一種AUV水下接駁站的研究

程 燁，羊云石，林 婕，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

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自主式水下無人航行器(AUV)作為探索海洋空間的有力工具之一，在軍事和科學(xué)研究方面起著越來越重要的作用。未來AUV 在作業(yè)內(nèi)容，續(xù)航力、應(yīng)急性、集群作業(yè)、運行成本等方面面臨更高的要求，發(fā)展水下接駁技術(shù)就顯得十分必要［1-4］。

目前水下接駁系統(tǒng)按對接方式主要分為3 類:捕捉式對接、平臺式對接和包容式對接。其中包容式對接接駁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、對AUV 改造較小、可以較大程度地保護AUV，典型的對接系統(tǒng)有Woods Hole 研究所的REMUS AUV 水下對接系統(tǒng)和MBARI研究所為Bluefin AUV 開發(fā)的水下對接系統(tǒng)。2 種對接系統(tǒng)均采用漸縮型入口裝置引導(dǎo)AUV 進入對接位置，所不同的是REMUS AUV 對接系統(tǒng)采用線性執(zhí)行器引導(dǎo)水密電連接器進行插拔實現(xiàn)充電和數(shù)據(jù)傳輸，而Bluefin AUV 對接系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和能量傳輸均采用非接觸感應(yīng)傳輸［5-10］。

本文介紹了一種適用于2 000 m 深海的AUV 水下接駁站，詳細介紹了接駁站的主要機構(gòu)及其功能，對插拔機構(gòu)進行獨創(chuàng)性設(shè)計，并在湖上試驗中驗證了接駁站的可用性。

1 AUV 水下接駁站工作原理及方案設(shè)計

1.1 AUV 水下接駁站工作原理

AUV 水下接駁站通過某種手段引導(dǎo)AUV 進入接駁站并將其鎖定，完成充電與信息傳輸后釋放AUV。

接駁站利用超短基線水聲定位陣與通信聲吶與AUV 進行定位、通信和引導(dǎo)，使得AUV 自動進入接駁站對接筒內(nèi)。接駁站上的到位傳感器檢測到AUV 到位后通知插拔機構(gòu)鎖定AUV 并插入水密電連接器，建立能量與信息傳輸通道。在完成充電與數(shù)據(jù)傳輸后釋放AUV 完成整套對接流程。接駁站利用俯仰機構(gòu)調(diào)節(jié)對接筒俯仰角輔助AUV 進站，并利用三路視頻信號對接駁站運行情況進行全面監(jiān)視。接駁站與海底觀測網(wǎng)或岸基站建立數(shù)據(jù)與能量的傳輸通道，接收其指令。

1.2 AUV 水下接駁站方案設(shè)計

AUV 水下接駁平臺主要包括控制單元、通信單元、驅(qū)動單元、俯仰機構(gòu)、插拔機構(gòu)、傳感器及電源部分。其中通信單元主要用來與AUV 平臺和海底觀測網(wǎng)或岸基站進行信號傳輸;控制單元完成命令接收、命令下傳、數(shù)據(jù)處理等功能;驅(qū)動結(jié)構(gòu)接收控制單元指令驅(qū)動俯仰機構(gòu)及插拔機構(gòu)完成預(yù)定動作;俯仰機構(gòu)用于調(diào)節(jié)對接筒俯仰角;插拔機構(gòu)用于引導(dǎo)接駁站與AUV 完成水密接插件的插拔;傳感器包括用于導(dǎo)航定位的定位陣與通信聲吶，監(jiān)測AUV 進站的到位傳感器，監(jiān)測接駁站工作深度的深度傳感器以及監(jiān)測接駁站工作狀況的3 路黑白攝像機。其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

1.3 AUV 水下接駁站關(guān)鍵技術(shù)分析

AUV 水下接駁站作為AUV 的支持系統(tǒng)，是AUV 作業(yè)安全的重要保證。本文在綜合分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)如下:

1)復(fù)雜環(huán)境下長期可靠工作

接駁站設(shè)計工作深度2 000 m，并需長期工作。深海壓力與溫度變化劇烈，海底地形復(fù)雜，暗流、泥沙、生物附著不可避免。這就要求AUV 接駁站具備高可靠性，對復(fù)雜環(huán)境具有很強的適應(yīng)性。

2)接駁傳輸技術(shù)

接駁傳輸裝置是實現(xiàn)AUV 充電與通信的核心機構(gòu)，在深海、無人工操作的條件下該套機構(gòu)需具備自動導(dǎo)向?qū)φ?、便捷鎖緊與松開、不受海水壓力影響的濕插拔能力，可靠高效地完成水下能量、信息傳輸任務(wù)。

2 系統(tǒng)方案實施

2.1 接駁站結(jié)構(gòu)設(shè)計

接駁站結(jié)構(gòu)主要由基座、塢站、俯仰機構(gòu)、插拔機構(gòu)能夠組成，為深度傳感器、到位傳感器、水下攝像頭等提供安裝平臺，圖2 為水下接駁站總體組成。

圖2 AUV 水下接駁站總體組成Fig.2 Solid model of the dock with AUV

1)塢站

塢站主要包括引導(dǎo)口和對接筒。引導(dǎo)口由多根玻璃鋼引導(dǎo)桿箍成，引導(dǎo)桿與軸線夾角由外及內(nèi)漸縮，以利于AUV 進塢。引導(dǎo)口入口直徑2 m，滿足接駁站與AUV 間的導(dǎo)航定位誤差。玻璃鋼材料的對接筒內(nèi)壁直徑0.38 m，比AUV 外壁直徑大0.03 m，此間隙保證AUV 或?qū)油矁?nèi)可能出現(xiàn)的附著物不會影響AUV 正常進塢。對接筒開口端兩側(cè)有2 個對稱的導(dǎo)向槽，通過與AUV 上導(dǎo)向銷的配合實現(xiàn)對AUV 橫傾±8°的糾偏。導(dǎo)向槽末端設(shè)置2 個到位傳感器，用以監(jiān)測AUV 是否到達對接位置。塢站與基座軸向定位可調(diào)，可保證塢站重心在俯仰桿軸線上，減輕俯仰配重。對接筒軸線高于基座底面3 m，避免了AUV 觸礁的可能性。

2)插拔機構(gòu)

如圖3 所示，插拔機構(gòu)由置于耐壓殼體內(nèi)的伺服電機驅(qū)動，通過絲桿將電機回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，用以驅(qū)動電連接器的插拔運動。布置在電連接器兩側(cè)的導(dǎo)銷與AUV 上的導(dǎo)向軸套配合實現(xiàn)插拔裝置與AUV 的周向固定，為電連接器的插拔提供精確的對中。插拔裝置置于底部配有萬向球的圓錐彈簧上，輔以喇叭口形狀的導(dǎo)向軸套，插拔機構(gòu)可實現(xiàn)±15°的軸向角度糾偏以及±20 mm 的軸向位置糾偏。

圖3 插拔機構(gòu)Fig.3 Insert-draw mechanism

3)俯仰機構(gòu)

俯仰機構(gòu)主要包括俯仰桿、配重塊和2 個俯仰電機。之所以未采用結(jié)構(gòu)更為簡單的萬向節(jié)設(shè)計，主要是因為現(xiàn)有機構(gòu)可在2 個俯仰電機的配合下實現(xiàn)對塢站俯仰角度±15°內(nèi)調(diào)節(jié)，而非萬向節(jié)機構(gòu)簡單地調(diào)平塢站。更為重要的是俯仰電機可實現(xiàn)對塢站的晃動，可避免AUV 卡滯在塢站內(nèi)而無法進退，這一設(shè)計對于深海對接具有重要意義。

2.2 接駁站硬件體系結(jié)構(gòu)

AUV 水下接駁站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 AUV 水下接駁站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Hardware configuration of the AUV dock

1)電機需求

插拔機構(gòu)需提供50kgf 的插拔力，在Tr14 ×3 的絲桿配合下，需34 N·m 的動力力矩，選用輸出扭矩4 N·m 的直流無刷電機和減速比10∶1的減速器可滿足需求。同理俯仰機構(gòu)選擇同款電機配以減速比為100∶1的減速器可滿足20 s 內(nèi)完成15°俯仰角的需求。

2)濕插拔連接器

水下濕插拔連接器選用法國蘇里奧公司8810 型12 芯連接器，能滿足3 000 m 水深的插拔，單芯最大電流15 A。

3)深度傳感器

深度(壓力)傳感器用于測量接駁站的布放深度，作為已知信息預(yù)設(shè)給AUV。由于接駁站工作深度為2 000 m，故需選取量程大于2 000 m 的壓力傳感器。綜合比較后，選用Valeport 公司的miniIPS 智能壓力傳感器。

圖5 深度傳感器Fig.5 Depth transducer

4)電子羅盤

電子羅盤用于測量導(dǎo)引結(jié)構(gòu)的朝向，作為已知信息預(yù)設(shè)給AUV。由于電子羅盤的航向角、橫搖角是AUV 控制和水聲定位的輸入信息，因此其精度必須較高。采用sbg 公司的IG-500A 型羅盤。

5)水下攝像頭

水下攝像頭和照明燈用于水下實驗時觀察AUV靠近接駁站的狀態(tài)，觀察水下插拔機構(gòu)的運動狀態(tài)，為人工操控提供視頻圖像。由于接駁站工作深度為2 000 m，故需選取耐壓大于2 000 m 的攝像頭和照明燈。3 個攝像頭均選用Imenco 公司的Lantern Shark 水下攝像頭(內(nèi)置LED)。

2.3 接駁站軟件體系結(jié)構(gòu)

接駁站控制系統(tǒng)為具備水下遠程監(jiān)控功能的分布式測控系統(tǒng)，在保證測控速度的同時需保證測控精度。采用以嵌入式主板為水下測控中心、工控機為水面控制單元及人機交互平臺的分布式測控系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)層次圖如圖6 所示。從整體結(jié)構(gòu)而言，此系統(tǒng)可以劃分為3 個層次:水面監(jiān)控層、水下控制層和現(xiàn)場層。

圖6 AUV 接駁站軟件系統(tǒng)層次圖Fig.6 Software configuration of the AUV dock

1)水面監(jiān)控層

水面監(jiān)控層負責(zé)整個接駁站的監(jiān)測和控制，具有最高權(quán)限。軟件程序具備如下功能:

①喚醒接駁站;

②管理接駁站各模塊電源開斷;

③獲取接駁站狀態(tài)參數(shù)和視頻，實時顯示和存儲;

④控制接駁站插拔電機、俯仰電機;

⑤軟件的方式切斷接駁站電源。

水面監(jiān)控層接收水下接駁站狀態(tài)參數(shù)和視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)由專用視頻采集卡打包，采用專門的API 接口函數(shù)解碼，可以實時在監(jiān)控軟件界面上預(yù)覽。接駁站狀態(tài)數(shù)據(jù)以TCP/IP 協(xié)議傳輸，利用套接字技術(shù)，以完整的數(shù)據(jù)幀形式發(fā)送。水面監(jiān)控層接收接駁站上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)幀，進行解析和校驗，實時地將數(shù)據(jù)進行處理和顯示。同時，水面監(jiān)控層有權(quán)限以軟件控制的方式控制插拔機構(gòu)執(zhí)行插拔動作以及控制俯仰機構(gòu)調(diào)節(jié)俯仰角。監(jiān)控界面如圖7 所示。

圖7 上位機監(jiān)控界面Fig.7 Interface of the upper computer

2)水下控制層

水下控制層以嵌入式主板為核心，通過全雙工串行數(shù)據(jù)總線采集現(xiàn)場層數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理并構(gòu)造幀格式，將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至水面監(jiān)控層。同時，水下控制層接收并執(zhí)行水面監(jiān)控層指令。

3)現(xiàn)場層

現(xiàn)場層安裝有水聲通信聲吶、電子羅盤、到位傳感器、攝像頭等傳感器，通過各水密電纜與安裝于接駁站電子艙內(nèi)的水下控制層主板相連。

3 湖上試驗

2015 年5 月下旬在千島湖開展了接駁站驗證試驗，主要驗證了AUV 接駁站和插拔機構(gòu)的水下工作性能，如圖8 所示。試驗水域水深4 ～5 m，湖面有微波，湖底有10°左右的傾角，滿足試驗條件。本次試驗不進行AUV 的導(dǎo)航入塢，僅將搭載插拔機構(gòu)的頭段置于塢站內(nèi)進行插拔試驗。為更真實模擬實際對接，AUV 頭段在塢站內(nèi)僅用柔性繩進行軸向限位，頭段可靈活晃動。

圖8 接駁站布放過程Fig.8 Dock during lake testing

在多組插拔試驗中，插拔機構(gòu)均能在軸向角度偏差15°，軸向位置偏移±20 mm 以內(nèi)的偏差內(nèi)順利糾偏，完成水密接插件插拔動作，從監(jiān)控視頻及插拔電機瞬時扭矩可知，插拔過程平穩(wěn)，到位準(zhǔn)確。待接駁站起吊回試驗平臺后檢測可知接插件完好無損。在俯仰試驗中，位于底座底板上的2 個電機通過鏈條牽引440 kg 的配重塊，實現(xiàn)俯仰角為±15°的俯仰運動，運動過程平穩(wěn)迅速，電機輸出扭矩仍有富余。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種AUV 水下接駁站，從接駁站機械結(jié)構(gòu)、硬件體系、軟件體系等方面做了全面闡述。試驗證明，插拔機構(gòu)可平穩(wěn)可靠地實現(xiàn)與AUV 的對接，對AUV 具有良好的糾偏能力，整套接駁站運行穩(wěn)定無故障，可進一步用于與AUV 的聯(lián)合海試。下一步將致力于接駁站的小型化研究。

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