AUV 自主收放裝置結構及控制系統設計

趙軍齊，常進官

(1. 中國人民解放軍92765 部隊，海南 三亞 572000；2. 中國船舶集團公司第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650118)

0 引 言

隨著海洋機電控制技術的發展，人類對海洋的探索和研究不斷向深海和遠海擴展[1–5]。由于AUV 具有良好的實時性、連續性及可移動性的特點，因此被廣泛地應用于海洋資源環境的勘測和開采過程中[5–10]。在AUV 的收放過程中，傳統的回收方式是在母船上起吊回收，人為參與完成掛鉤任務，這種方式受風浪的影響較大。為了提高AUV 的使用保障能力，需要針對AUV 的自主收放技術展開研究。

近年來，國內外針對AUV 收放技術開展了一定的研究。陳佳倫[11]提出一種基于AUV 和USV 的一體化作業系統。基于一體化系統，設計了一種USV 水面動對動回收AUV 作業流程，經過外場試驗驗證了水動力模型和仿真結果的準確性和可靠性。郝啟[12]設計了自主回收 AUV的裝置結構。對回收機械臂的自由度、關節類型、驅動方式、材料進行了分析選擇以及對機械臂的連桿進行了優化設計。王志敏[13]設計了一種基于PLC 控制的可以在船舶航行條件下對AUV 進行釋放和回收操作的裝置，設計了釋放回收結構、液壓系統設計、電氣控制系統。裴宏廣[14]設計了一種適合于較大型AUV 的專用收放裝置，操作簡便、安全，不需要其他特殊的設備配合，即可獨立完成AUV 的入水和回收作業。

雖然目前的國內外科研機構針對AUV 的收放技術進行了一定的研究，然而以往的研究主要集中在部分機械結構設計與基本功能實現，很少涉及機構的運動學特性分析及控制研究。針對現有AUV 收放存儲的技術難以滿足工作需求的狀況，本文設計了一套AUV 收放存儲裝置，可用于AUV 的布放及回收。針對現有AUV 收放存儲的技術難以滿足工作需求的狀況，設計了各部分的機械結構，并通過系統校核驗證了結構設計的合理性。同時，設計了AUV 收放存儲裝置控制系統，實現了對機械液壓執行器的精密控制、傳感器的數據采集、系統狀態參數顯示、試驗參數調整、工作狀態監控和安全報警等功能，能夠對控制系統的控制流程進行輔助判斷和安全保障。

1 AUV 收放存儲裝置組成

AUV 收放存儲裝置由固定架、控制臺、吊機裝置、絞車、定滑輪、鋼絲繩、收放架等部分組成，各部分功能如下：

1）固定架

固定架布置于靠近船舷處，總長約6 m，由不銹鋼支架和鎖緊裝置組成。固定架用于存儲AUV。

2）電控系統

電控系統由控制臺和傳感器組成。電控系統主要實現AUV 收放存儲裝置的收放控制，顯示收放狀態等功能。

3）吊機裝置

吊機裝置包括液壓系統、立柱、旋轉吊臂、伸縮吊臂、回轉油缸、伸縮油缸、掛載頭等。吊機裝置能夠完成旋轉、俯仰和伸縮運動，利用固定于掛載頭處的收放架可完成對AUV 的布放和回收。

4）絞車

絞車本體由卷筒、安裝底座、減速機（傳動機構）、改向輪組成。絞車主要用來收放、存儲鋼絲繩。絞車本體能實現鋼絲繩收放速度以及纜繩張力控制。定滑輪與吊機掛載頭鉸接，實現鋼絲繩的轉向。

5）鋼絲繩

鋼絲繩纏繞在絞車卷筒上，一端固定于絞車內，另一端經過定滑輪轉向穿過收放架并在末端安裝卡扣。當回收AUV 時，由潛水員將收放架中部的鋼絲繩與A U V 中部吊耳連接，操作員操作絞車回收將AUV 牽引至收放架下

6）收放架

收放架總長3.95 m，采用不銹鋼材質，包括旋轉運動調節機構、俯仰運動調節機構以及鎖緊機構。旋轉運動調節機構掛載在吊機掛載頭處，完成對鎖緊機構的水平旋轉調節。俯仰運動調節機構連接在旋轉運動機構上，完成鎖緊機構的垂直俯仰調節。鎖緊機構由電動卡盤將AUV 抱死，電動卡盤內部覆有軟橡膠，增大與AUV 之間的摩擦，回收中可對AUV 與收放架之間碰撞起到緩沖作用。收放架中部引出一根鋼絲繩，回收時與AUV 中部吊耳連接?？刂婆_安裝在吊機裝置底座上，所有裝置均布置于露天近水環境，AUV收放存儲裝置應滿足潮濕、雨淋的工作環境要求，達到IP65 以上的防護要求。

2 主要設計參數

1）動力

輸入：220 V 兩相交流電、380 V 三相交流電。

2）吊車技術參數

承載能力：不低于3 t。

3）收放約束范圍

吊車裝置可旋轉、下探，調節范圍以水面高度離船舷垂直距離4 m 為約束。

4）收放架姿態調整范圍

收放架可旋轉調節和俯仰調節，旋轉角度可0～180°連續調整，俯仰角度可在水平±30°連續調整。

5）安裝環境限制

滿足潮濕、雨淋的工作環境要求，達到IP65 以上的防護要求。設備滿足?10°C ～ 50°C 的工作環境溫度要求。

3 AUV 收放存儲裝置工作流程

AUV 收放存儲裝置分為控制柜、吊機、絞車和收放架4 個部分，系統的組成結構如圖1 所示?？刂乒耠娍叵到y主要實現AUV 收放存儲裝置的收放控制和收放狀態的顯示，包括吊車的控制、絞車的收放、收放架的控制等；吊機主要實現能夠完成旋轉、俯仰和伸縮運動，利用固定于掛載頭處的收放架可完成對AUV的布放和回收；絞車實現鋼絲繩收放速度以及纜繩張力控制；收放架完成AUV 鎖緊機構的水平旋轉調節、垂直俯仰調節和AUV 抓取等操作。

圖1 AUV 收放存儲裝置總體結構圖Fig. 1 The overall structure diagram of AUV autonomous retractable device

AUV 收放裝置的整體工作流程如圖2 所示。釋放時，吊車機構旋轉至存儲架正上方，調整收放架角度至與AUV 平齊，下放收放架并抓取AUV，然后將存儲架上的AUV 鎖緊裝置松開。吊機將AUV 提起并旋轉至甲板外，吊機懸臂下探至海面附近，收放架松開，AUV 入水，吊車旋轉至甲板內，布放完成。

圖2 AUV 收放流程Fig. 2 The deployment and recovery of AUV

AUV 結束任務后，上浮至水面距尾弦一定距離后，開始回收。吊車懸臂梁旋轉至甲板外并下探至海面附近。此時潛水員將收放架中部的鋼絲牽引繩與AUV 中部吊耳連接，絞車開始回收，通過鋼絲繩將AUV 牽引至收放架正下方，調整收放架旋轉調節機構和俯仰調節機構后抓取并鎖緊AUV，通過吊車將AUV 回收至存儲架，存儲架將AUV 鎖緊，回收完成。

4 AUV 收放存儲裝置結構設計

4.1 吊機裝置設計

吊機裝置如圖3 所示，包括液壓系統、立柱、旋轉吊臂、伸縮吊臂、回轉油缸、伸縮油缸、掛載頭等。

圖3 吊機裝置Fig. 3 The crane device

吊機自重約2 t，安裝空間900×900 mm，最大起重質量5 t，最大起重力矩10 t·m，工作半徑10 m，額定功率20 kW，液壓系統額定壓力28 MPa，推薦流量40 L/min，回轉角度360°，可滿足使用要求。

4.2 絞車系統設計組成及原理

絞車系統由卷筒、改向輪、底座、伺服電機、減速機和鋼絲繩等組成。

鋼絲繩纏繞在卷筒上，另一端經過定滑輪轉向穿過收放架并在末端安裝卡扣。絞車底座安裝在吊車懸臂梁上，卷筒采用伺服電機+減速機的方案驅動。由于AUV 存在正浮力，因此絞車實際負載力只需克服空氣阻力和水阻力等，暫按照100 kg 負載力進行設計。

卷筒直徑400 mm，負載100 kg，按照最大收放速度0.2 m/s，可做如下計算：

1）靜態最大輸出功率

P=1 000 N×0.2 m/s=200 W，

考慮減速器及機械傳動部分效率，取0.85，則理論計算的驅動電機靜態功率為235.3W；

2）卷筒速度

w=（0.2m/s）/（0.4m/2）=1rad/s=60 r/min。

3）卷筒扭矩

考慮最大卷筒直徑時，卷筒扭矩最大，T=1 000 N×0.4 m/2=200 N·m。

4）動態性能

考慮到該絞車張力跟隨系統中，卷筒和減速器慣量對系統動態性能的影響，取4 倍系統靜態功率：

253.3 W×4=1.013 kW，可選擇安川伺服電機，型號SGMGV13DDA6C，減速機采用1∶25，功率1.3 kW，額定轉矩8.34 N·m，瞬時最大轉矩23.3 N·m，額定轉速1 500 r/min，最高轉速3 000 r/min，防護等級IP67。

5）系統校核

該減速電機：額定輸出轉速60 r/min，滿足纜繩速度要求。

該減速電機減速比為25，伺服電機額定扭矩為8.34 N·m，則減速電機額定輸出扭矩為：8.34×25=208.5 N·m，遠大于負載所需扭矩。

該伺服減速電機系統最大動態扭矩為：582.5 N·m，因此能滿足系統動態扭矩控制需求。

4.3 收放架設計組成及原理

收放架如圖4 所示，由旋轉運動調節機構、俯仰運動調節機構以及鎖緊機構組成，鋼絲牽引繩從收放架頂部的約束口中穿過與AUV 連接。

圖4 收放架總體結構Fig. 4 The overall structure of retractable frame

旋轉運動調節機構掛載在吊機掛載頭處，完成對收放架的水平旋轉調節。如圖4 所示，旋轉運動調節機構由錐齒輪組和步進電機組成。步進電機通過脈沖控制旋轉角，可完成旋轉運動機構的360°連續調節。

步進電機采用雷賽86CM120，防護等級IP65，具備大扭矩、高平穩、低發熱、高一致性等特點，保持轉矩12 N·m，采用高減速比的錐齒輪組，可滿足旋轉調節要求。

俯仰運動調節機構連接在旋轉運動機構上，完成收放架的俯仰角調節。采用力士樂CDT3 系列精密液壓油缸，體積小，推力大，可滿足功能要求。

鎖緊機構由電動卡盤將AUV 抱死，電動卡盤內部覆有軟橡膠，增大與AUV 之間的摩擦，回收中可對AUV 與收放架之間碰撞起到緩沖作用。

5 AUV 收放存儲裝置控制系統設計

AUV 收放存儲裝置控制系統由控制臺、傳感器系統及電纜組成?？刂婆_由吊車控制器、PLC 控制單元、觸摸屏操作單元、人機接口單元及電源系統組成，完成對機械液壓執行器的精密控制、傳感器的數據采集、系統狀態參數顯示、試驗參數調整、工作狀態監控和安全報警等功能，同時能記錄與處理試驗數據，是整個系統最為核心的一部分。傳感器系統對關鍵位置進行狀態監測，如纜繩張力、釋放長度、收放架姿態角等，對控制系統的控制流程進行輔助判斷和安全保障。

5.1 吊機運動學建模

為了安全地吊放AUV，需要根據各級臂架和臂頭的相對位置，確定吊車臂頭在起重作業平面的位置。

分別在臂頭、外動臂、內動臂、基座上建立坐標系，考慮內外動臂變幅、伸縮運動，則根據齊次坐標變換方程可得臂頭在基礎坐標系中的實時齊次坐標為[15]：

因此, 吊車的作業幅度和相對作業高度為：

其中，xo4o3和yo4o3反 映外動臂伸縮長度， θ1和 θ2代表臂架變幅角度，設 γ為折臂全縮狀態下，外動臂軸線O3O4與坐標系 {O3}的x軸負向的夾角。L代表外動臂實時長度，因此：

通過吊車的位移傳感器和角度檢測器和檢測到的長度、角度實時信息，計算吊車臂頭相對基座的坐標，從而控制吊車根據作業高度和幅度來吊放AUV。

5.2 控制系統總體結構

控制系統的總體結構如圖5 所示，由吊車控制器、PLC 控制系統、觸摸屏、人機接口、電源系統、電連接器、傳感器系統及電纜組成。

圖5 控制系統總體結構圖Fig. 5 The overall structure diagram of control system

吊車控制器完成對吊車的旋轉、起降和伸縮控制。

PLC 采用西門子1 200 系列，具備結構緊湊、安裝方便、拓展靈活、處理能力強等優點。CPU 上集成了4 個100 kHz 的高速脈沖輸出，用于步進電機或伺服驅動器的速度和位置控制。這4 個輸出都可以輸出脈寬調制信號來控制電機速度、閥位置或加熱元件的占空比。PLC-DQ 模塊用于控制收放架鎖緊機構和直線電機的動作，其中直線電機安裝電位計，通過AD 采集模塊采集推桿位置進行閉環控制。PLC-DI 模塊采集限位接近開關、鎖止到位行程開關等位置信號。確保收放流程的安全性。

5.3 軟件設計

軟件主要功能包括：

1）動作流程控制

合理設計收放流程，在設備運動到正確的位置時開放動作權限，通過自動或手動的模式控制執行器運動到位。

2）安全策略設計

針對收放流程中存在風險的幾個流程進行安全設計，設置位置保護、張力保護等環節。

3）絞車位置/速度控制

根據目標調整纜長發送脈沖控制指令給伺服電機驅動器進行位置/速度控制，同時應進行張力保護，避免張力過大（以AUV 重量*1.5 為限制條件）損壞鋼絲繩索。

5.4 人機操作面板設計

控制系統的人機操作可分為3 個部分：觸摸屏操作、實體按鈕操作和吊車控制器操作。

觸摸屏操作與PLC 控制系統關聯，包含與收放架及絞車控制系統相關聯的操作。觸摸屏主要提供人機交互操作界面，并實時顯示試驗狀態參數。

實體按鈕操作包括電源開關機、急停開關和關鍵執行器的動作控制按鈕。

圖6 人機操作面板設計Fig. 6 The design of man-machine operation panel

6 結 語

針對現有AUV 收放存儲的技術難以滿足工作需求的狀況，本文設計了一套AUV 收放存儲裝置，可用于AUV 的布放及回收。解決了傳統AUV 收放技術的難題，提高了AUV 收放的智能化水平。