孫慶剛，鄭榮，楊斌，李默竹

1 中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016

2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

0 引 言

隨著海洋資源的不斷開發(fā)，應(yīng)用日益頻繁的自主式水下機(jī)器人（AUV）已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)［1］。

海洋資源的開發(fā)和利用離不開海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)，一般海洋監(jiān)測(cè)需要較長的時(shí)間，但動(dòng)力受限的AUV無法滿足長時(shí)間定點(diǎn)觀測(cè)的要求。為解決這一問題，研究者提出讓AUV水下著陸并關(guān)閉除測(cè)量設(shè)備以外的耗能設(shè)備從而節(jié)省AUV能源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一水域的長期定點(diǎn)觀測(cè)。此外，水下著陸還可以提高AUV的隱身性能。1992年，美國海軍研究生院的Healey等［2］首次提出了AUV水下著陸的概念；1998年，美國亞特蘭大大學(xué)的Stewart等［3］開發(fā)了Ocean Explorer II AUV，并成功進(jìn)行了海底著陸—測(cè)量—返航試驗(yàn)；天津大學(xué)的王曉鳴等［4］、張宏偉［5］和杜兵［6］實(shí)現(xiàn)了基于壓載水艙的AUV水底著陸；宋保維等［7］針對(duì)AUV提出了液壓支撐式和錨鏈?zhǔn)竭@2種水下著陸方式。目前，有關(guān)作業(yè)型AUV依靠浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行水下著陸方面的研究在國內(nèi)尚屬空白。

因此，本文擬提出2種基于油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作業(yè)型AUV水下著陸方法：一種是控制浮力垂直下潛著陸；另一種是航行下潛控制浮力垂直著陸，并針對(duì)這2種著陸方式開展湖上試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

1 AUV系統(tǒng)介紹

1.1 油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種可重復(fù)使用的雙向浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其使用壽命長且可靠性高。該系統(tǒng)的工作原理是通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外油囊之間的油量傳輸，以此來改變AUV的排水體積，從而調(diào)節(jié)浮力大?。?-9］。

油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由油囊、電磁換向閥、錐閥、節(jié)流閥、溢流閥、閥組、流量計(jì)、壓力傳感器、齒輪泵、電機(jī)和減速器等組成，如圖1所示。該系統(tǒng)的最大工作壓力為2 MPa，在AUV艏、艉各配置一套。根據(jù)圖2所示的外油囊輪廓圖可知，其體積為7.4 L，可為AUV提供總計(jì)14 kg左右的正浮力。AUV可以依靠艏、艉2個(gè)浮力調(diào)節(jié)單元來控制姿態(tài)，其最大著陸深度可達(dá)200 m。

1.2 AUV基本結(jié)構(gòu)

為滿足減小航行阻力的設(shè)計(jì)原則，AUV一般設(shè)計(jì)為流線型。采用模塊化設(shè)計(jì)的AUV由7個(gè)艙段組成，其基本組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

AUV基本結(jié)構(gòu)的主要功能如下：

1）艏部段。主要由電磁鐵、無線電、攝像頭和頻閃燈組成。電磁鐵的作用是吸附17.5 kg的壓鐵，以保證AUV在緊急工況下實(shí)現(xiàn)拋載上??；無線電主要用于水面校準(zhǔn)，便于定位和回收AUV；頻閃燈可用于AUV的任務(wù)提示和回收識(shí)別。

2）自動(dòng)駕駛段。主要由仿真平臺(tái)、超短基線和多普勒計(jì)程儀組成。仿真平臺(tái)是AUV水下航行作業(yè)的控制中樞，用于下達(dá)一切作業(yè)指令；超短基線主要用于水下通信、定位和導(dǎo)航；多普勒計(jì)程儀的功能是實(shí)時(shí)測(cè)量AUV距地高度，其中慣組單元可以實(shí)時(shí)記錄縱傾角、航行速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

3）電池艙段。主要由電池和側(cè)掃聲吶組成。電池可為AUV的傳感器、電機(jī)等提供動(dòng)力能源；側(cè)掃聲吶可用于探測(cè)水下地形。

4）校準(zhǔn)源段。主要安裝GPS/北斗導(dǎo)航儀，用于保障AUV浮出水面時(shí)與母船進(jìn)行通信。

5）艉部段。主要由電機(jī)、舵機(jī)、水平舵、垂直舵及螺旋槳組成。電機(jī)和舵機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)舵和螺旋槳，從而實(shí)現(xiàn)AUV的水下航行和姿態(tài)調(diào)整。

2 水下著陸控制策略

AUV水下著陸的目的是實(shí)現(xiàn)固定水域的長時(shí)間靜默潛伏和觀測(cè)。AUV到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，在不需要進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)的情況下，可以關(guān)閉除觀測(cè)設(shè)備之外的一切能耗設(shè)備以節(jié)約能源［10］。

AUV水下著陸面臨的主要問題是著陸時(shí)間和速度控制、目標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際著陸點(diǎn)的偏移、著陸完成后的離底等。針對(duì)上述問題，本文提出了控制浮力垂直下潛著陸和航行下潛控制浮力垂直著陸這2種控制策略。

2.1 控制浮力垂直下潛著陸策略

母船吊放AUV后，AUV將繼續(xù)在水面航行并抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。通過調(diào)整艏、艉浮力調(diào)節(jié)單元的外油囊排油量，AUV將以一定的負(fù)浮力下潛，并在某一高度懸浮以調(diào)整AUV姿態(tài)。由于AUV近底時(shí)的安全高度為1倍載體長度，因此選擇定高8 m懸浮并最終實(shí)現(xiàn)水下著陸，如圖4所示。

2.1.1 AUV下潛著陸速度分析

為保證AUV及相關(guān)觀測(cè)設(shè)備的安全，應(yīng)控制AUV的水下著陸速度，以避免較大的速度沖擊使AUV陷入泥沙中并對(duì)設(shè)備造成損壞。

在垂直下潛過程中，AUV所受的水下阻力為

式中：Ζ為阻力；CD為阻力系數(shù)；ρ為水的密度；S為AUV的表面積；V為AUV的下潛速度。

隨著AUV下潛速度的增加，其所受的阻力也將不斷增加以平衡AUV的重力，并最終逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)。平衡方程為

式中：B為AUV的浮力；G為AUV的重力。

根據(jù)式（1）和式（2），可得AUV的下潛速度（單位：m/s）為

若AUV以此速度著陸，可能會(huì)對(duì)AUV或設(shè)備造成危害，故應(yīng)采用著陸控制策略減小AUV的下潛負(fù)浮力，從而減小下潛速度。同時(shí)，這樣也便于有效控制AUV，以避免水下地形突變帶來的潛在危險(xiǎn)。

2.1.2 AUV目標(biāo)點(diǎn)偏離情況分析

采用該控制策略著陸時(shí)，AUV僅依靠有限負(fù)浮力進(jìn)行下潛，所以著陸時(shí)間較長。同時(shí)，AUV也無法靈活調(diào)整姿態(tài)以應(yīng)對(duì)水流變化，最終導(dǎo)致實(shí)際著陸點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)發(fā)生較大的偏差。

圖5所示為AUV在下潛過程中的受力情況，圖中：B1為艏浮力單元浮力；B2為艉浮力單元浮力；X為水流作用力。可能有2個(gè)原因?qū)е聦?shí)際著陸點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)出現(xiàn)偏移：一是在浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用下，AUV垂直方向的受力近似達(dá)到平衡，即B+B1+B2=G，則在水平方向水動(dòng)力作用下AUV將以較小的縱傾角下潛，故此時(shí)偏移距離主要由水流導(dǎo)致；二是當(dāng)AUV跨越密度變化較大的水域時(shí)，其垂直方向的受力沒有達(dá)到平衡，即B+B1+B2≠G，則在重力、浮力和水動(dòng)力的共同作用下AUV將以較大的縱傾角下潛，故此時(shí)偏移距離由AUV的滑翔距離和水流導(dǎo)致。

2.1.3 AUV離底分析

AUV的成功著陸并不意味著任務(wù)完成，其離底作業(yè)也是水下著陸的關(guān)鍵一環(huán)。水下著陸后，AUV會(huì)受到水底泥沙粘著力的影響，由于水下泥沙的強(qiáng)度未知，故AUV受到的粘著力也無法預(yù)測(cè)。AUV的離底受力分析如圖6所示，其中P為土壤粘著力的均布載荷。

正常情況下，AUV依靠艏、艉浮力調(diào)節(jié)單元即可成功離底。大量著陸試驗(yàn)證明，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)所提供的浮力完全能夠克服土壤的粘著力。若依靠浮力調(diào)節(jié)無法離底，則可以選擇2種離底方式：一種是根據(jù)縱傾角數(shù)值，AUV選擇正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)主推進(jìn)器來擺脫土壤粘著力；另一種是拋掉應(yīng)急壓鐵，減小AUV的重力。

2.2 航行下潛控制浮力垂直著陸策略

母船吊放AUV后，AUV將以一定的航行速度和攻角下潛至一定深度，并通過階躍式定深不斷增加航行深度，最終在著陸點(diǎn)上方8 m處定高懸浮。隨后螺旋槳關(guān)閉，同時(shí)開啟浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，令A(yù)UV以良好的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)著陸，如圖7所示。

本試驗(yàn)選用的AUV較長且質(zhì)量較大，為避免AUV因慣性太大而發(fā)生觸底，宜采用階躍式定深下潛：定深30 m—定深40 m—定高8 m懸浮—著陸，該下潛方式實(shí)際上借鑒了飛機(jī)的著陸過程：下降—初步接近—最終接近—著陸。在下潛過程中，AUV的速度由推進(jìn)器提供（定速航行速度可達(dá)3 kn），可在很大程度上縮短AUV的著陸時(shí)間。為避免實(shí)際著陸點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)發(fā)生較大偏離，可以視情對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行修正。

AUV航行下潛著陸過程主要分為航行下潛階段和定深懸浮階段。在航行下潛階段，AUV可以依靠艏浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行縱傾角調(diào)整，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定深度時(shí)再依靠水平舵進(jìn)行調(diào)整，由此及時(shí)修正目標(biāo)點(diǎn)，最終在目標(biāo)點(diǎn)上方8 m處懸浮。在定深懸浮階段，AUV可以依靠艏、艉浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)自身姿態(tài)，并基于式（3）調(diào)節(jié)下潛速度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)著陸。

除導(dǎo)航系統(tǒng)的微小誤差可能導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)偏離之外，在定深懸浮—著陸的垂直下潛階段，受水流作用影響，AUV的實(shí)際著陸點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)也將發(fā)生一定偏離。

3 湖上試驗(yàn)驗(yàn)證

2017年6月，在千島湖開展了湖上試驗(yàn)驗(yàn)證工作，AUV下潛深度的變化曲線如圖8所示。由此可知，AUV基于上述2種著陸控制策略均可成功實(shí)現(xiàn)水下著陸。

AUV水下著陸的目的是長期潛伏和定點(diǎn)觀測(cè)，故其著陸后的姿態(tài)對(duì)觀測(cè)設(shè)備的影響較大，即AUV著陸后應(yīng)保持良好的縱傾角和橫傾角度。圖9所示為AUV基于2種控制策略著陸后的縱傾角和橫傾角變化曲線。由圖9可知，AUV著陸后，其縱傾角基本保持不變，橫傾角僅在小幅度范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足使用需求。

3.1 著陸速度對(duì)比驗(yàn)證

對(duì)2種控制策略而言，AUV均在定高8 m后最終著陸，故最終著陸速度在理論上應(yīng)完全相同。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖可知2種控制策略下的AUV著陸速度相差無幾。實(shí)測(cè)的AUV垂向速度存在小幅波動(dòng)，這是因?yàn)锳UV的濕表面積較大，故垂直下降時(shí)受到的水動(dòng)力也較大，易與重力、自身浮力、艏艉浮力調(diào)節(jié)單元提供的浮力達(dá)到近似平衡的狀態(tài)，但艏艉浮力調(diào)節(jié)單元提供的浮力一直處于變化狀態(tài)，因此AUV的垂向速度也存在一定的波動(dòng)，不過其波動(dòng)幅值在合理范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)AUV本身和觀測(cè)設(shè)備造成損壞。

3.2 目標(biāo)點(diǎn)偏離對(duì)比驗(yàn)證

在2種控制策略下，AUV的目標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際著陸點(diǎn)均會(huì)發(fā)生偏移，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在控制浮力垂直下潛策略下，AUV目標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際著陸點(diǎn)的偏離距離為191 m；而航行下潛控制浮力垂直著陸策略下的偏移距離為7 m，可見第2種控制策略的準(zhǔn)確度更高，可為后期海上試驗(yàn)提供一定的參考。

3.3 AUV著陸后的離底驗(yàn)證

AUV完成水下著陸后，將依靠浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行離底，必須讓AUV獲得最大正浮力以克服土壤粘著力。試驗(yàn)結(jié)果表明，AUV能夠成功離底上浮，AUV離底深度變化曲線如圖12所示。

3.4 著陸能耗對(duì)比分析

在2種著陸方式下，著陸所需時(shí)間不同、主要工作設(shè)備不同、設(shè)備的工作電壓和電流各不相同、相同設(shè)備在不同工作環(huán)境下的電流也不盡相同，綜合各種影響因素，2種著陸方式下的工作能耗必然存在一定的差別。

控制浮力垂直著陸過程中，主要耗能設(shè)備為艏、艉浮力調(diào)節(jié)單元，其電流均值分別為2.23 A和4.75 A，則工作能耗為0.915 kW·h。

航行下潛著陸過程中，航行階段主推進(jìn)器和舵機(jī)的電流均值分別為7.86 A和0.08 A，定高階段艏、艉浮力調(diào)節(jié)單元的電流均值分別為2.48 A和4.57 A，則工作能耗為0.837 kW·h。

因此，航行下潛控制浮力垂直著陸策略更節(jié)省能源，更符合未來海上實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)AUV長時(shí)間定點(diǎn)觀測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一套油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，著重介紹了基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的2種水下著陸控制策略。通過對(duì)比分析2種水下著陸控制策略的著陸速度、目標(biāo)點(diǎn)偏離距離和能耗等可知，航行下潛控制浮力垂直著陸策略能夠更快、更準(zhǔn)確地完成水下著陸，且更節(jié)省能源，故該控制策略更符合實(shí)際應(yīng)用需求。

在實(shí)際應(yīng)用中，觀測(cè)設(shè)備對(duì)AUV的姿態(tài)有一定的要求。鑒于未知的海底地形狀況，需要研制一套調(diào)節(jié)裝置，用以在AUV著陸后調(diào)整其縱傾角和橫傾角，從而滿足觀測(cè)設(shè)備要求。同時(shí)，應(yīng)針對(duì)水下土壤強(qiáng)度的測(cè)量方法開展研究，以便選擇較好的著陸目標(biāo)點(diǎn)。