基于無人艇平臺(tái)的AUV 回收技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

洪 瓊 ,蒲進(jìn)菁 ,周 立 ,曹澤強(qiáng) ,劉 涵

(1.江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 連云港,222002;2.北京星天科技有限公司,北京,100102;3.江蘇省礦業(yè)工程集團(tuán)有限公司,江蘇 徐州,221000;4.珠海云洲智能科技有限公司,廣東 珠海,519000)

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來,世界各國(guó)逐漸將開發(fā)和利用海洋的著力點(diǎn)放在提高海洋資源的開發(fā)效能上,同時(shí)海洋調(diào)測(cè)任務(wù)也進(jìn)一步向深海遠(yuǎn)洋延伸。面向深水作業(yè)環(huán)境,自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)由于具有更強(qiáng)的靈活性和任務(wù)適應(yīng)性,在大范圍的近底探測(cè)、水下抵近觀察等任務(wù)中應(yīng)用更為廣泛。但是,由于AUV 沒有類似于遙控潛水器 (remote operated vehicle,ROV)臍帶纜、深拖系統(tǒng)拖曳鎧裝纜一類的牽引供能以及數(shù)據(jù)傳輸裝置,且當(dāng)前電池技術(shù)和水下通信技術(shù)發(fā)展也未有較大突破,其自身所攜帶能源無法維持長(zhǎng)時(shí)間作業(yè),同時(shí)所采集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)回傳,這使得其作業(yè)時(shí)間與范圍都在一定程度上受到限制,需要周期性回收來進(jìn)行能源補(bǔ)充、數(shù)據(jù)交換、設(shè)備檢修等一系列保障工作。

傳統(tǒng)AUV 回收作業(yè)往往難度較高,且施工風(fēng)險(xiǎn)較大。對(duì)于近岸淺水或觀察級(jí)任務(wù)的小型AUV,由于其體積小、質(zhì)量輕,通?？刹捎眯⌒凸ぷ魍斯ご驌频姆绞竭M(jìn)行回收,如圖1 所示。深水環(huán)境使用的大型AUV,其回收則主要通過自動(dòng)拋出牽引纜,施工船打撈牽引纜后使用浮籠、兜網(wǎng)、滑軌等裝置及配套起吊裝置組成的布放回收系統(tǒng)(launch and recovery system,LARS)進(jìn)行打撈回收,如圖2 所示。

圖1 小型AUV 人工回收Fig.1 Manual recovery of small AUV

圖2 大型AUV 兜網(wǎng)回收Fig.2 Net recovery of large AUV

目前AUV 的回收依舊是困擾施工方的一個(gè)難點(diǎn),也成為限制其使用的一個(gè)重要因素。原因在于: 首先,由于海上工況變化莫測(cè),一旦回收時(shí)間窗口遭遇海況惡化,整個(gè)打撈過程的難度和風(fēng)險(xiǎn)必然驟增,極易發(fā)生捕獲失敗、無法接近甚至AUV 碰撞損毀等情況,使人員和裝備涉險(xiǎn);其次,執(zhí)行大型AUV 回收任務(wù)的支持、保障船舶往往需要特殊設(shè)計(jì),如低干舷、必備多普勒超聲波流量計(jì)和主動(dòng)姿態(tài)補(bǔ)償?shù)腖ARS 等,此類船舶普遍造價(jià)昂貴且運(yùn)行費(fèi)用高昂;再次,AUV 完成水下任務(wù)后通常自持力已接近極限,出水后需要立即回收,否則存在丟失風(fēng)險(xiǎn),這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的業(yè)務(wù)能力提出了極高的要求,需要長(zhǎng)期實(shí)施此類任務(wù)且具有豐富經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)班組及指揮人員[1-2]。

隨著無人技術(shù)的發(fā)展,繼無人機(jī)、無人車和無人水下航行器(unmanned undersea vehicle，UUV)之后,無人水面平臺(tái)即無人艇(unmanned surface vessel,USV)技術(shù)也日趨成熟。由USV 搭載AUV 進(jìn)行海洋調(diào)查作業(yè),結(jié)合USV 機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、長(zhǎng)續(xù)航和通信實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)AUV 的短板,可實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)化海洋信息采集,在降低施工成本的同時(shí),極大地提高了作業(yè)效率和海上作業(yè)的安全性[3-5]。

文中搜集整理適用于USV 的AUV 收放技術(shù),并對(duì)基于USV 的AUV 自主回收技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1 AUV 回收技術(shù)發(fā)展概況

近年來,國(guó)內(nèi)外研究者在實(shí)踐過程中設(shè)計(jì)了多種AUV 回收方案?，F(xiàn)有AUV 回收方案可分類為水面回收式、水中拖曳式以及回收座底式3 種,具體如圖3 所示。

代表性的AUV 回收方式主要有以下幾種: 美國(guó)seahorse AUV 及哈爾濱工程大學(xué)“悟空”號(hào)AUV 采用的是水面起吊式回收作業(yè)模式[6-7],該類作業(yè)方式較為傳統(tǒng),自動(dòng)化程度低,需要對(duì)綜合調(diào)查船艉門架結(jié)構(gòu)加改裝起吊機(jī)并配合人工牽引,但單靠加改裝起吊裝置難以在USV 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)AUV 的布放回收工作;美國(guó)LMRS AUV 對(duì)接系統(tǒng)采用潛艇伸出機(jī)械臂捕獲AUV 牽引至魚雷發(fā)射管的方式進(jìn)行回收,該方案回收過程復(fù)雜,對(duì)機(jī)械控制以及導(dǎo)航精度要求極高,常規(guī)水面平臺(tái)受海況影響難以實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV 的捕獲[8];美國(guó)Wood Hole 海洋研究所和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制的Odyssey II B AUV 回收對(duì)接系統(tǒng),采用桿狀結(jié)構(gòu)引導(dǎo)對(duì)接進(jìn)行回收,該方案依靠復(fù)雜的緊鎖裝置來提高AUV 回收對(duì)接的成功率以及定位容錯(cuò)率,但需要對(duì)AUV 本體進(jìn)行改造,增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu),對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較高要求,若對(duì)接結(jié)構(gòu)形變斷裂,AUV 則無法對(duì)接回收甚至導(dǎo)致遺失[9];日本川崎重工研發(fā)的Marine-bird AUV 回收對(duì)接方案,采用水下馱帶式回收方案,其原理類似于飛機(jī)于航母甲板著陸,通過AUV 降至水下對(duì)接平臺(tái),依靠底部捕獲裝置抓取平臺(tái)上阻攔索,并鎖緊完成回收,該方案適用于執(zhí)行對(duì)隱蔽性要求高的調(diào)測(cè)任務(wù)[10];中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)的“探索者”號(hào)水下對(duì)接系統(tǒng),采用籠式對(duì)接方案,該方案為AUV 提供籠式收納裝置,其對(duì)接過程依賴人工根據(jù)實(shí)時(shí)水下圖像信息操控AUV 返回回收裝置,是當(dāng)前AUV回收技術(shù)的主流回收方案,擁有自動(dòng)化程度高、對(duì)接容錯(cuò)率高的特點(diǎn)[11]。

綜上所述,針對(duì)AUV 回收技術(shù)的發(fā)展始終圍繞著降低海面強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境干擾,降低對(duì)支持、保障船舶等硬件條件的要求,以及降低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員能力的要求3 個(gè)方面展開,其各自特點(diǎn)可為USV平臺(tái)的AUV 回收技術(shù)發(fā)展提供參考。

2 USV 平臺(tái)的AUV 自主回收方式

近年來,使用USV 作為AUV 作業(yè)支持保障平臺(tái),成為AUV 布放、回收技術(shù)研究和發(fā)展的趨勢(shì)。針對(duì)不同類型作業(yè)場(chǎng)景特點(diǎn)的需要,文中總結(jié)了包括水面滑軌式、水面艙塢式和水下塢站式3 類典型的適用于USV 平臺(tái)的AUV 回收方案,并從平臺(tái)組成、宏觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作流程等方面論述每種方案技術(shù)特征[12]。

2.1 水面滑軌式

由傳統(tǒng)起吊系統(tǒng)改進(jìn)的滑軌式LARS,專門針對(duì)大型魚雷型AUV 布放、回收任務(wù)設(shè)計(jì),主要由帶有主動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能的起吊裝置、收納機(jī)構(gòu)、止蕩器和滑軌組成,其中起吊裝置的吊點(diǎn)、拖曳點(diǎn)與AUV 收放滑軌以及止蕩器接駁,回收作業(yè)時(shí)吊點(diǎn)可下探至接近水面的位置,然后下放滑軌收納機(jī)構(gòu),操作員控制起吊點(diǎn)鉤索與AUV 頭部對(duì)接裝置對(duì)接,并控制AUV 在一定范圍內(nèi)保持其水平、垂向位置不變,待操作員遙控AUV 與滑軌接駁后,通過控制起吊伺服電機(jī)將AUV 拖入滑軌,再將滑軌上AUV 鎖緊,通過變幅機(jī)構(gòu)升起滑軌至舷內(nèi),完成回收[13]。

USV 具備干舷低、機(jī)動(dòng)性好的優(yōu)勢(shì),可較好地控制其與AUV 的相對(duì)位置,減少AUV 與回收機(jī)構(gòu)碰撞等問題,大幅度簡(jiǎn)化LARS 的復(fù)雜性。但由于USV 航程有限、耐波性欠佳、缺乏大型支持母船的保障條件,以及AUV 在回收后存在充電、維護(hù)困難等問題,因此這種方案在高海況時(shí)的作業(yè)能力以及維護(hù)充電方面受到一定限制[14-15]。該方案較為代表性的回收案例如挪威康世伯(Kongsberg)公司與挪威國(guó)防研究局(Forsvarets forskningsinstitutt,FFI)聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的基于傳統(tǒng)起吊回收改造的自主滑軌式LARS,使用11.5 m 充氣剛性巡邏艇改造的USV 作為回收平臺(tái),對(duì)長(zhǎng)5.5 m、重780 kg的高性能Hugin AUV 實(shí)施回收[16](見圖4)。

圖4 無人艇搭載Hugin AUVFig.4 The USV carring Hugin AUV

2.2 水面艙塢式

水面艙塢式回收系統(tǒng)在保障USV 水面結(jié)構(gòu)體上增加水面回收船塢，為AUV 提供一個(gè)安全穩(wěn)定的回收對(duì)接、存儲(chǔ)清潔和信息交換的保障空間。該方案主要解決AUV 及其配套LARS 在支持母船上無法靈活轉(zhuǎn)運(yùn)、布置和使用的問題,USV 尾部回收艙塢為其儲(chǔ)運(yùn)、維護(hù)提供一個(gè)半封閉性的存儲(chǔ)空間,使用時(shí)打開艙塢閉鎖結(jié)構(gòu),通過配套LARS實(shí)現(xiàn)AUV 作業(yè)過程的布放和回收。

該方案對(duì)支持母船的適應(yīng)性較強(qiáng),系統(tǒng)進(jìn)場(chǎng)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)的加改裝成本、難度也較低,但受到水面艙塢尺寸的限制,LARS 通常無法在較高海況下使用。針對(duì)大尺寸AUV 回收,USV 船體艙塢設(shè)計(jì)成本和運(yùn)輸成本也相對(duì)較高。該方案回收案例中具有代表性的如荷蘭輝固(Fugro)公司與無人駕駛和自主船舶技術(shù)公司Sea-Kit 合作推進(jìn)的L3-ASV 項(xiàng)目,在“Maxlimer”號(hào)USV 艉部設(shè)計(jì)了一個(gè)類似于滑軌式濕式艙塢的結(jié)構(gòu)區(qū)域,供大型AUV 存放、運(yùn)輸、布放和回收[17],如圖5 所示。

圖5 “Maxlimer”號(hào)艉部收納、布放、回收AUV 的艙塢Fig.5 Stern dock of Maxlimer for receiving,deployment and recovering an AUV

2.3 水下塢站式

水下塢站式AUV 回收方案,通過在USV 艉部安裝拖曳纜連接水下回收籠并配套LARS 實(shí)現(xiàn)AUV 回收對(duì)接。該方案能夠有效減弱海面的強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境對(duì)AUV 和收納裝置相對(duì)位置、姿態(tài)的影響,降低AUV 與回收裝置對(duì)接的末端引導(dǎo)要求[18]。

由于對(duì)接全程均在水下完成,受海面海況干擾力小,主要受到對(duì)接深度海流影響,提升了高海況條件下AUV 回收作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性,且模塊化的回收裝置設(shè)計(jì)便于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)輸和針對(duì)不同類型AUV 的布放和回收,配合USV 進(jìn)行遠(yuǎn)距離AUV 布放回收作業(yè),提高了作業(yè)的隱蔽性、適應(yīng)性和機(jī)動(dòng)性，同時(shí)降低了系統(tǒng)運(yùn)輸、布放、回收和監(jiān)控成本,但對(duì)支持母船及配套硬件保障要求較高,例如甲板機(jī)械的能力、水下定位精度、水下收納的設(shè)計(jì)和維護(hù)等。其中比較具有代表性的案例如挪威康士伯(Kongsberg)公司為REMUS 100 AUVV 設(shè)計(jì)開發(fā)的水下拖曳式塢站回收方案[19-20],塢站由鎧裝纜拖曳的沉降器、敞口式引導(dǎo)結(jié)構(gòu)、收納桶等部分組成，通過支持母船上的超短基線為塢站和AUV 提供精確定位,在支持母船與AUV 同步同向航行的過程中下放塢站至一定深度,然后利用水下聲學(xué)、光學(xué)信號(hào)導(dǎo)航引導(dǎo)AUV 駛?cè)雺]站并鎖閉,最后將整體起吊完成回收[21],如圖6 所示。

圖6 水下拖曳式塢站回收大型AUV 示意圖Fig.6 schematic diagram of underwater towed docking station recovery a large AUV

表1 為主要AUV 自主回收方式比較。

表1 AUV 自主回收方式比較Table 1 Comparison of AUV automatic recovery modes

3 USV 平臺(tái)AUV 自主回收的關(guān)鍵技術(shù)

基于USV 平臺(tái)的AUV 回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì),所面臨的主要問題是如何在水面/水下復(fù)雜海洋環(huán)境的干擾下,保證船體和回收機(jī)構(gòu)穩(wěn)定,同時(shí)快速精準(zhǔn)地完成對(duì)AUV 的捕獲、接駁和回收工作。其研究的關(guān)鍵主要集中在USV 集成LARS 設(shè)計(jì)、AUV自主引導(dǎo)捕獲裝置設(shè)計(jì)以及跨介質(zhì)協(xié)同控制設(shè)計(jì)3 個(gè)方面。

3.1 USV 集成LARS 設(shè)計(jì)

USV 集成LARS 設(shè)計(jì)主要集中在軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 部分。其軟件系統(tǒng)主要包括定位導(dǎo)航系統(tǒng)、外部環(huán)境和平臺(tái)狀態(tài)感知系統(tǒng),為USV 運(yùn)動(dòng)決策與控制、自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供必要的數(shù)據(jù)源及硬件、接口支持。實(shí)際作業(yè)過程中，感知系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)采集與分析USV 內(nèi)外環(huán)境信息，并輸出至控制系統(tǒng)中的核心控制算法，實(shí)現(xiàn)USV 自主駕駛以及AUV 部署回收過程中可控回收結(jié)構(gòu)間的精準(zhǔn)控制。通信系統(tǒng)為控制端通信設(shè)備和執(zhí)行端通信設(shè)備搭建必要數(shù)據(jù)鏈路。交互系統(tǒng)為操作人員提供平臺(tái)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控,操控平臺(tái)可視化操作界面。硬件系統(tǒng)主要包括船體設(shè)計(jì)與布置、回收裝置設(shè)計(jì)與布置、材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及平臺(tái)機(jī)械的設(shè)計(jì)安裝,為整個(gè)回收平臺(tái)系統(tǒng)提供浮力、動(dòng)力、布置空間、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及必要的防護(hù)條件[22]。

面向AUV 回收的USV 設(shè)計(jì),既要應(yīng)對(duì)變化莫測(cè)的海況,在強(qiáng)擾動(dòng)海面環(huán)境下保持穩(wěn)定,同時(shí)自身硬件結(jié)構(gòu)需滿足支撐AUV 安全回收的剛性條件。目前比較好的USV 平臺(tái)設(shè)計(jì)如美國(guó)佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)在對(duì)REMUS 100 AUV 進(jìn)行遠(yuǎn)距離AUV 自主布放回收實(shí)驗(yàn)時(shí)所采用的一款Marine Advanced Research Inc 公司開發(fā)的波浪自適應(yīng)模塊化雙體USV“WAM-V14”[23]。WAM-V14 相比傳統(tǒng)USV 具有更好的耐波性,由左右2 個(gè)充氣浮筒支撐,每個(gè)浮筒使用獨(dú)立懸掛系統(tǒng)與中心有效載荷托盤連接,懸掛系統(tǒng)使用彈簧、減震器和球形接頭進(jìn)行配置,以便半船體在一定程度上能夠獨(dú)立通過波場(chǎng)移動(dòng)。該USV 由電動(dòng)馬達(dá)提供動(dòng)力,配合2 個(gè)噴水推進(jìn)器推進(jìn),最大速度可達(dá)7 kn。同時(shí)佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)Dania Beach 為其開發(fā)了自動(dòng)制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng),并已經(jīng)部署在12 ft、14 ft 和16 ft 尺寸的雙體船體版本上,以便它們作為自動(dòng)USV 執(zhí)行預(yù)先編程的任務(wù)[24]。WAM-V14平臺(tái)如圖7 所示。

圖7 WAM-V14 無人水面平臺(tái)Fig.7 WAM-V14 unmanned surface platform

目前USV 集成回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍面臨眾多挑戰(zhàn)：當(dāng)前設(shè)計(jì)還無法適應(yīng)高海況條件下大型AUV的布放回收工作；還需要進(jìn)一步研究保障船體結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)來降低復(fù)雜海洋環(huán)境的影響,同時(shí)還要結(jié)合AUV 應(yīng)用場(chǎng)景、攜帶傳感器數(shù)量種類的不同,以及其自身尺寸形狀設(shè)計(jì)的多樣性,設(shè)計(jì)具有普遍適用性的USV 回收保障平臺(tái),在回收過程中既能保持船體的穩(wěn)定,又能保障AUV 的安全。

3.2 AUV 引導(dǎo)捕獲裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)USV 平臺(tái)的AUV 回收輔助引導(dǎo)、捕獲裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于確保AUV 在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境下安全自主地完成回收對(duì)接。傳統(tǒng)對(duì)接捕獲方案多依靠AUV 導(dǎo)引裝置與回收裝置咬合對(duì)接,諸如掛鉤、阻攔索、引導(dǎo)桿等導(dǎo)引結(jié)構(gòu),配合遙控拋纜、機(jī)械式自動(dòng)咬合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)AUV 回收引導(dǎo)工作[25]。該類型方案對(duì)接過程繁瑣,受海洋環(huán)境影響較大,對(duì)接效率低。

當(dāng)前主流的AUV 引導(dǎo)捕獲裝置設(shè)計(jì)常采用類似喇叭口式的錐形導(dǎo)向罩的回收籠設(shè)計(jì),該方案無需對(duì)AUV 本身進(jìn)行改動(dòng),回收容錯(cuò)率高,安全自主化易實(shí)現(xiàn)。其中具有代表性的案例如Woods Hole 海洋研究所研制的REMUS AUV 回收系統(tǒng)[26-28]、通用動(dòng)力任務(wù)系統(tǒng)公司開發(fā)的Bluefin AUV 回收系統(tǒng)(見圖8)[29]、哈爾濱工程大學(xué)和中國(guó)船舶科學(xué)研究中心研制的AUV 回收系統(tǒng)[30],以及浙江大學(xué)“海豚二號(hào)”AUV 回收系統(tǒng)等[31]。

圖8 錐形導(dǎo)向罩回收籠Fig.8 Recovery cage with tapered guide housing

水下對(duì)接環(huán)境易受海流影響,回收裝置與AUV難以保持相對(duì)穩(wěn)定,對(duì)接自由度受限,回收裝置設(shè)計(jì)應(yīng)考慮海洋水動(dòng)力影響,避免AUV 與回收裝置發(fā)生碰撞,對(duì)接結(jié)構(gòu)還應(yīng)盡量簡(jiǎn)化以提高對(duì)接容錯(cuò)率。提高水下對(duì)接及回收過程的穩(wěn)定性和安全性仍是未來AUV 回收技術(shù)研究的關(guān)鍵所在。

3.3 跨介質(zhì)協(xié)同控制技術(shù)

目前AUV 回收過程中的導(dǎo)航控制方案主要包含衛(wèi)星定位導(dǎo)航、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航、多普勒計(jì)程儀導(dǎo)航、水聲定位導(dǎo)航以及光學(xué)導(dǎo)航等手段。USV平臺(tái)AUV 自主回收過程可劃分為AUV 返航深水導(dǎo)航、AUV 抵近母船淺水導(dǎo)航以及AUV 引導(dǎo)接駁高精度導(dǎo)航3 個(gè)階段。不同階段下AUV 所處介質(zhì)條件不同,需要采用不同的導(dǎo)航控制手段。當(dāng)AUV 處于返航深水導(dǎo)航階段時(shí)，常采用聲學(xué)定位導(dǎo)航引導(dǎo)AUV 抵近母船,至淺海區(qū)域時(shí)切換至衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航組合導(dǎo)航引導(dǎo)AUV 靠近回收裝置,后通過其他高精度導(dǎo)航手段引導(dǎo)AUV 進(jìn)入回收裝置[32]。

早期美國(guó)海軍海洋監(jiān)視中心和蒙特瑞海灣水族館研究所曾分別對(duì)Odyssey IIB AUV 進(jìn)行基于前期聲學(xué)制導(dǎo)結(jié)合光學(xué)攝像終端制導(dǎo)和電磁導(dǎo)航終端制導(dǎo)的回收實(shí)驗(yàn)[33]。韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院對(duì)ISiMI AUV 進(jìn)行了主動(dòng)聲學(xué)定位結(jié)合視覺導(dǎo)航對(duì)接的方案評(píng)估,在由主動(dòng)聲學(xué)定位引導(dǎo)AUV靠近回收裝置后，通過識(shí)別安裝在回收裝置附近的LED 圖案引導(dǎo)AUV 歸巢[34-35]。赫羅納大學(xué)研究項(xiàng)目LOON-DOCK 針對(duì)Sparus II AUV 開發(fā)了一種基于聲學(xué)距離測(cè)量結(jié)合視覺信標(biāo)檢測(cè)的2 級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)[36],依靠聲學(xué)距離定位傳感器估計(jì)回收裝置位置,并引導(dǎo)AUV 沿著可觀察航跡靠近回收裝置,通過視覺信標(biāo)引導(dǎo)AUV 歸巢,并在此基礎(chǔ)上添加了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)技術(shù)。國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)和浙江大學(xué)分別進(jìn)行了基于超短基線(ultra short base line,USBL)水聲導(dǎo)航結(jié)合視覺導(dǎo)航的AUV 回收對(duì)接實(shí)驗(yàn)[37-38](見圖9 和圖10)。

圖9 Sparus 抵近回收裝置Fig.9 Sparus approaching the recovery device

圖10 視覺導(dǎo)航對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)景Fig.10 Visual navigation aligning with the scene

綜上所述,通過劃分AUV 回收過程中所處的不同階段,區(qū)分各自介質(zhì)條件的不同,結(jié)合各類型導(dǎo)航方案的傳播性能優(yōu)勢(shì),采用跨介質(zhì)組合導(dǎo)航控制策略是實(shí)現(xiàn)USV 平臺(tái)AUV 自主收放過程中AUV 跨介質(zhì)協(xié)同控制技術(shù)的關(guān)鍵所在[39-40]。同時(shí),跨介質(zhì)定位導(dǎo)航切換過程中導(dǎo)航定位的連續(xù)性和延遲，以及對(duì)接末端定位方式和精度仍是當(dāng)前AUV 回收過程協(xié)同控制技術(shù)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語

文中搜集整理相關(guān)適用于USV 平臺(tái)的AUV自主回收方案,并通過相關(guān)案例對(duì)其技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。概述了目前主要的基于USV平臺(tái)AUV 自主回收方案及其關(guān)鍵技術(shù)。

目前USV 與AUV 協(xié)同工作越來越普遍,基于USV 的AUV 回收方式拓展了AUV 調(diào)測(cè)任務(wù)的時(shí)空尺度,但由于USV 所集成的LARS 設(shè)計(jì)、AUV引導(dǎo)捕獲裝置設(shè)計(jì)和跨介質(zhì)協(xié)同控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展限制,目前該回收方式針對(duì)大尺寸、高海況、深海作業(yè)的AUV 仍然不具備獨(dú)立、完整的回收作業(yè)能力，現(xiàn)階段仍然以傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)作為基于USV 平臺(tái)的AUV 回收技術(shù)手段的復(fù)制和補(bǔ)充。

未來隨著材料技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、USV 集成LARS 設(shè)計(jì)以及AUV 引導(dǎo)捕獲裝置的發(fā)展,USV 將逐步脫離傳統(tǒng)船舶的設(shè)計(jì)思路,以AUV 回收任務(wù)作為核心設(shè)計(jì)導(dǎo)向,針對(duì)多種類型AUV 以及海況場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)其快速、機(jī)動(dòng)和智能化的布放回收。USV 將從一種水面搭載平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)橥陚涞腁UV 回收智能水面指揮保障平臺(tái)。而隨著水下聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)、水下單目及雙目視覺定位技術(shù)以及其他新型水下定位技術(shù)的不斷突破,融合多種新型導(dǎo)航定位技術(shù)的組合導(dǎo)航定位手段將為AUV 回收的各階段介質(zhì)環(huán)境提供更加精準(zhǔn)高效的定制化解決方案,為AUV 獨(dú)立自主遠(yuǎn)洋深海探測(cè)提供了可能性?？梢灶A(yù)見,隨著海洋無人技術(shù)的迅速發(fā)展,USV 與AUV 協(xié)同工作將越來越普遍,基于USV 平臺(tái)的AUV 回收技術(shù)將趨向于更加實(shí)用化、智能化、模塊化和隱蔽化的方向發(fā)展。