潛龍AUV專用收放技術(shù)研究進(jìn)展

張洪彬，徐會(huì)希*，尹 遠(yuǎn)，陳 仲

（1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽 110169；3.遼寧省水下機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110169）

在建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略背景下，加大對(duì)海洋的研究探索是人類可持續(xù)發(fā)展的重要部署。自主水下機(jī)器人[1-3]（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）因其自身獨(dú)特的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在大范圍近海底深海資源勘察、軍事海洋對(duì)抗、海底管路巡檢、海底沉船打撈、油田勘探、海洋考古等眾多工作領(lǐng)域。然而AUV應(yīng)用流程中安全的布放和回收，往往是保證其水下正常工作關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因布放失敗而丟失的日本“海溝號(hào)”事故為潛水器的布放回收裝置的研制與安全應(yīng)用敲響了警鐘。

國外的AUV專用收放裝置研制起步較早，已經(jīng)形成了成熟的保障裝備體系[4-7]，按照工作方式劃分可以分為兩類，一類是吊放式專用收放裝置[6]，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單，操作靈活，甲板占用空間較小，可借助對(duì)船載吊放設(shè)備的改造進(jìn)行研制，節(jié)約成本，可用于多型AUV；缺點(diǎn)是需要對(duì)母船設(shè)備進(jìn)行改造，移動(dòng)式搭載能力較弱。另一類是滑道式布放回收裝置，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是集成式模塊化設(shè)計(jì)，與母船接口簡單，操作便捷，移動(dòng)搭載能力強(qiáng)，專用化程度高；缺點(diǎn)是占用甲板作業(yè)面積較大，裝置制造維護(hù)成本高[8]，裝備體積大且笨重。

國外主要從事相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)具體見表1，主要代表性研究成果見圖1。

表1 國外主要從事相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)

圖1 部分國外有代表性的AUV專用收放裝置研制單位

國外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)率先完成了各種形式的AUV專用收放系統(tǒng)，大大地提高了AUV的收放作業(yè)效率和安全性。國內(nèi)AUV專用收放系統(tǒng)的研究起步較晚[10-14]，主要從事相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)具體見表2，“十三五”前期的國產(chǎn)AUV所采用的傳統(tǒng)收放方法十分復(fù)雜?；厥者^程中，AUV掛鉤成功后，在吊放過程中，由于AUV與母船之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致起吊纜繩的張緊與松弛交替變化，可能發(fā)生纜繩斷裂；同時(shí)由于吊放式AUV受風(fēng)浪的影響產(chǎn)生搖擺，容易造成磕碰，采用人力止蕩防搖擺需要人員多、安全性低、可靠性性差。這些都造成傳統(tǒng)AUV專用收放方法高海況適應(yīng)能力不足、安全性不高、自動(dòng)化程度偏低、收放效率低、海洋科考船時(shí)消耗成本較高等現(xiàn)狀。顯而易見，傳統(tǒng)的布放回收方法過于落后，已然成為制約AUV應(yīng)用水平提升的短板問題。所以AUV專用收放系統(tǒng)的研制工作亟需開展。

表2 國內(nèi)主要從事相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)

“十三五”期間，圍繞如何解決國內(nèi)AUV的國產(chǎn)化專用收放系統(tǒng)問題，國內(nèi)部分相關(guān)研究單位開展了研制工作。其中，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所作為總體技術(shù)單位，開展了吊放式和滑道式兩型專用收放系統(tǒng)的研制工作。

1 吊放式專用收放系統(tǒng)

吊放式專用收放系統(tǒng)由兩部分組成，包括改造后的Palfinger折臂吊和一套自研的緩沖止蕩導(dǎo)引頭，其組成示意圖如圖2所示。借助兩部分的功能組合實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的少人化、高自動(dòng)化程度的布放和回收。

圖2 吊放式專用收放系統(tǒng)組成示意圖

1.1 緩沖止蕩導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)

1.1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

緩沖止蕩導(dǎo)引頭主要包括轉(zhuǎn)接固定支架、防搖擺止蕩液壓缸、導(dǎo)向缸筒、垂向緩沖液壓缸、安全鎖與釋放銷、鞍型架。對(duì)緩沖止蕩導(dǎo)引頭裝置進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，主要包括防搖擺止蕩功能、垂向緩沖功能、快速釋放、安全鎖緊與解除。防搖擺止蕩液壓缸的擺動(dòng)區(qū)間初步設(shè)計(jì)為-20°～20°；垂向緩沖液壓缸的垂向緩沖行程設(shè)計(jì)為85 mm，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖3所示。

圖3 緩沖止蕩導(dǎo)引頭運(yùn)動(dòng)簡圖

為了提升專用收放系統(tǒng)的安全性，特別增加電機(jī)鎖機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)整體采用螺釘固定連接到緩沖止蕩導(dǎo)引頭支架上，借助電機(jī)鎖將抗剪切銷軸打入AUV起吊環(huán)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV與緩沖止蕩導(dǎo)引頭的二級(jí)安全鎖緊，確保折臂吊在擺動(dòng)過程中AUV能夠不完全依賴絞車起吊繩索的張緊與收放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固連。具體工作原理圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)鎖工作原理圖

1.1.2 緩沖止蕩液壓設(shè)計(jì)

緩沖止蕩導(dǎo)引頭的防擺調(diào)節(jié)控制，通過防擺動(dòng)液壓缸（雙作用液壓缸、雙缸）的伸縮實(shí)現(xiàn)。借助液壓系統(tǒng)蓄能器提供的油液壓力，實(shí)現(xiàn)防搖擺止蕩液壓缸的雙向阻尼力，當(dāng)緩沖止蕩導(dǎo)引頭在海浪的擾動(dòng)作用下往回?cái)[動(dòng)時(shí)，防搖擺止蕩液壓缸借助蓄能器提供的油液壓力，實(shí)現(xiàn)液壓缸的往復(fù)阻尼作用，消耗擺動(dòng)能量。當(dāng)擺動(dòng)外力消失時(shí)，防搖擺止蕩液壓缸具備驅(qū)使緩沖止蕩導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)中位停擺的能力，回復(fù)定位精度±5 mm（指液壓缸的中位行程誤差），中位行程位置可調(diào)節(jié)，液壓原理圖如圖5所示。

圖5 橫滾止蕩及直線彈簧液壓阻尼缸工作原理圖

緩沖止蕩導(dǎo)引頭的垂蕩調(diào)節(jié)控制，通過垂向緩沖功能液壓缸（雙作用液壓缸、雙缸）的伸縮實(shí)現(xiàn)。借助液壓系統(tǒng)蓄能器提供的油液壓力，實(shí)現(xiàn)直線彈簧液壓缸的持續(xù)外伸。

1.1.3 緩沖止蕩導(dǎo)引頭集成設(shè)計(jì)

將機(jī)構(gòu)和液壓設(shè)備進(jìn)行集成設(shè)計(jì)后，得到緩沖止蕩導(dǎo)引頭，具體如圖6所示。尺寸：0.8 m×0.94 m×1.61 m；重量：不超過450 kg。

圖6 緩沖止蕩導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 強(qiáng)度校核

為確保裝置具有4級(jí)海況條件下，能夠安全地完成對(duì)AUV布放回收操作，所以需要根據(jù)潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)規(guī)范的要求對(duì)裝置進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。計(jì)算總計(jì)分為兩個(gè)工況，第一個(gè)工況為轉(zhuǎn)接固定板起吊工況，第二個(gè)工況為導(dǎo)向缸筒承載工況，具體受力及邊界條件如圖7和圖8所示。

圖7 工況1靜強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力云圖

圖8 工況2靜強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力云圖

關(guān)鍵零件最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 關(guān)鍵零件靜強(qiáng)度計(jì)算表

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，2倍負(fù)載最小安全系數(shù)1.75，所有關(guān)鍵零件強(qiáng)度校核安全。

1.3 系統(tǒng)總裝與調(diào)試

將緩沖止蕩導(dǎo)引頭集成到改造后的Palfinger折臂吊上，為確保對(duì)AUV布放和回收的可靠性，需進(jìn)行總體技術(shù)調(diào)試，確保專用收放系統(tǒng)具備以下功能。

導(dǎo)向?qū)庸δ?，?dāng)AUV被凱夫拉絞車卷揚(yáng)起升時(shí)，會(huì)被動(dòng)導(dǎo)入緩沖止蕩導(dǎo)引頭的鞍型架內(nèi)，鞍型架的弧形管和架子根部安裝有緩沖橡膠，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV第一級(jí)的緩沖保護(hù)。垂向緩沖功能，當(dāng)AUV接觸到鞍型架底部橡膠時(shí)，觸發(fā)垂向緩沖液壓缸，此時(shí)垂向緩沖液壓缸會(huì)輸出一個(gè)恒定的垂向支撐力。隨著海浪的起伏，以及絞車的卷揚(yáng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的垂向保護(hù)，避免因?yàn)槔K索的彈性及海浪的起伏使AUV與鞍型架發(fā)生碰撞。搖擺止蕩功能，隨著吊機(jī)的外伸與擺動(dòng)，鞍型架應(yīng)盡可能保持鉛錘狀態(tài)，因此在緩沖止蕩導(dǎo)引頭上設(shè)置鉸鏈結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)引頭下端具有擺動(dòng)能力，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)收放過程中潛水器的防搖擺，安裝一對(duì)防搖擺止蕩液壓缸，實(shí)現(xiàn)擺蕩運(yùn)動(dòng)的抑制。

快速釋放功能，當(dāng)AUV隨著吊機(jī)外擺到指定入水點(diǎn)，需要緩沖止蕩導(dǎo)引頭具備與AUV快速分離的功能，快速分離的AUV將按照預(yù)編程的使命規(guī)劃完成水下探測任務(wù)。到達(dá)行程自動(dòng)反饋功能，當(dāng)凱夫拉絞車卷揚(yáng)AUV上升到指定行程時(shí)，緩沖止蕩導(dǎo)引頭應(yīng)具備到位反饋功能，及時(shí)觸發(fā)凱夫拉絞車的制動(dòng)功能。二級(jí)安全鎖緊與釋放功能，回收AUV時(shí)，當(dāng)AUV隨凱夫拉絞車卷揚(yáng)上升到安全鎖觸發(fā)位置時(shí)，被動(dòng)實(shí)現(xiàn)安全鎖與AUV起吊鉤的連接，增加AUV吊放過程中的安全性。

2 滑道式專用收放系統(tǒng)

針對(duì)回轉(zhuǎn)體型AUV的布放回收問題，滑道式專用收放系統(tǒng)有著十分突出的技術(shù)優(yōu)勢。系統(tǒng)主要包括集成式液壓站、底部支撐軌道、移動(dòng)式大支架、液壓絞車、艏捕捉小車、活動(dòng)梯、橫向限位抱緊機(jī)構(gòu)、主推三級(jí)液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、快速釋放液壓缸等組成。借助滑道式專用收放系統(tǒng)多個(gè)自由度動(dòng)作的有序組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的高自動(dòng)化、少人化、高效化的布放回收操作。

2.1 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)海上布放回收AUV的動(dòng)作需求，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，其具有的運(yùn)動(dòng)功能包括兩個(gè)直線行走運(yùn)動(dòng)（活動(dòng)梯、艏捕捉小車）、3個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（活動(dòng)梯、限位抱緊側(cè)臂、絞盤馬達(dá)）。其中活動(dòng)梯水平行走實(shí)現(xiàn)將AUV伸出、縮回船舷；艏捕捉小車沿活動(dòng)梯行走，保持與AUV艏部接觸相抵，限位和防止碰撞；利用擺動(dòng)液壓缸伸縮將活動(dòng)梯傾斜和收平，實(shí)現(xiàn)將活動(dòng)梯伸入水中和收回；利用橫向限位液壓缸伸縮將限位側(cè)臂夾緊和放松，用于對(duì)AUV進(jìn)行限位保護(hù)；絞盤馬達(dá)實(shí)現(xiàn)AUV在活動(dòng)梯上的起升和下降，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)見圖9所示。

圖9 滑道式布放回收系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡圖

2.1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖10所示為布放回收系統(tǒng)的液壓原理圖，主要分為3個(gè)部分，分別是液壓源、液壓閥組、液壓執(zhí)行器。其中液壓源部分包括變量液壓泵2、三相交流電機(jī)3、電磁溢流閥7、單向閥5、壓力表6、吸油過濾器1、壓油過濾器4、回油過濾器8、冷卻器9和10、加熱器11、溫度傳感器13、液位傳感器14、空氣過濾器15、液位指示器12。液壓閥組部分包括電磁閥16—20以及平衡閥21、22、24、25。液壓執(zhí)行器包括活動(dòng)梯擺動(dòng)液壓缸23、絞盤馬達(dá)26、限位側(cè)臂夾緊液壓缸27、活動(dòng)梯直線行走液壓缸28、艏捕捉小車液壓剎車29。

圖10 液壓系統(tǒng)原理

2.1.3 總體集成設(shè)計(jì)

將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行總體集成設(shè)計(jì)后，完成詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果，具體如圖11所示?？偝叽纾翰怀^7.15 m×1.5 m×1.85 m；重量：不超過6.5 t；干舷高適應(yīng)能力：不小于4.5 m。

圖11 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)三維圖

2.2 強(qiáng)度校核

經(jīng)過受力分析，滑道式專用收放裝置最危險(xiǎn)的工況為回收時(shí)活動(dòng)梯整體伸出，下擺至45°，此時(shí)AUV作為主要負(fù)載，在海浪和海風(fēng)的作用下，計(jì)算載荷為3 t（AUV自重的2倍），結(jié)構(gòu)簡化結(jié)果及載荷施加如圖12所示。

圖12 約束及載荷施加圖

各關(guān)鍵零部件最大等效應(yīng)力如表4所示。

表4 關(guān)鍵零件靜強(qiáng)度計(jì)算表

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果，2倍負(fù)載最小安全系數(shù)1.51，所有關(guān)鍵零件校核安全。

2.3 系統(tǒng)總裝與調(diào)試

將所有零部件進(jìn)行總體裝配后，為確保對(duì)AUV布放和回收的可靠性，需進(jìn)行總體技術(shù)調(diào)試，確保專用收放系統(tǒng)具備以下功能。

存放功能，滑道式布放回收裝置平時(shí)可作為AUV存放平臺(tái)，因此活動(dòng)梯強(qiáng)度應(yīng)足夠支撐AUV的重量，并具有緩沖減震功能；回收時(shí)，在絞盤的作用下能將AUV從水中拖上活動(dòng)梯，活動(dòng)梯上安裝滾動(dòng)包膠輪，避免拖拽AUV時(shí)發(fā)生硬摩擦損傷表面，還可兼具支撐和減震功能?；顒?dòng)梯水平行走功能，存放AUV時(shí)，活動(dòng)梯處于完全收回狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)行布放回收時(shí)，須將整個(gè)活動(dòng)梯伸出舷外，完成布放或回收后須將活動(dòng)梯收回原始狀態(tài)?；顒?dòng)梯傾斜和收平功能，布放時(shí)，滑道式布放回收系統(tǒng)通過行走機(jī)構(gòu)——主推三級(jí)液壓缸將活動(dòng)梯連同AUV伸出裝置外側(cè)，此時(shí)需要將活動(dòng)梯斜伸入水中?；厥諘r(shí)，當(dāng)AUV通過絞盤完全被拉上活動(dòng)梯后，需要將傾斜的活動(dòng)梯放平。該功能通過擺動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)。

絞盤功能，絞盤安裝于活動(dòng)梯一端，用于布放時(shí)張緊AUV，對(duì)其進(jìn)行固定。當(dāng)進(jìn)行回收時(shí)，能夠?qū)UV通過活動(dòng)梯拖上來。活動(dòng)梯對(duì)AUV橫向限位保護(hù)功能，當(dāng)活動(dòng)梯處于伸出狀態(tài)時(shí)，坐落在活動(dòng)梯上AUV受到艏部的張緊力和底部的支撐力，在風(fēng)浪的作用下，AUV存在滑出活動(dòng)梯的風(fēng)險(xiǎn)，因此需在活動(dòng)梯上增加橫向限位保護(hù)功能。艏捕捉小車對(duì)AUV的保護(hù)與捕捉功能，當(dāng)對(duì)AUV進(jìn)行布放時(shí)，艏捕捉小車作為快速釋放液壓缸的支撐部件，隨AUV一同沿滑道下滑，直至艏捕捉小車下滑到活動(dòng)梯底部時(shí)，操作快速釋放液壓缸完成對(duì)AUV的快速釋放。當(dāng)對(duì)AUV進(jìn)行回收時(shí)，艏捕捉小車作為對(duì)接捕捉與緩沖保護(hù)的部件，配合絞車實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的捕捉回收。

3 專用收放系統(tǒng)試驗(yàn)

吊放式專用收放系統(tǒng)，于2020年9月隨“大洋號(hào)”母船赴太平洋完成近海底專項(xiàng)航次調(diào)查期間，完成了海試驗(yàn)收并交付用戶。吊放式專用收放系統(tǒng)性能穩(wěn)定，表現(xiàn)優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)可借助3人完成對(duì)“潛龍四號(hào)”AUV的布放和回收操作，該系統(tǒng)的成功研制可為后續(xù)大洋科考節(jié)約寶貴船時(shí)，并減少航次保障隊(duì)伍的人員規(guī)模。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)AUV的自動(dòng)化、少人化和高效化運(yùn)維。

滑道式專用收放系統(tǒng)，于2019年11月在千島湖新安江試驗(yàn)場，完成了只依賴3人對(duì)AUV模擬器的布放和回收試驗(yàn)。順利完成了湖試驗(yàn)收大綱的所有驗(yàn)收項(xiàng)，全面驗(yàn)證了各項(xiàng)功能指標(biāo)，并擇機(jī)開展海上驗(yàn)收試驗(yàn)。

圖13 吊放式專用收放系統(tǒng)

圖14 滑道式專用收放系統(tǒng)

4 結(jié)論

針對(duì)潛龍AUV人力收放保障的現(xiàn)狀，開展兩型自動(dòng)化收放裝備的研制工作，目前兩型專用收放系統(tǒng)已經(jīng)完成研制，吊放式專用收放系統(tǒng)已經(jīng)完成交付并順利投入大洋科考應(yīng)用，滑道式布放回收系統(tǒng)已完成湖上試驗(yàn)。成功實(shí)現(xiàn)了只依賴3人可完成對(duì)AUV的收放工作，顯著提升外場保障工作的高效性、安全性與自動(dòng)化程度。

研究結(jié)論如下：（1）吊放式專用收放系統(tǒng)的順利驗(yàn)收與交付，全面的驗(yàn)證了側(cè)舷布放回收AUV的安全可行，表明潛龍AUV的人力收放時(shí)代已經(jīng)結(jié)束，為助力大洋科考與應(yīng)用，提供了新的輔助保障支撐裝備；（2）滑道式專用收放系統(tǒng)的成功研制，為回轉(zhuǎn)體型AUV的布放回收提供了新的解決思路，與吊放式專用收放系統(tǒng)形成互補(bǔ)的收放方案；（3）潛龍AUV自動(dòng)化專用收放體系初步形成，為高效化潛龍AUV運(yùn)維提供裝備支撐。