USSV 與AUV協(xié)同工作系統(tǒng)設(shè)計

劉 蔚，李壯壯，鄒 勁，談果戈，董 超，唐梓力

(1. 國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510300；2. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510300；3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519000；4. 哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；5. 珠海云洲智能科技有限公司，廣東 珠海 519099)

0 引 言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）具有機(jī)動性好、安全、智能化、噪聲小等優(yōu)點，成為實施各種水下任務(wù)的重要工具[1-2]。但AUV往往針對單一的水下區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，受到水下通信和定位的制約，作業(yè)范圍和效果受限且信息獲取類型少。針對該問題，國內(nèi)外研究學(xué)者提出的跨域無人裝備協(xié)同作業(yè)模式，成為了當(dāng)今無人海洋裝備研究的熱點[3]。

近些年來，國內(nèi)外有關(guān)跨域無人裝備協(xié)同作業(yè)模式的研究中大都采用無人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）輔助下的AUV作業(yè)[4-5]、USV輔助下的無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作業(yè)[6]和多AUV協(xié)同作業(yè)[7-8]3種模式。USV輔助作業(yè)模式解決了AUV/UUV在水下工作時通信、定位困難問題，但USV的隱蔽性較差且受波浪的影響較大，致使這種模式很難在未知水域中展開；多AUV協(xié)同模式雖然利用水下空間位置差異實現(xiàn)了AUV之間的協(xié)同導(dǎo)航[8]，但在工作時無法實現(xiàn)實時操控、通信，存在環(huán)境適應(yīng)能力較差、回收困難等問題。

1 設(shè)計概況

針對現(xiàn)存的跨域無人裝備協(xié)同作業(yè)模式存在的問題，設(shè)計以AUV為核心、USSV為信號中繼站的協(xié)同工作系統(tǒng)，系統(tǒng)由USSV、AUV、基站和遠(yuǎn)程控制端構(gòu)成，執(zhí)行的工作模式如下：

1）基站在收到遠(yuǎn)程控制端發(fā)送的任務(wù)信息后，由搭載的有人駕駛船舶從港口駛向與目標(biāo)水域一定距離的安全區(qū)域并投放USSV和AUV（見圖1），其在借助搭載的設(shè)備對基站附近水域進(jìn)行水面和近水面?zhèn)刹旌涂睖y的同時，對AUV在某些需要人員介入的作業(yè)過程提供航行控制。

圖1 協(xié)同工作方式Fig. 1 Cooperative working method

2）在遠(yuǎn)程控制端下達(dá)任務(wù)指令后，基站搭載的人員根據(jù)區(qū)域環(huán)境建立任務(wù)環(huán)境態(tài)勢圖；AUV離開基站執(zhí)行任務(wù)時，通過USSV接收來自基站傳遞的指令，于近水面附近駛向目標(biāo)水域，同時，USSV與其伴隨航行，在到達(dá)目標(biāo)水域外圍后，AUV進(jìn)行下潛作業(yè)，USSV保持靜浮。

3）任務(wù)結(jié)束后，AUV就地上浮或駛離目標(biāo)水域后上浮，通過USSV向基站發(fā)送定位、運動、環(huán)境勘測等工作信息，基站根據(jù)AUV的定位位置進(jìn)行運動控制并將其回收。

同時，在到達(dá)目標(biāo)水域后，系統(tǒng)中基站、USSV和AUV之間由于通信限制，需要保證USSV在基站無線電信號的最大通信范圍內(nèi)、AUV在USSV的聲吶最大通信范圍內(nèi)[10]。

2 遠(yuǎn)程控制端-基站- USSV-AUV通信、控制、定位系統(tǒng)設(shè)計

2.1 通信系統(tǒng)

海上通信方式，按照傳輸媒質(zhì)的不同可以分為無線電和有線電通信；按照工作頻率的不同可以分為長波、短波、超短波、微波通信等[9]。協(xié)同工作系統(tǒng)將通信聯(lián)系劃分為3個部分：遠(yuǎn)程控制端-基站通信、基站-USSV通信和USSV-AUV通信，各部分通信方式的選擇如表1所示。

表1 通信方式的選擇Tab. 1 Choice of communication method

遠(yuǎn)程控制端-基站通信采用衛(wèi)星通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制端和基站在海上遠(yuǎn)距離通信并可以保證通信質(zhì)量。基站和USSV采用的無線電短波通信方式，可較好地支持?jǐn)?shù)據(jù)話音、傳真、靜態(tài)圖像和計算機(jī)數(shù)據(jù)保密通信業(yè)務(wù)[9]，且經(jīng)濟(jì)有效。USSV和AUV在水下環(huán)境采用聲吶通信方式。

2.2 控制系統(tǒng)

AUV和USSV在控制系統(tǒng)的選擇上保持一致。以USSV為例（見圖2），USSV的首部安裝側(cè)推、尾部安裝垂推，為無人艇提供轉(zhuǎn)向動力和垂直動力；兩側(cè)加裝減搖鰭，減輕無人艇在遭遇浪、流時發(fā)生的橫搖運動。針對無人艇可能遭遇的縱傾變化，使用絲杠機(jī)構(gòu)改變重心位置來進(jìn)行調(diào)整。絲杠機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小且調(diào)節(jié)過程呈線性，對小型無人艇的隱蔽性和搭載設(shè)備的穩(wěn)定工作有利。側(cè)推、垂推、減搖鰭和絲杠分別由相應(yīng)的反饋控制單元進(jìn)行控制。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Control system diagram

無人艇進(jìn)行調(diào)整縱傾時，控制絲杠使得滑臺移動，以無人艇抬首時滑臺前移距離a為例，無人艇的重心前移，產(chǎn)生垂直于無人艇方向的合力F1，與尾部動力推進(jìn)力F形成力矩減小縱傾。當(dāng)無人艇需要轉(zhuǎn)向時，以無人艇左轉(zhuǎn)向為例，啟動側(cè)推產(chǎn)生垂直于艇體方向的力F2，與尾部動力推進(jìn)力F形成力矩控制轉(zhuǎn)向。滑臺的移動距離和方向、側(cè)推的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向分別與縱傾角、轉(zhuǎn)向角相關(guān)。

2.3 USSV-AUV定位設(shè)計

USSV-AUV定位包括水面定位和水下定位，水面定位采用衛(wèi)星定位獲取水面二維位置信息，衛(wèi)星定位模塊分別安裝在USSV的上層結(jié)構(gòu)和AUV的主艙；水下定位利用定位聲吶、水聽器、羅經(jīng)和壓力傳感器等設(shè)備獲取AUV在水下的三維位置信息，區(qū)別于傳統(tǒng)的超短基線水下定位系統(tǒng)將聲信標(biāo)安裝在定位目標(biāo)上向水面船只發(fā)送聲波信號的方法，協(xié)同工作系統(tǒng)將定位聲吶安裝在USSV艇體底部、水聽器安裝在AUV（定位目標(biāo)），以期減輕系統(tǒng)中存在多個AUV定位的數(shù)據(jù)處理繁雜問題并降低多個定位聲吶造成的成本激增。水面、水下定位原理如圖3所示。

圖3 協(xié)同定位原理Fig. 3 Co-location principle

AUV在t0時刻入水，記此時USSV的衛(wèi)星定位信號坐標(biāo)（X0,Y0,Z0）、羅經(jīng)讀取AUV運動方向與坐標(biāo)軸X的角度θ。USSV搭載的定位聲吶與AUV上的水聽器測算時刻t時兩者的距離L；USV上的壓力傳感器讀出水壓P，則AUV所在深度為：

式中：ρ為水的密度；g為重力加速度。USSV和AUV在水平面x，y方向上的距離分別為：

AUV搭載的羅經(jīng)測算t0時刻其在x，y，z方向的加速度分別為，則其在單位時間不同方向航行的距離分別為：

則AUV在航行單位時間后的位置坐標(biāo)可以記為（X0+Lx+x0，Y0+Ly+y0，Z0+h+z0）,據(jù)此測算任意單位時間后AUV在水下的位置信息。

3 協(xié)同工作系統(tǒng)的總布置和電路系統(tǒng)設(shè)計

3.1 協(xié)同工作系統(tǒng)的總布置

USSV包括5個部分：首艙、側(cè)推艙、主艙、尾艙和上層結(jié)構(gòu)，總布置如圖4(a)所示。首艙安裝成像聲吶，布置在艇體水下部分，用于對USSV附近水域的近水面環(huán)境探測；側(cè)推艙為USSV提供徑向推力；主艙包括絲杠、羅經(jīng)、GPS、通信聲吶和定位聲吶，為USSV提供姿態(tài)信息并進(jìn)行縱傾控制的同時，實現(xiàn)對AUV的通信和定位；尾艙提供航行推動力，控制航速；上層結(jié)構(gòu)包括攝像頭、激光雷達(dá)和天線，用于探測水面環(huán)境信息并與基站通信。

圖4 無人艇的總布置Fig. 4 General arrangement of unmanned boat

AUV包括4個部分：首艙、垂推艙、主艙和尾艙，總布置如圖4(b)所示。主艙上方安裝壓力傳感器、水聽器和通信聲吶，在AUV下潛后，獲得水下壓力信息，同時與USSV進(jìn)行水下通信并完成輔助定位；其他艙室的布置與USSV相同。

基站由一艘具備遠(yuǎn)距離輸送及長距離通信能力的船舶承擔(dān)，它的構(gòu)成包括：無人艇儲放裝置、通信設(shè)備、信息存儲模塊、遙控和顯示組件等。無人艇儲放裝置用于基站攜帶、釋放、回收無人艇。通信設(shè)備分別建立與遠(yuǎn)程控制端和USSV的通信聯(lián)系。在海上通信中斷的情況下，信息在存儲模塊中臨時存儲，作為搭載人員對無人艇信息處理的依據(jù)。

遠(yuǎn)程控制端作為協(xié)同工作系統(tǒng)的中樞，兼具任務(wù)規(guī)劃、指令下達(dá)和對外通信功能，設(shè)有港口、工作間等配套設(shè)施。工作間保障遠(yuǎn)程控制端與基站之間信息進(jìn)行雙向傳遞，接收來自基站包括無人艇的運動路徑、水面水下環(huán)境圖像、基站對無人艇的操縱信息等各類信息，并向外發(fā)送任務(wù)指令。港口負(fù)責(zé)基站和無人艇的臨時?？?、日常維護(hù)等。

3.2 電路系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合USSV和AUV的工作需要和所處的空間環(huán)境，分別對其電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，如圖5和圖6所示。

4 協(xié)同定位仿真實驗

利用Matlab軟件對USSV和AUV的協(xié)同運動進(jìn)行仿真，并驗證AUV水下定位的精度。給定USSV和AUV的規(guī)劃路徑，對AUV從USSV釋放后下潛進(jìn)行作業(yè)且USSV伴隨AUV航行這一過程進(jìn)行模擬。為了對定位算法進(jìn)行驗證，給定AUV在75 s內(nèi)的角速度和加速度信息，用以模擬AUV的光纖羅經(jīng)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)模塊的信號輸出，計算對應(yīng)時刻AUV在水下的三維位置信息，并與相應(yīng)運動信息下的設(shè)定路徑進(jìn)行對比，驗證定位精度。仿真中AUV的設(shè)定運動情況如表2所示。

假設(shè)AUV從USSV釋放后的初始位置坐標(biāo)為（0，0），所處水下位置的壓力為2 940 Pa（按式（1）計算所得深度H=3 m）。之后AUV沿規(guī)劃路徑航行，通過角速度和加速度信息對自身航位進(jìn)行計算。假設(shè)光纖羅經(jīng)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)模塊的信號采樣周期為0.1 s，根據(jù)上述信息通過仿真獲得AUV的運動軌跡如圖7（a）所示。為了驗證水下定位精度，將不同測量點下AUV仿真軌跡與其規(guī)劃路徑進(jìn)行對比，所得二者之間的偏移量如圖7（b）所示。

圖5 USSV的電路布置Fig. 5 Circuit layout of USSV

從仿真結(jié)果來看，在AUV執(zhí)行任務(wù)的過程中，USSV根據(jù)通信聲吶獲得的AUV水下位置信息對自身的航速和航向進(jìn)行反饋控制，使得USSV可以伴隨AUV航行，二者之間的距離一直保持在通信范圍以內(nèi)，則USSV可以實現(xiàn)對AUV的通信中繼。同時，在AUV運動的75 s時間內(nèi)，根據(jù)水下定位方法利用光纖羅經(jīng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)模塊對AUV的水下位置進(jìn)行計算得到的結(jié)果與其規(guī)劃路徑之間的最大偏移量沒有超過4 m，定位精度比較可靠。但從圖7（b）中可以看出，利用光纖羅經(jīng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對AUV的水下位置進(jìn)行推算的誤差隨時間累積這一弊端仍然存在，因此為了滿足AUV水下定位的精度要求，需要其在規(guī)定時間內(nèi)上浮到海面上使用GPS進(jìn)行定位校正。

圖6 AUV的電路布置Fig. 6 Circuit layout of AUV

表2 無人艇的運動信息Tab. 2 Movement information of unmanned boat

圖7 仿真結(jié)果Fig. 7 Simulation results

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5 結(jié) 語

傳統(tǒng)的幾種AUV跨域無人裝備協(xié)同作業(yè)模式存在系統(tǒng)隱蔽性和實時性較差、受海上風(fēng)浪影響較大等問題，導(dǎo)致AUV的工作范圍和工作環(huán)境受限。針對上述問題，本文提出了USSV與AUV協(xié)同工作系統(tǒng)。協(xié)同工作系統(tǒng)利用USSV作為信號中繼站，配合基站對AUV進(jìn)行協(xié)同位置定位、運動控制并實施與遠(yuǎn)程控制端的多級通信，在保證無人艇基本運動指標(biāo)的前提下，提升了系統(tǒng)的隱蔽性和工作的穩(wěn)定性，進(jìn)而擴(kuò)大AUV的環(huán)境適應(yīng)力。提出的基于USSV運動軌跡信息的AUV水下定位方法，偏移誤差在75 s內(nèi)呈增大趨勢，但在設(shè)定時間內(nèi)的最大偏移量不超過4 m，有一定的實際應(yīng)用價值。提出的協(xié)同工作模式對于開展離岸偵察、海洋資源開發(fā)具有重要意義。