一種AUV水下接駁系統(tǒng)的設(shè)計與研究

吳 哲，羊云石，程 燁，林 婕，岳志杰，顧海東

(中國船舶重工集團公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

0 引 言

隨著海洋工程建設(shè)的不斷推進，海底觀測網(wǎng)在近幾年被各國廣泛關(guān)注，甚至在某些國家已經(jīng)初步布設(shè)完成[1]。海底觀測網(wǎng)整合了先進的海洋觀測技術(shù)及手段，可以對海洋進行全天候、高密度、多要素地探測。而作為觀測網(wǎng)中的任務(wù)執(zhí)行主體，無人水下平臺（AUV）目前由于技術(shù)的局限，其數(shù)據(jù)通信與能量補給只能通過與接駁站對接來實現(xiàn)。因此，穩(wěn)定可靠的水下接駁技術(shù)，將是建設(shè)海底觀測網(wǎng)的關(guān)鍵。近幾年由于相關(guān)需求的出現(xiàn)，國內(nèi)外在對接技術(shù)上都有大量的研究出現(xiàn)[2–8]，涵蓋接駁站結(jié)構(gòu)、接駁導(dǎo)引方式等方向。

本文介紹了一種自主研發(fā)的AUV水下接駁系統(tǒng)，概述了系統(tǒng)中水下無人平臺與接駁站的相關(guān)設(shè)計。該接駁系統(tǒng)已經(jīng)在渤海海域進行了長達半年的布放，進行了數(shù)十次的接駁試驗，驗證了可靠性[1]。

1 水下無人平臺

作為海底觀測網(wǎng)的主要功能執(zhí)行者，無人水下平臺是一個搭載有多種傳感器并具有自主運動功能的智能航行器。本文介紹的接駁系統(tǒng)中的AUV，最大直徑為350 mm，長約3 m，總重243 kg，外形如圖1所示，采用“回轉(zhuǎn)體+十字鰭舵+導(dǎo)管槳推進器”形式。通過采集慣性、深度、高度、多普勒測速、衛(wèi)星定位、水聲通信等測量信息，AUV將數(shù)據(jù)融合后進行組合導(dǎo)航解算，導(dǎo)航精度小于航程的0.5%。在接駁航行過程中，AUV以3 kn速度航行。

1.1 水聲定位系統(tǒng)

AUV導(dǎo)引是整個接駁系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。雖然目前導(dǎo)引技術(shù)已經(jīng)趨向于多元化，如光學(xué)導(dǎo)引、磁學(xué)導(dǎo)引等等，但聲學(xué)導(dǎo)引仍然擁有著巨大優(yōu)勢。聲學(xué)導(dǎo)引作用范圍大，技術(shù)成熟，對海洋環(huán)境的要求相對較低，不受濁度影響。因此在對接過程中，本系統(tǒng)采用聲學(xué)導(dǎo)引的方法進行AUV路徑規(guī)劃。為該套接駁裝置所研發(fā)的水聲定位系統(tǒng)，采用超短基線基陣進行定位，定位信息最快刷新時間間隔為2 s，最大作用范圍約3 000 m，與GPS測量結(jié)果相比定位精度可達0.5%以下。

水聲定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖2。AUV通過換能器發(fā)出聲學(xué)定位請求脈沖。當(dāng)接駁站收到脈沖信號后，通過聲學(xué)方法測量此時AUV相對于接駁站的水平方向角和垂直方向角，結(jié)合接駁站姿態(tài)傳感器的信息進行方位修正，并將估計結(jié)果以水聲通信方式向外發(fā)送。當(dāng)收到接駁站端水聲信號后，AUV端自動計算兩者之間的距離，解析出接駁站發(fā)送的方向信息，由控制中心根據(jù)這些信息解算AUV相對于接駁站對接筒的位置。

1.2 數(shù)據(jù)及電能傳輸

當(dāng)AUV進塢后，系統(tǒng)通過接駁站中的濕插拔結(jié)構(gòu)將AUV端與接駁站端電連接器進行接觸式對接。為了滿足需要，水下濕插拔連接器選用了蘇里奧公司8810型12芯連接器，能滿足3 000 m水深的插拔，單芯最大電流7.5 A，絕緣電阻＞100 MΩ。AUV設(shè)計充電電壓為48 V。

AUV與接駁站的數(shù)據(jù)及電能傳輸性能已經(jīng)過實驗室水池聯(lián)調(diào)測試。在水下AUV與接駁站接駁部分對接，當(dāng)AUV與接駁站上位機間組成局域網(wǎng)后，通信速率可達到120 Mbps。此外經(jīng)驗證AUV系統(tǒng)充電效率在92%～98%之間。

2 接駁站

根據(jù)接駁形式的不同，接駁站可分為捕捉式、包容式、平臺式3種。其中包容式的接駁方式對AUV改造較小，并且在接駁時對AUV有保護作用，適用于海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)，本文介紹的接駁站屬于包容式，如圖3所示。接駁站結(jié)構(gòu)上可劃分為以下幾塊。

2.1 漏斗形導(dǎo)引段及對接筒

接駁站上部為漏斗形的導(dǎo)引段及對接筒。導(dǎo)引段起到引導(dǎo)AUV順利進入既定接駁位置的作用。整個導(dǎo)引段最大外徑2 000 mm，由2根不銹鋼圓環(huán)與18根玻璃鋼圓桿構(gòu)成。而對接筒則為AUV提供安全?？?、補給能量和傳輸數(shù)據(jù)的空間位置，是AUV最后停留的基站。對接筒體呈中空圓柱形，內(nèi)壁直徑為380 mm（AUV直徑350 mm），壁厚為20 mm。對接筒在水平位置兩側(cè)開有引導(dǎo)槽，底部留有插拔缺口。此外，在對接筒側(cè)邊裝有到位傳感器，用于AUV進塢的檢測。

2.2 基座

考慮到穩(wěn)定性，接駁站的底座是一個金字塔形的結(jié)構(gòu)，所占面積較大。基座總高為2 075 mm，由鋁合金焊接而成。在側(cè)面的鋁合金板上，開有圓孔來減輕重量，同時減小水流的沖擊力。

基座上裝有多個照明燈與水下攝像機，用于捕捉對接流程。

2.3 俯仰調(diào)節(jié)模塊

海底地貌存在起伏特性，為了保證接駁站在水下具有良好的俯仰姿態(tài)，對接筒下部，基座頂端為單自由度旋轉(zhuǎn)鉸接點。該旋轉(zhuǎn)點固定有一俯仰桿，上部與對接筒剛性連接，底部裝有調(diào)節(jié)重塊。系統(tǒng)通過重塊提供回復(fù)力矩，維持良好的俯仰姿態(tài)，并在AUV沖擊接駁站時，通過重塊抵消一部分能量。同時，在重塊底部安裝有前后2條調(diào)節(jié)鏈，分別由2個俯仰電機驅(qū)動，用于地形較差時通過電機拉扯調(diào)節(jié)俯仰角。

2.4 濕插拔結(jié)構(gòu)

濕插拔模塊用于實現(xiàn)水下電連接器的導(dǎo)引、對正和插拔功能，結(jié)構(gòu)如圖4所示。它通過梯形螺母在絲桿上的運動實現(xiàn)上下插拔，并將插銷機構(gòu)安裝在底部配有萬向節(jié)的錐形彈簧上，便于實現(xiàn)軸向偏移及偏角，保證機構(gòu)的軸向位置及角度糾偏能力（±20 mm，±15°）。

2.5 電子艙

電子艙主要用于采集傳感器信號（壓力傳感器、電子羅盤），完成信號傳輸與控制命令下達功能。上位機通過電子艙控制接駁站攝像頭、俯仰電機、插拔電機、照明燈的啟動與關(guān)閉。

3 水下對接流程

整個接駁系統(tǒng)工作流程可分為以下幾個階段：

1）回歸階段。AUV基于水聲通信導(dǎo)航信號調(diào)整航行軌跡，向接駁站靠近。途中，AUV使用航向信息和水聲通信來計算對接就位點（就位點位于對接喇叭口的中心延長線上）。

2）駛向就位點。AUV完成就位點計算后，將自主規(guī)劃出通往就位點的軌跡，然后控制駛向就位點。

3）靠近對接口。AUV到達就位點后，在水聲定位通信的方位、距離信息、DVL航速信息以及航向信息的綜合處理下，以最低可操縱速度沿著對接口中心線靠近對接喇叭口。

4）電能及信號傳輸。如果對接平臺檢測到AUV準(zhǔn)確到位，對接平臺控制器將驅(qū)動插拔裝置升起插銷鎖住AUV，隨后使用水下電連接器進行充電和數(shù)據(jù)傳送。

4 海試試驗

為驗證接駁系統(tǒng)可靠性，對接駁成功率、工作時間進行考核。2017年7–12月在大連老虎灘附近海域進行了海上驗證試驗。試驗開始前，借助多波束探測工具對試驗海域進行了測繪。試驗海域海底地形平坦，水深在30～40 m左右。接駁站布放處水深為30 m。此外使用ADCP記錄了海域5月洋流參數(shù)，發(fā)現(xiàn)作用于預(yù)定對接航道上的側(cè)流約有一半時間流速高于1 kn，峰值流速超過3 kn。

本次海試接駁站總計布放時間達到5個月，并在期間進行了數(shù)十次AUV接駁試驗。試驗時通過水聲通信，可捕捉AUV在航行中的坐標(biāo)點，得出AUV向接駁站靠近過程中的航跡，如圖5所示。AUV在較遠處通過計算相對方位調(diào)整自身航向，直至與基線重合，隨后沿基線進入接駁站。最終，經(jīng)過試驗驗證，該接駁系統(tǒng)單次對接成功率達90%以上。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種自主研發(fā)的AUV接駁系統(tǒng)，包括接駁站與AUV兩部分，并通過海試試驗證明了該接駁系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了單次90%以上的成功率。未來將進一步擴展接駁站與水下無人平臺相關(guān)功能，使整個系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性進一步加強，為海底觀測網(wǎng)提供技術(shù)儲備。