UUV水下對接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

許光

（海裝駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023）

UUV是一種無人自主式潛水器，其在執(zhí)行簡單枯燥并且時間很長的海洋數(shù)據(jù)收集活動方面有很大的優(yōu)勢。隨著UUV使用的越來越廣泛和頻繁，也出現(xiàn)了一些問題，主要有兩點：（1）UUV受自帶能量限制而不能長時間在水下工作，需要不斷上浮進行回收和投放。但在執(zhí)行水面回收UUV任務(wù)時，不僅要動用大量船員和船舶的控制操作，還要考慮海面的風(fēng)浪問題，特別是在大于5級浪的條件下根本難以回收。（2）由于UUV與水面船只的通信只能靠聲通訊，在深海工作時，其通信效率很低，限制了對UUV新指令的傳達和測量數(shù)據(jù)的上報。

為了解決這兩個問題，需要在海底建立一系列UUV水下對接站，讓其在深海海底就能完成能源補充和數(shù)據(jù)交換，這樣可以大大減少水面回收和釋放時風(fēng)險并節(jié)省了上浮和下潛時間，從而提高UUV的工作效率。此外，水下對接站還是建立海洋觀測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，通過UUV和水下觀測站的對接，可以有效的在各個觀測站之間傳遞能量和數(shù)據(jù)，并有可能對損壞的觀測站進行水下修理。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國

目前美國對于UUV水下對接站的研究最多，有多個大學(xué)和研究機構(gòu)開發(fā)出了較合理的水下對接系統(tǒng)，并且一些已經(jīng)成為成熟產(chǎn)品，主要有Woods Hole海洋研究機構(gòu)的REMUS型UUV水下對接系統(tǒng)；MIT和Woods Hole開發(fā)的針對Odyssey型UUV的水下對接系統(tǒng)；NOSC開發(fā)的有纜Free Swimmer UUV水下對接站點；NRAD開發(fā)的Flying Plug UUV水下對接系統(tǒng)等。

1.1.1 Odyssey UUV水下對接系統(tǒng)

Woods Hole Oceanographic Institution 的Hanumant Singh等人提出了使用多個Odyssey型UUV的海洋數(shù)據(jù)采樣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]，如圖1，該系統(tǒng)能在水下對接站實現(xiàn)UUV和控制人員之間傳遞信息。

圖1 海洋數(shù)據(jù)采樣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過水下對接站上部的垂直纜桿將UUV機械的連接起來，聲導(dǎo)航系統(tǒng)能夠探測到UUV是否錯過了水下對接站，自動確認UUV是否在最佳對接路徑上。系統(tǒng)能很好的完成對接、傳輸數(shù)據(jù)、補充能量和釋放UUV執(zhí)行任務(wù)等一系列動作。一旦UUV對接上，還能周期性地檢測并上傳UUV的狀態(tài)，同時布置新的任務(wù)，如圖2。

圖2 Odyssey型AUV及其水下對接裝置工作原理

1.1.2 Free Swimmer UUV水下對接系統(tǒng)

Naval Ocean Systems Center的Dale Bryan等人開發(fā)的水下對接平臺是用來收集水下信息的，再通過一個有纜UUV的對接將水下平臺收集到的信息通過電纜傳輸給水面船只儲存和分析，如圖3[2]。具體工作過程是水面船只發(fā)射一只線控的潛水器，操縱其靠近水下對接平臺，當進入距離水下平臺1 km范圍內(nèi)時，潛水器自帶的導(dǎo)航聲吶引導(dǎo)其靠近對接點。到達對接點后，操縱人員利用潛水器前部的電視攝像頭來調(diào)整推進器和機械臂來完成對接動作，如圖4。一旦成功對接，水下平臺中的數(shù)據(jù)就能傳送到水面船只了。當數(shù)據(jù)傳送完成后，作為數(shù)據(jù)傳送中繼站的潛水器就會從對接點分離開來并返回到水面船只。

圖3 Free Swimmer型UUV及其水下對接裝置工作原理

圖4 Free Swimmer型UUV與水下平臺對接機構(gòu)

1.1.3 REMUS-100 UUV水下停泊站

Woods Hole Oceanographic Institution的Ben Allen等人設(shè)計的RMEUS-100 UUV水下停泊站就是比較成熟的產(chǎn)品了，如圖5[3-5]。該水下停泊站的主要作用是增加了REMUS-100 UUV水下持久工作能力和執(zhí)行更多的指令。

圖5 REMUS-100水下機器人泊塢系統(tǒng)

為了完成對接，在UUV上進行了一系列改進，如裝了一個感應(yīng)模塊的端帽，其中有超短基線(Ultra Short Baseline，USBL)數(shù)字導(dǎo)航聲吶陣和水面航行用的潛望鏡。在對接系統(tǒng)方面，采用直線驅(qū)動器來完成UUV和工作站的對接，當傳感器判斷UUV已經(jīng)到達對接位置時，驅(qū)動器頂動插銷鎖住UUV，同時插銷之間的電連接頭與UUV連接為其充電或傳輸數(shù)據(jù)，如圖6。

圖6 裝在水下停泊站上的直線驅(qū)動器

1.1.4 Bluefin UUV水下對接系統(tǒng)

該系統(tǒng)由MBARI研究所開發(fā)，使用USBL實現(xiàn)水聲導(dǎo)引，采用導(dǎo)向罩結(jié)構(gòu)形式對UUV進行導(dǎo)向，使UUV進入對接管完成對接[6]。對接裝置本身可以包容UUV，在對接口附近采用漸縮形的入口裝置對UUV進行引導(dǎo)，使其進入預(yù)定軌道實現(xiàn)兩者的對接，見圖7。

圖7 Bluefin UUV對接裝置

1.1.5 Flying Plug UUV水下對接系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用聲學(xué)USBL與光學(xué)檢測器實現(xiàn)聲光聯(lián)合導(dǎo)引，示意圖見圖8[7]。對接站同樣采用導(dǎo)向罩結(jié)構(gòu)形式對UUV進行導(dǎo)向，使用光纖遠程操控該航行器。

圖8 Flying Plug UUV對接裝置

1.2 歐洲

在歐洲方面，具有代表性的水下航行器主要是法國和英國Liverpool大學(xué)研制的Swimmer Alive系統(tǒng)[8]，它由一個名叫“Swimmer”的UUV、一個有臍帶纜的ROV（Remote Operated Vehicle）和一個水下泊塢組成。其典型工作模式是水面船只用吊車釋放Swimmer UUV，在UUV上連有一個帶纜的ROV，如圖9，ROV初始是沒動力的，僅靠UUV載著駛向海底。此過程分為三步，分別是遠距離移動階段、近距離靠近階段和對接階段。

（1）遠距離移動階段。UUV使用長距離定位系統(tǒng)(聲吶)來確定其方位，并決定它的航向、速度和下潛速度。其下潛深度可達1~3 km，水平移動也可達幾千米。

（2）近距離靠近階段。當UUV在水下泊塢站30 m范圍內(nèi)時，會使用短距離定位系統(tǒng)（攝像頭），然后自動靠近至0.2 m，精度在20~50 cm之間。

（3）對接階段。UUV通過機械裝置和水下泊塢站連接起來。一旦連接住了，Swimmer UUV就停止工作，轉(zhuǎn)而啟動ROV，并脫離UUV和水下泊塢站，通過200 m長纜繩在水下泊塢站附近進行工作。

圖9 Swimmer UUV和附帶的ROV組合體

1.3 日本

Tadayuki Kawasaki等人研制的 “Marine Bird”是一種實驗性的UUV[9,10]，已經(jīng)能成功進行水下平臺的對接，并且能自動補充能量，其研制的目的是為了UUV的小型化做準備。小型UUV攜帶的能量有限，不能長時間在水下工作，需要不斷補充能量。2003年進行的海試驗證了其對接裝置的實用性。它的泊塢系統(tǒng)采用了一種全新的方式（類似于飛機著陸地面），同時在UUV上還帶有兩個捕捉臂，用來捕捉泊塢平臺上的V型定位裝置，實現(xiàn)最終的定位，完成UUV的能源和數(shù)據(jù)信息的駁接，如圖10。

圖10 Marine bird與其水下對接平臺

1.4 韓國

韓國也積極進行了UUV水下對接技術(shù)的研究。Humanoid Robot Research Center的Jin-Yeong Park等人討論了光學(xué)導(dǎo)航對接技術(shù)并進行了模型水池實驗[11]。這個對接系統(tǒng)由5個導(dǎo)向定位燈和UUV“ISiMI”上的傳感器相結(jié)合，通過“最終接近算法”和一個輔助的降噪算法，實現(xiàn)UUV的對接導(dǎo)航，如圖11。但該系統(tǒng)只是一種對接方式的探索，并未形成完善的UUV水下對接補給站體系。

圖11 利用光學(xué)導(dǎo)航的“ISiMI”UUV對接場景

2 我國的發(fā)展情況

隨著國外水下無人航行器對接技術(shù)不斷成熟，國內(nèi)高校和科研機構(gòu)也開始在此領(lǐng)域開展了研究工作。中國船舶第七一五研究所及第七O五研究所、沈陽自動化所、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)等單位均不同程度完成了原理探索和樣機試制工作。但由于UUV水下對接技術(shù)復(fù)雜、試驗困難，目前國內(nèi)產(chǎn)品基本還處于實驗室階段的原理性研究，成熟產(chǎn)品較少，只有個別單位完成可用的工程化產(chǎn)品突破。隨著“十二五”期間國家科技部海底觀測網(wǎng)項目的研究，第七一五研究所、浙江大學(xué)等單位開展了大量UUV水下對接平臺、對接控制、水聲導(dǎo)航定位等技術(shù)的研究，并研制相關(guān)設(shè)備。試制的樣機已具備UUV與海底接駁站之間的自主對接、能量補充、信息交互等功能[12-14]。

圖12 第七一五研究所UUV水下對接系統(tǒng)試驗

3 UUV水下對接關(guān)鍵技術(shù)

3.1 聲學(xué)導(dǎo)引技術(shù)

水下無人航行器聲學(xué)導(dǎo)引技術(shù)主要用于UUV與海底接駁站之間的較遠距離對接導(dǎo)航定位。通過通信聲吶系統(tǒng)、水聲定位系統(tǒng)的組合，實現(xiàn)海底接駁裝置對于UUV方位和距離的判斷，并將該信息通過水聲通信傳給UUV。該關(guān)鍵技術(shù)包括通信聲吶小型化和低功耗設(shè)計、水聲定位技術(shù)軟硬件設(shè)計、基于水聲定位的UUV對接控制程序算法、對接控制策略設(shè)計等內(nèi)容。

UUV使用的聲學(xué)傳感器一般指的是USBL，如美國REMUS 水下無人航行器就采用了高精度數(shù)字式USBL作為其對接傳感器（圖13）。該型USBL模塊布置于UUV頭部，對接引導(dǎo)距離達到3 000 m，分辨力小于0.5°。美海軍多次海試表明，REMUS水下無人航行器在USBL的引導(dǎo)下能從幾海里外，準確地進入直徑僅為80 cm的錐形導(dǎo)向罩內(nèi)，單次對接成功率達到60%。

圖13 REMUS頭部USBL基陣

國內(nèi)中國船舶第七一五研究所研制的UUV水下采用水聲通信與USBL組合方式，不僅具備高精度測向（＜0.5°）、測距（＞3 000 m）能力，同時可進行水聲通信，有利于UUV與水下對接站之間的自主控制和策略調(diào)整。

圖14 第七一五研究所的USBL/水聲通信基陣

3.2 光學(xué)導(dǎo)引技術(shù)

水下無人航行器光學(xué)對接技術(shù)用于UUV與海底接駁站之間的末端引導(dǎo)，實現(xiàn)精度不大于厘米級的自動對接。根據(jù)光學(xué)傳感器提供的誤差信號，判斷航行器頭部與海底接駁裝置對接口的相對方位。該關(guān)鍵技術(shù)包括光學(xué)傳感器的設(shè)計、光傳感器的信號檢測電路設(shè)計、基于光傳感器的方位估計方法研究、UUV對接控制程序算法研究、光信標設(shè)計等內(nèi)容。光學(xué)導(dǎo)引傳感器受到海水清晰度的影響很大，有效作用距離很近（小于30 m），一般均要與聲學(xué)傳感器配合組合使用。目前基于視覺感知的AUV對接技術(shù)尚處于研制階段，例如韓國研究機構(gòu)正在研究魚雷型UUV與錐形對接裝置的視覺導(dǎo)航接駁技術(shù)，如圖15所示[11]。整個視覺導(dǎo)引裝置包含五盞信標燈、攝像機以及信號處理平臺，作用距離10~15 m，通過圖像處理來識別信標光源，從而計算出對接裝置的距離和中心位置，并結(jié)合視覺伺服控制算法引導(dǎo)UUV進入對接口。

圖15 “IsiMI”UUV光學(xué)導(dǎo)向裝置

3.3 數(shù)據(jù)和能量傳輸技術(shù)

當UUV與海底接駁站完成對接時，為實現(xiàn)UUV的能源補充（充電）、任務(wù)下載、探測數(shù)據(jù)上傳等功能，對接系統(tǒng)必須具備可靠高效的水下能量、信息傳輸裝置。根據(jù)方式不同主要分為接觸式插拔傳輸和非接觸式感應(yīng)傳輸兩種。該關(guān)鍵技術(shù)包括連接器耦合的低損耗設(shè)計、精確對接機構(gòu)設(shè)計、連接器及對接機構(gòu)的抗腐蝕、抗海洋生物污染的設(shè)計等方面。

接觸式插拔傳輸方式具有原理結(jié)構(gòu)簡單、傳輸穩(wěn)定高效等優(yōu)點，關(guān)鍵在于具有特殊能力的水密電連接器與配套的插拔動力裝置。該套系統(tǒng)需要具備自動導(dǎo)向?qū)φ?、便捷鎖緊與松開、不受海水壓力影響的帶水濕插拔能力。圖16為REMUS 水下無人航行器對接系統(tǒng)采用的插拔機構(gòu)，圖17為第七一五研究所水下對接系統(tǒng)的插拔裝置。

圖16 EMUS UUV對接系統(tǒng)插拔機構(gòu)

圖17 第七一五研究所水下對接系統(tǒng)插拔傳輸裝置

4 發(fā)展趨勢

水下無人航行器作為海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)的組成部分發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，海底觀測網(wǎng)使用要求與UUV使用條件和使用方式產(chǎn)生了巨大的矛盾，因此有必要開展深海對接技術(shù)的研究，開發(fā)出一種能對UUV進行海底能源補給和信息交換的水下接駁系統(tǒng)[16]。通過與海底觀測網(wǎng)節(jié)點的連接，水下接駁系統(tǒng)可對UUV進行電池充電、數(shù)據(jù)下載、任務(wù)更新，并為UUV提供保護性的安全停靠環(huán)境。這將大大增強海洋觀測能力，未來的UUV水下對接技術(shù)發(fā)展趨勢主要有以下兩點：

（1）具有更高的對接可靠性和成功率。依靠快速發(fā)展的各傳感器技術(shù)及智能控制技術(shù)，UUV將獲得更加靈活可靠的水下對接性能。

（2）多運動平臺之間的組合對接。包括多個UUV之間、UUV與USV之間、UUV與載人平臺之間等的對接。