吳 哲，羊云石，程 燁，林 婕，岳志杰，顧海東

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

0 引 言

隨著海洋工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，海底觀測(cè)網(wǎng)在近幾年被各國(guó)廣泛關(guān)注，甚至在某些國(guó)家已經(jīng)初步布設(shè)完成[1]。海底觀測(cè)網(wǎng)整合了先進(jìn)的海洋觀測(cè)技術(shù)及手段，可以對(duì)海洋進(jìn)行全天候、高密度、多要素地探測(cè)。而作為觀測(cè)網(wǎng)中的任務(wù)執(zhí)行主體，無(wú)人水下平臺(tái)（AUV）目前由于技術(shù)的局限，其數(shù)據(jù)通信與能量補(bǔ)給只能通過(guò)與接駁站對(duì)接來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，穩(wěn)定可靠的水下接駁技術(shù)，將是建設(shè)海底觀測(cè)網(wǎng)的關(guān)鍵。近幾年由于相關(guān)需求的出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外在對(duì)接技術(shù)上都有大量的研究出現(xiàn)[2–8]，涵蓋接駁站結(jié)構(gòu)、接駁導(dǎo)引方式等方向。

本文介紹了一種自主研發(fā)的AUV水下接駁系統(tǒng)，概述了系統(tǒng)中水下無(wú)人平臺(tái)與接駁站的相關(guān)設(shè)計(jì)。該接駁系統(tǒng)已經(jīng)在渤海海域進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)半年的布放，進(jìn)行了數(shù)十次的接駁試驗(yàn)，驗(yàn)證了可靠性[1]。

1 水下無(wú)人平臺(tái)

作為海底觀測(cè)網(wǎng)的主要功能執(zhí)行者，無(wú)人水下平臺(tái)是一個(gè)搭載有多種傳感器并具有自主運(yùn)動(dòng)功能的智能航行器。本文介紹的接駁系統(tǒng)中的AUV，最大直徑為350 mm，長(zhǎng)約3 m，總重243 kg，外形如圖1所示，采用“回轉(zhuǎn)體+十字鰭舵+導(dǎo)管槳推進(jìn)器”形式。通過(guò)采集慣性、深度、高度、多普勒測(cè)速、衛(wèi)星定位、水聲通信等測(cè)量信息，AUV將數(shù)據(jù)融合后進(jìn)行組合導(dǎo)航解算，導(dǎo)航精度小于航程的0.5%。在接駁航行過(guò)程中，AUV以3 kn速度航行。

1.1 水聲定位系統(tǒng)

AUV導(dǎo)引是整個(gè)接駁系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。雖然目前導(dǎo)引技術(shù)已經(jīng)趨向于多元化，如光學(xué)導(dǎo)引、磁學(xué)導(dǎo)引等等，但聲學(xué)導(dǎo)引仍然擁有著巨大優(yōu)勢(shì)。聲學(xué)導(dǎo)引作用范圍大，技術(shù)成熟，對(duì)海洋環(huán)境的要求相對(duì)較低，不受濁度影響。因此在對(duì)接過(guò)程中，本系統(tǒng)采用聲學(xué)導(dǎo)引的方法進(jìn)行AUV路徑規(guī)劃。為該套接駁裝置所研發(fā)的水聲定位系統(tǒng)，采用超短基線基陣進(jìn)行定位，定位信息最快刷新時(shí)間間隔為2 s，最大作用范圍約3 000 m，與GPS測(cè)量結(jié)果相比定位精度可達(dá)0.5%以下。

水聲定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖2。AUV通過(guò)換能器發(fā)出聲學(xué)定位請(qǐng)求脈沖。當(dāng)接駁站收到脈沖信號(hào)后，通過(guò)聲學(xué)方法測(cè)量此時(shí)AUV相對(duì)于接駁站的水平方向角和垂直方向角，結(jié)合接駁站姿態(tài)傳感器的信息進(jìn)行方位修正，并將估計(jì)結(jié)果以水聲通信方式向外發(fā)送。當(dāng)收到接駁站端水聲信號(hào)后，AUV端自動(dòng)計(jì)算兩者之間的距離，解析出接駁站發(fā)送的方向信息，由控制中心根據(jù)這些信息解算AUV相對(duì)于接駁站對(duì)接筒的位置。

1.2 數(shù)據(jù)及電能傳輸

當(dāng)AUV進(jìn)塢后，系統(tǒng)通過(guò)接駁站中的濕插拔結(jié)構(gòu)將AUV端與接駁站端電連接器進(jìn)行接觸式對(duì)接。為了滿足需要，水下濕插拔連接器選用了蘇里奧公司8810型12芯連接器，能滿足3 000 m水深的插拔，單芯最大電流7.5 A，絕緣電阻＞100 MΩ。AUV設(shè)計(jì)充電電壓為48 V。

AUV與接駁站的數(shù)據(jù)及電能傳輸性能已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室水池聯(lián)調(diào)測(cè)試。在水下AUV與接駁站接駁部分對(duì)接，當(dāng)AUV與接駁站上位機(jī)間組成局域網(wǎng)后，通信速率可達(dá)到120 Mbps。此外經(jīng)驗(yàn)證AUV系統(tǒng)充電效率在92%～98%之間。

2 接駁站

根據(jù)接駁形式的不同，接駁站可分為捕捉式、包容式、平臺(tái)式3種。其中包容式的接駁方式對(duì)AUV改造較小，并且在接駁時(shí)對(duì)AUV有保護(hù)作用，適用于海底觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)，本文介紹的接駁站屬于包容式，如圖3所示。接駁站結(jié)構(gòu)上可劃分為以下幾塊。

2.1 漏斗形導(dǎo)引段及對(duì)接筒

接駁站上部為漏斗形的導(dǎo)引段及對(duì)接筒。導(dǎo)引段起到引導(dǎo)AUV順利進(jìn)入既定接駁位置的作用。整個(gè)導(dǎo)引段最大外徑2 000 mm，由2根不銹鋼圓環(huán)與18根玻璃鋼圓桿構(gòu)成。而對(duì)接筒則為AUV提供安全?？?、補(bǔ)給能量和傳輸數(shù)據(jù)的空間位置，是AUV最后停留的基站。對(duì)接筒體呈中空?qǐng)A柱形，內(nèi)壁直徑為380 mm（AUV直徑350 mm），壁厚為20 mm。對(duì)接筒在水平位置兩側(cè)開(kāi)有引導(dǎo)槽，底部留有插拔缺口。此外，在對(duì)接筒側(cè)邊裝有到位傳感器，用于AUV進(jìn)塢的檢測(cè)。

2.2 基座

考慮到穩(wěn)定性，接駁站的底座是一個(gè)金字塔形的結(jié)構(gòu)，所占面積較大。基座總高為2 075 mm，由鋁合金焊接而成。在側(cè)面的鋁合金板上，開(kāi)有圓孔來(lái)減輕重量，同時(shí)減小水流的沖擊力。

基座上裝有多個(gè)照明燈與水下攝像機(jī)，用于捕捉對(duì)接流程。

2.3 俯仰調(diào)節(jié)模塊

海底地貌存在起伏特性，為了保證接駁站在水下具有良好的俯仰姿態(tài)，對(duì)接筒下部，基座頂端為單自由度旋轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)。該旋轉(zhuǎn)點(diǎn)固定有一俯仰桿，上部與對(duì)接筒剛性連接，底部裝有調(diào)節(jié)重塊。系統(tǒng)通過(guò)重塊提供回復(fù)力矩，維持良好的俯仰姿態(tài)，并在AUV沖擊接駁站時(shí)，通過(guò)重塊抵消一部分能量。同時(shí)，在重塊底部安裝有前后2條調(diào)節(jié)鏈，分別由2個(gè)俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于地形較差時(shí)通過(guò)電機(jī)拉扯調(diào)節(jié)俯仰角。

2.4 濕插拔結(jié)構(gòu)

濕插拔模塊用于實(shí)現(xiàn)水下電連接器的導(dǎo)引、對(duì)正和插拔功能，結(jié)構(gòu)如圖4所示。它通過(guò)梯形螺母在絲桿上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下插拔，并將插銷(xiāo)機(jī)構(gòu)安裝在底部配有萬(wàn)向節(jié)的錐形彈簧上，便于實(shí)現(xiàn)軸向偏移及偏角，保證機(jī)構(gòu)的軸向位置及角度糾偏能力（±20 mm，±15°）。

2.5 電子艙

電子艙主要用于采集傳感器信號(hào)（壓力傳感器、電子羅盤(pán)），完成信號(hào)傳輸與控制命令下達(dá)功能。上位機(jī)通過(guò)電子艙控制接駁站攝像頭、俯仰電機(jī)、插拔電機(jī)、照明燈的啟動(dòng)與關(guān)閉。

3 水下對(duì)接流程

整個(gè)接駁系統(tǒng)工作流程可分為以下幾個(gè)階段：

1）回歸階段。AUV基于水聲通信導(dǎo)航信號(hào)調(diào)整航行軌跡，向接駁站靠近。途中，AUV使用航向信息和水聲通信來(lái)計(jì)算對(duì)接就位點(diǎn)（就位點(diǎn)位于對(duì)接喇叭口的中心延長(zhǎng)線上）。

2）駛向就位點(diǎn)。AUV完成就位點(diǎn)計(jì)算后，將自主規(guī)劃出通往就位點(diǎn)的軌跡，然后控制駛向就位點(diǎn)。

3）靠近對(duì)接口。AUV到達(dá)就位點(diǎn)后，在水聲定位通信的方位、距離信息、DVL航速信息以及航向信息的綜合處理下，以最低可操縱速度沿著對(duì)接口中心線靠近對(duì)接喇叭口。

4）電能及信號(hào)傳輸。如果對(duì)接平臺(tái)檢測(cè)到AUV準(zhǔn)確到位，對(duì)接平臺(tái)控制器將驅(qū)動(dòng)插拔裝置升起插銷(xiāo)鎖住AUV，隨后使用水下電連接器進(jìn)行充電和數(shù)據(jù)傳送。

4 海試試驗(yàn)

為驗(yàn)證接駁系統(tǒng)可靠性，對(duì)接駁成功率、工作時(shí)間進(jìn)行考核。2017年7–12月在大連老虎灘附近海域進(jìn)行了海上驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始前，借助多波束探測(cè)工具對(duì)試驗(yàn)海域進(jìn)行了測(cè)繪。試驗(yàn)海域海底地形平坦，水深在30～40 m左右。接駁站布放處水深為30 m。此外使用ADCP記錄了海域5月洋流參數(shù)，發(fā)現(xiàn)作用于預(yù)定對(duì)接航道上的側(cè)流約有一半時(shí)間流速高于1 kn，峰值流速超過(guò)3 kn。

本次海試接駁站總計(jì)布放時(shí)間達(dá)到5個(gè)月，并在期間進(jìn)行了數(shù)十次AUV接駁試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)水聲通信，可捕捉AUV在航行中的坐標(biāo)點(diǎn)，得出AUV向接駁站靠近過(guò)程中的航跡，如圖5所示。AUV在較遠(yuǎn)處通過(guò)計(jì)算相對(duì)方位調(diào)整自身航向，直至與基線重合，隨后沿基線進(jìn)入接駁站。最終，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該接駁系統(tǒng)單次對(duì)接成功率達(dá)90%以上。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種自主研發(fā)的AUV接駁系統(tǒng)，包括接駁站與AUV兩部分，并通過(guò)海試試驗(yàn)證明了該接駁系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了單次90%以上的成功率。未來(lái)將進(jìn)一步擴(kuò)展接駁站與水下無(wú)人平臺(tái)相關(guān)功能，使整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)一步加強(qiáng)，為海底觀測(cè)網(wǎng)提供技術(shù)儲(chǔ)備。