AUV水下對接裝置的實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)

國婧倩，鄭 榮，呂厚權(quán),3，李默竹，梁洪光

(1. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016；2. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

AUV通常自帶能源在水下工作，工作時(shí)間和航行距離都有限制，這就需要回收以補(bǔ)充能量、讀取信息和維護(hù)保養(yǎng)[1]，但其釋放和回收過程繁瑣復(fù)雜，且耗時(shí)費(fèi)力，存在安全隱患。因此需要水下對接技術(shù)，在不借助第三方設(shè)備的情況下，通過與海底觀測網(wǎng)提供的接口及其他可能設(shè)備連接[2]，使AUV自主完成充電、數(shù)據(jù)傳輸和新的任務(wù)下載。

自20世紀(jì)90年代初至今，國內(nèi)外研究學(xué)者設(shè)計(jì)了各種AUV水下對接系統(tǒng)[3]，其形式主要可以劃分為5類：水面起吊回收式[4]、魚雷管回收式、捕捉對接式[5]、包容對接式、平臺對接式[6]，其中包容對接式能最大限度減少對AUV外部的修改，對聲學(xué)導(dǎo)航、AUV運(yùn)動穩(wěn)定性、航行控制和水阻力等基本不產(chǎn)生影響。國外典型的有美國WHOI研發(fā)的REMUS AUV[7]對接裝置[8 – 10]，MBARI 研制的 Dorado AUV 對接裝置[11 – 12]，Hydroid公司的REMUS100水面拖曳裝置[13]，Bluefin-12 的原型 UUV 對接補(bǔ)給站測試[14 – 15]，韓國海洋工程研究中心的“ISIMI”AUV 對接裝置[16 – 18]；國內(nèi)主要有哈爾濱工程大學(xué)的對接裝置[19], 浙江大學(xué)研制的“海豚二號”對接裝置[20 – 21]，沈陽自動化研究所的水下主動捕捉式對接平臺[22]和基于燈光導(dǎo)引的AUV水下對接裝置[23]，以及中國船舶重工集團(tuán)的AUV水下接駁站[24]。水下對接系統(tǒng)在未來海底觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景，將為推動我國各類深海潛水器的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)，具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 問題描述

目前國內(nèi)外的包容式水下對接裝置頂端均與AUV首部直接接觸限位，軸向無法調(diào)整，定位精度不高；為保證插拔成功率，對AUV入塢時(shí)的橫滾姿態(tài)要求嚴(yán)格；非接觸充電方式通信緩慢，且裝置體積較大，增大AUV自身負(fù)載。本文介紹的對接裝置主要解決水下大功率有線充電和精準(zhǔn)定位插拔兩大問題。

2 AUV 水下對接裝置研究方案

結(jié)合待對接AUV的工作環(huán)境、工作特點(diǎn)及技術(shù)要求，針對各個(gè)對接功能需求進(jìn)行相應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)本著結(jié)構(gòu)簡單、利于運(yùn)輸、可靠性高、定位精度高、充電效率高、數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、模塊程度高、適用性廣的原則。

2.1 需求分析

AUV的水下對接是一個(gè)自動引導(dǎo)的過程，本裝置采用超短基線（USBL）聲學(xué)定位技術(shù)，為保證對接成功，其產(chǎn)生的功能需求有：導(dǎo)向調(diào)整、緩沖保護(hù)、限位鎖緊、定位校正、水下插拔、無線電水下通信、液壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、對接裝置姿態(tài)檢測、水下有線充電及數(shù)據(jù)傳輸?shù)??；谝陨瞎δ苄枨蠓治觯M(jìn)行相應(yīng)的機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)。

2.2 工作原理

本文的對接裝置主要將直徑534 mm的作業(yè)型AUV作為對接目標(biāo)，對接過程為：AUV入塢→軸向限位→鎖緊→姿態(tài)校正→插拔傳輸。超短基線位于導(dǎo)向罩外側(cè)，AUV首部攜帶聲吶，通過聲學(xué)通信提供AUV和對接裝置間的位置和姿態(tài)信息。裙口式導(dǎo)向罩利用弧線實(shí)現(xiàn)錐口的漸縮過渡，逐步引導(dǎo)AUV入塢?？蚣苁孜矁啥说男谐涕_關(guān)傳感器檢測到AUV到位信息時(shí)，首部推行機(jī)構(gòu)已對AUV進(jìn)行軸向限位，同時(shí)驅(qū)動限位夾緊機(jī)構(gòu)夾持AUV首部，檢測到液壓缸到位信息后，驅(qū)動首部推行機(jī)構(gòu)配合定位銷實(shí)現(xiàn)AUV的最終完全定位，達(dá)到接插件與接插座的對中精度，最后水下插拔機(jī)構(gòu)完成插拔任務(wù)，對接完成。充電與數(shù)據(jù)傳輸完成后，釋放AUV。

2.3 方案設(shè)計(jì)

AUV水下對接裝置主要包括水面部分、水下電子艙、液壓站3大部分，如圖1所示。水面部分通過主纜與電子艙連接，完成攝像監(jiān)控、下達(dá)指令、數(shù)據(jù)存儲等功能。嵌入式控制器等元件密封在電子艙內(nèi)，并提供對外接口，通過液壓站驅(qū)動三大機(jī)構(gòu)按順序執(zhí)行相應(yīng)動作并收集液壓缸到位信息。無線電、TCM5、行程開關(guān)等各類傳感器位于外部，與電子艙共同實(shí)現(xiàn)對接裝置與AUV間的無線通信、信息反饋、大功率有線充電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖 1 對接系統(tǒng)總體構(gòu)成Fig. 1 System composition of the dock

2.4 AUV定位及姿態(tài)校正方法

保證對接成功的根本就在于滿足接插件與接插座的對中精度要求，為此提出一種AUV姿態(tài)校正方法，尤其是對其橫滾姿態(tài)的校正，如圖2所示。AUV首部自身攜帶三角槽，弧板對AUV環(huán)抱限位，同時(shí)定位銷進(jìn)入AUV首部三角槽內(nèi)，首部推行機(jī)構(gòu)使AUV向后移動，通過定位銷對三角槽運(yùn)動的限制實(shí)現(xiàn)AUV姿態(tài)校正，定位銷到達(dá)三角槽頂端且微受力狀態(tài)時(shí)，校正完成，此時(shí)定位銷軸線與AUV軸線位于同一水平面。

此方法是在AUV成功入塢后，再進(jìn)行姿態(tài)校正，因此降低了AUV入塢前的姿態(tài)要求，增加了入塢成功率，在進(jìn)行橫滾姿態(tài)校正的同時(shí)，完成了AUV軸向和橫向的限位。取校正某一環(huán)節(jié)，設(shè)AUV首部為以質(zhì)點(diǎn)，以頭部為正視方向，其受力分析如圖3所示，其中F1為首部推行機(jī)構(gòu)提供的向內(nèi)軸向力；f2為定位銷與三角槽間的向外摩擦力；M為定位銷提供的轉(zhuǎn)矩；q左與q右分別為弧板提供的均布載荷。

圖 2 AUV 橫滾姿態(tài)校正方法Fig. 2 AUV attitude correction method

圖 3 AUV 首部受力分析Fig. 3 Force analysis of the head of AUV

3 AUV 水下對接裝置方案實(shí)施

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AUV水下對接裝置結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，主要由首部推行機(jī)構(gòu)、限位夾緊機(jī)構(gòu)、水下插拔機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向罩、超短基線、行程開關(guān)等組成，整體全長4.7 m。內(nèi)部設(shè)有ABS板，對入塢后的AUV起到緩沖保護(hù)功能，框架內(nèi)切圓直徑為580 mm。

圖 4 AUV 水下對接裝置模型圖Fig. 4 The structure schematic diagram of underwater AUV docking device

1）首部推行機(jī)構(gòu)

首部推行機(jī)構(gòu)主要進(jìn)行軸向動作，采用液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)懸掛支撐塊在導(dǎo)向軸上做直線往復(fù)運(yùn)動，通過首頂罩與AUV首部部分接觸，實(shí)現(xiàn)對AUV的有效緩沖及軸向定位。此間AUV首部與首頂罩之間會產(chǎn)生碰撞，需對首頂罩進(jìn)行強(qiáng)度分析，基于液壓缸最大推力為 2 000 N，對首頂罩在 2 000 N 的壓力下進(jìn)行靜態(tài)分析，如圖5所示。

圖 5 2 000 N 作用力下首頂罩的位移云圖Fig. 5 The displacement cloud map of top cover under 2 000 N

通過對首頂罩的靜力分析可知，在2 000 N作用力下，其最大變形量為0.824 6 mm，滿足工程實(shí)際需要。

2）限位夾緊機(jī)構(gòu)

基于AUV回轉(zhuǎn)體的外形，限位夾緊機(jī)構(gòu)采用兩端對稱方式，同步驅(qū)動。利用弧板取代傳統(tǒng)的V形板，將線接觸轉(zhuǎn)換為面接觸，2個(gè)弧板并列，后排的弧板對AUV姿態(tài)起到輔助作用。機(jī)構(gòu)中加入了中間板，可進(jìn)行尺寸微調(diào)，實(shí)現(xiàn)弧板環(huán)抱直徑322.5～662 mm，本試驗(yàn)使用542 mm環(huán)抱直徑。液壓缸驅(qū)動過程中，兩側(cè)弧板中心間距變化如圖6所示。

圖 6 弧板間距變化曲線Fig. 6 Curve of distance change between arc plates

3）水下插拔機(jī)構(gòu)

水下插拔機(jī)構(gòu)是水下對接的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對接成功與否取決于接插件是否順利進(jìn)入AUV攜帶的插座。AUV在對接裝置內(nèi)定位后，不能保證插座每次的位置都相同，因此，接插件與插座存在位置或角度的偏差，為保證對接精度，考慮插拔力的存在，使用彈簧和萬向節(jié)組合，即可被動補(bǔ)償偏差又可承受拉力，彈簧參數(shù)如表1所示。

3.2 控制體系

水下對接裝置控制體系主要分為水面控制終端、水下控制系統(tǒng)和外部設(shè)備等3部分，總體構(gòu)成如圖7所示。控制系統(tǒng)既可以配合AUV實(shí)時(shí)判斷其狀態(tài)，自主控制完成水下對接工作，也可以人為控制，實(shí)現(xiàn)水下有線大功率充電及通信的功能。

表 1 圓柱螺旋壓縮彈簧參數(shù)Tab. 1 Parameters of cylindrical helical compression spring

圖 7 控制體系構(gòu)成Fig. 7 The composition of the control system

水面控制終端主要由控制計(jì)算機(jī)、串口服務(wù)器和高壓直流電源構(gòu)成?？刂朴?jì)算機(jī)可以顯示對接裝置的狀態(tài)以及載體的信息，還可以發(fā)送指令控制裝置的動作。水下控制系統(tǒng)是整個(gè)對接裝置的控制核心，其主要包括電源分配轉(zhuǎn)換單元、控制器單元、控制管理單元、充電單元以及串口服務(wù)器等。電子艙通過水密電纜與液壓站及傳動機(jī)構(gòu)、傳感器以及無線電等外部設(shè)備相連接，為其提供電能、驅(qū)動信號并采集反饋信息。

3.3 液壓體系

對接過程中，一個(gè)完整的動作順序?yàn)椋簥A緊→推行→插入→拔出→收回→釋放。綜合考慮，液壓系統(tǒng)選定為并聯(lián)系統(tǒng)，方向控制閥選用具有中封功能的三位四通電磁閥，液壓源為定量泵加溢流閥的組合方式，系統(tǒng)采用回油路節(jié)流調(diào)速回路，原理如圖8所示，其中閥箱A1孔為備用油路。

根據(jù)對接裝置負(fù)載大小，考慮液壓缸起動摩擦力、動摩擦力、液壓缸機(jī)械效率等因素，確定液壓缸主要參數(shù)。本設(shè)計(jì)中液壓缸為單活塞桿液壓缸，根據(jù)公式確定液壓缸的內(nèi)徑和缸桿截面積，進(jìn)而確定系統(tǒng)的最大工作流量。式中：F為外負(fù)載；ηm為液壓缸機(jī)械效率；A1為無桿腔工作面積；A2為有桿腔工作面積；P1為無桿腔工作壓力；P2為有桿腔工作壓力；D為缸筒內(nèi)徑；d為缸桿直徑。

圖 8 液壓系統(tǒng)原理圖Fig. 8 Hydraulic system diagram

4 水池試驗(yàn)

基于理論指導(dǎo)與分析搭建試驗(yàn)平臺，關(guān)鍵部件使用鋁合金(5A06)。對接裝置通過4根吊帶由吊車吊起，放入水池中，微露水面，AUV在距離對接裝置約2 m的位置航向?qū)蛘郑瑢恿鞒倘鐖D9所示。

圖 9 水下對接流程Fig. 9 The underwater docking process

水池試驗(yàn)結(jié)果表明：對接裝置能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)對AUV的鎖緊與插拔，其機(jī)械結(jié)構(gòu)是可行的，且試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)AUV撞擊導(dǎo)向罩后，懸掛的對接裝置產(chǎn)生微晃動，該晃動有利于AUV進(jìn)入對接裝置。

5 結(jié) 語

本文在分析國內(nèi)外各種形式對接裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能后，基于目前存在的問題，設(shè)計(jì)的AUV水下對接裝置主要特點(diǎn)如下：

1）采用直接接觸充電方式，通訊快速，充電效率高、數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)；

2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，可穩(wěn)定有效的調(diào)整AUV姿態(tài)，可靠性及插拔精度高；

3）對AUV入塢時(shí)的橫滾姿態(tài)要求低，工程應(yīng)用價(jià)值高；

4）具有很大的通用性，適合不同尺寸的AUV；

5）對接裝置處于柔性狀態(tài)比剛性狀態(tài)更利于AUV入塢。

未來實(shí)際應(yīng)用中水下對接裝置需要固定于某一平臺，使對接裝置能夠滿足姿態(tài)、方向等調(diào)節(jié)需要，后續(xù)將對固定平臺進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，以滿足工程需求。