一種無人水下航行器智能自救系統(tǒng)的研制?

呂志剛

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

大型水下遠(yuǎn)程無人自主航行器作為人類在海洋活動，特別是深?；顒又械闹匾娲吆蛨?zhí)行者，已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)考察、深海作業(yè)、打撈救生等領(lǐng)域，其應(yīng)用前景極其廣泛［1］。但因其在惡劣的深海環(huán)境中作業(yè)，時(shí)常面臨各種各樣的未知因素，一旦遇到突發(fā)事件發(fā)生故障，自救系統(tǒng)將起到重要的安全保障作用。本文針對復(fù)雜海洋環(huán)境為某一在研大型水下遠(yuǎn)程無人自主航行器研制出了一套高可靠性智能自救系統(tǒng)。

2 智能自救系統(tǒng)的工作原理

自救系統(tǒng)其實(shí)就是AUV通過某種手段使自身在面臨危險(xiǎn)狀況時(shí)能夠快速上浮至水面而獲救，該自救系統(tǒng)主要由決策中心、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為控制型和獨(dú)立型兩種機(jī)構(gòu)，控制型機(jī)構(gòu)為決策中心做出決策后再通過通信總線控制機(jī)構(gòu)動作，而獨(dú)立型機(jī)構(gòu)與AUV完全獨(dú)立，即集決策與動作執(zhí)行于一體的機(jī)構(gòu)［3］。獨(dú)立型執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過深度片感知AUV當(dāng)前深度，當(dāng)AUV當(dāng)前深度超出預(yù)先設(shè)定的深度，則該執(zhí)行機(jī)構(gòu)丟棄50kg壓載起到一定調(diào)節(jié)作用。

智能自救系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)AUV航行過程中通過傳感器感知到突發(fā)事件時(shí)，如漏水、離底高度超限、深度超限、俯仰角超限及過流過壓等，則AUV通過決策中心做出決策控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作：浮力水艙排水（最大可提供400kg正浮力）、水平舵機(jī)打上浮舵、應(yīng)急壓載釋放壓載（50kg）、超深壓載裝置釋放壓載（50kg）、推進(jìn)電機(jī)停機(jī)，并且當(dāng)AUV上浮至水面后可通過頻閃燈、北斗終端裝置和無線電進(jìn)行示位，否則也可通過水聲通信、水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行搜尋，同時(shí)AUV釋放出衛(wèi)星定位裝置發(fā)送北斗短信進(jìn)行示位［2，4］。

3 智能自救系統(tǒng)的體系架構(gòu)

如圖1所示，AUV自救系統(tǒng)主要由決策中心、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。決策中心對整個(gè)AUV的安全狀況進(jìn)行故障診斷和智能決策，決策中心根據(jù)傳感器反饋的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，如果判斷出故障（漏水、深度超限、離底高度超限、過流等），則決策中心控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)（除超深拋載裝置外）進(jìn)行相應(yīng)的動作（如浮力水艙排水、釋放應(yīng)急壓載、打上浮舵、釋放衛(wèi)星定位裝置和發(fā)送北斗短信等）［5～6，9］。超深拋載裝置是通過自身的深度壓力片進(jìn)行AUV當(dāng)前航行的深度進(jìn)行測試，一旦發(fā)現(xiàn)AUV當(dāng)前航行深度超限側(cè)釋放預(yù)先裝好的壓載，為AUV提供一定的正浮力（50kg）。

圖1 自救系統(tǒng)組成框圖

母船上工作人員也可直接通過無限電通信裝置、水聲通信設(shè)備和水聲定位設(shè)備與自救系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，搜尋AUV當(dāng)前所處的位置并可下達(dá)相應(yīng)的操作指令，實(shí)施自救任務(wù)或進(jìn)行打撈。

4 自救系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 決策中心

決策中心硬件采用基于CPCI總線接口標(biāo)準(zhǔn)的板卡構(gòu)成高性能、可靠的嵌入式系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)核心板、串口通信擴(kuò)展板、電源板及底板構(gòu)成。機(jī)箱為全封閉結(jié)構(gòu)，采用整鋁訂制安裝，無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，具有防水功能，支持5路CPCI外圍卡擴(kuò)展。

決策中心軟件基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用多任務(wù)程序設(shè)計(jì)。采用基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度策略，任務(wù)之間采用信號量和消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)通信和同步。為了解決CPU中斷時(shí)間過長的問題，外部接口中斷時(shí)調(diào)用接口監(jiān)測程序，接收數(shù)據(jù)到接收緩沖區(qū)，然后釋放一個(gè)二值信號量來激活相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析及處理程序。

4.2 應(yīng)急拋載裝置

應(yīng)急拋載裝置要求能接受決策中心控制，實(shí)現(xiàn)壓載可靠釋放。應(yīng)急拋載裝置由電機(jī)驅(qū)動板、釋放裝置及密封殼體等組成。當(dāng)決策中心感知遇到突發(fā)事件時(shí)，決策中心通過控制電源管理系統(tǒng)給應(yīng)急拋載裝置供電，應(yīng)急拋載裝置電機(jī)驅(qū)動板驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)壓載的釋放。

圖2 應(yīng)急拋載裝置示意圖

4.3 超深拋載裝置

超深拋載裝置要求獨(dú)立于AUV，當(dāng)操用運(yùn)載平臺超過設(shè)定深度時(shí)，能可靠釋放壓載。

圖3 超深拋載裝置示意圖一

超深拋載裝置由壓力片、彈簧、釋放裝置及安裝架等組成。水的靜壓和彈簧的預(yù)緊力作用在釋放軸上，釋放軸由壓桿及壓力片頂住。當(dāng)達(dá)到壓力片最大工作水深時(shí)，壓力片在釋放軸與壓桿的剪切作用力下被破壞，釋放軸回縮，當(dāng)運(yùn)動行程達(dá)到一定值時(shí)，鋼球解除鎖定，壓載在自身重量作用下脫落，達(dá)到釋放壓載的目的。通過調(diào)節(jié)彈簧的長度和設(shè)計(jì)合適的壓力片來設(shè)定動作水深。釋放軸長度和密封殼體的高度可通過螺紋調(diào)節(jié)，二者配合實(shí)現(xiàn)彈簧壓縮量的調(diào)節(jié)，彈簧調(diào)節(jié)量由墊柱的個(gè)數(shù)決定。圖3、圖4分別對應(yīng)彈簧最大壓縮量及最小壓縮量工作狀態(tài)。

圖4 超深拋載裝置示意圖二

4.4 水聲定位系統(tǒng)及水聲通信裝置

1）水聲通信裝置

水聲通信裝置主要用于AUV在水下工作時(shí)，母船上控制系統(tǒng)對之進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交換。該自救系統(tǒng)水聲通信裝置主要采用成熟產(chǎn)品：Link Quest公司的水聲通信裝置，型號為UWM4000。

UWM4000主要由水下單元和水面單元組成，水下單元安裝在AUV載體上，與決策中心進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。水面單元安裝在母船上的安裝架上，與信息處理單元連接。工作示意圖見圖5。

圖5 UWM4000水聲通信工作示意圖

UWM4000的主要技術(shù)指標(biāo)：數(shù)據(jù)傳輸速率：RS232波特率；4800 bps有效數(shù)據(jù)傳輸率：3200 bps；聲鏈接：8500 bps；誤碼率：小于 10-9最大工作深度：3000m；工作距離：4000m；電壓：12V～28V；波束寬度：70°；溫度范圍：工作：-5℃～45℃；貯藏：-25℃～75℃；最大運(yùn)動速度：8kn；最大加速度：20g。

圖6 UWM4000實(shí)物

2）水聲定位系統(tǒng)

水聲定位系統(tǒng)主要用來對AUV在水下的運(yùn)動軌跡和大地坐標(biāo)進(jìn)行跟蹤。水聲定位系統(tǒng)分水面單元與水下單元兩部分。水面單元主要包括安裝在母船上的定位系統(tǒng)處理器和換能器基陣；水下單元為安裝在運(yùn)載平臺上的信標(biāo)。

本自救系統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)采用超短基線定位系統(tǒng)（USBL），USBL的定位基線長度小于半波長，可以很精確、很方便地安裝成一個(gè)平面測量陣，由船舶或平臺放入水中。工作時(shí)，母船的換能器基陣發(fā)射詢問信號，根據(jù)信標(biāo)的應(yīng)答時(shí)間測出水下AUV的距離，同時(shí)利用到達(dá)各陣元的應(yīng)答信號相位差測出水下AUV的方位，從而得到AUV的大地坐標(biāo)。USBL系統(tǒng)只需一個(gè)換能器，安裝方便，在其適用的場合表現(xiàn)出很好的靈活性，但相對LBL和SBL，其定位精度較低。

圖7 USBL水面單元處理器

4.5 衛(wèi)星定位裝置

衛(wèi)星定位裝置采用北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有定位、北斗短信和自毀功能。由天線、射頻電纜和主機(jī)組成，其中天線采用微帶結(jié)構(gòu)形式，通過射頻電纜與主機(jī)連接。

衛(wèi)星定位裝置定位功能是通過天線接收衛(wèi)星信號，獲取導(dǎo)航信息，從而計(jì)算得到衛(wèi)星位置，速度和時(shí)間（PVT）信息，通過偽碼測距獲得衛(wèi)星與衛(wèi)星定位裝置的偽距，通過載波相位變化率獲得衛(wèi)星與定位設(shè)備的多普勒頻移，從而自主解算出衛(wèi)星定位裝置的位置、速度與時(shí)間等信息。

圖8 衛(wèi)星定位裝置功能組成示意圖

4.6 浮力水艙

浮力水艙是自主調(diào)節(jié)AUV浮力的裝置，主要由鹽度傳感器、姿態(tài)傳感器、浮力調(diào)節(jié)裝置、自適應(yīng)控制器等組成。主要用于平衡AUV由于海水密度變化引起的浮力波動、調(diào)節(jié)俯仰姿態(tài)等，以及AUV遇到突發(fā)事件時(shí)需要應(yīng)急上浮則決策中心控制浮力水艙排水（最大排水量為430kg），從而實(shí)現(xiàn)AUV應(yīng)急上浮。浮力水艙組成框圖如下：

圖9 浮力水艙組成框圖

5 自救系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1）海洋環(huán)境下可靠自救技術(shù)

海洋環(huán)境與陸地不同，其自然條件十分苛刻，除海面上變化莫測的驚濤駭浪之外，隨著海中深度的增加而產(chǎn)生的壓力和溫度的變化也十分劇烈，并且機(jī)器人在海底作業(yè)過程中，還可能遇到不可而知狀況，比如不規(guī)則暗流、淤泥、海底地震活動等。這就要求自救系統(tǒng)必須具有可靠性，在惡劣的環(huán)境中也能順利完成自救任務(wù)［7～8］。

2）深?？煽客ㄐ偶皠幼鳈C(jī)構(gòu)執(zhí)行技術(shù)

本文自救系統(tǒng)是采用水聲通信和衛(wèi)星定位裝置進(jìn)行水下和水面通信，采用釋放壓載和浮力水艙排水的方式實(shí)現(xiàn)無人自主UUV的自救，因此可靠釋放壓載和可靠進(jìn)行浮力水艙排水是整個(gè)自救系統(tǒng)順利完成任務(wù)的重要保障［10～13］。

3）自救系統(tǒng)小型化、低功耗、工程化技術(shù)

由于自救系統(tǒng)是安裝在水下無人自主航行器上，其體積有一定的限制，并且有時(shí)需要其自帶電源，具有相對獨(dú)立性，因此需要自救裝置具有小型化、低功耗等特點(diǎn)。

6 結(jié)語

然而，由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，盡管裝備了自救系統(tǒng)，AUV仍然會因發(fā)生意外而丟失，造成了巨大的損失，自救技術(shù)仍待進(jìn)一步研究。