AUV 水下對接的發展與應用現狀

袁學慶，刁家宇,，李衛民，張晉效，徐 龍

(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 110169；3.遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121000)

0 引 言

自主式水下機器人（autonomous underwater vehicle，AUV）作為海洋探索的一種有力工具，被廣泛應用于水文觀測、海洋監測、地質和生物調查等領域[1]。各種領域的工作都需要AUV 在水下獨立自主完成，但是AUV 的水下工作存在功耗大和自身所能攜帶的能源有限等問題，使得AUV 在能源耗盡前需要返回水面支持平臺進行能源補充。這將消耗大量的人力和物力成本，且工作效能受到極大限制。經過近幾年相關領域的探索和研究，發現可以通過在水下建立對接DOCK 的方法解決此類問題[2]。水下對接系統具有廣泛的研究前景[3-5]，目前大量的國內外學者對此展開了深入的研究和探索，并取得了一定成果。本文針對一系列研究進展，以宏觀視角對國內外先進研究成果分別從AUV 水下對接系統的分類、AUV 水下對接系統作業過程、AUV 水下對接精度的角度進行歸納和分析，并探討對接技術在未來的發展趨勢。

1 AUV 水下對接系統的分類

近幾年，國內外研究學者根據不同的對接條件設計了多種AUV 水下對接系統[6]。其中美國具有代表性的科研成果有Woods Hole Oceanographic Institution 研發的Odyssey-IIB，Hydroid 公司開發的REMUS-100，Naval Ocean Systems Center 研發的Free Swimmer 和MBARI 研究所研發的Bluefin；日本各研究機構的代表性成果有川崎重工研制的Marine Bird 和東京大學研制的Tri-TON2；在歐洲方面，具有代表性的研究主要有Liverpool 大學研制的Swimmer；韓國則是Humanoid Robot Research Center 研制的ISIMI；中國為中國科學院沈陽自動化研究所和哈爾濱工程大學分別研發的“潛龍”號和“海靈”號對接AUV，同時，浙江大學等也均不同程度地為AUV 的水下對接技術做出了一定貢獻。

根據目前國內外具有代表性的研究成果，按照自動化實現難度將AUV 水下對接系統分為3 類：以繩索、桿類為對接目標的捕捉式對接方式；以圓錐導向罩和籠箱類為對接目標的包容式對接方式；以水下平臺為對接目標的落座式對接方式。其中由于以繩索、桿類為對接目標的捕捉式對接需要大量人工參與，且難以一次完成對接，所以該對接方式自動化程度最低；以圓錐導向罩和籠箱類為對接目標的包容式對接可以通過導向罩進行引導對接，允許的誤差范圍較大，且僅需要往前推動AUV 運動即可完成對接，因此該方式自動化程度最高；而以水下平臺為對接目標的落座式對接方式類似于飛機著陸的對接方式，該方式沒有明顯的缺點和優點，因此該對接方式自動化程度為中等。表1 給出了水下對接系統的分類對比[7-9]。

表1 水下對接系統的分類對比Tab.1 Classification and comparison of underwater docking systems

以繩索、桿類為對接目標的捕捉式對接方式可以通過在AUV 上安裝繩索和桿類的對接目標進行捕捉對接。典型的以繩索、桿類為對接目標的捕捉式對接方式的水下對接系統有Odyssey-IIB 水下對接系統和美軍遠期防水雷計劃項目研究的LMBS 水下對接系統，對接結構如圖1 所示[10-11]。其中，Odyssey-IIB 水下對接系統的機構由V 形剪和對接桿組成，當A U V靠近對接機構時，V 形剪就會觸發彈簧，捕捉桿被頂到一側，定位桿進入槽中會被捕捉桿鎖住。美軍遠期防水雷計劃項目研究的LMBS 水下對接系統可以利用魚雷管來進行發射和回收AUV，該潛艇裝有分別存放機械手和存放AUV 的2 具魚雷發射管，機械手在魚雷發射管內部，可進行向外伸展并捕獲AUV，通過液壓驅動的關節進行捕獲，AUV 可以在機械手的操作下，被放入另一具魚雷發射管中。

圖1 以繩索、桿類為對接目標的捕捉式對接結構Fig.1 Capture docking mode with rope and rod as docking targets

以圓錐導向罩和籠箱類為對接目標的包容式對接結構，需要AUV 進入對接管或對接箱籠內完成對接。該類裝置通常使用漸縮形的入口裝置進行導向，使AUV 進入預定的軌道，順利完成對接。典型的以圓錐導向罩和籠箱類為對接目標的包容式對接方式結構有REMUS AUV 水下對接系統和“海靈”號水下對接裝置，對接結構如圖2 所示[12-13]。其中，REMUS 自主式無人潛器的對接目標分兩部分組成，一是圓錐導向罩，二是對接管，在其導向罩的上方安裝有用于AUV和對接目標進行互動的搜索的聲學設備[13-14]。哈爾濱工程大學在中國船舶科學研究中心研究成果基礎上，研制了一種喇叭口式的引導對接裝置。該套系統于2015 年完成海試成功，類似于REMUS 對接系統。同時，中國科學院沈陽自動化研究所研究的水下對接系統、浙江大學的“海豚二號”、日本東京大學研制的KOLABOT 對接系統，西班牙“赫羅納大學”研發的Sparus 對接系統也與之類似。

圖2 以圓錐導向罩和籠箱類為對接目標的包容式對接結構Fig.2 Inclusive butt structure with cone guide cover and cage type as butt target

平臺坐落式對接原理類似于在航空母艦上艦載飛機著陸方式，不再垂直降落。當AUV 接收到對接命令，會對準水下平臺緩慢降落，然后利用鎖緊機構進行鎖緊對接。對接裝置包括坐落平臺、導引索、阻攔索、掛鉤等設備。典型的以水下平臺為對接目標的落座式對接方式的研究有日本川崎重工研制的Marine Bird 和中國科學院沈陽自動化研究所的“探索者”號，對接結構如圖3 所示[15-17]。其中，Marine Bird 水下回收系統的回收過程類似于飛機著落的過程，同時AUV下腹有2 個V 字形的捕捉臂，當AUV 接近平臺時，捕捉臂便會鎖緊對接平臺。1994 年12 月，中國科學院沈陽自動化研究所研制成功的中國第一臺潛深1 000 m的無纜水下對接機器人“探索者”號，在坐落過程中采用4 個捕捉臂捕捉裙帶口進行鎖緊，水下對接平臺可以自動確定方向和深度。該AUV 已經順利完成海上的回收試驗。

圖3 以水下平臺為對接目標的落座式對接結構Fig.3 Seated docking structure with underwater platform as docking target

2 AUV 水下對接系統作業過程

在AUV 水下對接過程中，可以根據對接距離、對接時所需信息和傳感器等因素階段劃分對接過程，以方便針對AUV 對接問題進行精確優化[18]。根據使用的傳感器、水下環境和需要的定位信息等因素，將AUV 水下對接過程劃為3 個階段：遠程階段、中程階段和近程階段。表2 為各個階段的描述和對比。

表2 各個對接階段的信息對比Tab.2 Comparison of information at each interconnection stage

遠程階段又稱“預接駁階段”，是AUV 發射后，運動到被探知平臺前的過程[19]。遠程階段不能直接進行通信或定位，該階段可以利用LBL 和GPS 定位技術、慣性導航儀或磁羅經進行導航。遠程階段的位置信息通常需要獲得對接平臺相對于AUV 的相對距離、水平方位角和垂直方位角。該階段適合的傳感器為聲學、探測、GPS 傳感器。

中程階段是指當AUV 與對接平臺開始定位后，AUV 開始調整自己的角度和深度，往對接平臺處航行的過程。該階段通常使用超短基線定位系統（USBL）或LBL 進行聲音定位[20-21]。由于中程階段對接方式比較復雜，因此將AUV 中程階段的水下對接方式劃分為全向型對接和方向型對接進行討論。對于全向型的對接平臺，AUV 可從任意方向進行對接，所需的定位信息為平臺相對AUV 的相對距離、水平方位角和垂直方位角。對于方向型對接平臺，受可控自由度限制，路徑需要重新規劃，其需要的對接信息有平臺相對AUV及其AUV 相對平臺的相對距離、水平方位角和垂直方位角[22]。有關中程階段用到的傳感器文獻較少，通常來講，中程傳感器可以使用遠程傳感器和近程傳感器相結合的辦法進行信息測量[23]。除此之外，采用USBL 導航也是已經被證實可行的方法[24]。

進程階段是最后的引導和捕獲，當AUV 接近對接平臺時，通過高精度的測量傳感器，進行精確的導航定位，采用推進的方式與對接平臺直接對接的最終過程[25]。近距離階段需要準確獲取AUV 與對接平臺的相對位置、姿態和相對速度。由于在近程階段不需要調整位姿和深度，因此在近程階段只需要少量且精準的定位信息，只要控制好航速和距離既可以完成對接。該階段適合的傳感器為電磁、光學、視覺傳感器[26-28]。

整個對接流程圖如圖4 所示。

圖4 水下對接流程圖Fig.4 Flow chart of underwater docking

3 AUV 水下對接精度的問題

AUV 的水下技術研究尚未成熟，目前仍存在一系列的問題，尤其在對接精度方面。如AUV 在解決水下由渦流等不確定因素引起的干擾問題和選取處理圖像信息的合理對接算法等。表3 為對接精度問題的簡略分析。

表3 對接精度問題Tab.3 Docking accuracy problem

相對于空間的對接問題，水下的對接最主要的問題就是流體的干擾。流體干擾會嚴重影響對接的精度。AUV 在水下對接過程中最可能遇到流體干擾有以下3 種：①海流和波浪的干擾；②海底或龐大物體的輪廓流場干擾；③AUV 與水下平臺非定向的移動，自發引起周圍的流場改變。相對單種流體干擾問題，多種流場問題的耦合會更加復雜。對海流的擾動有2 種解決方法：①建立海流模型，把模型算法加入AUV 的六自由度方程中，運用新的算法進行控制；②對于圓錐導向罩或模塊箱形的對接裝置，可以使對接目標入口順著海流方向。對于波浪影響可以根據波浪參數建立頻譜回歸方程，使AUV 的算法加入波浪的動態模型，以減少擾流的定位誤差。對于水中龐大的物體引起的擾動，可采用流體力學的計算軟件或理論計算進行控制，常用的理論計算方法有勢流理論及其粘性流N-S 方程理論[29-33]。

由操作和導航引起的對接問題通常會導致在規定時間和地點內AUV 偏離對接目標或未能找到對接目標。這一系列問題是AUV 能否對接成功的關鍵問題。對于AUV 對接過程中的操作問題，可以采用基于混雜系統的控制算法、模糊控制算法、分層遞階控制算法和評價函數算法等實現水下過程中的控制，以達到優化對接時間、減少耗能、減少碰撞率的目的。而對于導航問題，可以通過選擇合適的導航傳感器的類型來提升對接的準確率。同時，在控制準確對接的工作下，還要進行失誤檢測。常用的失誤檢測方法可以借助水面監控和水下對接通信技術實現。對于防止對接失誤的方法中，哈爾濱工程大學設計的水下對接系統采用水下對接裙的方法，也可以引導AUV 順利進度對接航道。為了萬無一失，在對接結束后，應設置對接失誤策略。若AUV 未發現對接目標，則AUV 應通過水面遙控或自主航行到初始位置進行二次對接，Odyssey-IIB AUV 便有此功能[34]。

合理的控制算法也能保證對接的最終精度。對接控制策略是AUV 根據海洋環境、流體干擾、對接狀態、對接裝置的性能等因素制定最合理對接路徑的策略，目的是減少AUV 在水下的對接時間和對接失誤，并保證最終順利完成對接。對接控制策略和控制算法相對應，常用的水下對接控制策略有基于混雜系統的控制算法、模糊控制算法、分層遞階控制算法和評價函數算法。

1）混雜系統的控制算法是基于連續變量和離散變量的動態系統混合而成的系統算法[28]。在對接過程中，將各個對接階段分別設置一個離散子目標狀態，并建立監督控制模型。當水下對接過程比較復雜時，可以使用基于混雜系統的控制算法。

2）模糊控制算法的優勢是在整個對接過程中不需要詳細的了解周圍的環境，它可以根據AUV 的姿態和性能，把對接過程分為若干個單元，隨著AUV 越來越接近對接平臺，對接精度也會越來越精確[35]。

3）分層遞階控制法是將對接的控制算法分層處理，每層都有獨立的執行功能，執行上層的同時，也會對下層進行監控。通常對接控制可以分為3 層：規劃層、決策層、執行層。規劃層進行目標任務規劃；決策層對每個目標進行詳細方案的制定；執行層完成決策層的命令[36]。

4）水下對接可采用對速度和位置的匹配評價進行控制引導，這個過程可采用現行二次校正器控制，需要同時懲罰額外的能量消耗，且最終的相對距離要求為0[37]。

4 發展方向和關鍵技術討論

根據國內外的最新研究成果，AUV 對接系統的發展方向如下：以錐形罩類DOCK 為主的適用性更強的對接方式；范圍更廣的控制和導航技術；涵蓋DOCK不同狀態的對接方式；搭載通用性的標準化對接接口；基于神經網絡的智能對接算法。

4.1 以錐形罩類DOCK 為主適用性更強的對接方式

根據前文分析，對接系統可以分為以繩索、桿類為對接目標的捕捉式對接方式；以圓錐導向罩和籠箱類為對接目標的包容式對接方式；以水下平臺為對接目標的落座式對接方式。然而第1 種對接方式需要配備較長的繩或桿，水中水流對其會造成不可估量的影響；第3 種對接平臺式對接對AUV 軌跡的精準度要求較高；唯有第2 種，可以在改造后的情況下結構更符合流體力學原理且具有導向的作用。同時現階段，國內外學者對對接裝置的研究更傾向于第2 種對接方式，即以圓錐導向罩和籠箱類為對接目標的包容式對接方式。李開飛等[38]通過對錐形對接裝置的對接過程進行了多體動力學的理論分析；王香[39]利用ADAMS對錐形對接裝置的對接過程進行了多體動力學的仿真模擬；閆鵬[40]對錐形對接裝置的對接過程進行了水動力學分析等。

隨著國內外學者的研究，錐形罩的結構逐漸由錐形發展到凹型，由實心狀發展到蜘蛛網狀，但如何減少AUV 第一次接觸DOCK 時產生的碰撞載荷和如何通過導向罩形狀減小AUV 前進時由水流帶動的阻力等問題仍需解決。未來還需在目前已有的錐形導向罩上繼續升級，使AUV 更快、更精準、更堅固地與DOCK進行對接?；贏DAMS 的對接流程圖和基于Star 的對接流程圖如圖5 所示。

圖5 水下對接仿真流程圖Fig.5 Flow chart of underwater docking simulation

4.2 范圍更廣的控制和導航技術

由于水中存在一系列的水流和障礙物等問題，使得AUV 精確對接尤為復雜，因此可靠的控制和導航技術是保證AUV 對接的核心和關鍵技術。合適的控制和導航技術可以測量AUV 相對DOCK 的位置和速度，并按照預設的算法形成制導指令，通過姿態控制系統控制DOCK，使其按著預定的軌道順利對接。

隨著控制技術的發展，依靠優秀的控制技術完成了許多對接試驗：Hydroid 公司[41]進行了Hydroid REMUS 100 型號的AUV 發射和回收試驗，試驗中DOCK始終浮于水面之上，對接時通過制導系統進行音頻導航，經AUV 拉緊DOCK 捕捉線的末端完成對接。PALOMERAS N 等[42]進行了Sparus II 型號AUV 的對接試驗，對接裝置通過光學和聲學制導系統輔助對接，最后通過錐形罩導向接駁。

然而上述試驗研究在對接范圍和操作條件上都存在一定的局限性。這些操作方法的實現需要有以下條件：AUV 的加速度和速度恒定；DOCK 完全是靜止狀態；忽略對接過程中電流的干擾。以上文獻的試驗也是在保證AUV 和DOCK 足夠近的情況下進行的。雖然控制方法的通用性比較強，但是上述控制方法僅適合于AUV 最終對接過程的接駁階段。因此還需要更加復雜和范圍更廣的控制技術。

4.3 涵蓋DOCK 不同狀態的對接方式

傳統的AUV 對接通常是假設DOCK 被固定在地基中進行對接，然而隨著科技的發展，這種靜態對接方式已經不再滿足現在的技術需求。因此動態對接是現在急需解決的一個問題。

在仿真層面，沈陽自動化研究所通過機械系統動力學自動分析仿真軟件ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)和控制仿真軟件Matlab/Simulink 分別對AUV 和DOCK 建立了靜對接、懸浮對接和拖拽對接3 種對接運動接駁方案，并通過不同對接方案分析了對接時的水動力和碰撞力[43]。在試驗層面，國內外多家研究機構進行了各種關于動靜的運動狀態對接試驗。2018-2019 年期間，沈陽自動化研究所首次通過AUV 和水下基座的自主式試驗研究，驗證了動靜與動動對接技術，試驗中水深為7 m 處，對接后需要進行自主充電和數據傳輸。其中動靜試驗共進行了10 次對接，全部對接成功。動動對接試驗共進行了22 次對接，全部對接成功。

雖然簡單的動態問題已經試驗成功，但其技術還不夠成熟，未來應該具有保證更準確、更迅速的動態對接技術，同時還需涉及對接的追趕動態對接和相向動態對接問題。其中，不同狀態對接方式的示意圖如圖6 所示。

圖6 不同模式的水下對接示意圖Fig.6 Schematic diagram of different modes of underwater docking

4.4 搭載通用性的標準化對接接口

接口問題尚未出現實質性的進展，但在未來的發展中，水下對接的通用性將是必不可少的功能。標準化的接口可以保證通用性和多功能性，包括不同型號AUV 之間的對接和不同型號DOCK 之間的對接，使對接平臺成為集成的對接交換站。標準化接口的出現將會開辟一個全新的對接技術領域，對信息和能源的水下傳輸具有重要意義。

4.5 基于神經網絡的智能對接算法

根據船舶動力學分析，船舶通常有6 個自由度需要考慮，即縱搖，搖擺，升沉，橫搖，俯仰和偏航；而水面運動僅需要3 個自由度，即橫搖、橫搖和偏航。通過分別設置船舶與干擾模型構建神經元。船舶狀態和環境信息可以作為輸入參數，其中減緩狀態包括位置、航向、船舶在各自由度的力和速度以及推進器的狀態，環境信息包含個自由度的水流大小、方向和作用力，通過敏感度分析得到關鍵參數作為輸入輸出參數。訓練樣本可以來自真實的船舶對接或仿真模擬。對訓練完成的神經網絡進行優化求解得到。最終，理想結果是可以通過神經網絡持續輸出船艦航速及角度順利進入DOCK。其控制策略可由圖7 表達。

圖7 智能對接的神經網絡流程圖Fig.7 Neural network flow chart of intelligent docking

5 結 語

1）本文介紹各個國家對于AUV 水下對接系統的研究成果。同時，為進一步闡明AUV 水下對接系統的結構，根據形態結構以及對接目標，將AUV 水下對接系統分為3 類并分別舉例講解：以繩索、桿類為對接目標的捕捉式對接方式；以圓錐導向罩和籠箱類為對接目標的包容式對接方式；以水中平臺為對接目標的落座式對接方式。

2）根據對接裝置和運動形式，對國內外AUV 水下對接系統的對接階段進行劃分，劃分為遠程階段、中程階段和近程階段，同時分析了每個階段所需要的信息。之后介紹了水下對接技術常用到傳感器，根據3 個階段進行介紹，其中遠程階段適合用聲學傳感器、測深傳感器和GPS；中程階段適合用USBL 超短基線進行定位導航；近程階段可以用電磁傳感器，視覺、光學傳感器進行定位導航。在實際工程中AUV 應采用多種傳感器的聯合工作。

3）介紹AUV 水下對接的對接精度問題。首先介紹水下對接的干擾問題，分別分析·海流和波浪的干擾、海底或龐大物體的輪廓流場干擾、AUV 與水下平臺非定向的移動，自發引起的周圍的流場的改變的3 種流體干擾問題；隨后從操作控制和導航兩方面提出了對接失誤的解決策略。最后總結了4 種常用的水下對接控制策略：基于混雜系統的控制算法、模糊控制算法、分層遞階控制算法和評價函數算法。

4）對AUV 對接的關鍵技術和發展方向從以下5 個方向進行探討和分析：以錐形罩類DOCK 為主的適用性更強的對接方式；范圍更廣的控制和導航技術；涵蓋DOCK 不同狀態的對接方式；搭載通用性的標準化對接接口；基于神經網絡的智能對接算法。為接下來關于AUV 水下對接的研究方向提供參考。

水下對接技術是AUV 水下回收、能源補充、信息傳遞的關鍵技術，隨著水下對接技術的不斷發展，AUV 對接的相關技術會更加成熟，涉及AUV 對接的相關領域將更加豐富，AUV 作為海底觀測網系統的組成也會發揮越來越重要的作用。