一種AUV水下接駁站的研究

程 燁，羊云石，林 婕，顧海東

(中國船舶重工集團公司 第七一五研究所，浙江 杭州310023)

0 引 言

隨著信息技術的不斷發展，自主式水下無人航行器(AUV)作為探索海洋空間的有力工具之一，在軍事和科學研究方面起著越來越重要的作用。未來AUV 在作業內容，續航力、應急性、集群作業、運行成本等方面面臨更高的要求，發展水下接駁技術就顯得十分必要［1-4］。

目前水下接駁系統按對接方式主要分為3 類:捕捉式對接、平臺式對接和包容式對接。其中包容式對接接駁系統結構簡單、對AUV 改造較小、可以較大程度地保護AUV，典型的對接系統有Woods Hole 研究所的REMUS AUV 水下對接系統和MBARI研究所為Bluefin AUV 開發的水下對接系統。2 種對接系統均采用漸縮型入口裝置引導AUV 進入對接位置，所不同的是REMUS AUV 對接系統采用線性執行器引導水密電連接器進行插拔實現充電和數據傳輸，而Bluefin AUV 對接系統的數據和能量傳輸均采用非接觸感應傳輸［5-10］。

本文介紹了一種適用于2 000 m 深海的AUV 水下接駁站，詳細介紹了接駁站的主要機構及其功能，對插拔機構進行獨創性設計，并在湖上試驗中驗證了接駁站的可用性。

1 AUV 水下接駁站工作原理及方案設計

1.1 AUV 水下接駁站工作原理

AUV 水下接駁站通過某種手段引導AUV 進入接駁站并將其鎖定，完成充電與信息傳輸后釋放AUV。

接駁站利用超短基線水聲定位陣與通信聲吶與AUV 進行定位、通信和引導，使得AUV 自動進入接駁站對接筒內。接駁站上的到位傳感器檢測到AUV 到位后通知插拔機構鎖定AUV 并插入水密電連接器，建立能量與信息傳輸通道。在完成充電與數據傳輸后釋放AUV 完成整套對接流程。接駁站利用俯仰機構調節對接筒俯仰角輔助AUV 進站，并利用三路視頻信號對接駁站運行情況進行全面監視。接駁站與海底觀測網或岸基站建立數據與能量的傳輸通道，接收其指令。

1.2 AUV 水下接駁站方案設計

AUV 水下接駁平臺主要包括控制單元、通信單元、驅動單元、俯仰機構、插拔機構、傳感器及電源部分。其中通信單元主要用來與AUV 平臺和海底觀測網或岸基站進行信號傳輸;控制單元完成命令接收、命令下傳、數據處理等功能;驅動結構接收控制單元指令驅動俯仰機構及插拔機構完成預定動作;俯仰機構用于調節對接筒俯仰角;插拔機構用于引導接駁站與AUV 完成水密接插件的插拔;傳感器包括用于導航定位的定位陣與通信聲吶，監測AUV 進站的到位傳感器，監測接駁站工作深度的深度傳感器以及監測接駁站工作狀況的3 路黑白攝像機。其系統框圖如圖1 所示。

1.3 AUV 水下接駁站關鍵技術分析

AUV 水下接駁站作為AUV 的支持系統，是AUV 作業安全的重要保證。本文在綜合分析的基礎上，總結設計的關鍵技術如下:

1)復雜環境下長期可靠工作

接駁站設計工作深度2 000 m，并需長期工作。深海壓力與溫度變化劇烈，海底地形復雜，暗流、泥沙、生物附著不可避免。這就要求AUV 接駁站具備高可靠性，對復雜環境具有很強的適應性。

2)接駁傳輸技術

接駁傳輸裝置是實現AUV 充電與通信的核心機構，在深海、無人工操作的條件下該套機構需具備自動導向對正、便捷鎖緊與松開、不受海水壓力影響的濕插拔能力，可靠高效地完成水下能量、信息傳輸任務。

2 系統方案實施

2.1 接駁站結構設計

接駁站結構主要由基座、塢站、俯仰機構、插拔機構能夠組成，為深度傳感器、到位傳感器、水下攝像頭等提供安裝平臺，圖2 為水下接駁站總體組成。

圖2 AUV 水下接駁站總體組成Fig.2 Solid model of the dock with AUV

1)塢站

塢站主要包括引導口和對接筒。引導口由多根玻璃鋼引導桿箍成，引導桿與軸線夾角由外及內漸縮，以利于AUV 進塢。引導口入口直徑2 m，滿足接駁站與AUV 間的導航定位誤差。玻璃鋼材料的對接筒內壁直徑0.38 m，比AUV 外壁直徑大0.03 m，此間隙保證AUV 或對接筒內可能出現的附著物不會影響AUV 正常進塢。對接筒開口端兩側有2 個對稱的導向槽，通過與AUV 上導向銷的配合實現對AUV 橫傾±8°的糾偏。導向槽末端設置2 個到位傳感器，用以監測AUV 是否到達對接位置。塢站與基座軸向定位可調，可保證塢站重心在俯仰桿軸線上，減輕俯仰配重。對接筒軸線高于基座底面3 m，避免了AUV 觸礁的可能性。

2)插拔機構

如圖3 所示，插拔機構由置于耐壓殼體內的伺服電機驅動，通過絲桿將電機回轉運動轉化為直線運動，用以驅動電連接器的插拔運動。布置在電連接器兩側的導銷與AUV 上的導向軸套配合實現插拔裝置與AUV 的周向固定，為電連接器的插拔提供精確的對中。插拔裝置置于底部配有萬向球的圓錐彈簧上，輔以喇叭口形狀的導向軸套，插拔機構可實現±15°的軸向角度糾偏以及±20 mm 的軸向位置糾偏。

圖3 插拔機構Fig.3 Insert-draw mechanism

3)俯仰機構

俯仰機構主要包括俯仰桿、配重塊和2 個俯仰電機。之所以未采用結構更為簡單的萬向節設計，主要是因為現有機構可在2 個俯仰電機的配合下實現對塢站俯仰角度±15°內調節，而非萬向節機構簡單地調平塢站。更為重要的是俯仰電機可實現對塢站的晃動，可避免AUV 卡滯在塢站內而無法進退，這一設計對于深海對接具有重要意義。

2.2 接駁站硬件體系結構

AUV 水下接駁站系統硬件結構框圖如圖4 所示。

圖4 AUV 水下接駁站系統硬件結構框圖Fig.4 Hardware configuration of the AUV dock

1)電機需求

插拔機構需提供50kgf 的插拔力，在Tr14 ×3 的絲桿配合下，需34 N·m 的動力力矩，選用輸出扭矩4 N·m 的直流無刷電機和減速比10∶1的減速器可滿足需求。同理俯仰機構選擇同款電機配以減速比為100∶1的減速器可滿足20 s 內完成15°俯仰角的需求。

2)濕插拔連接器

水下濕插拔連接器選用法國蘇里奧公司8810 型12 芯連接器，能滿足3 000 m 水深的插拔，單芯最大電流15 A。

3)深度傳感器

深度(壓力)傳感器用于測量接駁站的布放深度，作為已知信息預設給AUV。由于接駁站工作深度為2 000 m，故需選取量程大于2 000 m 的壓力傳感器。綜合比較后，選用Valeport 公司的miniIPS 智能壓力傳感器。

圖5 深度傳感器Fig.5 Depth transducer

4)電子羅盤

電子羅盤用于測量導引結構的朝向，作為已知信息預設給AUV。由于電子羅盤的航向角、橫搖角是AUV 控制和水聲定位的輸入信息，因此其精度必須較高。采用sbg 公司的IG-500A 型羅盤。

5)水下攝像頭

水下攝像頭和照明燈用于水下實驗時觀察AUV靠近接駁站的狀態，觀察水下插拔機構的運動狀態，為人工操控提供視頻圖像。由于接駁站工作深度為2 000 m，故需選取耐壓大于2 000 m 的攝像頭和照明燈。3 個攝像頭均選用Imenco 公司的Lantern Shark 水下攝像頭(內置LED)。

2.3 接駁站軟件體系結構

接駁站控制系統為具備水下遠程監控功能的分布式測控系統，在保證測控速度的同時需保證測控精度。采用以嵌入式主板為水下測控中心、工控機為水面控制單元及人機交互平臺的分布式測控系統，軟件系統層次圖如圖6 所示。從整體結構而言，此系統可以劃分為3 個層次:水面監控層、水下控制層和現場層。

圖6 AUV 接駁站軟件系統層次圖Fig.6 Software configuration of the AUV dock

1)水面監控層

水面監控層負責整個接駁站的監測和控制，具有最高權限。軟件程序具備如下功能:

①喚醒接駁站;

②管理接駁站各模塊電源開斷;

③獲取接駁站狀態參數和視頻，實時顯示和存儲;

④控制接駁站插拔電機、俯仰電機;

⑤軟件的方式切斷接駁站電源。

水面監控層接收水下接駁站狀態參數和視頻數據。視頻數據由專用視頻采集卡打包，采用專門的API 接口函數解碼，可以實時在監控軟件界面上預覽。接駁站狀態數據以TCP/IP 協議傳輸，利用套接字技術，以完整的數據幀形式發送。水面監控層接收接駁站上傳的狀態數據幀，進行解析和校驗，實時地將數據進行處理和顯示。同時，水面監控層有權限以軟件控制的方式控制插拔機構執行插拔動作以及控制俯仰機構調節俯仰角。監控界面如圖7 所示。

圖7 上位機監控界面Fig.7 Interface of the upper computer

2)水下控制層

水下控制層以嵌入式主板為核心，通過全雙工串行數據總線采集現場層數據，并對采集的數據進行處理并構造幀格式，將監控數據上傳至水面監控層。同時，水下控制層接收并執行水面監控層指令。

3)現場層

現場層安裝有水聲通信聲吶、電子羅盤、到位傳感器、攝像頭等傳感器，通過各水密電纜與安裝于接駁站電子艙內的水下控制層主板相連。

3 湖上試驗

2015 年5 月下旬在千島湖開展了接駁站驗證試驗，主要驗證了AUV 接駁站和插拔機構的水下工作性能，如圖8 所示。試驗水域水深4 ～5 m，湖面有微波，湖底有10°左右的傾角，滿足試驗條件。本次試驗不進行AUV 的導航入塢，僅將搭載插拔機構的頭段置于塢站內進行插拔試驗。為更真實模擬實際對接，AUV 頭段在塢站內僅用柔性繩進行軸向限位，頭段可靈活晃動。

圖8 接駁站布放過程Fig.8 Dock during lake testing

在多組插拔試驗中，插拔機構均能在軸向角度偏差15°，軸向位置偏移±20 mm 以內的偏差內順利糾偏，完成水密接插件插拔動作，從監控視頻及插拔電機瞬時扭矩可知，插拔過程平穩，到位準確。待接駁站起吊回試驗平臺后檢測可知接插件完好無損。在俯仰試驗中，位于底座底板上的2 個電機通過鏈條牽引440 kg 的配重塊，實現俯仰角為±15°的俯仰運動，運動過程平穩迅速，電機輸出扭矩仍有富余。

4 結 語

本文介紹了一種AUV 水下接駁站，從接駁站機械結構、硬件體系、軟件體系等方面做了全面闡述。試驗證明，插拔機構可平穩可靠地實現與AUV 的對接，對AUV 具有良好的糾偏能力，整套接駁站運行穩定無故障，可進一步用于與AUV 的聯合海試。下一步將致力于接駁站的小型化研究。

［1］燕奎臣，吳利紅.AUV 水下對接關鍵技術研究［J］.機器人，2007，29(3):267 -273.YAN Kui-chen，WU Li-hong. A survey on the key technologies for underwater AUV docking［J］.Robot，2007，29(3):267 -273.

［2］PARK J Y，JUN B H，LEE P M，et al. Experiment on underwater docking of an autonomous underwater vehicle ISiMI′using optical terminal guidance［C］//OCEANS 2007-Europe.IEEE，2007:1 -6.

［3］WIRTZ M，HILDEBRANDT M，GAUDING C. Design and test of a robust docking system for hovering AUVs［C］//Oceans，2012.IEEE，2012:1 -6.

［4］JUN B H，PARK J Y，LEE F Y，et al. Development of the AUV‘ISiMI’and a free running test in an Ocean Engineering Basin［J］.Ocean Engineering，2009，36(1):2-14.

［5］羊云石，顧海東.AUV 水下對接技術發展現狀［J］.聲學與電子工程，2013，2:015.

［6］MCEWEN R S，HOBSON B W，BELLINGHAM J G.Docking control system for a 21”diameter AUV［C］//Proceedings of the Unmanned Untethered Submersible Technology Conference (UUST)2007，2007，85.

［7］STOKEY R，PURCELL M，FORRESTER N，et al. A docking system for REMUS，an autonomous underwater vehicle ［C］//OCEANS′ 97. MTS/IEEE Conference Proceedings.IEEE，1997，2:1132 -1136.

［8］ALLEN B，AUSTIN T，FORRESTER N，et al.Autonomous docking demonstrations with enhanced REMUS technology［C］//OCEANS 2006.IEEE，2006:1 -6.

［9］HOBSON B W，MCEWEN R S，ERICKSON J，et al. The development and ocean testing of an AUV docking station for a 21”AUV［C］//OCEANS 2007.IEEE，2007:1 -6.

［10］MCEWEN R S，HOBSON B W，MCBRIDE L，et al. Docking control system for a 54 -cm -diameter (21 -in)AUV［J］.Oceanic Engineering，IEEE Journal of，2008，33(4):550-562.