AUV 自主收放裝置結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

趙軍齊，常進官

(1. 中國人民解放軍92765 部隊，海南 三亞 572000；2. 中國船舶集團公司第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650118)

0 引 言

隨著海洋機電控制技術(shù)的發(fā)展，人類對海洋的探索和研究不斷向深海和遠海擴展[1–5]。由于AUV 具有良好的實時性、連續(xù)性及可移動性的特點，因此被廣泛地應(yīng)用于海洋資源環(huán)境的勘測和開采過程中[5–10]。在AUV 的收放過程中，傳統(tǒng)的回收方式是在母船上起吊回收，人為參與完成掛鉤任務(wù)，這種方式受風浪的影響較大。為了提高AUV 的使用保障能力，需要針對AUV 的自主收放技術(shù)展開研究。

近年來，國內(nèi)外針對AUV 收放技術(shù)開展了一定的研究。陳佳倫[11]提出一種基于AUV 和USV 的一體化作業(yè)系統(tǒng)?；谝惑w化系統(tǒng)，設(shè)計了一種USV 水面動對動回收AUV 作業(yè)流程，經(jīng)過外場試驗驗證了水動力模型和仿真結(jié)果的準確性和可靠性。郝啟[12]設(shè)計了自主回收 AUV的裝置結(jié)構(gòu)。對回收機械臂的自由度、關(guān)節(jié)類型、驅(qū)動方式、材料進行了分析選擇以及對機械臂的連桿進行了優(yōu)化設(shè)計。王志敏[13]設(shè)計了一種基于PLC 控制的可以在船舶航行條件下對AUV 進行釋放和回收操作的裝置，設(shè)計了釋放回收結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)設(shè)計、電氣控制系統(tǒng)。裴宏廣[14]設(shè)計了一種適合于較大型AUV 的專用收放裝置，操作簡便、安全，不需要其他特殊的設(shè)備配合，即可獨立完成AUV 的入水和回收作業(yè)。

雖然目前的國內(nèi)外科研機構(gòu)針對AUV 的收放技術(shù)進行了一定的研究，然而以往的研究主要集中在部分機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與基本功能實現(xiàn)，很少涉及機構(gòu)的運動學特性分析及控制研究。針對現(xiàn)有AUV 收放存儲的技術(shù)難以滿足工作需求的狀況，本文設(shè)計了一套AUV 收放存儲裝置，可用于AUV 的布放及回收。針對現(xiàn)有AUV 收放存儲的技術(shù)難以滿足工作需求的狀況，設(shè)計了各部分的機械結(jié)構(gòu)，并通過系統(tǒng)校核驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。同時，設(shè)計了AUV 收放存儲裝置控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機械液壓執(zhí)行器的精密控制、傳感器的數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)顯示、試驗參數(shù)調(diào)整、工作狀態(tài)監(jiān)控和安全報警等功能，能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的控制流程進行輔助判斷和安全保障。

1 AUV 收放存儲裝置組成

AUV 收放存儲裝置由固定架、控制臺、吊機裝置、絞車、定滑輪、鋼絲繩、收放架等部分組成，各部分功能如下：

1）固定架

固定架布置于靠近船舷處，總長約6 m，由不銹鋼支架和鎖緊裝置組成。固定架用于存儲AUV。

2）電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)由控制臺和傳感器組成。電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)AUV 收放存儲裝置的收放控制，顯示收放狀態(tài)等功能。

3）吊機裝置

吊機裝置包括液壓系統(tǒng)、立柱、旋轉(zhuǎn)吊臂、伸縮吊臂、回轉(zhuǎn)油缸、伸縮油缸、掛載頭等。吊機裝置能夠完成旋轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮運動，利用固定于掛載頭處的收放架可完成對AUV 的布放和回收。

4）絞車

絞車本體由卷筒、安裝底座、減速機（傳動機構(gòu)）、改向輪組成。絞車主要用來收放、存儲鋼絲繩。絞車本體能實現(xiàn)鋼絲繩收放速度以及纜繩張力控制。定滑輪與吊機掛載頭鉸接，實現(xiàn)鋼絲繩的轉(zhuǎn)向。

5）鋼絲繩

鋼絲繩纏繞在絞車卷筒上，一端固定于絞車內(nèi)，另一端經(jīng)過定滑輪轉(zhuǎn)向穿過收放架并在末端安裝卡扣。當回收AUV 時，由潛水員將收放架中部的鋼絲繩與A U V 中部吊耳連接，操作員操作絞車回收將AUV 牽引至收放架下

6）收放架

收放架總長3.95 m，采用不銹鋼材質(zhì)，包括旋轉(zhuǎn)運動調(diào)節(jié)機構(gòu)、俯仰運動調(diào)節(jié)機構(gòu)以及鎖緊機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)運動調(diào)節(jié)機構(gòu)掛載在吊機掛載頭處，完成對鎖緊機構(gòu)的水平旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。俯仰運動調(diào)節(jié)機構(gòu)連接在旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)上，完成鎖緊機構(gòu)的垂直俯仰調(diào)節(jié)。鎖緊機構(gòu)由電動卡盤將AUV 抱死，電動卡盤內(nèi)部覆有軟橡膠，增大與AUV 之間的摩擦，回收中可對AUV 與收放架之間碰撞起到緩沖作用。收放架中部引出一根鋼絲繩，回收時與AUV 中部吊耳連接。控制臺安裝在吊機裝置底座上，所有裝置均布置于露天近水環(huán)境，AUV收放存儲裝置應(yīng)滿足潮濕、雨淋的工作環(huán)境要求，達到IP65 以上的防護要求。

2 主要設(shè)計參數(shù)

1）動力

輸入：220 V 兩相交流電、380 V 三相交流電。

2）吊車技術(shù)參數(shù)

承載能力：不低于3 t。

3）收放約束范圍

吊車裝置可旋轉(zhuǎn)、下探，調(diào)節(jié)范圍以水面高度離船舷垂直距離4 m 為約束。

4）收放架姿態(tài)調(diào)整范圍

收放架可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)和俯仰調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)角度可0～180°連續(xù)調(diào)整，俯仰角度可在水平±30°連續(xù)調(diào)整。

5）安裝環(huán)境限制

滿足潮濕、雨淋的工作環(huán)境要求，達到IP65 以上的防護要求。設(shè)備滿足?10°C ～ 50°C 的工作環(huán)境溫度要求。

3 AUV 收放存儲裝置工作流程

AUV 收放存儲裝置分為控制柜、吊機、絞車和收放架4 個部分，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示?？刂乒耠娍叵到y(tǒng)主要實現(xiàn)AUV 收放存儲裝置的收放控制和收放狀態(tài)的顯示，包括吊車的控制、絞車的收放、收放架的控制等；吊機主要實現(xiàn)能夠完成旋轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮運動，利用固定于掛載頭處的收放架可完成對AUV的布放和回收；絞車實現(xiàn)鋼絲繩收放速度以及纜繩張力控制；收放架完成AUV 鎖緊機構(gòu)的水平旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)、垂直俯仰調(diào)節(jié)和AUV 抓取等操作。

圖1 AUV 收放存儲裝置總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The overall structure diagram of AUV autonomous retractable device

AUV 收放裝置的整體工作流程如圖2 所示。釋放時，吊車機構(gòu)旋轉(zhuǎn)至存儲架正上方，調(diào)整收放架角度至與AUV 平齊，下放收放架并抓取AUV，然后將存儲架上的AUV 鎖緊裝置松開。吊機將AUV 提起并旋轉(zhuǎn)至甲板外，吊機懸臂下探至海面附近，收放架松開，AUV 入水，吊車旋轉(zhuǎn)至甲板內(nèi)，布放完成。

圖2 AUV 收放流程Fig. 2 The deployment and recovery of AUV

AUV 結(jié)束任務(wù)后，上浮至水面距尾弦一定距離后，開始回收。吊車懸臂梁旋轉(zhuǎn)至甲板外并下探至海面附近。此時潛水員將收放架中部的鋼絲牽引繩與AUV 中部吊耳連接，絞車開始回收，通過鋼絲繩將AUV 牽引至收放架正下方，調(diào)整收放架旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)和俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)后抓取并鎖緊AUV，通過吊車將AUV 回收至存儲架，存儲架將AUV 鎖緊，回收完成。

4 AUV 收放存儲裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 吊機裝置設(shè)計

吊機裝置如圖3 所示，包括液壓系統(tǒng)、立柱、旋轉(zhuǎn)吊臂、伸縮吊臂、回轉(zhuǎn)油缸、伸縮油缸、掛載頭等。

圖3 吊機裝置Fig. 3 The crane device

吊機自重約2 t，安裝空間900×900 mm，最大起重質(zhì)量5 t，最大起重力矩10 t·m，工作半徑10 m，額定功率20 kW，液壓系統(tǒng)額定壓力28 MPa，推薦流量40 L/min，回轉(zhuǎn)角度360°，可滿足使用要求。

4.2 絞車系統(tǒng)設(shè)計組成及原理

絞車系統(tǒng)由卷筒、改向輪、底座、伺服電機、減速機和鋼絲繩等組成。

鋼絲繩纏繞在卷筒上，另一端經(jīng)過定滑輪轉(zhuǎn)向穿過收放架并在末端安裝卡扣。絞車底座安裝在吊車懸臂梁上，卷筒采用伺服電機+減速機的方案驅(qū)動。由于AUV 存在正浮力，因此絞車實際負載力只需克服空氣阻力和水阻力等，暫按照100 kg 負載力進行設(shè)計。

卷筒直徑400 mm，負載100 kg，按照最大收放速度0.2 m/s，可做如下計算：

1）靜態(tài)最大輸出功率

P=1 000 N×0.2 m/s=200 W，

考慮減速器及機械傳動部分效率，取0.85，則理論計算的驅(qū)動電機靜態(tài)功率為235.3W；

2）卷筒速度

w=（0.2m/s）/（0.4m/2）=1rad/s=60 r/min。

3）卷筒扭矩

考慮最大卷筒直徑時，卷筒扭矩最大，T=1 000 N×0.4 m/2=200 N·m。

4）動態(tài)性能

考慮到該絞車張力跟隨系統(tǒng)中，卷筒和減速器慣量對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，取4 倍系統(tǒng)靜態(tài)功率：

253.3 W×4=1.013 kW，可選擇安川伺服電機，型號SGMGV13DDA6C，減速機采用1∶25，功率1.3 kW，額定轉(zhuǎn)矩8.34 N·m，瞬時最大轉(zhuǎn)矩23.3 N·m，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min，防護等級IP67。

5）系統(tǒng)校核

該減速電機：額定輸出轉(zhuǎn)速60 r/min，滿足纜繩速度要求。

該減速電機減速比為25，伺服電機額定扭矩為8.34 N·m，則減速電機額定輸出扭矩為：8.34×25=208.5 N·m，遠大于負載所需扭矩。

該伺服減速電機系統(tǒng)最大動態(tài)扭矩為：582.5 N·m，因此能滿足系統(tǒng)動態(tài)扭矩控制需求。

4.3 收放架設(shè)計組成及原理

收放架如圖4 所示，由旋轉(zhuǎn)運動調(diào)節(jié)機構(gòu)、俯仰運動調(diào)節(jié)機構(gòu)以及鎖緊機構(gòu)組成，鋼絲牽引繩從收放架頂部的約束口中穿過與AUV 連接。

圖4 收放架總體結(jié)構(gòu)Fig. 4 The overall structure of retractable frame

旋轉(zhuǎn)運動調(diào)節(jié)機構(gòu)掛載在吊機掛載頭處，完成對收放架的水平旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。如圖4 所示，旋轉(zhuǎn)運動調(diào)節(jié)機構(gòu)由錐齒輪組和步進電機組成。步進電機通過脈沖控制旋轉(zhuǎn)角，可完成旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)的360°連續(xù)調(diào)節(jié)。

步進電機采用雷賽86CM120，防護等級IP65，具備大扭矩、高平穩(wěn)、低發(fā)熱、高一致性等特點，保持轉(zhuǎn)矩12 N·m，采用高減速比的錐齒輪組，可滿足旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)要求。

俯仰運動調(diào)節(jié)機構(gòu)連接在旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)上，完成收放架的俯仰角調(diào)節(jié)。采用力士樂CDT3 系列精密液壓油缸，體積小，推力大，可滿足功能要求。

鎖緊機構(gòu)由電動卡盤將AUV 抱死，電動卡盤內(nèi)部覆有軟橡膠，增大與AUV 之間的摩擦，回收中可對AUV 與收放架之間碰撞起到緩沖作用。

5 AUV 收放存儲裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

AUV 收放存儲裝置控制系統(tǒng)由控制臺、傳感器系統(tǒng)及電纜組成?？刂婆_由吊車控制器、PLC 控制單元、觸摸屏操作單元、人機接口單元及電源系統(tǒng)組成，完成對機械液壓執(zhí)行器的精密控制、傳感器的數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)顯示、試驗參數(shù)調(diào)整、工作狀態(tài)監(jiān)控和安全報警等功能，同時能記錄與處理試驗數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)最為核心的一部分。傳感器系統(tǒng)對關(guān)鍵位置進行狀態(tài)監(jiān)測，如纜繩張力、釋放長度、收放架姿態(tài)角等，對控制系統(tǒng)的控制流程進行輔助判斷和安全保障。

5.1 吊機運動學建模

為了安全地吊放AUV，需要根據(jù)各級臂架和臂頭的相對位置，確定吊車臂頭在起重作業(yè)平面的位置。

分別在臂頭、外動臂、內(nèi)動臂、基座上建立坐標系，考慮內(nèi)外動臂變幅、伸縮運動，則根據(jù)齊次坐標變換方程可得臂頭在基礎(chǔ)坐標系中的實時齊次坐標為[15]：

因此, 吊車的作業(yè)幅度和相對作業(yè)高度為：

其中，xo4o3和yo4o3反 映外動臂伸縮長度， θ1和 θ2代表臂架變幅角度，設(shè) γ為折臂全縮狀態(tài)下，外動臂軸線O3O4與坐標系 {O3}的x軸負向的夾角。L代表外動臂實時長度，因此：

通過吊車的位移傳感器和角度檢測器和檢測到的長度、角度實時信息，計算吊車臂頭相對基座的坐標，從而控制吊車根據(jù)作業(yè)高度和幅度來吊放AUV。

5.2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由吊車控制器、PLC 控制系統(tǒng)、觸摸屏、人機接口、電源系統(tǒng)、電連接器、傳感器系統(tǒng)及電纜組成。

圖5 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 The overall structure diagram of control system

吊車控制器完成對吊車的旋轉(zhuǎn)、起降和伸縮控制。

PLC 采用西門子1 200 系列，具備結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、拓展靈活、處理能力強等優(yōu)點。CPU 上集成了4 個100 kHz 的高速脈沖輸出，用于步進電機或伺服驅(qū)動器的速度和位置控制。這4 個輸出都可以輸出脈寬調(diào)制信號來控制電機速度、閥位置或加熱元件的占空比。PLC-DQ 模塊用于控制收放架鎖緊機構(gòu)和直線電機的動作，其中直線電機安裝電位計，通過AD 采集模塊采集推桿位置進行閉環(huán)控制。PLC-DI 模塊采集限位接近開關(guān)、鎖止到位行程開關(guān)等位置信號。確保收放流程的安全性。

5.3 軟件設(shè)計

軟件主要功能包括：

1）動作流程控制

合理設(shè)計收放流程，在設(shè)備運動到正確的位置時開放動作權(quán)限，通過自動或手動的模式控制執(zhí)行器運動到位。

2）安全策略設(shè)計

針對收放流程中存在風險的幾個流程進行安全設(shè)計，設(shè)置位置保護、張力保護等環(huán)節(jié)。

3）絞車位置/速度控制

根據(jù)目標調(diào)整纜長發(fā)送脈沖控制指令給伺服電機驅(qū)動器進行位置/速度控制，同時應(yīng)進行張力保護，避免張力過大（以AUV 重量*1.5 為限制條件）損壞鋼絲繩索。

5.4 人機操作面板設(shè)計

控制系統(tǒng)的人機操作可分為3 個部分：觸摸屏操作、實體按鈕操作和吊車控制器操作。

觸摸屏操作與PLC 控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，包含與收放架及絞車控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的操作。觸摸屏主要提供人機交互操作界面，并實時顯示試驗狀態(tài)參數(shù)。

實體按鈕操作包括電源開關(guān)機、急停開關(guān)和關(guān)鍵執(zhí)行器的動作控制按鈕。

圖6 人機操作面板設(shè)計Fig. 6 The design of man-machine operation panel

6 結(jié) 語

針對現(xiàn)有AUV 收放存儲的技術(shù)難以滿足工作需求的狀況，本文設(shè)計了一套AUV 收放存儲裝置，可用于AUV 的布放及回收。解決了傳統(tǒng)AUV 收放技術(shù)的難題，提高了AUV 收放的智能化水平。