羊云石 顧海東

（第七一五研究所，杭州，310012）

AUV水下對(duì)接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

羊云石 顧海東

（第七一五研究所，杭州，310012）

AUV水下對(duì)接技術(shù)是一種可以為AUV提供能源補(bǔ)充和信息交換的系統(tǒng)，從而極大地增強(qiáng)AUV的長(zhǎng)期及遠(yuǎn)程工作能力。通過(guò)接駁形式、接駁傳感器、接駁控制策略、水下傳輸技術(shù)四個(gè)方面的綜述，闡述了AUV水下對(duì)接的方法、相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。

AUV；水下對(duì)接；信息交換；能源補(bǔ)充

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自主式水下無(wú)人航行器（AUV）作為探索海洋空間的有力工具之一，在軍事和科學(xué)研究方面起著越來(lái)越重要的作用。未來(lái)的AUV需要更長(zhǎng)的水下工作時(shí)間、更大的自主性、更隱蔽的情報(bào)收集能力、更高速的數(shù)據(jù)分析速度以及更強(qiáng)大的通信能力。而這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要受到自身攜帶能源和水下通信兩個(gè)因素的限制。由于幾十年來(lái)電池技術(shù)一直沒(méi)有獲得突破性進(jìn)展，AUV的水下工作時(shí)間仍然很短，需要頻繁的回收和布放。此外水聲通信速率較低，AUV難以及時(shí)回傳所收集到的數(shù)據(jù)。兩者均極大增加了AUV的使用成本，降低了其工作效率。因此，AUV水下對(duì)接技術(shù)作為一種為其提供能源補(bǔ)充與信息交換的補(bǔ)給支持系統(tǒng)就顯得十分必要。

1 AUV水下對(duì)接形式

上世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外研究者根據(jù)各自AUV的不同特點(diǎn)和對(duì)接目標(biāo)，設(shè)計(jì)出了各種AUV水下對(duì)接系統(tǒng)，主要可以分為三類[1]。

1.1 捕捉式對(duì)接

捕捉式對(duì)接是指AUV利用頭部捕捉裝置捕捉對(duì)接裝置上的繩索、桿類等導(dǎo)向目標(biāo)，然后沿導(dǎo)向裝置運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)接。該種對(duì)接方式的優(yōu)點(diǎn)主要是可以全方位對(duì)接，受周圍環(huán)境影響較小，對(duì)接的可靠性較高；缺點(diǎn)是對(duì)接基站的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)對(duì)水下航行器的改動(dòng)也較大。這種對(duì)接方式中最具有代表意義的是美國(guó)的Odyeesy II AUV水下對(duì)接系統(tǒng)，原理如圖1所示[2]。AUV在超短基線的引導(dǎo)下駛向?qū)友b置，然后依靠前進(jìn)沖量實(shí)現(xiàn)頭部V型捕捉裝置與垂直桿的對(duì)接，并通過(guò)電磁感應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行充電和信息傳輸。該型AUV水下對(duì)接裝置由Woods Hole海洋研究所和MIT海洋實(shí)驗(yàn)室共同研制，應(yīng)用于海洋自主采樣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（AOSN）。

圖1 Odyeesy II AUV捕捉式對(duì)接裝置

1.2 包容式對(duì)接

包容式對(duì)接是指對(duì)接裝置采用導(dǎo)向罩或者籠箱等結(jié)構(gòu)形式對(duì)AUV進(jìn)行導(dǎo)向，使AUV進(jìn)入對(duì)接管或者對(duì)接箱籠內(nèi)完成對(duì)接。包容式對(duì)接中的對(duì)接裝置本身可以包容AUV，在對(duì)接口附近采用漸縮形的入口裝置對(duì)AUV進(jìn)行引導(dǎo)，使其進(jìn)入預(yù)定軌道實(shí)現(xiàn)兩者的對(duì)接。這種形式的對(duì)接方式較容易受到海流的影響，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)接裝置本身并不是特別復(fù)雜，也不需要對(duì)水下航行器進(jìn)行特別的改造，并且在AUV對(duì)接后具有保護(hù)作用。

典型的包容式對(duì)接裝置有美國(guó)的REMUS AUV水下對(duì)接系統(tǒng)[3]（圖2）和MBARI研究所開(kāi)發(fā)的水下對(duì)接系統(tǒng)[4]（圖3）。

圖2 REMUS AUV包容式對(duì)接裝置

圖3 Bluefin AUV包容式對(duì)接裝置

REMUS對(duì)接裝置由Woods Hole海洋研究所研制，由圓柱型塢站和錐形引導(dǎo)口組成，采用超短基線引導(dǎo)AUV回歸，并用水密電連接器進(jìn)行充電和數(shù)據(jù)傳輸。MBARI研究所為Bluefin AUV開(kāi)發(fā)的水下對(duì)接系統(tǒng)基本與REMUS對(duì)接裝置相似，主要應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中。

1.3 平臺(tái)式對(duì)接

平臺(tái)式對(duì)接是指AUV采用飛機(jī)降落的方法降落于對(duì)接平臺(tái)上，鎖定對(duì)接的形式。該種形式的對(duì)接方式與飛機(jī)在航空母艦上的降落情形非常相似。該方式對(duì)水下航行器的動(dòng)力系統(tǒng)以及自導(dǎo)系統(tǒng)要求較高，具有代表意義的是日本的Marine-bird水下對(duì)接系統(tǒng)，對(duì)接原理示意圖見(jiàn)圖4[5]。該對(duì)接平臺(tái)通過(guò)短基線引導(dǎo)AUV回歸，并用V型攔截裝置捕捉AUV下方的掛鉤，最后通過(guò)感應(yīng)線圈進(jìn)行充電。

圖4 Marine bird水下對(duì)接平臺(tái)

2 接駁傳感器

AUV要實(shí)現(xiàn)對(duì)接功能，必須實(shí)時(shí)測(cè)量其與對(duì)接裝置的距離、方位和深度信息。根據(jù)傳感器的原理不同，現(xiàn)階段國(guó)外AUV采用的對(duì)接傳感器有三類：聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器和電磁傳感器。

2.1 聲學(xué)傳感器

AUV使用的聲學(xué)傳感器一般指的是超短基線（USBL）。與其他幾種傳感器相比，聲學(xué)超短基線的作用距離遠(yuǎn)（大于2000 m），受到的環(huán)境影響相對(duì)較小，因此國(guó)外大多數(shù)AUV對(duì)接技術(shù)都采用超短基線（USBL）作為其主要對(duì)接導(dǎo)航定位方式。如美軍使用最廣泛的水下無(wú)人航行器-REMUS AUV就采用了高精度數(shù)字式USBL作為其對(duì)接傳感器（圖5）。該型USBL模塊布置于AUV頭部，對(duì)接引導(dǎo)距離達(dá)到3000 m，分辨力小于0.5o。美海軍多次海試表明，REMUS AUV在超短基線的引導(dǎo)下能從幾海里外，準(zhǔn)確地進(jìn)入直徑僅為80 cm的錐形導(dǎo)向罩內(nèi)，單次對(duì)接成功率達(dá)到60%[3]。

圖5 REMUS頭部USBL基陣

2.2 光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器在AUV對(duì)接技術(shù)中的使用有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，其近距離探測(cè)精度能達(dá)到厘米級(jí)，特別適用于入口較小的對(duì)接裝置，例如AUV魚(yú)雷管回收。但是光學(xué)傳感器受到海水清晰度的影響很大，有效作用距離很近（小于30 m），一般均要與聲學(xué)傳感器（USBL）配合使用。目前基于視覺(jué)感知的AUV對(duì)接技術(shù)尚處于研制階段，例如韓國(guó)研究機(jī)構(gòu)正在研究魚(yú)雷型AUV與錐形對(duì)接裝置的視覺(jué)導(dǎo)航接駁技術(shù)，如圖6所示[6]。

圖6“ISiMI”AUV光學(xué)導(dǎo)向裝置

整個(gè)視覺(jué)導(dǎo)引裝置包含五盞信標(biāo)燈（布置于錐形入口處）、CCD攝像機(jī)（AUV頭部）以及信號(hào)處理DSP，作用距離10~15 m，通過(guò)圖像處理來(lái)識(shí)別信標(biāo)光源，從而計(jì)算出對(duì)接裝置的距離和中心位置，并結(jié)合視覺(jué)伺服控制算法引導(dǎo)AUV進(jìn)入對(duì)接口。

2.3 電磁傳感器

早在1990年代中期，美國(guó)MIT Sea Grant Program Odyssey AUV就設(shè)計(jì)了基于電磁場(chǎng)導(dǎo)航的對(duì)接裝置[7]。電磁傳感器克服了光學(xué)傳感器的易受干擾的缺點(diǎn)，且對(duì)接精度也較高。1996年在Buzzards灣的試驗(yàn)表明，該電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的有效作用距離為25~30 m，對(duì)接精度為小于20 cm。但是由于技術(shù)較復(fù)雜、傳感器尺寸較大、需要與USBL配合使用等因素使其與光學(xué)傳感器一樣，在AUV對(duì)接導(dǎo)航中的使用較少。

3 接駁控制技術(shù)

AUV對(duì)接過(guò)程中的控制技術(shù)就是根據(jù)AUV的操縱性能、采取的對(duì)接形式、對(duì)接傳感器的種類、對(duì)接目標(biāo)的位置以及海洋環(huán)境等因素，制定出AUV合理的對(duì)接航行策略，規(guī)劃出最佳路徑，最后根據(jù)航行策略選取某種控制算法實(shí)現(xiàn)AUV水下對(duì)接。

無(wú)論是美國(guó)的REMUS AUV對(duì)接系統(tǒng)還是MBARI研究所開(kāi)發(fā)的Bluefin AUV水下對(duì)接系統(tǒng)，都采用了類似的航行策略，即將接駁過(guò)程分為兩個(gè)階段：回歸航行階段和精確接駁階段（圖7），各階段的詳細(xì)對(duì)接流程如圖8所示[4]。

圖7 AUV接駁過(guò)程控制路徑示意圖

圖8 AUV對(duì)接控制流程示意圖

3.1 回歸航行階段控制

AUV自主航行至USBL信號(hào)覆蓋范圍以內(nèi)，采用追蹤制導(dǎo)方式接近對(duì)接裝置，過(guò)程中調(diào)整AUV，使其始終朝向USBL信號(hào)方向，以保持可以得到最大信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)USBL信號(hào)強(qiáng)度足夠時(shí)，AUV利用自身羅盤、USBL測(cè)向和測(cè)距信息來(lái)計(jì)算就位點(diǎn)（接駁裝置中心軸延長(zhǎng)線上的一點(diǎn)），并駛向該就位點(diǎn)。

3.2 精確接駁階段控制

AUV到達(dá)就位點(diǎn)后，沿接駁裝置軸線向接駁裝置靠近。此時(shí)控制方式不再采用追蹤制導(dǎo)方式，而是采用沿固定路線前進(jìn)的控制方式，并且AUV在距接駁裝置200~100 m遠(yuǎn)的地方進(jìn)行減速，為控制層提供足夠的時(shí)間去消除航向超調(diào)量，并降低接駁撞擊力。該種控制方式要求AUV沿著固定路線接近接駁裝置，需要對(duì)以下方面展開(kāi)研究：海流對(duì)航向產(chǎn)生的影響；USBL數(shù)據(jù)刷新期間的AUV航跡推算及誤差消除。

此外，對(duì)接失誤策略也是AUV對(duì)接控制技術(shù)的必要部分。當(dāng)AUV沒(méi)有對(duì)接成功，應(yīng)根據(jù)AUV與對(duì)接目標(biāo)間的通信來(lái)確認(rèn)，并采取對(duì)接失誤策略，重新開(kāi)始接駁。

4 接駁傳輸技術(shù)

AUV水下對(duì)接技術(shù)的最終目的就是實(shí)現(xiàn)AUV的能源補(bǔ)充（充電）、任務(wù)下載、探測(cè)數(shù)據(jù)上傳等功能。要實(shí)現(xiàn)這些功能，對(duì)接系統(tǒng)必須有可靠、高效的水下能量、信息傳輸裝置。目前，AUV與對(duì)接裝置間的傳輸技術(shù)可以分為兩大類：接觸式插拔傳輸和非接觸式感應(yīng)傳輸。

4.1 接觸式插拔傳輸技術(shù)

接觸式插拔傳輸方式具有原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸穩(wěn)定高效的特點(diǎn)。一旦連接成功，傳輸過(guò)程幾乎不受任何海洋環(huán)境的影響。但是在深海、無(wú)人工操縱的條件下能準(zhǔn)確、牢固地完成一般的水密連接器插拔十分困難。為此，實(shí)現(xiàn)接觸式插拔傳輸技術(shù)的關(guān)鍵在于具有特殊功能的水密電連接器與配套的插拔動(dòng)力裝置。該套系統(tǒng)需要具備自動(dòng)導(dǎo)向?qū)φ?、便捷鎖緊與松開(kāi)、不受海水壓力影響的帶水濕插拔能力。圖9為REMUS AUV對(duì)接系統(tǒng)采用的插拔機(jī)構(gòu)及其原理圖[3]。

圖9 REMUS AUV插拔機(jī)構(gòu)原理圖

4.2 非接觸式感應(yīng)傳輸

與接觸式插拔傳輸方式相比，非接觸式感應(yīng)傳輸可以做到對(duì)海水的完全可靠密封，不存在海水腐蝕連接器和精確對(duì)準(zhǔn)等一些問(wèn)題。但其主要缺點(diǎn)是能量傳輸效率較低，美國(guó)Florida Atlantic University 為AUV水下對(duì)接開(kāi)發(fā)的電磁充能系統(tǒng)總效率也僅為48%[4]。此外，由于數(shù)據(jù)傳輸使用的是無(wú)線電磁波方式，容易受到外界干擾而不穩(wěn)定。圖10為國(guó)外某AUV水下對(duì)接裝置使用的感應(yīng)傳輸器件。

圖10 AUV對(duì)接感應(yīng)傳輸器件

5 總結(jié)

AUV水下對(duì)接技術(shù)是AUV能源補(bǔ)充、信息交換的關(guān)鍵技術(shù)，未來(lái)無(wú)論在民用領(lǐng)域，如海洋探測(cè)、科學(xué)考察，還是軍用領(lǐng)域，如水下無(wú)人作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)、AUV反潛（反水雷）戰(zhàn)均有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。隨著AUV水下對(duì)接技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)對(duì)未來(lái)AUV的使用理念、使用方式帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

[1]燕奎臣,吳利紅. AUV水下對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 機(jī)器人, 2007,29(3):267-273.

[2] HANUMANT SINGH , JAMES G BELLINGHAM , FRANZ HOVER , et al. Docking for an autonomous ocean samplingnetwork[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4):498-514.

[3] BEN ALLEN, TOM AUSTIN, NED FORRESTER , et al. Autonomous docking demonstrations with enhanced REMUS technology[J]. OCEANS , 2006, 18-21:1- 6.

[4] ROBERT S MCEWEN, BRETT W.HOBSON, LANCE MCBRIDE, et al. Docking control system for a 54-cm-diameter(21-in) AUV[J]. IEEE Journal of OceanicEngineering, 2008, 33(4): 550-562.

[5] KAWASAKI T, NOGUCHI T, FUKASAWA T, et al. "Marine Bird", a new experimental AUV - results of docking and electric power supply tests in sea trials[C]. OCEANS’04 MTS/IEEE TECHNO-OCEAN’04, 2004, 3:1738-1744.

[6] JIN-YEONG PARK, BONG-HUAN JUN, PAN-MOOK LEE, et al. Experiment on underwater docking of an autonomous underwater vehicle ‘ISiMI' using optical terminal guidance[C]. OCEANS-Europe, 2007:18-21.

[7] MICHAEL D FEEZOR, PAUL R BLANKINSHIP, JAMES G BELLINGHAM, et al. Autonomous underwater vehicle homing/docking via electromagnetic guidance[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,2001,26(4):515-521.