AUV水下對接裝置的實現及試驗

國婧倩，鄭 榮，呂厚權,3，李默竹，梁洪光

(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，沈陽 110016；2. 東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819；3. 中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

AUV通常自帶能源在水下工作，工作時間和航行距離都有限制，這就需要回收以補充能量、讀取信息和維護保養[1]，但其釋放和回收過程繁瑣復雜，且耗時費力，存在安全隱患。因此需要水下對接技術，在不借助第三方設備的情況下，通過與海底觀測網提供的接口及其他可能設備連接[2]，使AUV自主完成充電、數據傳輸和新的任務下載。

自20世紀90年代初至今，國內外研究學者設計了各種AUV水下對接系統[3]，其形式主要可以劃分為5類：水面起吊回收式[4]、魚雷管回收式、捕捉對接式[5]、包容對接式、平臺對接式[6]，其中包容對接式能最大限度減少對AUV外部的修改，對聲學導航、AUV運動穩定性、航行控制和水阻力等基本不產生影響。國外典型的有美國WHOI研發的REMUS AUV[7]對接裝置[8 – 10]，MBARI 研制的 Dorado AUV 對接裝置[11 – 12]，Hydroid公司的REMUS100水面拖曳裝置[13]，Bluefin-12 的原型 UUV 對接補給站測試[14 – 15]，韓國海洋工程研究中心的“ISIMI”AUV 對接裝置[16 – 18]；國內主要有哈爾濱工程大學的對接裝置[19], 浙江大學研制的“海豚二號”對接裝置[20 – 21]，沈陽自動化研究所的水下主動捕捉式對接平臺[22]和基于燈光導引的AUV水下對接裝置[23]，以及中國船舶重工集團的AUV水下接駁站[24]。水下對接系統在未來海底觀測網絡系統中具有廣泛的應用前景，將為推動我國各類深海潛水器的應用奠定技術基礎，具有一定的理論意義和工程應用價值。

1 問題描述

目前國內外的包容式水下對接裝置頂端均與AUV首部直接接觸限位，軸向無法調整，定位精度不高；為保證插拔成功率，對AUV入塢時的橫滾姿態要求嚴格；非接觸充電方式通信緩慢，且裝置體積較大，增大AUV自身負載。本文介紹的對接裝置主要解決水下大功率有線充電和精準定位插拔兩大問題。

2 AUV 水下對接裝置研究方案

結合待對接AUV的工作環境、工作特點及技術要求，針對各個對接功能需求進行相應機構的設計，設計本著結構簡單、利于運輸、可靠性高、定位精度高、充電效率高、數據傳輸能力強、模塊程度高、適用性廣的原則。

2.1 需求分析

AUV的水下對接是一個自動引導的過程，本裝置采用超短基線（USBL）聲學定位技術，為保證對接成功，其產生的功能需求有：導向調整、緩沖保護、限位鎖緊、定位校正、水下插拔、無線電水下通信、液壓系統實時控制、對接裝置姿態檢測、水下有線充電及數據傳輸等。基于以上功能需求分析，進行相應的機構模塊設計。

2.2 工作原理

本文的對接裝置主要將直徑534 mm的作業型AUV作為對接目標，對接過程為：AUV入塢→軸向限位→鎖緊→姿態校正→插拔傳輸。超短基線位于導向罩外側，AUV首部攜帶聲吶，通過聲學通信提供AUV和對接裝置間的位置和姿態信息。裙口式導向罩利用弧線實現錐口的漸縮過渡，逐步引導AUV入塢。框架首尾兩端的行程開關傳感器檢測到AUV到位信息時，首部推行機構已對AUV進行軸向限位，同時驅動限位夾緊機構夾持AUV首部，檢測到液壓缸到位信息后，驅動首部推行機構配合定位銷實現AUV的最終完全定位，達到接插件與接插座的對中精度，最后水下插拔機構完成插拔任務，對接完成。充電與數據傳輸完成后，釋放AUV。

2.3 方案設計

AUV水下對接裝置主要包括水面部分、水下電子艙、液壓站3大部分，如圖1所示。水面部分通過主纜與電子艙連接，完成攝像監控、下達指令、數據存儲等功能。嵌入式控制器等元件密封在電子艙內，并提供對外接口，通過液壓站驅動三大機構按順序執行相應動作并收集液壓缸到位信息。無線電、TCM5、行程開關等各類傳感器位于外部，與電子艙共同實現對接裝置與AUV間的無線通信、信息反饋、大功率有線充電、數據傳輸等功能。

圖 1 對接系統總體構成Fig. 1 System composition of the dock

2.4 AUV定位及姿態校正方法

保證對接成功的根本就在于滿足接插件與接插座的對中精度要求，為此提出一種AUV姿態校正方法，尤其是對其橫滾姿態的校正，如圖2所示。AUV首部自身攜帶三角槽，弧板對AUV環抱限位，同時定位銷進入AUV首部三角槽內，首部推行機構使AUV向后移動，通過定位銷對三角槽運動的限制實現AUV姿態校正，定位銷到達三角槽頂端且微受力狀態時，校正完成，此時定位銷軸線與AUV軸線位于同一水平面。

此方法是在AUV成功入塢后，再進行姿態校正，因此降低了AUV入塢前的姿態要求，增加了入塢成功率，在進行橫滾姿態校正的同時，完成了AUV軸向和橫向的限位。取校正某一環節，設AUV首部為以質點，以頭部為正視方向，其受力分析如圖3所示，其中F1為首部推行機構提供的向內軸向力；f2為定位銷與三角槽間的向外摩擦力；M為定位銷提供的轉矩；q左與q右分別為弧板提供的均布載荷。

圖 2 AUV 橫滾姿態校正方法Fig. 2 AUV attitude correction method

圖 3 AUV 首部受力分析Fig. 3 Force analysis of the head of AUV

3 AUV 水下對接裝置方案實施

3.1 結構設計

AUV水下對接裝置結構原理如圖4所示，主要由首部推行機構、限位夾緊機構、水下插拔機構、導向罩、超短基線、行程開關等組成，整體全長4.7 m。內部設有ABS板，對入塢后的AUV起到緩沖保護功能，框架內切圓直徑為580 mm。

圖 4 AUV 水下對接裝置模型圖Fig. 4 The structure schematic diagram of underwater AUV docking device

1）首部推行機構

首部推行機構主要進行軸向動作，采用液壓缸驅動實現懸掛支撐塊在導向軸上做直線往復運動，通過首頂罩與AUV首部部分接觸，實現對AUV的有效緩沖及軸向定位。此間AUV首部與首頂罩之間會產生碰撞，需對首頂罩進行強度分析，基于液壓缸最大推力為 2 000 N，對首頂罩在 2 000 N 的壓力下進行靜態分析，如圖5所示。

圖 5 2 000 N 作用力下首頂罩的位移云圖Fig. 5 The displacement cloud map of top cover under 2 000 N

通過對首頂罩的靜力分析可知，在2 000 N作用力下，其最大變形量為0.824 6 mm，滿足工程實際需要。

2）限位夾緊機構

基于AUV回轉體的外形，限位夾緊機構采用兩端對稱方式，同步驅動。利用弧板取代傳統的V形板，將線接觸轉換為面接觸，2個弧板并列，后排的弧板對AUV姿態起到輔助作用。機構中加入了中間板，可進行尺寸微調，實現弧板環抱直徑322.5～662 mm，本試驗使用542 mm環抱直徑。液壓缸驅動過程中，兩側弧板中心間距變化如圖6所示。

圖 6 弧板間距變化曲線Fig. 6 Curve of distance change between arc plates

3）水下插拔機構

水下插拔機構是水下對接的最終執行機構，對接成功與否取決于接插件是否順利進入AUV攜帶的插座。AUV在對接裝置內定位后，不能保證插座每次的位置都相同，因此，接插件與插座存在位置或角度的偏差，為保證對接精度，考慮插拔力的存在，使用彈簧和萬向節組合，即可被動補償偏差又可承受拉力，彈簧參數如表1所示。

3.2 控制體系

水下對接裝置控制體系主要分為水面控制終端、水下控制系統和外部設備等3部分，總體構成如圖7所示。控制系統既可以配合AUV實時判斷其狀態，自主控制完成水下對接工作，也可以人為控制，實現水下有線大功率充電及通信的功能。

表 1 圓柱螺旋壓縮彈簧參數Tab. 1 Parameters of cylindrical helical compression spring

圖 7 控制體系構成Fig. 7 The composition of the control system

水面控制終端主要由控制計算機、串口服務器和高壓直流電源構成。控制計算機可以顯示對接裝置的狀態以及載體的信息，還可以發送指令控制裝置的動作。水下控制系統是整個對接裝置的控制核心，其主要包括電源分配轉換單元、控制器單元、控制管理單元、充電單元以及串口服務器等。電子艙通過水密電纜與液壓站及傳動機構、傳感器以及無線電等外部設備相連接，為其提供電能、驅動信號并采集反饋信息。

3.3 液壓體系

對接過程中，一個完整的動作順序為：夾緊→推行→插入→拔出→收回→釋放。綜合考慮，液壓系統選定為并聯系統，方向控制閥選用具有中封功能的三位四通電磁閥，液壓源為定量泵加溢流閥的組合方式，系統采用回油路節流調速回路，原理如圖8所示，其中閥箱A1孔為備用油路。

根據對接裝置負載大小，考慮液壓缸起動摩擦力、動摩擦力、液壓缸機械效率等因素，確定液壓缸主要參數。本設計中液壓缸為單活塞桿液壓缸，根據公式確定液壓缸的內徑和缸桿截面積，進而確定系統的最大工作流量。式中：F為外負載；ηm為液壓缸機械效率；A1為無桿腔工作面積；A2為有桿腔工作面積；P1為無桿腔工作壓力；P2為有桿腔工作壓力；D為缸筒內徑；d為缸桿直徑。

圖 8 液壓系統原理圖Fig. 8 Hydraulic system diagram

4 水池試驗

基于理論指導與分析搭建試驗平臺，關鍵部件使用鋁合金(5A06)。對接裝置通過4根吊帶由吊車吊起，放入水池中，微露水面，AUV在距離對接裝置約2 m的位置航向導向罩，對接流程如圖9所示。

圖 9 水下對接流程Fig. 9 The underwater docking process

水池試驗結果表明：對接裝置能夠穩定可靠地實現對AUV的鎖緊與插拔，其機械結構是可行的，且試驗中發現AUV撞擊導向罩后，懸掛的對接裝置產生微晃動，該晃動有利于AUV進入對接裝置。

5 結 語

本文在分析國內外各種形式對接裝置的結構特點和功能后，基于目前存在的問題，設計的AUV水下對接裝置主要特點如下：

1）采用直接接觸充電方式，通訊快速，充電效率高、數據傳輸能力強；

2）內部結構簡單，可穩定有效的調整AUV姿態，可靠性及插拔精度高；

3）對AUV入塢時的橫滾姿態要求低，工程應用價值高；

4）具有很大的通用性，適合不同尺寸的AUV；

5）對接裝置處于柔性狀態比剛性狀態更利于AUV入塢。

未來實際應用中水下對接裝置需要固定于某一平臺，使對接裝置能夠滿足姿態、方向等調節需要，后續將對固定平臺進行研究設計，以滿足工程需求。