海底作業(yè)AUV回收方式的研究

崔正

摘 要：隨著時代和經(jīng)濟的發(fā)展，人類的探索不斷向外擴大，人類不斷擴大自己活動空間，同時海底資源的豐富以及人們對資源的需求，人們對海底世界的探索也不斷深入。由于自治式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle）的高效、安全、工作時間長、可靠等優(yōu)勢，無論在軍事領(lǐng)域，還是在民用領(lǐng)域，AUV在對海底的探索、海底科學(xué)考察、海底勘探、水下建造輔助作業(yè)中，發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。在回收過程中，目前回收的方法也是多樣性的，而深水回收也是當(dāng)今研究的重點方向，其中關(guān)鍵回收的技術(shù)也達(dá)到了瓶頸處，合理、有效的回收方法將大大提高海底作業(yè)的AUV的隱蔽性、安全性、自主性，這也是未來船舶自動化技術(shù)的需要。

本文基于目前AUV發(fā)展背景，在以國內(nèi)外AUV回收技術(shù)現(xiàn)狀的背景下，分析了目前承載AUV的船舶以及AUV回收的方式，結(jié)合當(dāng)下自主回收技術(shù)，提出了一種自主回收方式，并分析了作業(yè)方式，并且從多個方面分析了此種方法的優(yōu)越性。文章中歷數(shù)了方案實施過程中將遇到的技術(shù)難點，并指出回收過程中AUV的導(dǎo)航運動方向問題是水下回收過程中的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：海底作業(yè)；AUV；回收方式

1 AUV的發(fā)展背景

中國管轄沿海海域總面積達(dá)473平方公里，并且有18000公里的大陸海岸線和14000公里的島嶼海岸線。我國近海大陸架石油資源量約為240余億噸，天然氣資源量約為13萬億立方米，我國濱海砂礦的種類達(dá)60種以上，進(jìn)入海洋時代，必定會有各式各樣的海洋問題亟待解決。在2009年的一份報告中，蘭德公司為AUV推薦了以下七個任務(wù)類別：地雷對策、部署遺留監(jiān)視傳感器或傳感器陣列的任務(wù)、近海和港口監(jiān)視任務(wù)、海洋學(xué)任務(wù)、監(jiān)測海底基礎(chǔ)設(shè)施、螞蟻潛艇作戰(zhàn)跟蹤任務(wù)和檢查/識別任務(wù)。裝有AUV的大型潛水器能夠在更廣的范圍內(nèi)進(jìn)行科學(xué)高效的檢測作業(yè)，對未知危險源的檢測具有重要意義。

2 承載AUV的船舶

從船舶之間工作的關(guān)系來看，可以將承載AUV的船舶稱為母船。以AUV科學(xué)探索的方向出發(fā)，母船需要滿足AUV的基本需求，由于水下再循環(huán)平臺的隱蔽性和安全性要求，在再循環(huán)過程中不能使用起重機、中繼站等輔助設(shè)備，再循環(huán)過程必須控制AUV自主導(dǎo)航返回再循環(huán)平臺。AUV通常有其自身的水下工作能量，其工作時間和距離有限。這需要恢復(fù)來補充能量、閱讀信息和維護(hù)安全。因此，水下航行器完成任務(wù)后，需要及時回收再循環(huán)到船的儲存箱內(nèi)提供信息。

3 AUV的回收方式

3.1 國內(nèi)外回收現(xiàn)狀

根據(jù)目前回收技術(shù)的現(xiàn)狀來看，通常有兩種回收AUV的方式：第一種在水面上用母船起吊回收，該作業(yè)方式受風(fēng)浪影響較大，主要應(yīng)用于大型AUV回收；第二種是采用浮船塢型和升降平臺進(jìn)行水下對接回收作業(yè)，雖然避免了風(fēng)浪的影響，但在活動范圍上仍受到較大限制。從上世紀(jì)90年代初至今，西方各國逐漸采用潛艇馱帶回收和魚雷發(fā)射管回收等水下回收方式，其優(yōu)點是續(xù)航能力強，不受空間限制。

目前的AUV回收方式具體歸納為四類：水面起吊回收方式、水下對接回收方式、水下馱帶回收方式、魚雷管回收方式。

根據(jù)目前AUV回收技術(shù)的現(xiàn)狀，通常有兩種回收方式：第一種是利用母船上的起吊裝置升降回收，該作業(yè)方式受風(fēng)浪影響較大；第二種是采用浮船塢型和升降平臺進(jìn)行水下對接回收作業(yè)，雖然避免了風(fēng)浪的影響，但活動范圍仍然有限。20世紀(jì)90年代初以來，西方國家逐漸采用海底回收、魚雷發(fā)射裝置回收等水下回收方法，具有耐用性強、不受空間限制等優(yōu)點。

3.2 AUV回收技術(shù)中的問題

AUV回收技術(shù)涉及廣泛的科學(xué)領(lǐng)域，其核心問題可以從力學(xué)、控制和導(dǎo)航三個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行探討。問題包括流體干擾、機動性和控制、導(dǎo)航和定位。

AUV在水下回收過程中，AUV與母船作非定常相對運動，會受到母船運動的干擾作用，干擾力會由于AUV與母船的幾何尺寸差異而對AUV的影響較大，并且干擾力的大小與AUV狀態(tài)相關(guān)，其中包括運動流場邊界的形狀、自身的運動姿態(tài)、相對于回收平臺的方位和距離；另外，考慮到復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，AUV運動流場中普遍存在波浪、海洋和水流，它們對AUV運動的干擾是非線性的。

常見的AUV導(dǎo)航定位方法包括水聲導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和組合導(dǎo)航。其中，水聲導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航的定位精度不高，僅適用于遠(yuǎn)程導(dǎo)航和定位。在AUV的恢復(fù)過程中，關(guān)鍵在于近程導(dǎo)航和定位，它必須滿足較高的定位精度，否則不能保證恢復(fù)操作的成功完成。

4 新型AUV自主回收方式

將回收艙設(shè)計成雙閘式回收裝置，可以根據(jù)閘門的不同時閉合，且母船底部裝有機械臂，以此來進(jìn)行回收AUV，這樣的裝置可以大大提高回收的工作效率以及其他優(yōu)點。

針對AUV的回收控制問題，由于AUV運動數(shù)學(xué)模型具有高度非線性、時變、強耦合的特點，流體動力參數(shù)的不確定性，回收平臺上水下航行器干擾流場的非線性干擾以及復(fù)雜海洋環(huán)境的隨機非線性干擾。采用最優(yōu)化模變結(jié)構(gòu)控制理論對AUV進(jìn)行控制。在恢復(fù)過程中設(shè)計了動態(tài)定位系統(tǒng)的控制器。此外，還有幾種典型的控制理論，基于模糊控制理論對AUV回收控制方法進(jìn)行了研究。在導(dǎo)航中，為了獲得自主式水下航行器在慣性坐標(biāo)系下的位置，提出了一種獲取載人航行器坐標(biāo)的猜測方法。為了減少自主式水下航行器導(dǎo)航的誤差積累，提出了一種單步航位推算定位方法。

船上的操作人員設(shè)定海上作業(yè)地點，船通過GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以及船自身的自動駕駛功能，在船的兩翼艙室前部存放著的充能AUV，以及中間艙室的前部存放著工作AUV。到達(dá)指定地域后，由機械臂抓取通過底部釋放工作AUV，工作AUV將自動編隊，協(xié)同作業(yè)，以提高探測效率，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，工作AUV將前往工作位置進(jìn)行取樣。當(dāng)工作AUV進(jìn)行作業(yè)過程中，達(dá)到電量預(yù)警時，充能AUV到達(dá)工作AUV上方，對其進(jìn)行充電，以及數(shù)據(jù)之間的傳輸。如此反復(fù)進(jìn)行幾次工作，探索完這片區(qū)域。AUV返程時，工作AUV根據(jù)現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)尋找載體船的位置，首先返回到主倉回收艙的底部。在船的底部，回收艙注水后，外艙門開啟，AUV進(jìn)入，在AUV進(jìn)入后，關(guān)閉外艙門，并開啟內(nèi)艙門，由艙內(nèi)機械臂至AUV空余倉位，在空余倉位中，進(jìn)行充能以及數(shù)據(jù)的傳輸。

5 結(jié)語

隨著海洋時代的到來，對AUV及AUV載體的研究，將變得意義重大，以三體船為載體的AUV，更符合現(xiàn)代人們思想，其在安全、可靠、環(huán)保、實用等方面的優(yōu)勢，更利于對淺海區(qū)域的探索，將更容易被接受。

這種方法的優(yōu)點是不受時間和空間的限制，可以節(jié)省大量的輔助設(shè)備成本和人力，水下自主回收可有效節(jié)約回收成本，減輕作業(yè)負(fù)擔(dān)。為了完成對接任務(wù)，自主水下航行器（AUV）應(yīng)該具有以戰(zhàn)略方式引導(dǎo)、導(dǎo)航和控制自己進(jìn)入對接站的能力，操作者可以不必冒險下小艇，并且水下回收所使用的設(shè)備完全可以利用現(xiàn)有的技術(shù)儲備。水下回收不僅可以幫助AUV實現(xiàn)安全回收，而且還具有其他潛在用途。如它可以為AUV在水下補充能量和交換數(shù)據(jù)，以及為物資流動提供安全路徑。

參考文獻(xiàn)

[1]潘光，黃明明，宋保維，胡海豹，杜曉旭.AUV回收技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].魚雷技術(shù)，2008，16（06）：10-14.

[2]王智學(xué).AUV回收時的運動控制方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2006.