AUV 自主回收捕獲機構設計與分析

2021-01-19 08:10:50白桂強谷海濤王子慶李寧高偉

艦船科學技術 2020年12期

白桂強，谷海濤，王子慶，李寧，高偉

(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. 中國科學院機器人與智能制造創新研究院，遼寧沈陽 110016；3. 中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

自主水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle）回收方式主要有罩籠式、著陸式、捕獲式、機械臂式[1-5]。捕獲式回收優點是：AUV 在水中能夠實現與對接目標的全方位對接，受海洋環境的干擾相對較小，對接可靠性較高[6]。圖1（a）為佛羅里達大西洋大學設計的捕獲式回收裝置，該裝置捕獲范圍大，對AUV 航行精度要求低，但該裝置不能自主脫離回收纜繩，故不適用于自主收放AUV[7]。圖1（b）為佛羅里達大西洋大學設計的捕獲式回收機構，該機構與USV（Unmanned Surface Vehicle）配合可完成AUV 自主收放工作。該機構結構簡單，由伺服電機直接驅動捕獲裝置，捕獲范圍大，但是受力易損壞，承載能力小[8]。圖1（c）為Hydroid 公司為REMUS AUV 研制的LCLR（LineCaptureLine Recovery）模塊化回收機構，AUV 航行時，該機構可回收至AUV 形體內部，對AUV 航行阻力影響小，但該機構回收AUV時需要支反力，故不適用于動態回收AUV[9]。OdysseyII AUV 可利用其簡單可靠的夾持機構捕獲回收纜繩，但是該機構的導向桿不能閉合，對AUV 的操縱性有不利影響[10]。圖1（d）為洛克希德·馬丁公司為MARLIN AUV 設計的捕獲式回收機構，該回收機構結構復雜，AUV 航行時機構可收入AUV 形體內部[11]。

本文結合捕獲式回收技術特點以及國內外研制的捕獲式回收機構，設計由導向機構與鎖緊機構組成的捕獲式回收裝置。所設計回收機構結構簡單，受力不易損壞，捕獲范圍大，能夠共形。只需更改該機構部分設計參數便可適用于不同直徑的AUV。本文以直徑為250 mm 的AUV 為載體進行設計與分析，如圖2 所示。AUV 用多普勒測速儀、電子羅盤以及超短基線組合導航，具有良好的定點、定向、定深航行能力。動基座由USV 以及拖曳裝置——V 型翼組成。USV 采用差分GPS 與電子羅盤組合導航，具有穩定的定點、定向、定速航行能力。V 型翼外形為三角形，其自身具有深度及姿態穩定能力。采用Adams 軟件對回收機構進行動力學分析，以研究導向機構長度及開口半徑對于AUV 回收過程的影響；采用Star-ccm+流體分析軟件研究AUV 回收機構外形對于AUV 航行影響。

圖 1 回收機構圖Fig. 1Recovery mechanism diagram

圖 2 便攜式AUVFig. 2Portable AUV

1 機構設計

1.1 回收方案設計

根據AUV 回收特點，將AUV 回收過程分為導引過程與對接過程。導引過程分為遠距離聲學與近距離光學導引。在10 km 范圍內，聲學通信與定位系統性能優越[12]，AUV 利用超短基線與動基座進行定位后，以1.5 m/s 速度駛向動基座。AUV 與動基座距離較近時聲學導引誤差大，而近距離時光學導引精度高。藍綠光可視距離在水下最遠100 m[12]，試驗表明在千島湖水質（光學衰減系數：0.6 m-1）中光導引最大作用距離為15 m，因此當AUV 與動基座距離為10～15 m 時由聲學導引轉換為光學導引。光學導引設備由光學傳感器——攝像機以及燈標組成。直徑為1 m 的燈標安裝于V 型翼后方，光源為藍光。由于水下攝像機存在開角，因此AUV 距離動基座較近時會進入攝像機盲區。攝像機開角為45°時不同對接高度的盲區范圍如圖3 所示。對接高度1 m 一方面可以滿足AUV 定深精度要求，另一方面可以減小A U V 回收時盲區距離。AUV 進入光學導引盲區后由導引過程轉換為對接過程。對接過程中，AUV 自主定深定向航行直至完成對接回收。回收對接場景如圖4 所示。

圖 3 攝像機45°開角時盲區范圍Fig. 3The camera Angle of 45° open blind area range

圖 4 對接場景圖Fig. 4Illustration of the recovery scenario

1.2 回收機構組成

回收機構分為導向機構與捕獲機構，二者均為曲柄滑塊機構。回收機構由直流電機，絲杠螺母，推桿，導向機構，捕獲機構，機架，回收機構外殼以及承力結構件等組成。直流電機驅動絲杠螺母，從而推動推桿驅動導向機構與捕獲機構運動。機構主要組成部分如圖5所示。其中，圖5（a）為導向機構部件，圖5（b）為捕獲機構部件。

AUV 回收機構與纜繩對接過程如圖6 所示。導向桿導向回收纜繩至回收機構末端時，回收纜繩阻斷到位檢測裝置——對射型紅外線傳感器發射端與接收端信號，傳感器產生低電平觸發信號，使電機驅動捕獲爪產生捕獲動作將纜繩捕獲。AUV 航行時，導向機構可回收至AUV 形體內部以減小回收機構對于AUV 航行阻力。

圖 5 回收機構部件Fig. 5Recovery mechanism component

圖 6 對接過程簡圖Fig. 6Schematic diagram of recovery process

圖 7 回收機構幾何關系簡圖Fig. 7Geometric relationship of recovery mechanism

1.3 機構設計

由圖3 可知，AUV 進入光學導引盲區到捕獲完成，需要進行相對距離為4.5 m 的自主航行。AUV 與動基座之間相對速度為v，AUV 運動速度為V，AUV 自主航行偏航角為θ，則AUV 自主航行偏航距離L 為：

圖7 為AUV 回收機構幾何關系簡圖，F1為AUV推進器產生推力，AUV 方向舵與俯仰舵產生最大力矩為MZ，可得出導向機構開口半徑K1范圍：

導桿與回收纜繩之間不能自鎖。回收纜繩表面材料為橡膠，導向桿材料為金屬，兩者之間摩擦系數μ 約為0.5[13]。AUV 直徑為D，魚雷形AUV 長度與直徑比值小于11 時航行阻力小[14]。AUV 控制段，能源段等固有長度為I，因此導向機構長度為l4與導向機構半角 α 應滿足：

本文針對實驗室直徑為250 mm 的AUV 進行設計，對接最大航行速度V 為1.5 m/s，自主航行偏航角θ 為±1°，AUV 推進器推力F1為20 N，方向舵與俯仰舵產生最大力矩為MZ為6 N·m。便攜式AUV 控制段，能源段，推進段等固有長度2 100 mm。由此可得出AUV 導向機構尺寸為：

回收纜繩直徑為10 mm，取安全裕度為3，即捕獲機構開口直徑K2為3 倍纜繩直徑。捕獲機構為曲柄滑塊機構，其運動副為線高副，受力容易被破壞。因此，在回收機構末端設計承力結構可與回收纜繩上的回收球形成平面副接觸，優化整個回收機構的受力，承力結構如圖8（a）所示。針對該結構進行強度校核，施加載荷為150 kg 時其應力如圖8（b）所示。由圖可知，該結構最大應力41.56 MPa，為不銹鋼屈服極限的17.8%。

圖 8 承力結構Fig. 8Bearing structure

2 機構分析

回收纜繩在導桿最外端與導桿接觸時，兩者之間接觸力對于AUV 重心力臂最大。在與纜繩碰撞過程中，隨AUV 與回收纜繩之間接觸力矩變大，AUV 航行穩定性變差，當接觸力矩超過AUV 本身扶正力矩，將導致AUV 失穩。開口半徑K1相同時，機構半角α 越大，導桿長度越小，如圖9 所示。因此，機構開口半徑不同，對于AUV 對接過程穩定性影響不同。用ADAMS 動力學仿真軟件與Star-ccm+流體力學仿真軟件，對不同開角下導桿長度對于AUV 對接過程的影響進行分析。

圖 9 導向桿尺寸關系Fig. 9Dimension relation of guide rod

2.1 回收機構動力學仿真分析

在對接過程中，AUV 回收機構與回收纜繩的碰撞屬于剛性體與柔性體碰撞，采用ADAMS 多體動力學仿真軟件進行AUV 與纜繩對接過程碰撞力的分析，研究導向桿長度與開角對于AUV 對接過程穩定性影響。

在對接過程中，AUV 與動基座相對速度為0.5 m/s。3 級海況回收AUV 時[15]，回收深度應大于3 m，纜繩長度為5 m。將長度為5 m 的纜繩離散為通過柔性連接副連接的圓柱體，以此建立多剛體動力學模型近似回收纜繩，文中主要采用軸套力連接近似模擬鋼絲繩。ADAMS 中提供的軸套力柔性連接實際上是一個6 分量的彈簧結構，通過定義3 個力分量和3 個力矩分量在2 個構件之間施加1 個柔性力。該方法所建立的回收纜繩模型剛度低，柔韌性和彈性好，適合對短程拖令系統[16]。由文獻[16]可知，直徑為10 mm 的鋼絲繩軸套力剛度系數如表1 所示。

表 1 纜繩軸套力剛度系數Tab. 1 Stiffness coefficient of axle sleeve force of cable

USV 以不同速度拖曳V 型翼時，其產生下壓力與阻力不同導致纜繩傾角不同，V 型翼產生的阻力與下壓力及纜繩傾角如表2 所示。進而導致AUV 回收機構與纜繩對接過程中所受力與力矩不同。

表 2 V 型翼產生阻力與下壓力Tab. 2 Drag and downforce generated byV-shaped wings

AUV 質量為100 kg，在重心處施加980 N 豎直向上的力以模擬AUV 在水中的零浮力狀態。計算導向機構開口半角α 為22.5°，30°，37.5°，45°，52.5°，60°時，AUV 以0.5 m/s 的相對速度撞擊4 種不同傾角的纜繩，共計24 種工況下的接觸力以及力矩。Constant_BDF 求解器為剛性穩定算法，可直接求解DAE方程，采用SI2 積分格式時，求解加速度與力精度高，采用該模型能滿足本文分析需求。圖10 為AUV以不同開角與回收纜繩對接是所受回轉力矩大小。圖11為AUV 以不同開角與回收纜繩對接時所受俯仰力矩大小。

圖 10 對接時AUV 回轉力矩Fig. 10Rotation of AUV colliding with cable

圖 11 對接時AUV 俯仰力矩Fig. 11Pitching of AUV colliding with cable

圖10～圖14 中：A 表示開角為45°，B 表示開角為60°，C 表示開角為75°，D 表示開角為90°，E 表示開角為105°，F 表示開角為120°。由圖11 與圖12 可得出，隨AUV 導向機構開角增大，對接過程中AUV 所受回轉力矩與俯仰力矩增大；開口半徑相同時，對接時V 型翼速度越大，AUV 所受回轉力矩與俯仰力矩越大。

2.2 回收機構水動力仿真分析

為減小AUV 運動時阻力，降低AUV 航行能耗，回收機構在閉合時需回收至AUV 形體內部。開口半徑K1相同時，不同的開口半角 α 所對應的AUV 長度如表3 所示。采用計算流體力學軟件Star-ccm+批處理功能，計算不同長度的AUV 分別以0.75 m/s，1 m/s，1.25 m/s，1.5 m/s 速度運動時所受阻力。

圖 12 回收機構閉合時的阻力Fig. 12Resistance of closed recovery mechanism

圖 13 回收機構打開時AUV 所受阻力Fig. 13Resistance of open recovery mechanism

圖 14 AUV 壓力云圖Fig. 14Pressure cloud of AUV

表 3 不同開口半角α 所對應的AUV 長度Tab. 3AUV lengths corresponding to different opening

圖12 為AUV 回收機構閉合時AUV 所受阻力。由圖可知，導向桿越長，AUV 運動時所受阻力越大；AUV 開口半徑不變時，AUV 運動速度越大，AUV 所受阻力越大。圖13 為AUV 回收機構打開時AUV 所受阻力。由圖可知，AUV 回收機構打開時，AUV 運動所受阻力略有增加；隨AUV 運動速度增加，AUV 所受阻力逐漸增大。

AUV 回收機構為不規則外形，為減小AUV 航行阻力，設計球形與橢球形兩種回外形包裹回收機構，并針對2 種外形進行水動力仿真計算。圖14（a）為AUV外形為球形壓力云圖，圖14（b）為外形為橢球形壓力云圖。由圖可知，AUV 在運動時產生壓力主要區域為回收機構區域。不同外形下AUV 所受阻力計算結果如圖15 所示。其中曲線A 為橢球形回收機構外形，曲線B 為無回收機構時AUV 首部外形，曲線C 為球形回收機構外形。由圖可知，回收機構外形為橢球形時AUV 所受阻力與無回收機構時AUV 所受阻力相當，且明顯小于回收機構外形為球形。

圖 15 不同外形AUV 運動所受阻力計算結果Fig. 15Resistance for different AUV shapes

由ADAMS 及Star-ccm+仿真結果可知，當回收機構開角大于90°時，AUV 與纜繩對接過程中所受力矩大于AUV 扶正力矩，影響AUV 穩定性；回收機構開角小于75°時，AUV 航行阻力大于螺旋槳推力。因此選擇開角為75°的回收機構進行外場試驗。

3 試驗驗證

為驗證回收機構可靠性以及回收機構對于AUV 對接過程穩定性影響，進行湖上試驗。通過湖上試驗，獲取AUV 偏航角、深度數據等信息。AUV 航行深度如圖16 所示。其中曲線A 為實際深度，曲線B 為目標深度。由圖可知，AUV 航行深度偏差±0.1 m，均方差0.16 m。AUV 航行航向角數據如圖17 所示。其中曲線A 為實際航向，曲線B 為目標航向。由圖可知，AUV航行偏航角為±1°。由AUV 深度及偏航角數據可知，加裝回收機構后AUV 航行精度滿足回收需求。