自主式水下機器人水下對接技術綜述

鄭榮，宋濤，2，孫慶剛，3，國婧倩，2

1 中國科學院沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016

2 東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819

3 中國科學院大學，北京 100049

0 引 言

隨著技術的不斷發展，水下機器人已成為海洋開發的重要工具之一。由于自主式水下機器人（AUV）具有很好的機動性和大范圍的巡航能力等優點，在水下觀測、制圖、定位和深海采樣中扮演著重要角色［1］。但由于近年來電池技術未得到大的發展，AUV自身所攜帶的能源有限，儀器功耗大，其在能源將要耗盡的時候需要及時回到母船補充能源，這就使得其在水下的作業范圍受到很大的限制，因此增加了AUV的使用成本［2］。AUV的布放和回收需要母船的支持，同時需要花費大量的人力和物力，而且還有一定的風險。為了提高AUV的工作效率和作業范圍，滿足海洋信息搜集和傳輸、海洋勘探和特種作戰等需求，需要研究AUV的水下對接技術。AUV的水下對接是一種可以為AUV進行能源補充以及水下數據上傳和任務下載的關鍵技術，對于建立三維海洋觀測系統至關重要［3］。目前，世界上許多國家都在積極研究AUV的水下對接技術，由于AUV的外形和尺寸不一，所以其對接形式也各不相同。

1 國內外AUV水下對接技術

近30年來，國內外研究者根據不同的對接主體和對接環境，設計研發了多種AUV水下對接系統，這些對接系統各具特點。目前，國外研究水下對接的國家主要有美國、日本、挪威、瑞典、英國和意大利等，國內對水下對接技術研究的具有代表性的研究機構主要有中國科學院沈陽自動化研究所、浙江大學、哈爾濱工程大學以及中國船舶科學研究中心等。總結國內外已有的水下對接系統，主要有5種形式：水下箱（籠）式對接、機械手或載體輔助式對接、桿類引導對接、平臺阻攔索式對接和喇叭口式引導對接［4］。本文將對不同的水下對接系統進行介紹。

1.1 水下箱（籠）式對接

水下箱（籠）式對接屬早期AUV對接回收方式，這種回收方式不僅需要母船和回收裝置的支持，同時還需要大量的人員參與，受海浪影響比較嚴重。對于這種對接方式，最具代表性的是中國科學院沈陽自動化研究所設計的“探索者”號水下對接回收系統。

1994年，中國科學院沈陽自動化研究所針對“探索者”號研制了一套箱（籠）式水下對接回收系統［5］，如圖1所示。該系統由水上和水下2部分組成，水上部分為控制平臺和起吊設備，水下部分為中繼器和一臺大型水下回收本體［6-7］。回收本體用于完成與自主式水下機器人的對接和釋放，主要由框架、U型架、浮力收放臂、驅動收放臂、液壓系統、推進器、傳感器和水下攝像機等組成。AUV與回收器的相對位置依靠水下攝像機觀察，當AUV運動到回收器本體上的適當位置后，即下落到回收器中，然后液壓系統驅動浮力臂鎖緊AUV，最后U形架收起，完成AUV與回收器的對接［8-9］。這種方法在回收的過程中要求AUV能夠準確定位回收對接裝置，并不斷調整自身的運動姿態。由于是操作人員通過攝像機的畫面觀察AUV的位置來決定何時鎖緊AUV，所以該方式的定位精度不高。

1.2 機械手或載體輔助式對接

機械手或載體輔助式對接是應用于軍用潛艇上的一種自主對接回收方式，主要有機械手式對接回收和潛器輔助對接回收等。機械手式對接回收由機械手輔助實現對接，潛器輔助對接回收是借助搖控水下機器人（ROV）等載體輔助回收AUV，具有代表性的分別是LMRS AUV水下對接回收系統［10］和瑞典的“海鷹”號ROV輔助對接回收系統。

由美海軍遠期反水雷計劃（LMRS）研究的LMRS AUV水下回收系統是利用潛艇的533 mm魚雷管來發射并回收AUV，如圖2所示，其已于2007年在“哈特福德”號核潛艇上得到驗證。這套回收系統是應用于軍事領域的回收技術。潛艇魚雷管發射的LMRS AUV（長5.88 m，直徑510 mm）在接收到潛艇發出的回收指令后，會調整自身的速度和姿態，然后自主運行到潛艇的魚雷發射管。潛艇裝有上部和下部魚雷發射管，機械手安裝在上部魚雷發射管內，其可向外伸展并捕獲AUV，將由機械手來實現對接過程中對AUV的捕捉、夾緊和定位［11］。捕獲過程大致為：機械手伸出全部長度后，機械手的前部關節由液壓驅動向下彎過一定角度；AUV由潛艇的艉部向艏部靠近，同時伸出其自帶的系留桿，通過AUV的運動配合，將系留桿插入機械手的系留錐孔中并固定；最后，AUV在機械手的引導下進入到魚雷發射管內［12］。該種對接方式的回收過程非完全自主，回收過程比較復雜，對控制的精確程度要求很高，在海流影響較大時不易捕獲。

圖3所示為“海鷹”號ROV輔助回收系統。該系統的回收過程大致為：對接時，首先釋放潛艇魚雷管中的“海鷹”號ROV，操作人員通過ROV拍攝的視頻和傳回的聲吶圖像控制ROV不斷接近AUV62F，當ROV運動到足夠靠近AUV62F時，用攜帶的繩圈捕獲AUV62F，并在預定位置收緊固定繩圈（因“海鷹”號ROV底部有吸盤，繩圈固定時，吸盤會吸住AUV62F），然后操作人員控制“海鷹”號ROV將AUV62F拖入魚雷管中完成回收［12］。

1.3 桿類引導對接

這種對接方式是通過AUV上的捕捉機構與對接機構上的捕捉桿的相互配合來實現的。對于這類對接方式，具有代表性的是美國的Odyssey IIB AUV水下對接系統。這套系統由MIT和Woods Hole海洋研究所于2001年聯合研制，主要由V型剪、定位桿、鎖緊機構和基座組成［13］，如圖4所示。

Odyssey IIB水下對接系統屬于桿類引導對接，具有對AUV進行能源補充、數據交換和故障檢測的功能。該系統是通過AUV上的V型剪結構和對接基座上的定位桿，以及桿上端的滑蓋來實現對接。當AUV靠近對接機構時，AUV上的V型剪觸發彈簧，捕捉桿會被定位桿頂到一側，定位桿進入“V形剪”的槽中被捕捉桿鎖住，同時上端滑蓋落下并鎖緊AUV，需要打開時，驅動裝置拉動捕捉桿將定位桿放出［14］。該對接方式具有全方位對接的優點，對AUV的定位精度要求不是很高，受海洋環境的干擾相對較小，對接的可靠性高，在很大程度上保證了對接的成功率。但是，該對接方式需要在AUV前端增加V形導向機構，該機構會影響AUV的運動性能并增加AUV的能量消耗，且對接裝置的定位和鎖緊裝置也比較復雜［15］。

1.4 平臺阻攔索式對接

平臺阻攔索式對接的原理類似于戰機在航空母艦上著陸，當需要對接時，AUV對準水下平臺緩慢降落，最后通過平臺與AUV上的鎖定機構實現鎖定對接。對于該種對接方式，具有代表性的是Marine-bird水下對接系統［16］，如圖5所示。

Marine-bird水下對接系統屬平臺阻攔索式對接。2003年，日本川崎重工通過試驗完成了AUV與平臺的對接。該對接系統依靠短基線引導AUV歸位，當AUV靠近平臺一定距離時，平臺發出信號引導AUV緩慢下降，然后通過平臺上的V型捕捉裝置勾住AUV腹下的捕捉臂實現定位，由平臺上的鎖緊機構實現鎖緊。AUV捕捉臂與水下平臺上的捕捉機構均采用V形布置形式，兩者在空間上相互交錯，在捕捉臂與捕捉機構接觸后，AUV的運動空間越來越小，最后AUV被完全定位［17］。對接后，AUV與平臺之間依靠感應線圈進行充電。該對接方式適用于海底平臺對接，對接成功率和定位精度相對較低，對AUV的自導和動力系統要求較高。

1.5 喇叭口式引導對接

喇叭口式引導對接在結構上相對簡單，對接裝置采用的是導向罩或籠箱結構形式，無需對AUV進行很大的改動，且對接后對AUV有一定的保護作用，但是需要AUV有很好的運動控制能力和操縱性。這種對接系統對對接機構與洋流之間的水動力相互作用更為敏感［18］。由于對接入口處為一敞口結構，可以引導AUV以正確的姿態進入對接裝置，所以允許AUV在靠近對接結構時有一定的偏差，這在很大程度上保證了對接的成功率。對于喇叭口式引導對接，目前具有代表性的有：Remus水下對接系統、Bluefin水下對接系統、哈爾濱工程大學和中國船舶科學研究中心研制的AUV水下對接系統，以及浙江大學的“海豚二號”AUV水下對接系統等。

Remus水下對接系統（圖6）由Woods Hole海洋研究所研制，具有對AUV的能源補充和數據交換功能。該對接系統很簡單，可以停泊在海床上，由中繼通信浮標牽引沉在水中，或是由母船拖曳［18］。其結構采用的是錐形導向罩與圓柱形塢站相結合的形式，通過圓錐導向罩和圓柱形塢站來實現AUV的導向與定位［19］。在錐形導向罩上方布置了超短基線（USBL），用于在對接過程中對AUV進行定位導航，USBL模塊分布在AUV的艏部，對接引導距離達3 000 m，分辨力小于0.5°［20-21］。該系統使用線性執行器引導水密電連接器進行插拔來實現充電和數據傳輸，充電機構由一對導向針和充電接頭組成，由直線驅動結構驅動導向針插入AUV上的導向孔實現連接，導向針限制了AUV與對接裝置的相對運動。美軍的多次海試表明，Remus AUV在超短基線的引導下能從幾海里外準確進入直徑僅為80 cm的錐形導向罩，單次對接成功率達60%［22-23］。這種對接方式不需要對AUV做大的改動，但對其定位精度和運動的控制能力要求較高。圖7所示為Remus水下對接過程。

Bluefin水下對接系統采用喇叭口式引導對接，整體結構與Remus對接裝置相似，對接系統和對接結構分別如圖8和圖9所示。

哈爾濱工程大學和中國船舶科學研究中心共同研制的AUV水下對接系統采用的是喇叭口式引導對接，對接系統和對接所用載體分別如圖10和圖11所示。這套對接系統已于2015年10月試驗成功。由于對接機構的入口尺寸相對較小，所以需要借助高精度的位姿測量技術、導航技術、自主規劃與運動控制技術來實現對接。為了獲得AUV對于對接機構入口的精確位置，哈爾濱工程大學團隊研制了超短基線導航定位技術系統，通過安裝在對接機構入口的應答器與AUV上的超短基線陣實現精準測距與定位。借助AUV搭載的水聲引導定位系統和慣性導航系統，通過完全自主規劃與決策以及智能運動控制，不斷調整自身姿態，以便在進入對接機構之前將自身調整至正對平臺入口，從而順利進入喇叭狀的對接機構，進行無線信息傳輸和水下無線充電。進入對接機構以后，該機構利用AUV上的吊耳進入對接機構上的導向板來限制橫滾并進行定位。通過在AUV正下方設置2個V形塊，驅動V形塊將AUV夾緊在對接框架和V形塊之間來完成AUV鎖緊。

浙江大學在中國科學院沈陽自動化研究所的“探索100”號AUV的基礎上研制了“海豚二號”，該AUV已于2017年5月在南海完成自主對接試驗。在50 m深的海域，AUV與海底觀測網非接觸式海底對接系統共進行了11次自主對接操作，成功對接10次。其水下對接機構采用的是喇叭口式引導對接，如圖12所示。喇叭口結構的入口直徑為1.1 m，呈60°錐角［24］。該對接系統采用電磁鎖緊技術實現AUV的固定，同時采用了無線充電和非接觸式數據傳輸［25］。

上述幾種典型AUV水下對接形式的結構各不相同，各具特點：

1）早期水下箱（籠）對接方式的定位精度和對接精度較低，技術難度低，效率高，方式靈活多樣，可靠性和安全性高，但對接回收系統復雜，且受海況及天氣等因素的制約，不利于隱蔽部署。

2）機械手或載體輔助式對接適用于潛艇上AUV的對接，對接方式比較復雜，專用性強，對AUV的運動控制能力要求很高，且其回收過程并非完全自主，對控制的精確程度要求很高。

3）桿類引導對接雖然對AUV的運動精度要求低，能夠實現360°的對接，但是需要對AUV增加類似于V形剪的結構，這對AUV的運動性能有所影響，而且對接系統結構復雜。

4）平臺阻攔索式對接的定位精度較高，對AUV的自導和動力系統要求較高，其對接成功率和定位精度不及桿類引導對接和喇叭口式引導對接。

5）對于喇叭口式引導對接，首先，無需對AUV進行改動或是改動較小，對AUV的運動性能影響不大；其次，由于喇叭口式引導對接采用的是敞口結構，即使AUV與對接機構的軸線不重合（偏差在一定范圍內），AUV也能在敞口結構的引導下完成對接。這種類型的對接系統不僅能降低末端引導要求，還能提供更可靠的鎖定裝置和保護外殼，以及更便利、可靠的充電與傳輸數據［26］。喇叭口式引導對接與其他類型相比具有更高的實用性和可靠性，是當今應用較為廣泛的AUV水下對接系統。

2 重型AUV水下對接系統研究

針對以上各種對接方式的優點及不足，中國科學院沈陽自動化研究所研究設計了一種針對重型AUV的喇叭口引導式水下對接系統，如圖13所示。

2017年12月，中國科學院沈陽自動化研究所在千島湖試驗場針對AUV水下對接關鍵技術進行了試驗驗證，試驗共進行10個條次，每個條次有3次對接機會，成功完成了全部10次對接。

對接過程中，AUV依靠搭載的慣性導航系統和USBL水聲導引定位系統提供的導航定位信息，航行到設定的懸停位置目標點，然后解算對接裝置的位置并調整自身運動姿態。完成目標位置的解算后，AUV定深航行，其橫截面中心深度需與對接裝置的中心深度一致，從而順利進入對接裝置內部，進行水下有線大功率充電。

AUV的水下對接過程是一個自主引導的過程，如圖14所示，其采用USBL水聲定位的方法來實現AUV與對接裝置的定位。由于水中存在水流和噪聲，會對水下對接精度產生很大的影響，所以該裝置采用了喇叭口式導向罩來引導AUV進入對接裝置，該導向罩在很大程度上保證了對接的成功率。同時，在導向罩上還均勻布置了應答器，用于接收AUV的聲吶信號，進而解算出AUV的位置和姿態，實現AUV與對接裝置之間的定位。AUV依靠慣性導航系統和水聲引導定位系統，通過自主決策和規劃的智能運動控制，不斷搜索跟蹤定位對接機構并調整自身的運動姿態，在對接前調整到正對入口的位置，從而保證AUV順利進入對接機構。

在AUV緩慢進入對接裝置的過程中，為了保護AUV艏部的聲吶設備，在對接裝置內壁安裝了保護板，以起到緩沖的作用。AUV經導向罩進入對接機構，在AUV主推進器停止動作后，依靠對接機構上的推進機構將AUV回推到指定位置。由于水下充電和數據傳輸拔插機構的移動范圍有限，故需對AUV進行軸向定位，即在喇叭口之后設計對接導向機構，導向機構采用整體筒狀結構，在AUV接觸到艏頂罩后，AUV主推進器關閉，然后再利用最大行程為200 mm的液壓缸推滿行程，回推AUV至指定位置，用以進行軸向定位。

AUV進入機構之后，為了對AUV進行定位校正，水平方向用推進機構定位，豎直方向用抱緊機構定位，并通過定位銷和AUV側面的三角槽實現矯正。為了減小對接后水流對AUV穩定性的影響，在對接機構上設計了一個對稱的限位夾緊機構，限位夾緊機構主要依靠液壓缸驅動連桿機構來完成。

AUV穩定對接之后，拔插機構即開始工作，對AUV進行充電和數據傳輸。考慮到對接存在誤差，在拔插機構上安裝了萬向節，以使拔插插頭能夠有一定幅度的擺動，從而實現柔性對接。液壓缸驅動接插件插頭與AUV載體上的接插件插座相連，進而完成連接，對AUV進行能源補充和信息傳輸。

3 結 語

AUV水下對接技術對搭建海底空間站和組建海底觀測網具有重要作用，是AUV在水下長時間作業的重要保證。隨著研究的不斷深入，對接技術會更加多元化，如實現AUV與USV的動態對接、AUV與對接機構的動態對接等，這對構成水下物聯網（UIoT）有著很大的幫助。水下對接技術將幫助人類更好地認識海洋，對民用和軍事領域均具有較大的應用價值。