一種水面無人艇拖線陣自主收放系統(tǒng)設計

林 婕，朱文武，王俊雷，江夢潔

(中國船舶集團有限公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

0 引 言

近年來，隨著信息技術、自動控制技術、導航技術、能源技術及材料科學的不斷發(fā)展，水面無人艇（Unmanned Surface vehicle，USV）在海洋探測領域的應用越來越豐富。USV 搭載任務載荷，如拖曳聲吶、線列陣聲吶、掃雷聲吶、合成孔徑聲吶等開展探測任務，任務載荷的自主收放是該應用場景下面臨的重要挑戰(zhàn)之一[1]。

從20 世紀90 年代開始，美國、以色列、法國等國家對USV 開展了持續(xù)研究[2 – 3]，其任務載荷的收放技術也相對成熟。美國是早期開始研究USV 的國家之一，掌握了USV 領域先進的設計和制造技術，并積累了豐富的實踐經驗，代表性企業(yè)雷神技術公司，其USV任務載荷的收放技術成熟度較高；以色列是世界第二大USV 研制技術的先行者，其Elbit 系統(tǒng)有限公司研制的側掃聲吶收放系統(tǒng)已經在裝備中使用；法國ECA 集團在USV 上搭載了電驅式收放系統(tǒng)，在UUV自主布放回收場景下已得到了實際應用。

我國對USV 的研制起步較晚，對任務載荷收放系統(tǒng)的投入相對較少。但隨著海軍用裝要求的提升，許多科研院所和高校已在大力研發(fā)USV 任務載荷的收放設備[4 – 5]。

本文介紹的自主收放系統(tǒng)是一款水面無人艇拖線陣自主收放系統(tǒng)，并在2022 年底成功完成海上試驗，驗證了自主收放系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為我國水面無人艇開展聲學探測任務奠定了技術基礎。

2 系統(tǒng)總體設計

水面無人艇拖線陣自主收放系統(tǒng)是一套集機、電、液耦合復雜機電設備，可在水面無人艇海上機動時，高效可靠地完成拖線陣釋放和回收任務。水面無人艇拖線陣自主收放系統(tǒng)總體設計除采用已有成熟（有人收放）技術外，重點從水面無人艇的特點出發(fā)，特別是全流程自動化、自主管理、感知和決策等方面進行設計和規(guī)劃，從而達到有人/無人協(xié)同作業(yè)下的安全可靠連續(xù)作業(yè)。

2.1 系統(tǒng)組成與工作原理

自主收放系統(tǒng)由岸基端控制臺和水面無人艇載收放設備組成。岸基端控制臺接收到任務指令后向船載收放設備下發(fā)操作指令，并對船載收放設備的各種數據進行監(jiān)控，必要時遠程遙控。水面無人艇載收放設備包括收放存儲裝置、控制設備、液壓裝置和傳感器等，負責實現各種動作感知和執(zhí)行，完成聲吶載荷的收放、拖曳和存儲。岸基端控制臺和水面無人艇載收放設備之間通過衛(wèi)星通訊傳輸控制指令和狀態(tài)信息等數據。

水面無人艇載收放設備根據操作指令自動執(zhí)行拖線陣釋放和回收動作，在過程中的對指令信息、環(huán)境信息、設備狀態(tài)信息等進行識別，通過控制柜進行處理，確定控制模式，執(zhí)行自主收放任務，如圖1 所示。

圖1 自主收系統(tǒng)總體布置圖Fig. 1 General layout of autonomous harvesting system

水面無人艇供電平臺提供220 V、380 V 電壓用于驅動液壓油源和收放控制柜。岸基端的操控臺通過通訊鏈路將任務指令發(fā)給綜合信號處理平臺。綜合信號處理平臺通過網口形式與液壓油源和收放控制柜進行通訊和數據傳輸。收放控制柜根據接收到的指令，按照預先設計的動作流程執(zhí)行各種動作，同時將設備狀態(tài)信息傳送給收放控制柜進行任務控制并記錄，其中重要關鍵信息通過收放控制柜傳給綜合信號處理平臺。最后通過通訊鏈路將關鍵信息發(fā)送到岸基端的操控臺。自主收放系統(tǒng)體系架構如圖2 所示。

圖2 自主收放系統(tǒng)體系架構圖Fig. 2 Architecture diagram of autonomous retrieval and playback system

2.2 關鍵技術分析

拖線陣自主收放系統(tǒng)是水面無人艇用于拖線陣探測應用場景的關鍵支持系統(tǒng)，除了需要解決有人收放系統(tǒng)面臨的高效安全等突出問題外，還需突破智能感知、決策、控制等自主性問題[6 –7]。本文在綜合分析基礎上，總結關鍵技術如下：

1） 大纜長變直徑拖線陣無人收放技術

大纜長變直徑拖線陣受流體阻力影響，其物理形態(tài)會發(fā)生不同程度的變化，如長度變長、直徑變小等。這些變化與纜陣自身的彈性模量、承載力和纜長有關。此外，拖線陣聲吶是充滿彈性介質的柔性體，卷繞上卷筒時往往會出現局部左右翻滾現象，其翻滾的規(guī)律更復雜，具有極大不確定性。故纜陣回收存儲時呈現不規(guī)律性，在未進行有效控制和干預的情況下，較易出現疊纜和陷纜現象，影響后續(xù)任務。

自主收放拖線陣聲吶，與有人平臺收放系統(tǒng)不同，水面無人艇自主收放系統(tǒng)需考慮全流程自動化，即執(zhí)行任務過程中，以往通過人工觀察和干預的行為，如拋投拖線陣、纜陣切換、排纜不齊、到位停車等操作，都需通過簡便有效的方法實現無人化作業(yè)。

2） 環(huán)境感知和智能決策技術

水面無人艇自主收放系統(tǒng)在海上作業(yè)時，具有無人動態(tài)作業(yè)、環(huán)境耦合度高、作業(yè)狀態(tài)不透明等特點[8]，若在不適宜的環(huán)境場或健康狀態(tài)（例如高沖擊、高海況、拖體掛網）下進行作業(yè)，容易對設備造成不可逆的損傷并影響平臺安全。因此，需開展基于信息感知和智能決策為一體的自主收放管理系統(tǒng)的研究，如圖3 所示。通過傳感器收集收放系統(tǒng)自身和周圍環(huán)境態(tài)勢信息數據，識別和處理相關信息并形成設備狀態(tài)是否良好、作業(yè)環(huán)境是否安全、任務執(zhí)行是否可靠等基本判斷，為收放設備采用的自主收放等級和操控模式作出正確合理的選擇。此外，基于收放作業(yè)的歷史數據開展數據庫的智能演進，不斷提升設備使用效能，逐步提高自主等級。

圖3 基于感知的自主管理系統(tǒng)Fig. 3 Perception based autonomous management system

3 系統(tǒng)方案實施

3.1 機械結構設計

水面無人艇拖線陣自主收放系統(tǒng)的機械結構由拖線陣絞車、釋放裝置、阻尼器組成，實現拖線陣的自主釋放、回收、存儲及拖曳等功能，如圖4 所示。

圖4 拖線陣收放裝置Fig. 4 Drag line array receiving and releasing device

拖線陣絞車采用零度排纜角高位排纜方式，主要由絞車基座、卷筒、排纜糾偏機構、軸承座等組成，如圖5 所示。卷筒采用一側固定，另一側浮動的支撐方式，可承受溫度變化引起的熱膨脹和收縮，避免產生內部載荷。浮動端由剖分式軸承座（內裝調心滾子軸承）支撐，可有效避免卷筒軸線不對中產生的運行卡滯等現象。另一側由減速機支撐，通過高速馬達加減速機的形式驅動卷筒運轉。排纜糾偏機構上裝有編碼器和接近開關、角度傳感器等，可以實現排纜位移控制、排纜換向和排纜角度檢測，如果出現疊纜或換向不正常時可自主控制，從而有效提高排纜自主性。

圖5 拖線陣絞車Fig. 5 Drag line winch

釋放裝置由固定座、擺臂、喇叭口、限位座、扭簧及轉軸等組成，如圖6 所示。釋放裝置安裝在水面無人艇甲板尾部。喇叭口壁上開有通孔，通過擺臂支撐并旋轉。擺臂繞固定座上轉軸旋轉，轉軸上的扭簧提供初始扭矩，為翻轉架向水中翻轉提供初始力。釋放裝置上裝有到位傳感器，回收拖線陣時，阻尼器進入喇叭口，從而帶動擺臂旋轉到位并自動進行停車。

圖6 釋放裝置Fig. 6 Release device

阻尼器連接在拖線陣的尾部，可以提供水中的流體阻力。初始釋放時，通過自身重量及擺臂重力/扭力矩可靠牽引拖線陣入水，阻尼器入水中后通過母船的運動和水流將尾部阻尼器沖出喇叭口并提供一定流體阻力，實現陣段安全可靠的釋放。阻尼器由金屬殼體和浮體材料組成，采用流線形外形，尾端呈4 個等間距穩(wěn)定翼的中空結構，空氣中重量8.5 kg，海水中零浮力。

利用Star-CCM＋數值模擬軟件對阻尼器進行受力分析，分別計算阻尼器以6 kn、8 kn、10 kn 的速度在海水中運動時受到的阻力，表1 為計算得到的阻力值。圖7 為6 kn 速度下拖體周圍壓力分布云圖。經仿真計算，6 kn 航速下，阻尼器可提供8 kg 阻力。

表1 阻尼器在不同速度下的阻力Tab. 1 Resistance of the release device damper at different speeds

圖7 6 kn 時拖體周圍壓力分布云圖Fig. 7 Cloud map of pressure distribution around the towed body at 6 kn

3.2 液壓驅動方案設計

液壓系統(tǒng)設計了雙動力液壓油源，能兼容多種收放濕端聲吶的需求。液壓油源采用封閉式設計，有效提升了其在露天環(huán)境下的環(huán)境適應性（淋雨等）。

液壓油源配置了2 組電機-泵組、1 個400 L 液壓油箱、油溫調節(jié)裝置、2 組高壓過濾器、1 組回油過濾器、1 個控制閥組、電控系統(tǒng)等。

基于無人化考慮，液壓油源配備了豐富的傳感器用于監(jiān)測油箱液位、油溫、出口油壓、出口流量、回油流量、油液污染度、油液品質、油液含水量、過濾器的濾芯狀態(tài)、蝶閥開關狀態(tài)等參數，并將狀態(tài)信息反饋給控制系統(tǒng)處理。

基于系統(tǒng)任務可靠性考慮，液壓油源中2 組電機-泵組獨立控制、互為備份。每組電機-泵組不僅可根據工況需提供高壓油，還可以用作油溫調節(jié)循環(huán)泵。液壓油源工作壓力具備比例調節(jié)的功能，配合恒功率電機-泵組，給整個液壓系統(tǒng)留出了足夠的動力余量。針對可能出現的比例溢流閥失效故障，專門設計了應急切換回路，一旦出現故障，可通過遠程切換至開關閥，保證系統(tǒng)有效度。

拖線陣絞車由1 臺高速馬達配合1 臺減速機進行驅動，高速馬達具備動力換擋的功能，從而有效降低不同工況下拖線陣絞車對油源的流量需求，使之與各種不同的工況有效匹配。

拖線陣絞車液壓單元配備電磁換向閥和比例調速閥對液壓絞車的動作方向及收放速度進行控制，并且還配備了被動解剎車功能、防失速功能、回路補油功能、安全保護功能以及比例排纜功能，滿足拖線陣絞車的各種功能需求。

基于無人化考慮，液壓單元配備了相應的傳感器監(jiān)測絞車馬達的轉速、排纜馬達的轉速、釋放裝置馬達轉速、供油壓力、回油壓力、泄漏口壓力等主要工作油口的壓力，適合對整個系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控。

3.3 自主控制方案設計

自主控制系統(tǒng)主要由收放控制柜（內含各單元）、接線盒、裝置傳感器、機/液配置、移動控制終端、視頻處理單元等組成，如圖8 所示。本系統(tǒng)的自主控制等級為準中級，除實現“一鍵收放”的全自主動作流程功能外，具有人機交互的能力，可進行遠程監(jiān)控和應急處理。

圖8 控制系統(tǒng)組成關系Fig. 8 Control system composition relationship

收放控制柜的硬件主要包含控制單元、視頻處理單元、開關電源及接口單元。其中，控制單元實現機械/液壓系統(tǒng)的傳感器信號采集、邏輯運算、網絡通訊、執(zhí)行控制任務以及控制輸出等功能。

收放柜控制單元通過網線與移動控制終端進行通訊，從而可實現對自主收放系統(tǒng)的調試、維修等工作。

岸基端控制臺可對自主控制系統(tǒng)進行遠程遙控，下發(fā)控制任務。

自主控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，具有自檢功能、數據記錄功能、數據標定功能、自主控制功能、收放功能集成、信息安全功能、通訊功能、報警功能等。軟件各功能塊組成如圖9 所示。

圖9 控制系統(tǒng)軟件架構示意圖Fig. 9 Schematic diagram of control system software architecture

4 湖海試驗

2022 年，該拖線陣自主收放系統(tǒng)通過湖試對設備的功能及性能進行調試，通過海試對該收放系統(tǒng)自主收放能力和拖曳性能進行了驗證，實現多次無干預自主收放動作，實現千米級拖線陣無人干預下連續(xù)可靠自主的釋放、拖曳、回收和存儲，具有高可靠完成收放任務的能力。通過這次海試也證明了該收放系統(tǒng)具有良好的自主性、平穩(wěn)性、以及自主診斷能力。

5 結 語

本文介紹了一種水面無人艇拖線陣自主收放系統(tǒng)，從收放系統(tǒng)的總體設計、機械結構、液壓驅動、自主控制等方面做了全面闡述。海上試驗證明，該收放系統(tǒng)能夠安全可靠的實現大長纜變直徑纜的收放、存儲、拖曳等功能，在無人干預下可自主實現拖線陣的可靠釋放和回收，為水面無人艇拖線陣裝備的形成奠定了基礎。后續(xù)將進一步開展收放系統(tǒng)-濕端-水面無人艇的高度融合匹配設計和一體化設計研究，通過構建基于環(huán)境感知和智能決策為一體的自主管理系統(tǒng)，進一步提升收放系統(tǒng)的可靠性和自主能力。