基于USV的AUV布放回收系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李明爍， 孟令帥， 谷海濤， 曹新星,4， 張明遠(yuǎn),5

（1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870；2. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室， 遼寧 沈陽 110016；3. 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；4. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819；5. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049）

地球表面積的2/3是海洋面積。我國海洋國土面積為300萬 km2，約為我國陸地面積的1/3。探索未知海洋要用到多種技術(shù)手段，而自主水下機(jī)器人（autonomous underwater vehicle，AUV）以其獨特的優(yōu)越性，被頻繁應(yīng)用于海洋勘探工作[1]。近幾年來，AUV的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其被廣泛應(yīng)用于海洋探測、油田勘探、海底打撈及海底信息情報獲取等。隨著人們對AUV作業(yè)任務(wù)及功能需求的不斷增加，AUV逐漸向自主化、長期化、無人化方向發(fā)展。由于AUV須頻繁地回收以補(bǔ)充能源，傳統(tǒng)基于人工的布放回收方式已經(jīng)不能滿足未來作業(yè)的需求[2]。當(dāng)AUV在深海作業(yè)時，其回收需花費較長時間，若海況較差，則回收過程具有一定的風(fēng)險[3]。無人水面船（unmanned surface vessel，USV）作為水面航行的無人自主機(jī)器人，具有很強(qiáng)的載荷搭載能力和續(xù)航能力，且航行速度較快。AUV與USV協(xié)同作業(yè)，可以取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互補(bǔ)[4]，極大地提高海上無人系統(tǒng)的作業(yè)效率，為最終實現(xiàn)海上無人作業(yè)提供技術(shù)支撐。利用USV自主回收AUV，首先須實現(xiàn)USV與AUV的水下對接捕獲。為此，國內(nèi)外學(xué)者已對USV布放回收AUV過程中的對接技術(shù)開展了研究。如：Page等[5]提出了一種集成導(dǎo)航算法，采用該算法可促進(jìn)AUV可靠水下對接；Meng等[6]設(shè)計了一種由鋼桿、纜繩和穩(wěn)定翼組成的水下牽引系統(tǒng)，提高了AUV水下回收的成功率；Sarda等[7]制作了基于雙體USV的拖曳對接裝置的原理樣機(jī)，測試了對接裝置的可行性與有效性；Mcewen等[8]開發(fā)了一套AUV對接站，其具有下載數(shù)據(jù)、上傳作業(yè)計劃、為電池充電等功能。

結(jié)合目前大多數(shù)AUV的自身特點及其回收系統(tǒng)所采用的對接捕獲形式，作者設(shè)計了一種適用于雙體USV的AUV自主布放回收系統(tǒng)。該布放回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，可用于布放回收不同外徑尺寸的AUV，通用性較好，在未來海洋探測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 常用AUV布放回收方式和布放回收系統(tǒng)

布放回收是AUV作業(yè)中必不可少的一環(huán)[9-10]。目前有3種較為成熟的AUV布放回收方式[11]：基于水面船對AUV進(jìn)行回收，這是最常用的水面部署方式；利用潛艇布放回收AUV，包括采用魚雷管方式、塢艙搭載等[12-13]；在海洋底部，采用深海常駐系統(tǒng)布放回收AUV。多樣化的AUV布放回收方式使得各海洋平臺間的互聯(lián)互通更加高效，促進(jìn)了智慧透明海洋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)[14]。智慧透明海洋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智慧透明海洋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.1 Intelligent and transparent ocean network system

目前使用率較高、通用性較好的AUV布放回收系統(tǒng)主要有3種，如圖2至圖4所示。佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)研制的布放回收系統(tǒng)通過AUV捕捉繩索或桿類目標(biāo)，實現(xiàn)AUV回收。對AUV導(dǎo)航定位精度要求較低，可實現(xiàn)360°全方位捕獲，回收成功率高，缺點是須對AUV進(jìn)行改造。Hydroid公司研制的布放回收系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)有導(dǎo)向功能，可使AUV更易進(jìn)入對接管道而完成對接[15]?！疤剿髡摺碧柌挤呕厥障到y(tǒng)的特點是通過捕捉臂捕捉AUV來進(jìn)行回收，回收成功率高，但是回收系統(tǒng)須有適合AUV坐落的平臺[16-17]，且對AUV導(dǎo)向精度要求很高。

圖2 佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)研制的AUV布放回收系統(tǒng)Fig.2 LARS developed by Florida Atlantic University

圖3 Hydroid公司研制的AUV布放回收系統(tǒng)Fig.3 LARS developed by Hydroid company

圖4 “探索者”號AUV布放回收系統(tǒng)Fig.4 "Explorer" AUV LARS

2 AUV布放回收系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

借鑒佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)研制的布放回收系統(tǒng)的對接捕獲方法，作者設(shè)計了基于USV的AUV布放回收系統(tǒng)。該布放回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于對接，適用于不同尺寸的光滑圓柱形AUV。其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由對接框架、轉(zhuǎn)接板、剛性桿、折合板、電動推桿、轉(zhuǎn)接件和連接桿等組成。對接框架長為3 176 mm，寬為1 200 mm，高為1 352 mm，質(zhì)量為80 kg。對接框架通過安裝在其兩側(cè)的4個轉(zhuǎn)接板安裝在USV中間位置。剛性桿布置在對接框架前端，用于完成與AUV的對接任務(wù)。對接桿不采用以往的柔性纜繩，而采用可伸縮的剛性桿，其受海水?dāng)_動較小，且沒有軸向自由度，只能橫向擺動。折合板布置在對接框架兩側(cè)，通過轉(zhuǎn)動軸承與對接框架連接，是布放回收的關(guān)鍵部件。電動推桿固定在對接框架頂部，其底部連接轉(zhuǎn)接件，轉(zhuǎn)接件連接2個連接桿，連接桿與折合板上的軸承基座進(jìn)行連接。剛性桿和電動推桿的運(yùn)動需要外部能源，能源模塊布置在USV艙體內(nèi)。電纜線路的布置通過穿艙件完成。

圖5 基于USV的AUV布放回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of AUV LARS based on USV

2.2 工作原理

USV自主回收AUV是一個AUV由遠(yuǎn)及近逐漸駛向USV的過程，回收流程如圖6所示。流程為：第1步，AUV通過水聲通信在水下對USV進(jìn)行定位，獲取定位信息后航行至USV附近，并浮出水面進(jìn)行水面航行；第2步，AUV駛向USV，并通過網(wǎng)橋通信調(diào)整姿態(tài)而進(jìn)入回收系統(tǒng)；第3步，當(dāng)AUV接近USV時，回收系統(tǒng)剛性桿上電，向水下延伸，同時折合板打開，AUV前端捕獲機(jī)構(gòu)與剛性桿進(jìn)行對接，待AUV前端卡舌與剛性桿咬合后，AUV軸向移動被限制；第4步，檢測到AUV捕獲完成信號后，剛性桿和電動推桿收縮，折合板閉合并將AUV抱離水面，完成回收。

圖6 自主回收AUV流程Fig.6 Process of autonomous recycling AUV

在AUV回收流程的前2步，對AUV自身導(dǎo)航精度要求不高，而第3步是實現(xiàn)水面對接捕獲，是回收AUV的關(guān)鍵，因此下面重點介紹對接捕獲過程。

在第3步中，AUV與USV的距離較近，通常小于30 m，且兩者定向逆流航行。AUV通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成定位，并且以快于USV的航速駛向USV，逐漸縮短與USV的距離。當(dāng)兩者距離小于5 m時，AUV再次確定與USV的位置及姿態(tài)信息，并加速駛向剛性桿，直至其前端卡舌與剛性桿咬合。當(dāng)AUV的航向與回收系統(tǒng)的航向平行時，便可進(jìn)行后續(xù)回收步驟。若AUV被捕獲后因受外界影響未與回收系統(tǒng)的航向保持平行，則由USV拖帶AUV航行而逐步改變其航線，以盡可能保持AUV與回收系統(tǒng)的航向一致。待AUV整體處于折合板開角范圍內(nèi)時，剛性桿上移，同時電動推桿帶動折合板閉合，將AUV抱出水面，完成回收。

3 AUV布放回收仿真

3.1 受力分析

在布放回收AUV的過程中，折合板與AUV存在動態(tài)接觸，折合板會對AUV施加一個實時變化的支撐力。在這個過程中，折合板因受力而發(fā)生形變。為了保證回收系統(tǒng)的安全性，須對折合板進(jìn)行受力分析?；厥障到y(tǒng)的材料選用45號鋼。45號鋼的性能參數(shù)如表1所示，其具有較好的強(qiáng)度和耐磨性。

表1 45號鋼性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of 45 # steel

折合板受力如圖7所示。圖中：圓表示AUV橫截面，AB表示折合板截面，A點表示轉(zhuǎn)軸截面。當(dāng)折合板與AUV接觸時，會在折合板與AUV的接觸點O處產(chǎn)生指向AUV軸心方向的支撐力F。F與水平方向（x向）的夾角為α，F(xiàn)隨著α的變化而變化；Fy為F在垂直方向（y向）的分力；f為折合板與AUV間的摩擦力；轉(zhuǎn)軸處承受著折合板重力與AUV重力的合力FA。一側(cè)折合板承受的重力為AUV重力G的一半。在布放時，α的最大值為85°，最小值為0°。β為折合板的轉(zhuǎn)動角度，α與β互為余角。若受力后折合板不會發(fā)生形變或者損壞，則折合板滿足工作強(qiáng)度要求。

圖7 折合板受力Fig.7 Folded plate loading

通過受力分析可知：

式中：μ為折合板與AUV間的摩擦因數(shù)。

求解式(1)，可得：

式中：θ=arctanμ。由于μ=0.3，可得θ=0.29。

由式(2)可知，μ、G、θ皆為常數(shù)，因此F的大小取決于sin(α+θ)。在布放過程中，α逐漸減小，由正弦圖像可知，sin(α+θ)先增大后減小，F(xiàn)在布放初始時數(shù)值較大，隨后逐漸減小。

回收系統(tǒng)兩側(cè)的4個轉(zhuǎn)軸基座承受折合板和AUV的重力，單個轉(zhuǎn)軸基座承受折合板重力G折的1/2和AUV總重力G的1/4，即：

實際測得一個折合板的重力G折=300 N，AUV重力G=1 500 N，計算可得FA=525 N。

3.2 ADAMS動力學(xué)仿真

利用Solidworks軟件建立回收系統(tǒng)的三維模型，并保存為x_t文件，導(dǎo)入ADAMS軟件，進(jìn)行AUV布放過程仿真。所建立的AUV布放模型如圖8所示。設(shè)置AUV布放時電動推桿的初速度為5 mm/s，在AUV與折合板的接觸點設(shè)置表面接觸碰撞，獲得接觸力變化曲線，如圖9所示。

圖8 AUV布放模型Fig.8 AUV launch model

圖9 接觸力變化曲線Fig.9 Contact force variation curve

由圖9可知：接觸力整體呈先增大后減小的趨勢，與受力分析得出的結(jié)果一致；接觸力最大值為1 700 N。

3.3 折合板和軸承基座的應(yīng)力及位移仿真

采用Solidworks軟件中的Simulation功能模塊對折合板和軸承基座進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

將折合板與AUV接觸位置的受力設(shè)置為1 700 N，折合板的材料設(shè)置為45號鋼，折合板上轉(zhuǎn)軸位置設(shè)置為固定，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行仿真運(yùn)算。在承受最大力時，折合板應(yīng)力及位移的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可知，折合板的最大應(yīng)力為13 MPa，最大位移為0.45 mm，滿足了強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。在對接過程中AUV與對接桿存在瞬時碰撞作用力，為了避免對AUV造成損壞，在折合板表面包裹一層緩沖泡沫。

圖10 折合板應(yīng)力及位移仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of stress and displacement of folded plate

在布放回收過程中，AUV和折合板的重量由安裝在兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸基座承受，因此，軸承基座的可靠性至關(guān)重要。在Simulation功能模塊中，將軸承基座的材料設(shè)置為45號鋼，軸承基座底面設(shè)置為固定，在軸承基座內(nèi)側(cè)施加525 N的力，進(jìn)行仿真運(yùn)算。軸承基座應(yīng)力及位移的仿真結(jié)果如圖11所示。由圖可知，軸承基座所受最大應(yīng)力為2.78 MPa，最大位移為0.000 07 mm，也符合強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

圖11 軸承基座應(yīng)力及位移仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of stress and displacement of bearing housing

4 實驗驗證

為了驗證所設(shè)計的布放回收系統(tǒng)的可行性，搭建了系統(tǒng)的原理樣機(jī)，進(jìn)行AUV布放回收實驗。實驗分為陸上實驗和湖上實驗兩階段。陸上實驗驗證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動能力和穩(wěn)定性，湖上實驗驗證系統(tǒng)整體的工作能力。AUV布放回收實驗如圖12所示。

圖12 AUV布放回收實驗Fig.12 AUV launch and recovery experiment

湖上實驗：AUV通過水聲通信對USV進(jìn)行定位，獲取與USV的相對位置后駛向USV，航行至USV附近后打開其前端的捕獲機(jī)構(gòu)，繼續(xù)向安裝在USV中的回收系統(tǒng)靠近，直至捕獲機(jī)構(gòu)與剛性桿咬合；當(dāng)AUV姿態(tài)穩(wěn)定且處在正確位置時，回收系統(tǒng)的折合板閉合，將AUV抱離水面，完成回收?？梢酝ㄟ^以下2種方法調(diào)整AUV姿態(tài)：1）調(diào)整AUV艉舵，通過其自身操縱能力調(diào)整姿態(tài)；2）USV拖曳AUV向前航行，依靠水流改變AUV姿態(tài)。實驗表明，布放回收系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與AUV的對接，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動折合板將AUV從水中進(jìn)行回收。

5 結(jié) 論

本文首先介紹了幾種國內(nèi)外常用的AUV布放回收方式和布放回收系統(tǒng)。結(jié)合目前大多數(shù)AUV的自身特點及回收系統(tǒng)所采用的對接捕獲形式，設(shè)計了一種基于USV的AUV布放回收系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力分析和強(qiáng)度分析，同時介紹了系統(tǒng)的工作原理和流程。為了驗證所設(shè)計布放回收系統(tǒng)的可行性，搭建了系統(tǒng)原理樣機(jī)，進(jìn)行了其陸上實驗和湖上實驗。陸上實驗驗證了系統(tǒng)的運(yùn)動性能，各機(jī)構(gòu)運(yùn)動正常，不存在干涉；湖上實驗驗證了系統(tǒng)的整體操控流程及功能，布放回收系統(tǒng)在正常工況下能完成對AUV的布放回收任務(wù)。實驗表明，所設(shè)計的布放回收系統(tǒng)具備AUV自主布放回收功能，可實現(xiàn)無人自主作業(yè)，功能穩(wěn)定可靠，且結(jié)構(gòu)相對簡單。后續(xù)將繼續(xù)開展自主布放回收測試，對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為其應(yīng)用的普適性提供支撐。