向舵与前鳍力的相互作用——尤其是项2AB(η² + ξ²)——对偏航速率提升贡献最大。
• 当鳍片收回时，车辆在巡航中保持了方向稳定性；当鳍片展开时，实现了高速转弯下的高机动性。
• 在查尔斯河中累计超过200小时的实地测试验证了变形鳍系统在真实海洋环境下的性能提升与鲁棒性。