摘要
针对目前自主水中载具存在的运行速度慢, 工作范围有限问题, 本文设计了一款新型高速单杆无人水翼船: 中大飞板. 与传统自主水中载具不同, 中大飞板具有3种运动模式, 使其可以适用于不同的海洋任务. 本文针对中大飞板的水翼模式展开深入研究. 中大飞板的水翼模式借鉴了固定翼无人机的设计理念, 将水翼作为机体的重要组成部分. 当水翼在水中运动时, 会产生向上的升力, 这一升力能够把船体抬离水面, 减少船体与水的接触面积, 进而降低船体前进时所受到的阻力. 由于阻力大幅降低, 中大飞板得以实现更快的前进速度, 更低的能量消耗以及更广阔的工作范围. 同时, 依据伯努利原理, 水翼的升力与速度的平方成正比, 因此中大飞板更快的前进速度使中大飞板具备更强的负载能力. 本文详细地介绍了中大飞板的工作原理, 设计过程以及控制方法, 并通过实验验证了设计方法的有效性, 以及中大飞板相较于传统单体船和双体船的优越性能. 中大飞板的更多详情可以通过以下链接查看: https://b23.tv/UHw7KOp.
Abstract
To address the current issues of slow operating speeds and limited working ranges of autonomous marine vehicles, this paper proposes a new high-speed single-strut unmanned hydrofoil vessel: Sea-U-Foil. Unlike traditional autonomous marine vehicles, Sea-U-Foil features three motion modes, making it suitable for various marine tasks. This paper focuses on an in-depth study of the foilborne mode. The foilborne mode of Sea-U-Foil draws on the design principles of fixed-wing aircraft, incorporating the hydrofoil as its critical component. When the hydrofoil moves forward in water, it generates upward lift, which elevates the hull above the water surface, thereby reducing the contact area between the hull and the water. The decrease in contact area further reduces the drag experienced by Sea-U-Foil. As a result of the significant reduction in drag, Sea-U-Foil achieves faster operating speeds, lower energy consumption, and a broader working range. Additionally, according to Bernoulli’s principle, the lift generated by the hydrofoil is proportional to the square of the speed. As speed increases, lift also increases, which enhances the payload capacity of Sea-U-Foil. In this paper, a detailed introduction is presented to the working principle, design, and control of Sea-U-Foil, and validates the effectiveness of our design through experiments, demonstrating the superior performance of Sea-U-Foil compared to traditional monohull and catamaran vessels. A related video can be found here: https://b23.tv/UHw7KOp.
Keywords
1 引言
随着技术的快速发展以及人们对海洋资源探索热情的日益高涨，自主水中载具（autonomous marine vehicles，AMVs）逐渐成为研究和应用的热点，受到学术界与工业界的广泛关注. AMVs的设计与制造融合了先进的传感器技术，人工智能以及机器人技术，赋予其在复杂海洋环境中自主导航并执行任务的能力. 在环境采样与监测方面，AMVs无需人工干预，即可精确获取水质、海洋生物以及沉积物的样本，显著提升了数据的准确性与采集的安全性. 在执行巡逻和监视任务时，AMVs能够持续对海域进行监控，有效防范非法捕捞行为，减少环境污染，从而有力地保护海洋生态系统. 此外，AMVs在海洋资源勘探与搜索救援领域也展现出巨大的应用潜力. 它们能够深入海洋深处，开展矿产资源的探测与评估工作; 在紧急状况下，还能迅速展开搜救行动，协助搜寻失踪人员或漂流物. 与传统的载人水中载具相比，AMVs具备诸多显著优势，如高效率、配置灵活以及对环境影响小等，这些优势使其在各类海洋任务中表现卓越 [1-4] .
依据外观，驱动方式以及作业环境的差异，AMVs 可被划分为多种不同类型，如水面无人船（unmanned surface vehicles，USVs）[5-7]，缆控潜水器（remotely operated underwater vehicles，ROVs）[8-9]，自主水下航行器（autonomous underwater vehicles，AUVs）[10-11]以及无人波浪滑翔器（unmanned wave gliders，UWGs）[12] . 这些不同类型的AMVs各有特点，适用于不同的应用场景. USVs操作简单，成本效益高，常被应用于水面监测和物流运输等任务; ROVs凭借其灵活性以及实时操控能力，常用于深海作业和复杂环境下的工程检查; AUVs自主性强，适合开展长时间的水下探索与数据收集工作; UWGs则因具备低能耗和适应恶劣海况的能力，适宜执行长期环境监测任务. 然而，受结构，外形和推进系统的限制，现有AMVs往往仅适用于特定任务. 例如，USVs虽具有快速响应和高载荷能力，但因其固有浮力较大，限制了水下操作能力; ROVs虽适合各类复杂水下任务，其运行速度通常较慢，不适用于长时间，大范围的快速移动. 因此，开发出能适应多种海洋工作环境，满足多种任务需求的无人水中载具，依旧是一个极具探索价值的问题.
众多研究者投入大量精力，通过设计跨领域无人平台来拓展无人系统的应用范围 [13-14] . 例如，文献 [15] 引入了一种名为Dipper的空水无人机，该平台融合了固定翼飞机与水下航潜器的运动特性. 在空中飞行时，Dipper完全张开机翼，像固定翼飞机一样运动; 在水下操作时，机翼收起，以减小水阻力. 文献 [16] 开发出一种基于四旋翼无人机设计的空水无人机 TJFlyingFish. TJ-FlyingFish 配备了定制的可倾转推进单元，该推进单元通过不同的旋转方向以及不同的电机转速，满足无人机在空中和水下不同的运行需求. 具体而言，在空中时，推进单元转速快，扭矩小; 在水下时，推进单元反向旋转，此时转速大，扭矩小. 这种定制化的推进单元，满足了无人机在水上和空中工作的双重需求.
尽管这些水中跨域车辆在技术层面具有创新性，但在实际应用过程中仍面临诸多挑战. 一方面，为确保平台在空中飞行的性能，在设计时需尽可能减轻平台质量，这便对平台所搭载电池的质量提出了严苛要求. 由此，电池的续航能力成为限制其长时间执行任务的关键因素. 另一方面，这些平台的结构设计亦可能对其水下性能产生影响. 因此，如何提升水中无人平台的续航能力，以及优化这些平台的性能，使其能够切实应用于实际海洋任务，亟待进一步深入研究与改进.
近年来，电动水翼冲浪板受到了越来越多的水上运动爱好者的青睐 [17] . 电动水翼冲浪板将水翼概念融入冲浪板设计，并采用电动推进器推动冲浪板向前运动，使得冲浪运动不再依赖于海浪，降低了冲浪活动对环境的依赖. 同时，在电动水翼冲浪板向前运动的过程中，水翼会产生向上的升力，该升力能够将人和冲浪板抬离水面，仿佛人驾驶着冲浪板在水面上飞行，为冲浪运动带来更多的乐趣.
由于电动冲浪板被抬离水面后，冲浪板与水面的接触面积急剧减小，此时冲浪板受到的水阻力也大幅降低. 同时在大功率推进器的作用下，电动水翼冲浪板与传统的冲浪方式相比具有更快的前进速度. 目前，商用级电动水翼冲浪板的最大速度可达14 m/s. 此外，水翼产生升力的大小与水翼的结构，面积以及前进速度相关. 基于这一关系，通过合理设计水翼的结构和尺寸，电动水翼冲浪板通常具备较大的载重量. 目前，电动水翼冲浪板的最大载重可达120 kg. 电动水翼冲浪板这些独特优势吸引了众多学者对其展开研究. 其中，文献 [18] 和文献 [19] 推出了两种新型无人水面船: UF和Medi-gator. 它们在电动水翼冲浪板的基础上，增加了可控制冲浪板姿态的升降副翼，从而使冲浪板能够维持自身平衡. 虽然UF和Medi-gator保留了电动水翼冲浪板速度快，载重大的优势，性能超越了许多无人水面舰艇，但它们的设计致使其应用仍局限于水面.
UF和Medi-gator的底部结构与飞翼的结构类似，均包含一个推进器和一对升降副翼 [20-22] . 飞翼能够通过调节升降副翼在天空中进行爬升或者俯冲机动. 受此启发，本文设计了一款新型单支杆的无人水翼船: 中大飞板（Sea-U-Foil）. 虽然中大飞板的结构与UF和 Medi-gator类似，即可通过控制升降副翼来实现自身姿态的控制. 但是，本文增加了额外的驱动方式并重新优化了浮力与重力的配比，使中大飞板具备了3种运动模式. 这3种运动模式赋予了中大飞板不同的运动特性从而使中大飞板能够适应更多样的工作场景. 中大飞板的3种运动模式分别为水面模式，水翼模式和水下模式. 水面模式的工作原理与USV类似，依靠两个差分驱动的推进器实现水面运动. 该模式灵活性高易操作，使中大飞板能够在拥挤的河道、港口等区域作业. 中大飞板的水翼模式是指当中大飞板的船体可以离开水面，如同在水面飞行. 此模式具有运行速度快，载重量大，运动范围广的特点，适合开放水域的搜索救援，环境检测等任务. 中大飞板的水下模式是指中大飞板可以像水下滑翔翼一样潜入水下执行任务. 这3种运动模式在本文之前的工作中已有介绍 [23] . 相较于之前的研究，本文将对中大飞板的水翼模式展开更深入的探究，并新增了高度控制功能，通过实验验证了高度控制器的有效性.
本文结构安排如下: 第2节阐述中大飞板的基本组成与工作原理; 第3节详细介绍涵盖机械结构，电力系统，防水及控制系统在内的中大飞板设计方法; 第4节借助实验数据展示中大飞板在姿态和高度控制上的成效，通过与传统无人船对比凸显其优越性能; 第5节对本文进行总结.
2 平台介绍
本章节主要介绍中大飞板的组成和工作原理，并对其水翼模式下的稳定状态进行详细的受力分析.
中大飞板的原型机如图1所示，其长 1.7 m，宽 0.7 m，高0.9 m，质量约50 kg. 中大飞板的原型机可以分为上下两个部分: 上部分包括船体、控制箱、电池、副推进器和天线; 下部分包含主翼、机身、升降副翼. 上下两部分通过一个支杆连接，主推进器固定在支杆上.
图1中大飞板平台
Fig.1The prototype of Sea-U-Foil
中大飞板的船体主要提供升力，确保中大飞板在静止状态时能够浮于水面，同时为其他结构和模块提供安装空间. 控制箱和电池固定在船体的上表面，电力系统密封于电控箱中. 为减少海水带来的电磁干扰和多径效应，GPS天线、数传天线以及遥控器接收器的天线固定在一个高度为0.7 m的铝合金杆顶部. 两个副推进器被固定在船体底部，通过差分驱动的方式控制中大飞板在水面模式下的运动.
为深入探究中大飞板水翼模式的工作原理，本文对水翼模式下的中大飞板进行了受力分析. 受力分析如图2所示. 假设水处于静止状态，当中大飞板稳定运行于水翼模式时，即其姿态角，高度以及前向速度均保持不变，此时中大飞板在垂直方向上受到重力，浮力和升力的作用. 其中，重力方向垂直向下，而由主水翼和升降副翼产生的升力与浮力方向垂直向上. 在水平方向上，中大飞板受到与运动方向相反的合阻力以及推进器产生的向前推力，这里的合阻力包括了机身、支杆、主翼和升降副翼在水中运动时所受到的阻力.
图2中大飞板的受力分析
Fig.2Force analysis of Sea-U-Foil
在垂直方向上，向上的升力主要由主水翼产生. 为提高效率，该升力的作用点应在重心的正下方. 在理想稳定的状态下，主水翼产生的升力与浮力之和约等于中大飞板所受重力. 升降副翼产生升力的方向受其攻角影响. 当升降副翼的攻角为正值时，升降副翼提供向上的力，此时该升力会在中大飞板的侧向产生一个负扭矩，该扭矩会让中大飞板的俯仰角减小. 当中大飞板出现负俯仰角时，类似于飞翼的俯冲运动，会降低船体离开水面的高度. 当升降副翼的攻角为负值时，升降副翼提供向下的压力，此时压力会在中大飞板的侧向产生一个正扭矩，该扭矩会让中大飞板的俯仰角变大，使中大飞板做爬升运动，进而升高其离开水面的高度. 根据这一机理，本文可以依据高度测量值与给定值之间的误差来设计俯仰角的给定值，通过改变俯仰角大小实现对水翼模式下中大飞板高度的精准控制.
中大飞板在飞翼模式下的性能参数如表1所示.
表1中大飞板水翼模式的性能参数
Table1Specifications of Sea-U-Foil in foilborne mode
3 设计方法
3.1 机械结构设计
在开展中大飞板的结构设计工作时，鉴于其所处工作环境的特殊性，需全面且综合地考量诸如防腐蚀性能、强度与刚度特性、密度参数以及易加工性能等多方面的因素.
中大飞板的机械组件包括船体、主翼、支杆、机身、升降副翼、螺旋桨、主推进器底座等. 在这些组件中，船体、主翼、螺旋桨等在市场上易于获取，本文选用了常用的电动水翼冲浪板中的配件. 船体采用扩展聚丙烯（expanded polypropylene，EPP）材料制成，并以铝合金作为内部框架以增强强度，其长度为0.167 m，宽度为 0.73 m，高度为 0.16 m，排水量为 110 L. 主翼则选择了对冲浪爱好者友好的水翼，其具有翼展大，升力系数大的特点. 这种结构的水翼在侧向有更好的稳定性，并且载重量更大. 主翼由碳纤维制成，长度为 0.695 m，宽度为 0.224 m，厚度为0.04 m，质量仅为 0.9 kg. 螺旋桨由不锈钢制成，为减少海水腐蚀，其外部涂有油漆，直径为7.25 inch，螺距为6 inch.
本文使用SolidWorks软件对中大飞板的其他组件进行设计. 中大飞板在SolidWorks中整体的三维模型如图3所示. 为降低中大飞板在水翼模式下所受的阻力，本文进行了多方面设计. 首先，为了减小支杆所受到的阻力，本文把支杆的截面设计为水滴状; 其次，把机体设计成长圆柱形，且将其头部设计成子弹头状，以进一步减小所受的水阻力; 主推进器的安装底座前端同样设计成子弹头状，以此减小水流对推进器的阻力; 中大飞板的升降副翼采用了NACA 66翼型轮廓，该翼型具有较大的升力系数和较小的阻力系数，并且容易安装和加工. 为了提高各组件之间连接的强度，所有组件均使用316不锈钢（stainless steel，SS）螺钉进行连接组装. 相比于其他型号的螺钉，316SS螺钉具有优越的强度和抗海水腐蚀性能. 同时，为防止316SS和铝合金在海水中发生电化学反应，本文在每个螺纹孔中均匀涂抹硅脂，以此隔绝海水以及不锈钢和铝合金的接触.
图3中大飞板三维模型
Fig.3The3D model of Sea-U-Foil
在结构设计上，目前常用的材料包括铝合金、不锈钢、钛合金和碳纤维. 与铝合金材料相比，虽然不锈钢有更大的强度和刚度，但其容易受到海水的腐蚀，且较大的密度会增加结构的负担. 碳纤维结构虽更为轻便，具备优良的耐腐蚀性，然而其加工困难，价格昂贵，这限制了它的应用. 钛合金在结构硬度强度上优于铝合金，但是复杂的加工工艺和高昂的成本，使其也不适合应用于中大飞板的结构设计. 铝合金在中大飞板的结构设计中展现出显著的优势，主要体现在耐腐蚀性，轻便性和易加工性. 铝合金表面的氧化铝薄膜能够有效抵御海水侵蚀; 铝合金的密度小于不锈钢，用其设计出的结构质量小于不锈钢结构; 同时，铝合金易于加工，适合复杂的结构设计. 因此中大飞板的大部分结构采用铝合金材料制作. 中大飞板的机械结构特性及其所用材料如表2所示.
表2中大飞板机械结构特性
Table2Specifications of the mechanical components of Sea-U-Foil
3.2 电力系统设计
在机器人系统中，电力系统起着至关重要的作用. 它为机器人提供驱动电机、传感器及其他电子组件所需的必要能量，以确保整个系统能够正常运行. 在设计中大飞板的电力系统时，需要考虑多个方面的因素. 首先，要确保中大飞板电力系统提供的功率能够满足各个组件（包括控制器、传感器、控制单元）的功耗需求; 其次，鉴于感性元件的存在，电力系统必须保障电压和电流的稳定，防止出现过载，短路以及电压波动等问题; 此外，由于中大飞板作业环境较为苛刻，在设计过程中还需充分考虑电力系统的防水，防尘等环境适应性能，以保证电力系统在各种工作条件下都能长期稳定运行.
中大飞板的电力系统设计如图4所示. 其采用的飞行控制器为 CUAV V5+. CUAV V5+是一款先进的无人机飞行控制器，搭载了强大的32位处理器和高精度传感器，包括多个气压计、加速度计、陀螺仪和磁力计，能够输出稳定且精确的冗余传感器数据，以此确保中大飞板在复杂环境下实现精准导航和稳定飞行. 同时，CUAV V5+ 控制器按照PixhawkFMUv5设计标准设计，完全兼容 PX4和ArduPilot固件，为用户提供了深度定制和功能扩展的可能. CUAV V5+还提供丰富的接口，如PWM，I2C，UART和CAN等，便于连接各类传感器和外设. 此外，其紧凑的设计和高效的电源管理系统，使其适合于各种无人机应用场景，在航拍、农业监测、测绘和科研等领域均有广泛应用，成为无人机爱好者和科研工作者的理想之选. 在中大飞板中，CUAV V5+主要承担底层运动控制任务，而诸如运动规划、障碍物识别、多传感器融合定位等高级复杂的任务，则由上位机Xavier NX来实现.
图4中大飞板的电路设计
Fig.4The electronics design of Sea-U-Foil
中大飞板配备3个推进单元. 为了提供充足的前进动力，主推进器选用了商用电动冲浪板的动力系统，该系统由电池，电调和电机3部分组成. 主推进器的电池，如图4中电池1所示，为14串14并的锂电池，其输出电压可达 58 V，最大放电电流可达 210 A，电池容量为44 Ah. 主推进器电调的输入电压范围为18∼75 V，最大输出电流可达300 A; 推进器电机的工作的Kv值 315 RPM/V，最大输出扭矩为8.3 N·m. 经过测试，该商用的电动冲浪板动力系统能够满足中大飞板连续运行两个小时的需求. 中大飞板的副推进器采用直流无刷内转子推进器，可提供7.5 kg的正向推力和5.30 kg 的反向推力. 在水翼模式下和水下模式下，通过两个舵机控制升降副翼，实现对中大飞板姿态的调控. 为确保实现灵活机动，舵机需要不仅具备足够大的输出扭矩还需要具有很快的响应速度，以抵抗因中大飞板自身质量和速度产生的巨大扭矩. 因此，本文选择了最大可以输出 180 kg·cm扭矩，响应速度为0.11 s/60◦ 的防水舵机. 推进器和舵机均通过CUAV V5+的PWM 输出通道进行控制.
推进器在加速和减速时，电流的快速变化会导致电池电压瞬时上升或下降，这对整个电力系统的安全稳定运行不利. 为降低电压波动对电力系统的影响，中大飞板采用双电池供电方案. 具体而言，主推进器由单独的动力电池驱动，而舵机、副推进器、飞控、上位机等模块，则由一块6S航模电池（即图4的电池2）供电. 同时，为了进一步提高系统供电的稳定性，系统中采用多个直流稳压模块，将电池2的输出电压稳定在不同的电压值，以满足不同模块的电压需求，同时有效减小了推进器加减速过程中产生的电压波动对各模块的影响. 中大飞板各部件的电器特性如表3所示.
表3中大飞板各部件的电气特性
Table3Electrical specifications of the components of Sea-U-Foil
3.3 防水设计
由于工作环境特殊，中大飞板在防尘、防水、防腐蚀方面的要求高于其他地面或空中无人平台. 为提升系统的防尘与防腐蚀能力，本文专门设计了铝合金电控箱. 将中大飞板的核心电力系统密封于电控箱内，电控箱借助O型圈和硅脂达到防水防尘的效果. 此外，为解决接线的防水问题并减轻海水对电线连接处的腐蚀，所有进出电控箱的电线均通过防水连接器连接，且防水连接器的内部腔体用环氧树脂进一步密封，以此增强防护. 尽管本文选用的大扭矩舵机宣称具备 IPX8的防水等级，但在实际测试中，防水效果无法满足中大飞板长时间稳定工作的需求. 为增强舵机的防水性能，本文采用文献 [24] 中的防水方法，使用硅脂和绝缘散热油对舵机进行额外防水处理.
3.4 动力学模型
为了深入了解飞翼模式的运动特性，本文对中大飞板在飞翼模式下的动力学方程进行了详细研究. 根据文献 [25]，本文可以将水翼模式下的动力学方程表示为以下形式:
(1)
其中: ν ∈ 6表示中大飞板的速度向量，包括沿3个坐标轴的线速度和绕 3个坐标轴的角速度; MRB ∈ 6×6代表中大飞板的惯性矩阵; CRB ∈ 6×6是由于中大飞板在坐标系之间旋转而产生的科里奥利–向心矩阵; MA ∈ 6×6代表中大飞板的附加质量矩阵; CA ∈ 6×6是由于附加质量在坐标系之间旋转而产生的科里奥利–向心矩阵; D（ν）∈ 6×6指中大飞板的阻尼矩阵，表示因表面摩擦，能量转换以及涡流的产生与消散而产生的阻尼力; g（η）∈6代表中大飞板的重力和浮力产生的力和力矩; τ ∈ 6表示由推进器、升降副翼和主翼等执行器产生的力和力矩向量; τwind ∈ 6和τwave ∈ 6分别表示由于风和波浪产生的力和力矩.
3.5 控制器设计
为实现中大飞板的稳定，快速的运行，需设计控制器对其状态进行精准控制. 该控制器以中大飞板的状态信号和设定值作为输入，通过实时计算与调整，动态调控推进器的输出以及控制面的位置，以确保中大飞板在正常工作过程中的稳定性与灵活性. 在之前的工作中，本文已实现中大飞板在水翼模式下的姿态控制. 为进一步提高中大飞板的自主性，本文聚焦于中大飞板的高度控制. 本文中的控制目标是使中大飞板在水翼模式下能够保持特定高度，稳定运行. 中大飞板的控制框图如图5所示.
图5中大飞板的控制框图
Fig.5The control diagram of Sea-U-Foil
在本文中，中大飞板的控制信号由遥控器发出. 其中，上下拨动控制器左摇杆可以改变主推进器的转速，进而改变中大飞板的前进速度. 当左遥感回中时，推进器油门量为0.5. 左右拨动遥控器的右摇杆可改变翻滚角的设定值，当右摇杆回中时，翻滚角的设定值为 0 ◦ . 当工作在水翼模式时，高度的设定值为0.25 m. 高度的测量值由实时动态测量技术（real time kinematic，RTK）获取.
中大飞板的外环控制器为PI控制器，主要用于实现对中大飞板在水翼模式下的高度控制. 当中大飞板运行在飞翼模式时，用高度的设定值减去测量值，得到当前的高度误差. 该误差经PI控制器运算，得出中大飞板的俯仰角设定值. 该俯仰角和0 ◦翻滚角作为内环控制器的设定值. 内环姿态控制器采用串级PID控制策略. 姿态设定值与测量值之间的误差被输入到该级联PID控制器中，其中串级PID控制器的外环为P控制器，内环为PI控制器. 串级PID控制器的输出经过混合器，将控制命令分配给驱动器. 为了实现姿态控制器的快速相应，增加系统的稳定性，在串级PID中引入了前馈控制器. 同时，由于水翼的水动力模型具有非线性，即在不同的速度情况下，水翼的作用效果不一样，水流过翼面时的速度越快，水翼的控制效果越强. 为了减小该非线性关系对控制器作用效果的影响，本文将控制器的输出乘以一个与中大飞板速度有关的参数. 考虑了前馈控制器和水翼非线性特性的PID控制器由下式表示:
(2)
其中: u（t）是控制器的输出; e（t）是误差信号，即设定值与实际值之间的差; Kp，Ki和Kd分别是比例、积分和微分增益; uf（t）是前馈控制输入，通常根据系统模型或参考信号进行计算，以改善控制性能和响应速度; c（v）是一个和中大飞板速度u 有关的一个参数，可以通过调节这个参数来减轻水翼的非线性对系统的影响.
这些参数通过实验现象调节得到. 由于本文主要聚焦于中大飞板的高度的控制问题，中大飞板的速度采用开环控制，即遥控器的控制信号直接传递给主电机的电调，以改变电机的转速.
4 实验结果
本节主要对中大飞板设计的合理性进行验证，通过开展多种实验测试控制器的控制效果，并依据测试数据阐述中大飞板相较于传统无人船的优越性.
如前文分析可知，只有当竖直方向上的升力和浮力之和等于重力时，中大飞板才能在水翼模式下平稳运行. 水翼产生的升力与升力系数、水翼面积、水流速度的关系如下所示:
(3)
其中: L为水翼产生的升力，ρ为海水的密度，V 是水流流过水翼表面的速度，S为水翼面积，Cl为升力系数，其大小与水翼的结构有关 [26] . 如式（3）所示，主翼产生的升力与速度的平方成正比. 因此，为顺利进入飞翼模式，中大飞板需要一定的初始速度. 通过大量实验，确定该速度阈值为4 m/s.
本文通过两个实验来证明控制器的有效性，分别为姿态控制实验和高度控制实验. 在姿态控制实验中，为了测试中大飞板的姿态控制效果，利用遥控器输出中大飞板的姿态角度设定值. 启动系统后，首先增加油门，当中大飞板的速度超过设定阈值时，通过遥控器发出正的俯仰角信号，中大飞板的船体便会离开水面进入水翼模式. 通过调节俯仰信号的给定值，即可改变中大飞板离开水面的高度. 而着陆过程则通过设置负的俯仰角或降低油门来达成. 整个水翼模式的测试涵盖起飞、水翼飞行和着陆3个过程，其测试过程如图6所示. 在姿态控制实验下，中大飞板的姿态角度控制效果如图7所示. 从图7可以得出，姿态角的串级 PID控制能够使中大飞板较好地跟随姿态角的设定值.
图6中大飞板的水翼模式测试效果
Fig.6Results of foilborne mode
图7中大飞板的姿态控制测试结果
Fig.7Result of the attitude control of Sea-U-Foil
在中大飞板的内环控制效果稳定后，本文继续对其外环控制，即对高度控制器进行测试. 在高度控制模式下，遥控器仅需给出推进器转速信号，控制系统便能依据中大飞板当前的传感器测量数据，自动控制中大飞板起飞，使其在水翼模式下稳定运行. 高度控制的测试结果如图8. 从图中可以看出，当切换至高度控制模式时，中大飞板能够快速将船体提升至指定高度，并将该高度维持在给定值附近. 不过，从图中也能发现，中大飞板实际高度与给定值存在一定波动. 产生这种波动的原因是多方面的. 例如传感器测量误差、水面波浪、PID参数调整以及控制器的结构等.
因为中大飞板工作在水翼模式下时，船体会离开水面，这减少了水对船体的阻力，使其能具备更快的运行速度. 为测试中大飞板的最大速度，本文开展了大量实验. 在当前的动力系统和尺寸条件下，中大飞板工作在水翼模式时，最大前进速度可达8 m/s. 本文对当前市场上和学术领域中的无人船进行了调研，发现在与中大飞板类似尺寸和动力配置的情况下，中大飞板的运行速度最快. 表4展示了中大飞板与其他具有类似尺寸或者类似动力系统功率的USVs的最大速度对比. 同时，测试结果显示中大飞板的有效工作时间约为2.5 h. 其优越的运行速度和较长的工作时间使中大飞板具备更远的工作距离.
表4不同无人船的最大速度比较
Table4Maximum speeds of different USVs
5 结论
本论文提出了一种新型无人水面船: 中大飞板，旨在解决现有无人船在运行速度、载重能力及运动范围等方面的局限性. 借鉴固定翼无人机的设计理念，中大飞板集成了水翼结构. 在水中运动时，水翼能够产生升力，使船体离开水面，减少与水面的接触面积. 这一创新设计显著降低了水阻力，有效提升了运行速度和能源效率，同时拓展了操作范围. 论文详细阐述了中大飞板的工作机制与设计流程，并通过实验数据有力证明了其在性能方面相较于传统单体船和双体船的优势. 本研究成果不仅展示了中大飞板在未来海洋任务中的潜在应用价值，也为无人水面船的发展开辟了新的方向.