無人水面艇自主部署自主水下機器人平臺技術(shù)綜述

鄭榮，辛傳龍,3，湯鐘，宋濤,5

(1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院 機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽 110169；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.91039部隊，北京 102401； 5.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

人類歷史的腳步已踏遍陸地，走入深空，然而海洋這一廣闊的水域，蘊藏著豐富的海洋生物資源、礦物資源和能源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要財富。進入21世紀(jì)全面認(rèn)識海洋、開發(fā)利用海洋和保護海洋將具有重大戰(zhàn)略意義[1]。無人水面艇(USV)和自主水下機器人(AUV)統(tǒng)稱為海洋機器人，作為一種有力的工具，主要用于海洋科學(xué)調(diào)查以及海洋目標(biāo)偵查、排雷等軍事領(lǐng)域。隨著人類以“更快、更深、更遠(yuǎn)”的目標(biāo)對海洋進行探索和開發(fā)，海洋機器人所執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜程度越來越大，性能要求也更高。但是，由于AUV仍受制于水下通信和攜帶能源有限兩大因素，人們需要頻繁地對其進行布放回收。目前，成熟可靠的AUV布放回收基本都需要船和人力的支持，該方式具有兩大劣勢：作業(yè)成本高，人員風(fēng)險大；難以全天候作業(yè)，工作效率低。所以，探索無人化自主布放回收AUV技術(shù)具有重要的實際應(yīng)用價值[2]。

現(xiàn)如今，USV技術(shù)日趨成熟，在載荷能力、續(xù)航時間以及航行速度上USV能夠彌補AUV的不足，二者相互協(xié)作，能夠達到取長補短、優(yōu)勢互補的目的。為了執(zhí)行高價值的任務(wù)，USV必須能夠下載AUV收集的數(shù)據(jù)，上傳新的任務(wù)指令，并為AUV充電或補充燃料，從而延長AUV任務(wù)期限以擴大AUV作業(yè)區(qū)域覆蓋面積?；谝陨闲枨螅⒁惶淄晟频幕赨SV的自主AUV部署系統(tǒng)成為行業(yè)內(nèi)亟待解決的問題。其中，USV自主部署AUV包含3個過程：水面平臺布放AUV、AUV對接、水面平臺回收AUV. AUV的布放與回收在流程上互為可逆過程，為統(tǒng)一概念，本文將AUV自主布放回收和AUV自主對接統(tǒng)稱為AUV自主部署。

1 USV自主部署AUV平臺發(fā)展現(xiàn)狀

至今，關(guān)于AUV的布放回收的研究層出不窮，而利用USV自主部署AUV的研究成果相對較少?，F(xiàn)將該平臺技術(shù)按總體機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式分為拖曳式吊索型、拖曳式入塢型，并從其基本組成和宏觀結(jié)構(gòu)特點作詳細(xì)介紹和分析。

1.1 拖曳式吊索型

1.1.1 單體USV自主部署AUV

2016年，美國Hydroid公司和Woods Hole海洋研究所(WHOI)合作開發(fā)了一種魯棒性好的自主線捕獲、線回收(LCLR)AUV的技術(shù)[3]。模塊化的AUV艏部段安裝了數(shù)字超短基線(DUSBL)的收發(fā)器、觸須式咬繩機構(gòu)、電流互感器和前視聲納；吊索端配置有DUSBL應(yīng)答器、定深拖魚。通過使用DUSBL聲學(xué)導(dǎo)航，AUV可以探測和定位吊索端的聲學(xué)應(yīng)答器。一旦纜繩被咬繩機構(gòu)捕獲，AUV可以通過多種方式安全回收。比如，Hydroid公司和WHOI針對REMUS-600型AUV自主部署問題，將LCLR技術(shù)集成到滑道式布放回收裝置上，共同組成圖1所示的拖曳咬繩式AUV自主部署系統(tǒng)。這為AUV部署提供了一種靈活的解決方案。該方案已成功實現(xiàn)無人自主化動態(tài)部署AUV，現(xiàn)已融入到多項商業(yè)和軍事應(yīng)用中。

圖1 拖曳咬繩式REMUS-600型AUV自主部署系統(tǒng)Fig.1 REMUS-600 AUV LCLR moving vessel recovery

同樣作為拖曳式咬繩型AUV部署方案，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所沒有采用全柔性纜繩拖曳介質(zhì)，而是采用剛性桿與柔性纜繩的組合形式作為銜接，如圖2所示。拖曳系統(tǒng)主要由USV、AUV、剛性桿、柔性纜繩和穩(wěn)定翼組成[4]。盡管粗長剛性桿能抑制USV縱蕩對穩(wěn)定翼運行姿態(tài)的影響，提高拖曳系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于AUV的穩(wěn)定對接，卻不利于將AUV回收到甲板上。

圖2 咬繩式對接回收方案Fig.2 Biting rope docking recovery scheme

為了充分發(fā)揮USV和AUV的聯(lián)合協(xié)作優(yōu)勢，美國先進技術(shù)研究(ATR)公司提出一種基于USV的AUV無人布放、回收、艦載處理與服務(wù)系統(tǒng)(LROHSS)[5]，如圖3所示。水下對接采用WHOI開發(fā)的自動導(dǎo)引和線捕捉技術(shù)，同時將能夠產(chǎn)生對接導(dǎo)引信號的拖魚設(shè)置在拖曳系統(tǒng)末端。水面布放回收系統(tǒng)如圖4所示：通過絞車回收纜繩，咬住纜繩的AUV限位于萬向節(jié)定位罩處，擒縱架下壓抓住AUV后，經(jīng)行車運輸?shù)叫D(zhuǎn)倉儲室以對AUV進行后續(xù)操作。整體系統(tǒng)模塊化強，方便拆卸，能廣泛應(yīng)用到各種USV或其他有人船；系統(tǒng)能在一次任務(wù)中收放多臺不同型號AUV，通用性好；最具特色的是，該系統(tǒng)集布放回收、維修、服務(wù)于一體，功能全面。ATR公司已于2010年將LROHSS系統(tǒng)安裝在MIW型USV上，在多達2 kn航速下完成了對REMUS-100型AUV對接回收機械和控制系統(tǒng)的實驗室驗證試驗。

圖3 功能全面的AUV部署系統(tǒng)Fig.3 Fully functional AUV deployment system

圖4 甲板平臺布放系統(tǒng)Fig.4 Deck platform launch and recovery system

1.1.2 雙體USV自主部署AUV

除了采用傳統(tǒng)的單體USV作為水面布放回收平臺，美國麻省理工學(xué)院提出了一種采用雙體USV自主布放回收AUV的創(chuàng)新設(shè)計概念[6]，如圖5所示。該系統(tǒng)在進行布放回收作業(yè)時，提升機將吊索組件放入足夠深度的水中，以回避水面波浪的強烈擾動。吊索末端為幾根較薄的圓弧形不銹鋼片，具有極小的拖曳阻力，利于AUV穩(wěn)定坐落其中。該方案處于創(chuàng)新設(shè)想階段，文獻[6]中主要預(yù)測了雙體USV的水動力特性，尚未提及AUV導(dǎo)引對接方式，也沒有完整地介紹AUV布放回收的細(xì)節(jié)信息，但不可否認(rèn)的是，雙體USV作為AUV自主部署平臺，擁有開闊的中部甲板空間方便布置回收裝置，而且還簡化了整體回收系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖5 小水線面雙體船系統(tǒng)配置Fig.5 General arrangement of small SWATH-USV

基于雙體USV，美國佛羅里達大西洋大學(xué)利用超短基線聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)，開展了USV自主布放回收REMUS-100型AUV的研究工作，如圖6所示[7]。整體的布放回收系統(tǒng)由WAM-V14型號雙體USV、卷車(前后各一部)、升降機構(gòu)、定深器等模塊組成。在回收過程中，卷車放下末端配置有定深器的纜繩。隨著USV的移動，定深器的V型翼上下表面產(chǎn)生壓力差，會產(chǎn)生下壓力使纜繩處于張緊狀態(tài)，方便AUV艏部段的咬繩裝置定位纜繩。AUV在水聲信號的指引下，緩慢靠近纜繩，張開的咬繩機構(gòu)一方面增加了可對準(zhǔn)范圍，另一方面有利于引導(dǎo)AUV對接。AUV對接成功后，卷車將AUV拉回到布放回收架上。咬繩方式具有全方位對接的優(yōu)點，受海洋環(huán)境的干擾相對較小，對接成功可靠性較高[8]。但是，AUV艏部段增設(shè)的V形導(dǎo)向機構(gòu)，不僅改變了艏部光順的外形，影響AUV整體的水動力特性，而且執(zhí)行機構(gòu)的動作會消耗一部分AUV所攜帶的有限能源。

圖6 拖曳咬繩式REMUS-100型AUV部署系統(tǒng)Fig.6 Bite-rope docking REMUS-100 AUV deployment system

該機構(gòu)還做了同類型思路，不同對接方式的AUV自主布放回收研究工作，如圖7所示[9]。利用卡箍將帶有多個卡繩凹槽的“翅膀”形對接裝置固連在REMUS-100型AUV中部位置，在水聲信號導(dǎo)引下，AUV從一定角度撞向由WAM-V14型號USV拖掛的兩根平行纜繩。纜繩嵌入對接凹槽后，卷車收回纜繩的同時將AUV回收到USV上。該方案要求AUV撞向纜繩的角度有所限制，需要AUV具有良好的運動控制和航跡規(guī)劃能力，同時外掛的對接裝置增加了AUV的航行阻力，不利于AUV長期水下工作。

圖7 撞纜式自適應(yīng)卡繩裝置Fig.7 Cable hitching adaptive poles clipping device

1.2 拖曳式入塢型

圖8是一種典型的移動式對接塢站，該模塊集成在有人船上構(gòu)成拖曳式入塢型AUV部署系統(tǒng)，已于美國巴澤茲灣(Buzzards Bay)進行了動對接試驗，試驗共11輪，一次對接成功率達到63.6%[10]。對接裝置主要由鎖緊模塊、漏斗形導(dǎo)向罩模塊、固定翼模塊以及傳感檢測模塊組成，如圖8(b)所示。在對接回收過程中，系統(tǒng)使用長基線(LBL)和DUSBL進行導(dǎo)航定位，固定翼用來增強裝置定深拖曳運動的穩(wěn)定性，導(dǎo)向罩增大了AUV可對接的徑向范圍。鎖緊模塊布置在REMUS-100型AUV的艏部段，通過電機帶動一對鎖緊卡扣打開和收緊，實現(xiàn)AUV與對接裝置的剛性聯(lián)接，最終將對接裝置和AUV一同拖回到船艇上，完成回收。該方案首次采用拖曳式動對接的方式回收AUV，直接證明了利用水下移動平臺回收AUV的可行性。但是將鎖緊模塊布置在AUV的艏部段，增加了AUV的設(shè)計難度，而且塢站裝置的整體外形不規(guī)則，不利于實現(xiàn)自主布放回收。

圖8 移動式對接塢站Fig.8 Mobile docking station

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所也提出了一種水下拖曳式入塢型AUV部署方案[11]，如圖9所示?；厥昭b置由安裝在USV上的自動絞車收放。收放框籠的中下部固定有V型翼，使整體裝置在USV的拖曳作用下，產(chǎn)生穩(wěn)定的下壓力，從而提高系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性。水聲通信機實時共享USV和AUV的位置、航速和航向等信息，實時解算交會對接地點，從而引導(dǎo)AUV向?qū)訅]站航行。AUV的艏部段還裝有雙目視覺攝像機，采用基于光學(xué)陣列的近端引導(dǎo)算法，可在近距離為回收裝置提供精確引導(dǎo)。值得一提的是，該裝置采用電磁鐵吸合的方式保持對接成功后框籠與AUV的相對位置，防止AUV回收過程中滑落。盡管電磁鐵吸合方式結(jié)構(gòu)簡單，但是AUV所攜帶的導(dǎo)航設(shè)備以及聲學(xué)儀器會受到磁場的干擾，這又會大大降低AUV的導(dǎo)航定位精度，不利于成功對接。該研究團隊還提出了改進版的對接回收系統(tǒng)方案[12]，如圖10所示，穩(wěn)定翼后緣增加對稱尾舵，使拖曳裝置具有定深調(diào)節(jié)能力；整體結(jié)構(gòu)布置更加緊湊，文獻[13]的研究證明了其具有良好的水動力特性。

圖9 水下框籠式對接回收裝置Fig.9 Underwater cage docking recovery device

圖10 改進版的對接回收系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of improved docking recovery system

ATR公司基于1.1.1節(jié)提到的LROHSS平臺，還提出了一種新的USV自主部署AUV的技術(shù)方案[14]，如圖11所示。相比于圖3所示的系統(tǒng)，該部署平臺改拖魚為拖曳對接塢站。在回收過程中，USV勻速直線航行，開合對接塢站釋放入水，捕捉爪打開。待拖曳平穩(wěn)，AUV根據(jù)對接塢站發(fā)出的水聲定位信號實施機動入塢。檢測到AUV到位，捕捉爪閉合，鉗住AUV，絞車回收纜繩的同時將塢站和AUV一同回收到USV甲板倉儲室內(nèi)。

圖11 自主布放回收式REMUS-100型AUV系統(tǒng)Fig.11 REMUS-100 autonomous launch and recovery system

以上內(nèi)容從部署平臺基本組成、宏觀結(jié)構(gòu)特點和工作流程等方面綜述了USV自主部署AUV平臺發(fā)展現(xiàn)狀。兩種AUV自主部署形式的特性比較如表1所示。其中，拖曳式吊索型AUV自主部署平臺的主要對接形式是咬蠅/撞繩結(jié)構(gòu)，因纜繩端不方便布置充電和數(shù)據(jù)傳輸裝置，整體結(jié)構(gòu)簡單但任務(wù)功能相對單一；而拖曳式入塢型方案可依靠導(dǎo)向罩和定位夾緊機構(gòu)集中完成AUV對接、充電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。此外，對接塢站對AUV有保護作用，安全性和對接可靠性都比較高。從通用性角度講，只需加裝艏部段對接機構(gòu)，拖曳式吊索系統(tǒng)可以適用各種直徑的AUV對接；而后者的適用范圍受對接塢站內(nèi)部框架直徑的限制。兩種形式的對接效率均依賴AUV和拖曳系統(tǒng)的操縱性，但后者對AUV的導(dǎo)航精度要求相對較低。歸納分析現(xiàn)有AUV部署平臺的總體特點，可以得出業(yè)內(nèi)普遍采用纜繩作為銜接USV和水下對接塢站或穩(wěn)定翼的物理媒介，這樣，三者集成的自主部署AUV總體平臺，也就形成了一個完整的水下拖曳系統(tǒng)。

表1 AUV自主部署形式特點比較Tab.1 Comparison of characteristics of AUV autonomous deployment form

2 USV自主部署AUV平臺關(guān)鍵技術(shù)

從系統(tǒng)學(xué)的觀點看，為了實現(xiàn)USV更好地自主部署AUV，水下拖曳系統(tǒng)要具有良好的運動穩(wěn)定性、拖曳對接準(zhǔn)確性和拖曳對接快速性等要求。下文也將從這3個方面闡述基于USV的AUV自主部署平臺的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 拖曳穩(wěn)定性技術(shù)

穩(wěn)定是一切系統(tǒng)正常運作的根本。評價系統(tǒng)穩(wěn)定性有兩類標(biāo)準(zhǔn)：靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性。靜穩(wěn)定性比較簡單，類似于靜力學(xué)中物體的穩(wěn)性，而AUV部署平臺的運動穩(wěn)定性的物理意義是指系統(tǒng)作定常運動時，受瞬時小干擾后，受擾的運動參數(shù)(如拖體深度、縱傾角等)能否自行回到初始運動狀態(tài)的性能[15]。USV自主部署AUV平臺作為一種水下拖曳系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是一個復(fù)雜的動力學(xué)運動方程，建模過程中需要對系統(tǒng)水動力正確分析，進而才能基于模型綜合自動控制理論與技術(shù)對水下拖體的運動姿態(tài)和工作深度進行更好地控制。

2.1.1 拖曳系統(tǒng)水動力模型研究

拖曳系統(tǒng)流體動力分析的一般過程是：將拖體和拖纜分開，分別建立各自的水動力學(xué)模型；通過拖曳試驗、經(jīng)驗公式法或計算流體力學(xué)(CFD)仿真軟件獲取拖曳裝置的水動力參數(shù)；根據(jù)拖曳系統(tǒng)實際的工況建立拖纜兩端的邊界條件，以此將拖曳系統(tǒng)3要素：拖船、拖纜、拖體，耦合在一起進行總體水動力性能分析。

在已研究的USV自主部署AUV平臺中拖體的主要結(jié)構(gòu)形式是流線型或接近流線型主體及迫沉穩(wěn)定翼，還有二者組合體的形式。其運動大多采用Gertler和Hargen首先提出后由Abkowitz改進的水下運載體六自由度運動方程描述[16]。流線型主體和穩(wěn)定翼的水動力系數(shù)決定了拖曳體的水動力特性。在目前技術(shù)條件下，一般認(rèn)為確定拖曳體水動力系數(shù)最準(zhǔn)確、最直接的辦法是：回歸擬合分析拖曳實驗數(shù)據(jù)。但是，實驗流體力學(xué)方法成本高、周期長，隨著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展，以數(shù)值計算為手段進行拖曳體水動力性能估算得到更廣泛應(yīng)用[17]。網(wǎng)格劃分的好壞決定了CFD計算的收斂性和速度。Watt等[18-19]通過CFD技術(shù)計算不同航向角下潛艇的側(cè)向力，以此對網(wǎng)格收斂性進行了研究。文獻[20]為了討論網(wǎng)格劃分方式、數(shù)量以及計算時間步長對仿真結(jié)果的影響，采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的思想對有大體積掛載的潛艇流體動力性能進行了研究。CFD是一門集流體力學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)為一體的交叉理論[21]，同時也可以作為研究自主部署AUV拖曳平臺的重要且強大的工具。李雪劍等基于CFD理論，使用Star CCM軟件，配合笛卡爾網(wǎng)格的離散形式，對水面拖曳體的阻力進行計算，基于計算結(jié)果及設(shè)計約束條件，對拖曳體結(jié)構(gòu)外形進行優(yōu)化，使拖曳體總阻力值下降25%[22]。張海亭等使用CFD方法對帶有水平舵的穩(wěn)定翼拖體進行數(shù)值仿真計算得到其水動力系數(shù)，借助Star CCM軟件，建立定常運動仿真有限元模型和非定常運動仿真有限元模型，來分別模擬拖曳水池試驗和懸臂水池試驗，通過擬合仿真得到的水動力及其力矩系數(shù)，計算得出了研究拖曳裝置運動穩(wěn)定性所涉及的與角度相關(guān)的水動力系數(shù)和與角速度相關(guān)的水動力系數(shù)[23]。

拖纜作為連接USV與拖體的媒介，其受力特性和瞬態(tài)構(gòu)型對整體拖曳系統(tǒng)有重要影響。直至20世紀(jì)60年代后期，拖纜流體性能的主要分析方法是解析解方法和有限元法[24-26]。解析解方法要求給出理論模型的封閉解，只能局限于求解簡單的靜態(tài)問題。在有限元法中，纜繩的運動方程由Hamilton虛功原理導(dǎo)出。Delmer等[27]認(rèn)為這種方法可以用于求解靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)問題而不適用于本質(zhì)上屬于非線性性質(zhì)的大運動加速度、大偏移問題的水下纜繩的動力方程中，而USV自主部署AUV拖曳平臺水動力模型的本質(zhì)恰恰屬于后者。20世紀(jì)70年代起，拖纜系統(tǒng)水動力學(xué)模型的研究逐漸引起了人們的注意。在拖纜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中應(yīng)用最為廣泛的有兩類：一類是有限差分法[28-30]。這類方法把拖纜看作相連的一串可做任意方向運動的細(xì)長柔性桿，水動力、重力、浮力、質(zhì)量慣性力和張力等作用在桿上，建立關(guān)于時間和長度的偏微分方程組進行差分求解。另一類是集中質(zhì)量法[31]。這類方法把拖纜看成用一系列線彈簧相連的一串質(zhì)點，力全部作用在質(zhì)點上，根據(jù)牛頓第二定律，建立纜繩在慣性坐標(biāo)系下的運動方程。其中Ablow和Schechter的模型[32]最具有代表性，它以有限元法為基礎(chǔ)，采用有限差分法進行數(shù)值求解，盡管后續(xù)學(xué)者針對該模型有數(shù)次完善和應(yīng)用[33-34]，但其本身能夠計算拖纜系統(tǒng)大多數(shù)工況下的動力狀態(tài)，得到了廣泛的應(yīng)用。李英輝等[35]以Ablow和Schechter提出的纜繩模型和水下運載體六自由度運動方程為基礎(chǔ)，采用有限差分法和牛頓迭代等數(shù)學(xué)方法對模型解耦，數(shù)值仿真了拖曳系統(tǒng)動態(tài)特性。文獻[36]也采用類似方法，建立水下雙拖系統(tǒng)的三維空間運動數(shù)學(xué)模型，用中心有限差分法求解系統(tǒng)的控制方程，通過數(shù)值仿真研究系統(tǒng)運動響應(yīng)，證明了雙拖系統(tǒng)有利于改善縱垂面拖曳運動水動力特性，并進行了試驗研究和驗證[37]。

除此之外，Huston等[38]、Kammen等[39]將多體系統(tǒng)動力學(xué)理論直接應(yīng)用于纜索，提出了有限段法，并應(yīng)用于水下拖曳系統(tǒng)的仿真。但是，有限段法是直接應(yīng)用多剛體理論，沒有充分利用纜索的特點，因此計算量較大；對于彈性纜索，有限段法只能用段間彈簧模擬纜索彈性，精度欠佳。

2.1.2 水下拖曳系統(tǒng)運動響應(yīng)特性研究

根據(jù)AUV部署平臺的運動穩(wěn)定性的定義，基于小干擾理論，可由拖曳裝置的運動響應(yīng)方程推導(dǎo)出自由擾動運動方程。文獻[15]中將擾動方程的特征方程的特征根稱為穩(wěn)定性指數(shù)，可作為拖曳裝置穩(wěn)定性的度量指標(biāo)。根據(jù)古爾維茨判別法，可在不求解特征根的情況下，給出穩(wěn)定性判別式及其衡量標(biāo)準(zhǔn)，文獻[40]中將其定義為系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。除此之外，Meng等還根據(jù)已設(shè)計的兩種類型的水下動對接裝置：捕獲式和導(dǎo)引式，利用Star CCM軟件對兩種對接裝置的流體動力學(xué)特性進行了仿真分析和比較，通過直接探討拖體水動力中心點的位置對拖曳系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，以此來判定拖曳裝置的穩(wěn)定特性[13]。盡管兩種方法有所差異，但其本質(zhì)都是在判定拖曳裝置受擾后是否有使其恢復(fù)到狀態(tài)的扶正力矩。

廖世俊等從工程實際出發(fā)，將Ablow單拖體拖曳模型線性化后，數(shù)值計算了6 000 m深海單拖體和雙拖體拖曳系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，特別是研究了拖船的垂蕩運動對拖體定高性的影響。研究表明：拖船的垂蕩及其航速變化對拖體水平方向運動影響不大；對于單拖系統(tǒng)而言，拖船垂蕩及航速變化，對拖體垂向運動影響較大，導(dǎo)致拖體具有與拖船同量級的垂蕩；采用雙拖體系統(tǒng)可大大提高系統(tǒng)的定高穩(wěn)定性[41]。王志博為抑制振動沿拖纜傳遞對探測設(shè)備造成不良影響，建立了多級拖曳系統(tǒng)的動力學(xué)模型，定性分析了低張力纜段的隔振特性[42]。

張海亭等[23]、Zhang等[43]在穩(wěn)定翼拖體的尾部加裝兩個對稱的舵板，使USV自主部署AUV平臺的工作深度自主可控；借助Star CCM強大的重疊網(wǎng)格技術(shù)，對不同舵角下的拖曳系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，得到對應(yīng)的拖曳裝置深度和攻角運動響應(yīng)曲線；在湖試過程中，測試了該系統(tǒng)深度穩(wěn)定性、航向穩(wěn)定性和姿態(tài)穩(wěn)定性。鄭智林等建立了艦船機動中拖曳系統(tǒng)耦合數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值計算方法，獲得了系統(tǒng)在艦船機動過程中的響應(yīng)，并運用經(jīng)典PID算法，通過控制拖體水翼的攻角，實現(xiàn)了拖體在艦船機動過程中的目標(biāo)深度控制[44]。

文獻[45]基于變長拖纜動力學(xué)模型，仿真研究了拖船速度、拖纜長度和拖體工作深度三者之間的關(guān)系，并通過實驗進行了驗證。王海波等[46]通過數(shù)值仿真，獲得了變纜長情況下拖體深度與拖纜各點張力的動態(tài)取值，數(shù)值計算結(jié)果表明采用收放拖纜的升沉補償方法能夠有效削弱母船升沉運動對拖體深度和拖纜張力的影響。張潞怡等結(jié)合實際的6 000 m深拖系統(tǒng)，研究了拖體對收纜、放纜運動的動態(tài)響應(yīng)，同時得出纜索的切向流體阻力系數(shù)和法向流體阻力系數(shù)是影響深拖系統(tǒng)運動的重要參數(shù)，還影響纜長與纜形的變化[47]。

孫燁等為了進一步提高拖曳系統(tǒng)的深度調(diào)節(jié)性能，通過內(nèi)部機構(gòu)調(diào)節(jié)拖曳體重心來改變拖體運動姿態(tài)和工作深度，設(shè)計了一種類似于滑翔機原理的拖曳體[48]。

文獻[49]詳細(xì)討論了不同航向下拖纜動力學(xué)的急轉(zhuǎn)彎、緩轉(zhuǎn)彎的瞬態(tài)特性，研究了三維參數(shù)對拖纜系統(tǒng)操縱性的影響。Chapman深入研究了船舶大半徑和小半徑轉(zhuǎn)彎時拖纜動態(tài)和穩(wěn)態(tài)構(gòu)形，給出了不發(fā)生拖曳體傾翻的近似最小轉(zhuǎn)彎半徑公式和船舶保持圓周運動時纜索所采用的平衡配置的詳細(xì)情況，還提供了拖纜橫向和縱向擾動衰減的時間常數(shù)圖用來快速估算拖曳系統(tǒng)在操縱后恢復(fù)平衡所需的時間[50]。Mark同樣也研究了船舶大半徑和小半徑轉(zhuǎn)彎時拖纜的瞬態(tài)特性，在Chapman給出的小轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)，拖曳體軌跡最初遵循螺旋形軌跡，工作深度振蕩，最終衰減為Chapman的穩(wěn)態(tài)解。因此，拖曳體深度隨時間變化具有單調(diào)性和振蕩性，且存在超調(diào)；而在大半徑轉(zhuǎn)彎時，拖纜瞬態(tài)特性呈現(xiàn)過阻尼特性(無振蕩)，拖曳體工作深度呈現(xiàn)指數(shù)單調(diào)變化。Mark還對比分析了180°和360°轉(zhuǎn)彎時拖纜的瞬態(tài)特性[51]。

以上關(guān)于拖曳系統(tǒng)運動響應(yīng)特性研究，為USV自主部署AUV平臺的設(shè)計提供了良好的借鑒。影響拖曳體運行姿態(tài)和工作深度的主要因素有：拖曳級數(shù)、緩沖纜、穩(wěn)定翼攻角、方向舵舵角、拖纜長度、拖曳體重心、拖船速度以及拖船運行軌跡等。所以，為了保證部署平臺在運行時，拖曳裝置能夠穩(wěn)定運行，分3類設(shè)計目的列舉對應(yīng)措施如下：

2.1.2.1 提高系統(tǒng)的海況適應(yīng)性

長江流域水功能區(qū)管理的思路為：以嚴(yán)守納污紅線為目標(biāo)，完善流域水功能區(qū)考核體系；加強水功能區(qū)監(jiān)測監(jiān)督，推進不達標(biāo)水功能區(qū)的通報力度和達標(biāo)建設(shè)；深化水功能區(qū)基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究，按行政區(qū)提出更明確的限排總量意見。

1)在適度增加拖纜工作長度的同時，USV甲板上要配置一臺具有升沉補償功能的絞車[52-54]。理想狀態(tài)下，波浪對拖船的縱蕩被收放的纜繩釋放，整體系統(tǒng)就如同在靜水中進行航行。

2)采用重纜、輕纜結(jié)合的2級拖曳方式(長纜為重纜，短纜為輕纜)。一般意義上的2級拖曳中設(shè)置有中繼器來吸收船的縱蕩，但是中繼器不利AUV回收自動化，而采用重纜、輕纜結(jié)合的2級拖曳方式可有效規(guī)避自動化回收困難的問題。

2.1.2.2 使系統(tǒng)更高速地進行拖曳對接任務(wù)

在離重心之后較遠(yuǎn)的位置增加一對水平對稱翼和一個垂直對稱翼，以抑制拖體的縱傾和首搖[55]。理論上拖曳速度越高，翼的抑制作用越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高。但是，在較高海況下，翼的抑制作用可能是微不足道的。

2.1.2.3 使拖曳系統(tǒng)具有自主定深調(diào)節(jié)功能

1)安裝水平舵。調(diào)節(jié)水平舵角，拖體的水動力特性改變，進而會影響整體系統(tǒng)的運動響應(yīng)。

2)調(diào)節(jié)重心法。該方法應(yīng)用于大型拖體，會增大整體裝置體積和質(zhì)量，比較適用于小型拖體。

2.2 拖曳對接準(zhǔn)確性技術(shù)

AUV自主部署平臺拖曳穩(wěn)定情況下，如何保證AUV順利入塢或撞咬纜繩成為又一關(guān)鍵問題。由于AUV自身導(dǎo)航精度誤差及海底暗流的影響，AUV不能保證直接對接成功。AUV在對接的中后階段：一方面對接裝置外形結(jié)構(gòu)對運動調(diào)整具有直接影響；另一方面，導(dǎo)引方式、導(dǎo)航精度、AUV操縱性等控制因素對對接任務(wù)有本質(zhì)影響。

2.2.1 對接裝置設(shè)計與碰撞研究

對接類型：靜對接、動對接?；赨SV自主部署AUV的平臺采用的是拖曳動對接形式。靜對接技術(shù)相對成熟，相關(guān)對接裝置結(jié)構(gòu)可以移植到動對接裝置上。常見的機械結(jié)構(gòu)對接導(dǎo)引形式分為：觸須捕捉式、導(dǎo)向罩式[8]。其基本原理都是通過V型限位，導(dǎo)引AUV運行至對接交匯點。在此過程中，機械間接觸碰撞不可避免，所以有必要對碰撞過程進行分析，研究碰撞后的AUV和拖曳裝置的運動規(guī)律，進而設(shè)計合理的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)以提高對接成功率。

解決接觸碰撞力學(xué)問題的方法發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：恢復(fù)系數(shù)法、等效彈簧阻尼法和有限元法?；謴?fù)系數(shù)法主要適用于剛體間的接觸碰撞，利用牛頓定律和歐拉定律建立物體的運動微分方程，物體接觸所受切向摩擦力由庫侖定律描述，使用牛頓恢復(fù)系數(shù)研究碰撞階段的法向沖擊力[56]。1990年，Stronge考慮了碰撞過程中滑動和粘滯現(xiàn)象，提出了新的能量恢復(fù)系數(shù)，由碰撞過程中的擴張能量與壓縮能量之比表示[57]。赫茲彈性接觸理論將物體碰撞研究對象由剛性體轉(zhuǎn)為更貼合實際的彈性體。該理論的核心是等效彈簧阻尼模型，它將接觸力分為彈性力和阻尼力兩個部分，碰撞過程分為壓縮和恢復(fù)兩個階段，將碰撞現(xiàn)象處理為連續(xù)的動力學(xué)問題，而不是瞬間的動力學(xué)問題[58]。但是，該方法對于復(fù)雜外物體在碰撞過程中的彈簧剛度和阻尼系數(shù)不易確定。有限元法是將實體離散化為有限個單元，單元之間通過節(jié)點來傳遞內(nèi)力，通過對單元力學(xué)性質(zhì)的分析，結(jié)合變形協(xié)調(diào)方程，利用最小勢能原理和泛函數(shù)值定理轉(zhuǎn)換成矩陣形式的線性方程組，求出節(jié)點位移，進而借助節(jié)點位移向量求出其他未知向量[59]。目前應(yīng)用較多的通用有限元軟件有：ANSYS、Abaqus、ADINA等。

史劍光等詳細(xì)分析了入塢碰撞過程中AUV水下受力情況和相關(guān)的碰撞參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，在ADAMS仿真軟件中搭建AUV的入塢碰撞仿真模型，對導(dǎo)向罩外形、材質(zhì)、AUV的主推力和AUV的初始位置對入塢過程的影響進行了分別討論，仿真結(jié)果表明：導(dǎo)向罩的張開角度越小、阻尼系數(shù)較大、表面材質(zhì)越光滑，越有利于AUV順利對接入塢；而AUV的主推力對入塢過程的影響較小[60]。文獻[61]利用ADAMS動力學(xué)分析軟件建立Dolphin II型AUV水下對接系統(tǒng)的動力學(xué)模型，分別討論了導(dǎo)向罩錐角、材料特性、位置姿態(tài)偏差、AUV速度、螺旋槳力5種因素對接觸碰撞的影響，針對這些因素提出若干有價值的導(dǎo)向罩設(shè)計建議。

2.2.2 對接過程中近壁面流場特性

AUV與拖曳裝置對接過程中，周圍流場與無界流域時相比有很大差異，近壁面流場給對接過程帶來新的干擾?；诂F(xiàn)有成熟的水動力干擾理論和CFD仿真技術(shù)，多位學(xué)者展開了對接過程中近壁面流場特性影響因素的研究。

文獻[62]為了確定一種更好的AUV對接控制方案，采用動態(tài)網(wǎng)格法對水下機器人與塢站的對接進行了數(shù)值模擬，分析對接過程中塢站導(dǎo)向罩與AUV之間的流場與各種速度、加速度、塢站形狀、滑行模式、來自多個方向的交叉海流和方向舵角的關(guān)系。杜俊等[11]利用水動力分析軟件CFX對AUV在水下對接的動態(tài)過程進行了水動力仿真，獲得了回收裝置在不同工況下對接時的阻力變化情況。通過數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)：對接過程中，AUV的摩擦阻力逐漸增大；當(dāng)AUV接近回收裝置時，壓差阻力迅速減小，但AUV在對接過程中的總阻力是先增加、后減小。潘光等[63]基于Fluent軟件中的UDF功能和VOF模型，建立了海洋波浪模型，在此基礎(chǔ)上對AUV回收過程中的阻力、升力干擾進行了研究。蘇玉民等[64]采用CFD技術(shù)數(shù)值預(yù)報了AUV回收過程中與潛艇之間的水動力干擾性能。

2.2.3 對接導(dǎo)引控制技術(shù)

在水下對接過程中，AUV除了通過自身攜帶的導(dǎo)航系統(tǒng)獲悉自身位姿信息外，還需要基于導(dǎo)引傳感設(shè)備和控制算法實時解算與塢站或者纜繩的相對位姿關(guān)系，然后依據(jù)與此自主規(guī)劃航行路徑，完成對接。

AUV通用的導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備有：多普勒計程儀(DVL)、深度傳感器、水聲測距儀、羅盤、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等。通過多傳感器融合技術(shù)可以提高導(dǎo)航精度。為了實現(xiàn)目標(biāo)對接區(qū)域的定位，一般將AUV回收對接分為遠(yuǎn)航導(dǎo)引和近航導(dǎo)引兩個階段。文獻[65]還將水下對接導(dǎo)引方式分為4種方式：聲學(xué)導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、視覺導(dǎo)引和電磁導(dǎo)引，并進行了各方面的性能對比。遠(yuǎn)航導(dǎo)引階段精度要求較低，通常采用聲學(xué)和推算組合導(dǎo)航方式；近航導(dǎo)引階段精度要求高，通常采用光學(xué)導(dǎo)引或者視覺導(dǎo)引技術(shù)。各國針對不同對接任務(wù)需求，應(yīng)用不同導(dǎo)引方式，開展了許多試驗驗證[66-68]。

自主路徑規(guī)劃是水下對接過程中AUV所必須具備的能力。路徑規(guī)劃可分解為環(huán)境建模、路徑搜索和路徑優(yōu)化等幾個子問題，其主要的研究方法有：圖形搜索法[69]、人工勢場法[70]和基于人工智能算法(如遺傳算法)的規(guī)劃方法[71]。

綜上所述，為了更準(zhǔn)確地使AUV與基于USV的拖曳系統(tǒng)交互對接，在設(shè)計平臺時要綜合考慮兩子系統(tǒng)之間的接觸碰撞和非定常流體特性，提前對擾動響應(yīng)做出預(yù)報。不僅要進一步提高AUV的自主性和操縱性，還要從創(chuàng)新對接策略、優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)參數(shù)、配置運動參數(shù)等方面綜合權(quán)衡。

2.3 拖曳對接快速性技術(shù)

為了實現(xiàn)快速對接，需要對整體系統(tǒng)或者系統(tǒng)的部分進行優(yōu)化設(shè)計。USV自主部署AUV平臺系統(tǒng)設(shè)計變量和評價指標(biāo)相對較多，需要采用多目標(biāo)優(yōu)化方法進行設(shè)計。具體理論和方法參考文獻[72]。

張醫(yī)博等針對便攜式AUV水下喇叭口形靜對接平臺進行了優(yōu)化設(shè)計。首先通過ADAMS軟件建立了水下靜對接物理仿真模型，然后以導(dǎo)向罩開口角度、導(dǎo)向罩收口直徑和AUV第一次碰撞點的偏心距為設(shè)計變量，將碰撞力大小和對接時間作為評價指標(biāo)，最后通過擬合仿真獲得的數(shù)據(jù)，建立影響因素與評價指標(biāo)間函數(shù)關(guān)系，利用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的方法并結(jié)合實際情況對參數(shù)做出合理的分析和篩選，得到一組合理的對接平臺設(shè)計數(shù)據(jù)[73]。國婧倩等從AUV入塢偏距和AUV入塢夾角兩方面分別探討凸形罩、錐形罩和凹形罩3種典型導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向能力，分析對比仿真結(jié)果，對導(dǎo)向罩母線曲率進行改進設(shè)計與優(yōu)化、得到S形罩，試驗證明S形罩調(diào)整AUV運動趨勢效果明顯[74]。

針對USV自主部署AUV平臺拖曳對接快速性技術(shù)方面的研究相對較少，且只考慮了局部對接環(huán)節(jié)的優(yōu)化，針對系統(tǒng)整體優(yōu)化需要考慮眾多設(shè)計變量，少有學(xué)者做這方面的研究。

3 總結(jié)與展望

圖12 海洋平臺互聯(lián)互通概念示意圖Fig.12 Concept map of connectivity of ocean platforms

USV自主部署AUV平臺技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的工程應(yīng)用技術(shù)，是實現(xiàn)海洋平臺間互聯(lián)互通，構(gòu)建智慧、透明海洋大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如圖12所示[75]。本文根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式將USV自主部署AUV平臺系統(tǒng)分為拖曳吊索型和拖曳入塢型兩類，并詳細(xì)闡述了該平臺技術(shù)的研究現(xiàn)狀?；谙到y(tǒng)學(xué)的觀點，闡述了設(shè)計一套具有拖曳穩(wěn)定性、對接準(zhǔn)確性和對接快速性的AUV自主部署平臺所需要的關(guān)鍵技術(shù)：拖曳系統(tǒng)水動力模型理論、數(shù)值仿真、CFD技術(shù)、系統(tǒng)響應(yīng)特性分析、接觸碰撞理論、水動力干擾理論、優(yōu)化設(shè)計、自主導(dǎo)航運動控制、路徑規(guī)劃等。綜合歸納現(xiàn)有拖曳系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了提高USV自主部署AUV平臺穩(wěn)定性的措施。USV自主部署AUV平臺作為一個多學(xué)科融合的系統(tǒng)，仍需進行大量深入的研究和工程實踐，今后的研究重點集中在以下5個方面：

1)進一步考慮水動力的非線性和風(fēng)、浪的聯(lián)合擾動，建立完善的拖曳系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并研究解決復(fù)雜的多維度、非線性問題的數(shù)學(xué)方法，從而更加真實、準(zhǔn)確地預(yù)報USV自主部署AUV平臺系統(tǒng)的操縱規(guī)律和運動響應(yīng)特性。

2)現(xiàn)有拖曳對接系統(tǒng)基本上都是在等速直航條件下進行對接，然而實際的海上任務(wù)充滿變數(shù)，需要對變速變深拖曳對接理論和應(yīng)用進行深入研究。

3)結(jié)合機械優(yōu)化設(shè)計及其他力學(xué)理論，從整體或者部分對USV自主部署AUV平臺進行創(chuàng)新性設(shè)計和改良，使整體系統(tǒng)達到理想優(yōu)化狀態(tài)。

4)USV和AUV的運動控制仍是整體系統(tǒng)穩(wěn)定運行、自主運作的關(guān)鍵，而兩個子系統(tǒng)又是高度非線性的，航行過程中水動力參數(shù)和海流擾動存在不確定性，所以綜合采用或改進現(xiàn)有的控制方法以及創(chuàng)造新的智能控制算法來實現(xiàn)AUV和USV的自主協(xié)同控制仍是當(dāng)前的研究重點。

5)未來USV自主部署AUV平臺的技術(shù)不斷成熟，還會融入到一個更大的無人化系統(tǒng)中，比如與空中無人機和地面遙控基站智能協(xié)同，實現(xiàn)陸空海一體化的全域智能網(wǎng)絡(luò)化偵查作戰(zhàn)系統(tǒng)。