摘要 ：AUV作为新一代水下智能机器人，近几年发展迅速。在军事和经济方面，AUV都将发挥越来越重要的作用。粒子图像测速技术（PIV）适用于多个领域，可以提供同一瞬态下流场的信息及特征，便于研究者进一步分析实验数据。本次实验利用粒子图像测速技术（PIV）来研究AUV的入水方案，通过研究其不同高度、不同角度以及不同水流对于空投AUV的影响，和入水前后的速度变化，在数据记录和实验分析之后，最终得出最适方案——“偏转一定角度的低空投放AUV”。
关键字：AUV智能水下机器人；PIV粒子图像测速技术；海洋发展；海洋军事
1.引言
地球的地表面积约5亿1000万平方公里,占全球海洋面积的71%和全球陆地面积的29%。对于人类的消耗，陆地资源正面临着巨大的危机。相比于人类所栖息的陆地，海洋中的资源是无比丰厚的。于是人们着手开发海洋资源，各国纷纷投入大量的人力、物力和财力，研究各种海洋探测仪器和资源开发设备。AUV作为海洋探测的重要装备之一，近些年来正处在快速发展阶段。
AUV中文名：自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle)。自主式水下潜器是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。例如，在民用领域，可用于铺设管线、海底考察等；在军用领域可用于侦察、布雷、援潜等。由于无缆水下机器人具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性好等优点，所以从60年代中期起，工业界和军方开始对无缆水下机器人发生兴趣【1】。特别是反潜作战，航空反潜飞机通过携带空投反潜AUV 对潜艇进行打击的方法已成为最有效的反潜手段之一。【2】目前AUV也逐渐向“小型化”、“混合式”、“群体化”、“远程化”和“智能化”等方向发展【3】。
无论AUV用于哪一领域，它都会有入水的环节。本次实验研究不同高度、不同角度以及不同水流对于空投AUV的不同影响，以及入水之前与入水之后的速度变化及其涡量变化，使得我们在实际情况中精准把握其运动情况，并作出准确有效的策略，使AUV更加准确地到达指定位置完成任务，实现最理想的效果。
2.实验技术及设备
2.1 PIV技术
PIV中文名为粒子图像测速技术。PIV作为一种创新科技，如今已在多个领域被合理的应用。它突破了以往单点以及接触式的局限，具有多点和无接触式的特点，还具有较高的测量精度。
本次实验以PIV技术为原理，通过CCD摄像机的高速拍摄、Micro-V e c软件和Tecplot360软件的记录和处理，我们可以得到相应的速度及涡量信息，再进一步对比分析从而得出结论。
2.2 实验设备
本次实验所用的仪器设备：脉冲激光器【4】，准直透镜、会聚透镜、柱透镜、水缸和失踪粒子（直径为5μm的空心玻璃小球）【5】，超声波振荡仪，CCD摄像仪，MicroVec3软件，Tecplot2010软件【6】和AUV模具。
3.实验结果
本次试验以粒子图像测速技术（PIV）为实验原理，利用Tecplot360软件对记录的图像进行分析。
AUV模拟实验共分为四个部分：
1、斜抛（倾斜角度在300—600之间，下降高度约为10cm，水流较为缓和）
2、竖直下落（下降高度约为10cm，水流较为缓和）
3、竖直下落（下降高度约为20cm，水流较为缓和）
4、激流下落（竖直下落，下降高度约为10cm，水流速度较大）
实验情景图
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实验1.斜抛
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这是AUV在入水之后产生涡流的现象，这张图产生的旋涡较为明显。
实验2.竖直下落
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实验3.竖直下落2
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图中显示漩涡附近的水流速度较大。（红色区域速度最大）
实验4.激流下落
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各实验分析图如下：
实验1
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图中红线表示“速度”，紫线表示“涡量”。
我们可以从这两张图中很明显的看出速度与涡量总体有反比的趋势。
实验2
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图中红线表示“速度”，蓝线表示“涡量”。
从这里我们可以看出涡量变化是大于速度变化的，涡量与速度仍有反比趋势。
实验3
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图中红线表示“速度”，蓝线表示“涡量”。
图显示速度变化相较于涡量变化是非常微弱的，但速度的确也在改变。在280-315帧时，速度与涡量反向增长，在315帧之后，二者又反向减小。
实验4
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图中蓝线表示“速度”，粉线表示“涡量”。
图中表示在285-322帧之间，速度先增大，再减小，再增大；涡量是先减小，再增大，再减小。二者相反。
总分析图：
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4.总结
（1）水流相同、角度相同时，高度越高，速度越大，产生的旋涡也越大。（2）角度相同、高度相同时，水流的速度越大，产生旋涡的速率越大，产生的旋涡也越大。（3）高度相同、水流相同时，有一定倾斜角的AUV产生旋涡的速率较大，但不易产生大漩涡。
在误差允许的范围内，斜抛（10cm）、竖直下落（10cm）、竖直下落（20cm）、激流下落（10cm）这四项实验中在产生较为明显旋涡的时间段中，总有一个速度和涡量同时最大且方向相反的点存在。
通过对以上所有信息的处理和分析，我得知：在涡流明显区，空间点的速度与涡量方向相反，有反比关系，而此时的涡量越大，旋涡越大，流场中速度较大区域均在漩涡外侧，漩涡中心处的速度非常小，这说明旋涡对于速度有一定的阻力作用。
综上，在实际运用中，我建议使用“偏转300 ~600角度的低空投放AUV”方案，因为这样会减少大涡流产生的几率，同时也会将旋涡的阻力作用降至最低，更有利于AUV入水之后的水下运行。
参考文献
【1】吕欣倍. 空中投放型AUV入水数值模拟研究【J】. 哈尔滨工程大学. 2015-04-01.10-13
【2】 曲东才.反潜导弹现状和发展【J】.Aerospace China. 2001-09-19.49-52
【3】马伟峰、H u Z hen.AUV [J]火力指挥控制的研究现状及发展趋势. 2008-06-15.763-767
【4】 李凤;王峻涛;尹素永;朱晓磊。电光调Q双脉冲Nd:YAG全固态激光器[J]。. 2012-08-10.256-259
【5】严敬;杨小林;邓万权.示踪粒子跟随性讨论【J】.农业机械学报.2005-06-30-56-59
【6】陈铁.科学数据图显分析软件T e c plot【J】. 软件世界. 1995-06-15.361-363
作者简介：
王宏淼（2000-）男，新疆昌吉州第一中学学生。
论文作者:王宏淼
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/12
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