馮 朝，肖 婷

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，宜昌 443000）

1 引 言

海洋作為人類的藍色國土，關系著人類的生存和發(fā)展。伴隨著人類認識海洋、開發(fā)利用海洋資源和保護海洋的進程，水下機器人這一高新技術進一步發(fā)展并完善，無人自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）代表著未來水下機器人研究的方向，已向著更深、更遠、功能更強大的方向發(fā)展［1-2］。近年來，隨著AUV技術的不斷進步，國際上深海AUV種類也逐漸增加，主要有挪威Kongsberg公司的REMUS6000［3］、美國Hydroid公司的Bluefin 21［4］，英國南安普頓國家海洋中心研制的Autosub 6000［5］等，其在海上作業(yè)中發(fā)揮了重要作用。其中，REMUS6000和Bluefin 21是世界上比較成熟的商業(yè)AUV。中國從20世紀90年代開始深海AUV的研制工作，主要有沈陽自動化研究所的潛龍系列和探索系列深海AUV。

由于深海環(huán)境極為復雜，受潛水器自身的非線性、強耦合、有限載荷等影響，深海潛水器研發(fā)與應用極具挑戰(zhàn)性。為了實現(xiàn)深海潛水器水下作業(yè)的可靠有效應用，需要突破深海潛水器的諸多關鍵技術，如水下環(huán)境感知與地圖構(gòu)建技術、水下路徑規(guī)劃與安全避障技術、水聲通信與導航定位技術等［6］。

深海AUV作業(yè)的首要環(huán)節(jié)為下潛，能否到達指定的深度作業(yè)成為AUV突破關鍵技術的首要因素?；谀茉捶矫婵紤]，國內(nèi)外大部分AUV選擇無動力下潛［7］。綜合AUV的載體配置及水下密度的變化，下潛過程中的姿態(tài)、深度的高精度控制，以及受到干擾時的自適應過程及對狀態(tài)的監(jiān)測和應急的處理等［8］，本文基于工程樣機的基礎，提出并實現(xiàn)深海AUV有動力螺旋下潛，并在湖上和海上開展試驗，驗證深海AUV有動力螺旋下潛技術的可行性。

2 總體設計

2.1 系統(tǒng)組成

AUV由艙體系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和保障系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 AUV系統(tǒng)組成圖Fig.1 AUV system composition diagram

其中，艙體系統(tǒng)為AUV的機械結(jié)構(gòu)部分，為設備及組部件的布局和接口進行統(tǒng)籌規(guī)劃，動力系統(tǒng)為AUV提供能源與動力，通信系統(tǒng)負責AUV與母船的通信，導航系統(tǒng)負責AUV的導航及定位，探測系統(tǒng)為AUV提供聲光學設備進行水下作業(yè)，控制系統(tǒng)負責AUV的狀態(tài)檢測、航行控制和故障應急處理。

在總體設計過程中，通過設計AUV外形，考慮能源、控制及續(xù)航力等因素對推進器和舵機進行合理的布局，使AUV的轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)浮心距處在一個合適的范圍。在滿足總體技術指標的要求下，盡可能獲得最優(yōu)的總體性能參數(shù)，從而提高AUV的穩(wěn)定性和機動性。綜合各因素，采用主推+垂推+水平舵、垂直舵配置，主推提供前行動力，垂推實現(xiàn)快速上浮和輔助下潛，水平舵控制AUV的上浮與下潛，垂直舵控制AUV的航向。AUV總體外形如圖2所示。其中，AUV主體部分直徑880mm，長7.5m，質(zhì)量2.5t。

圖2 AUV總體外型圖Fig.2 Outline drawing of AUV

2.2 電氣設計

AUV深海探測需實時的進行大量數(shù)據(jù)通信，且在正常航行過程中，核心控制器需實時監(jiān)測各設備的狀態(tài)以及對設備進行相應的動作指令，因此，采用控制系統(tǒng)為AUV的控制中心，通過總線接口與各設備進行連接，負責完成AUV的狀態(tài)監(jiān)測、運動控制和應急處理等。本文采用網(wǎng)絡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將所有設備統(tǒng)一到以太網(wǎng)和CAN通信，數(shù)據(jù)交互量大的設備進行以太網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)交互量較小的設備采用CAN通信，從而實現(xiàn)即時組網(wǎng)通信，靈活的實現(xiàn)設備間數(shù)據(jù)交互，且方便調(diào)試，簡化連接，減少了水密線纜及連接器的使用，從而提高了系統(tǒng)可靠性。

3 控制策略及控制方法

通常AUV的基本控制方法為PID控制、滑?？刂?、自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和模糊控制等［9］。PID控制作為經(jīng)典的控制策略，對AUV模型的控制精度較高，且在建模過程中，由于AUV高度的非線性和時變的水動力性能、附加質(zhì)量和運動慣性較大等，模型的建立與實物之間存在一些差異［10］。結(jié)合工程應用及可靠性等多因素的考慮，本文采用傳統(tǒng)的PID控制，采用計算機流體動力學（Computer Fluid Dynamics，CFD）方法進行流體動力建模，并對控制算法進行仿真，得到初始PID參數(shù)，進一步在湖上驗證，微調(diào)參數(shù)，使AUV力學性能變化和所處的環(huán)境發(fā)生變化時，具有一定的自調(diào)節(jié)和自適應的魯棒能力。PID控制圖如圖3所示。

圖3 PID控制圖Fig.3 PID control diagram

下潛過程中，AUV由于自身的初始正浮力、海水密度、浮力材料吸水率等因素會導致AUV的浮力變化，同時考慮海流干擾、控制精度、突發(fā)情況應急處置以及純慣性條件下導航誤差偏差大等因素的影響，本文采用有動力螺旋下潛控制策略，一方面實現(xiàn)AUV深度區(qū)間的自適應控制，另一方面提升AUV的精確定位及應急處置能力。

通常將AUV的初始狀態(tài)定為：初始正浮力約5～10kg，AUV靜態(tài)姿態(tài)角：-2°＜縱傾角＜2°，-2°＜橫滾角＜2°，下潛過程中AUV保持固定的縱傾角進行螺旋下潛，同時結(jié)合垂直舵角，使AUV在水下進行螺旋下潛。

4 湖上試驗

4.1 湖上有動力螺旋試驗

AUV完成設計和加工后，首先需驗證下潛方案的可行性，其次對AUV的控制流程及功能進行驗證，以確保AUV的安全。通常在海上試驗之前，先進行湖上驗證。

試驗地點為清江水布埡試驗場地，結(jié)合試驗水深和水底地形的條件，選取一段500m×2000m的矩形試驗區(qū)域，平均水深約120m。AUV在岸上進行上電，對初始狀態(tài)進行確認，縱傾角1.2°，橫傾角0.8°，完成相應的功能檢查，將任務文件下達至AUV，主推轉(zhuǎn)速設定為300rpm，垂直舵角25°，保持-9°縱傾角航行至70m處，到達指定深度后定深航行至80m處，在80m處開展水下自主航行任務。任務確認無誤后，AUV布放入水，啟動任務進行下潛試驗，試驗曲線如圖4～6所示。

圖4 航向角曲線Fig.4 Course angle curve

圖5 深度和水平舵角曲線Fig.5 Depth and horizontal rudder curve

圖6 縱傾角和水平舵角曲線Fig.6 Pitch and horizontal rudder curve

由航向角和縱傾角曲線可知，AUV在整個過程中保持-9°的縱傾角螺旋下潛5圈，轉(zhuǎn)彎半徑約為15m，時間約450s，垂向速度約0.18m/s。

為了滿足海上試驗大深度快速下潛的要求，對主推和縱傾角設定不同的值，對AUV進行多次試驗驗證，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test data

分析試驗數(shù)據(jù)，初步推斷主推500rpm的轉(zhuǎn)速，縱傾角30°下潛時，海上試驗螺旋下潛3000m，大約需要3240s。

4.2 數(shù)據(jù)分析及應急處置

結(jié)合海洋環(huán)境的復雜性，AUV下潛過程中受海流和其他多因素的影響［11］，并針對海上與湖上的差異進行分析和研究，對可能出現(xiàn)的異常情況以及不可預見的風險加以預測，以確保海上下潛試驗的安全。本文從以下五點進行分析：

（1）AUV初始浮力與姿態(tài)。根據(jù)CTD測得試驗海域水面的海水密度1.021g/cm3，需對AUV進行配重，重新調(diào)整正浮力，以確保AUV初始狀態(tài)：正浮力5kg，-2°＜縱傾角＜2°，-2°＜橫滾角＜2°。

（2）浮力材料吸水率。根據(jù)浮力材料參數(shù)：密度0.56g/cm3，耐壓不小于70MPa，吸水率小于2%，同時結(jié)合AUV浮力材料質(zhì)量800kg，可計算得到AUV浮力材料最大吸水量為1.6kg。由于浮力材料吸水率受壓力影響較大，而AUV下潛深度約3500m，因此可推斷浮力材料吸水量小于1.6kg。

（3）密度變化。下潛過程中海水密度未知，經(jīng)網(wǎng)上查閱資料可知，深海3000m范圍密度變化區(qū)間為1.02～1.04g/cm3，可推算AUV正浮力約增加25kg。

（4）海流的干擾。AUV在水下航行時，受到海流等因素的影響，會使AUV的位置和姿態(tài)發(fā)生變化。

（5）不可預見性風險。在海上下潛過程中，由于環(huán)境的復雜或者AUV自身故障導致的不可預見性風險。

針對浮力材料吸水率和密度變化所引起的浮力變化，將AUV正浮力調(diào)整為10kg、15kg、20kg、25kg和30kg，在湖上進行有動力下潛及水下航行試驗，驗證不同正浮力下AUV下潛和航行的自主可控。

對于海流所導致的姿態(tài)影響，由于AUV的控制具有一定的魯棒性，根據(jù)干擾的情況從而自適應控制，使AUV的下潛姿態(tài)及位置能達到一個相對可控的值［12］。

對于不可預見性風險，由于試驗過程無法對其進行判斷，因此在原有應急策略基礎上加上深度超限，AUV進水，長時間未結(jié)束下潛過程，長時間處于一個深度區(qū)域等應急，同時結(jié)合前視聲納的自主避碰，使AUV能夠以安全精確可控的狀態(tài)達到指定深度及位置。

5 海上試驗

湖上試驗驗證完成之后，在三亞東南岸約452km處，位置坐標為（113.7692E，17.6344N），（114.5932E，17.6344N），（114.5932E，17.1587N）,（113.7692E，17.1587N）所圍成的矩形區(qū)域，水深為3400～3800m進行深海有動力螺旋下潛試驗。

AUV在岸上進行上電，對初始狀態(tài)進行確認，完成相應的功能檢查后，將任務文件下達至AUV，布放入水后，啟動任務進行有動力螺旋下潛試驗。下潛曲線如圖7～9所示。

圖7 俯仰角曲線Fig.7 Pitch curve

圖8 深度曲線Fig.8 Depth curve

圖9 密度曲線Fig.9 Density curve

由深度和俯仰角曲線可知：AUV下潛深度約3300m，以縱傾角30°有動力螺旋下潛，縱傾角變化范圍為-29°～31°，整個下潛過程中AUV的姿態(tài)可控。整個下潛過程約56min，垂向速度約0.98m/s，與湖上試驗數(shù)據(jù)相吻合。通過密度曲線可以得出密度變化范圍為1.021～1.043g/cm3。整個過程驗證了深海有動力螺旋下潛技術的可行性。

6 結(jié) 論

本文從AUV總體設計入手，針對布局和系統(tǒng)配置，提出相應控制策略及方法，在湖上進行試驗驗證，試驗結(jié)果說明不同主推轉(zhuǎn)速和縱傾角下的垂向速度可控，通過湖上數(shù)據(jù)分析和對比湖海環(huán)境的差異性，制定下潛過程應急策略，實現(xiàn)了大深度下AUV有動力螺旋下潛，解決了下潛過程中AUV姿態(tài)不可控問題，對其他類型的AUV深海試驗具有指導意義。