隋海琛

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計院 天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456)

近年來，自主水下機(jī)器人在近海、近岸搜救任務(wù)中發(fā)揮著十分重要的作用。AUV通過搭載聲、光、電、磁等載荷設(shè)備可完成水下搜尋、近海調(diào)查、環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測、反水雷(MCM)、港口安全、未爆炸彈(UXO)處理、快速環(huán)境評估(REA)、監(jiān)視和偵察(ISR)等多種任務(wù)[1]。隨著水下探測聲吶設(shè)備和水下高精度組合定位設(shè)備的小型化、智能化、一體化，國外海洋科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和公司陸續(xù)推出了多款便攜式水下探測型AUV產(chǎn)品，如Bluefin-9M、REMUS100、Gavia Surveyor、Alister-9、OceanServer Iver3-580等，其外徑大都低于200 mm、重量約50 kg，通過1～2人即可完成AUV的收放、數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)[2]。而輕型(300 kg級)、重型(1 t級)、大型(10 t級)AUV由于搭載能力強(qiáng)、工作深度大、續(xù)航能力長等，主要完成海洋調(diào)查、科學(xué)研究、深水搜尋等任務(wù)[3]。

受設(shè)備研制水平和高性能設(shè)備進(jìn)口限制的原因，國內(nèi)尚無穩(wěn)定成熟的、50 kg級的便攜式水下探測型AUV[4]。實際應(yīng)用中仍主要采用輕型以上級別AUV進(jìn)行水下環(huán)境測量和搜尋掃測作業(yè)，AUV重量多在300 kg以上，需要配備專門的船舶、吊架才能收放，大大限制了AUV在國內(nèi)近岸水下探測中的應(yīng)用[5]。

針對小型AUV、無人船的測量應(yīng)用，國內(nèi)已研制成功600 kHz輕便型多波束聲吶和側(cè)掃聲吶(平均能耗約80 W)模塊，并可根據(jù)AUV外形進(jìn)行OEM定制，使國內(nèi)便攜型AUV實現(xiàn)水下目標(biāo)探查成為可能。

1 AUV系統(tǒng)

中科院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學(xué)、中國海洋大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位都開展了便攜式AUV的開發(fā)和應(yīng)用工作，通過搭載溫鹽深、聲吶等傳感器完成海洋環(huán)境調(diào)查任務(wù)[6]。

交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所開發(fā)的“天科探海一號”AUV，主要應(yīng)用場合是300 m以淺水域的水下應(yīng)急搜救，是一套低成本、小尺寸自主式水下航行器，其在結(jié)構(gòu)、硬件、軟件上的模塊化設(shè)計為靈活搭載各種水下探測設(shè)備提供了便利。

1.1 “天科探海一號”AUV

“天科探海一號”AUV主體直徑200 mm，長度2 250 mm，重量65.58 kg(含探測聲吶)，工作航速3 kn，續(xù)航力8 h。考慮到低速遠(yuǎn)程的特點，外形設(shè)計采用低阻流線型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，推進(jìn)系統(tǒng)采用槳后舵操縱面設(shè)計、磁耦合免維護(hù)推進(jìn)器，能源系統(tǒng)采用鋰離子電池獨立成組供電。

“天科探海一號”AUV殼體采用防銹鋁合金鑄造，整體密封，分為艏部艙段、探測艙段、主控艙段和推進(jìn)艙段(如圖1所示)。各艙段間采用直插式楔形連接方式，保證良好的整體外形，并方便模塊互換和功能艙段擴(kuò)展。每個艙段均采用零浮力衡重參數(shù)配置，降低系統(tǒng)衡重調(diào)整的復(fù)雜性。

圖1 “天科探海一號”總體結(jié)構(gòu)圖

圖2為“天科探海一號”AUV的主要設(shè)備組成。推進(jìn)艙段采用單槳推進(jìn)方式，配合艉部水平、垂直槳后舵，可以靈活實現(xiàn)水下定深、定向、定高、軌跡跟蹤。艏部艙段采用球形殼體，安裝避碰聲吶和水聲通信聲吶，實現(xiàn)對AUV前方障礙物的探測、水下實時位置匯報和接收陸地控制系統(tǒng)的指令。主控艙段安裝了智能駕駛儀、NavQuest 600 Micro型多普勒計程儀(DVL)、GIF6536A型光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)、Novatel衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、壓力計、無線電、漏水報警等控制及導(dǎo)航通信設(shè)備，自主導(dǎo)航精度優(yōu)于0.5%×自主導(dǎo)航距離(CEP)，滿足水下探測定位精度要求。探測艙段包括多波束聲吶和側(cè)掃聲吶這兩款探測聲吶以及Valport miniCTD型溫鹽深儀。

圖2 “天科探海一號”設(shè)備示意圖

1.2 一體化探測聲吶

圖3 一體化探測艙段

探測艙段采取了外形一體化共形陣安裝技術(shù)(圖3)。共形陣指安裝在潛器艏部的聲學(xué)陣，其外形完全按照潛器的外殼形狀進(jìn)行復(fù)制[7]。將側(cè)掃聲吶和多波束聲吶的換能器按照AUV的外形進(jìn)行制作，不會降低AUV的流體性能，有效減小了航行阻力、提高推進(jìn)效率，并保證了聲吶信噪比。其中多波束聲吶采用T型布陣的結(jié)構(gòu)，側(cè)掃聲吶采用雙排對稱結(jié)構(gòu)。多波束聲吶與側(cè)掃聲吶之間采用高精度、低溫漂的恒溫晶體振蕩器進(jìn)行時鐘同步[8]。

為避免推進(jìn)艙段螺旋槳噪聲干擾，探測艙段布置于AUV前部，具有最佳的流體噪聲抑制能力，又能夠最大限度地提高換能器的探測靈敏性。

為了與AUV外形相匹配，多波束聲吶換能器采用圓弧型陣，如圖3所示。工作頻率為600 kHz，波束192個，波束寬度1°×0.5°，最大開角160°，探測量程達(dá)150 m。通過探測艙段頂部安裝的溫鹽深儀，可方便地采用聲速經(jīng)驗公式計算表層聲速與聲速剖面，從而保證獲得高精度的多波束水深數(shù)據(jù)。聲速經(jīng)驗公式常用的約10種，可根據(jù)不同的情況選擇不同的公式[9]。

側(cè)掃聲吶換能器為雙排均勻線陣結(jié)構(gòu)，每條水平陣的長度為400 mm，如圖3所示。工作頻率為600 kHz，探測量程150 m，垂直開角不小于 45°。通過采用自適應(yīng)孔徑成像技術(shù)，可獲得恒定線分辨率為5 cm×2 cm，像素精度達(dá)2 cm×2 cm。多波束聲吶和側(cè)掃聲吶的電子系統(tǒng)及控制系統(tǒng)安裝在一體化探測艙段內(nèi)。聲吶電子系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動聲吶基陣發(fā)射聲波、接收聲信號并將聲信號進(jìn)行模擬和數(shù)字處理，最終輸出海底地形和圖像。聲吶控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)與AUV主控計算機(jī)進(jìn)行通信及時間同步，采集聲吶數(shù)據(jù)與導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在一塊2 TB容量的硬盤內(nèi)。

1.3 聲兼容、電磁兼容處理

“天科探海一號”AUV中，集成了多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、水聲通信聲吶、避碰聲吶、DVL等多類聲學(xué)設(shè)備，部分聲學(xué)設(shè)備的頻段存在交叉。為了避免設(shè)備之間的干擾，綜合采用了結(jié)構(gòu)設(shè)計、頻段選擇、信號處理、同步控制、屏蔽處理等方法解決聲兼容、電磁兼容可能存在的問題。

結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：根據(jù)各類聲學(xué)設(shè)備的垂直向開角、水平向開角、頻率等多個參數(shù)，將不同的聲學(xué)設(shè)備從空間上隔離開，將相近或倍頻范圍的聲學(xué)設(shè)備拉開空間距離(線性距離或者空間角距離)。

頻段選擇方面：多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、DVL的頻段都在600 kHz左右，在硬件設(shè)計時采用寬帶換能器[10]，通過軟件控制使探測換能器發(fā)射和接收不同頻段的信號，并與DVL的工作頻段分開。

信號處理方面：采用CW、FM等多種不同的信號體制，通過信號采集和處理模塊抑制殘留的聲干擾[11]。再通過增益控制、濾波處理、信號調(diào)理等手段，抑制干擾的相互作用，把影響降低到最低。

同步控制方面：在系統(tǒng)設(shè)計和模塊選型的過程中，選擇的設(shè)備均帶有同步接口，可以同步各系統(tǒng)的發(fā)射周期。通過設(shè)置同步控制器，可以使各個聲學(xué)設(shè)備同步或延時同步工作，避免收發(fā)干擾。

屏蔽處理方面：電磁干擾，主要來源于系統(tǒng)供電、大功率負(fù)載、射頻干擾等設(shè)備。艙段中采用規(guī)范的濾波、接地和屏蔽方法，并為側(cè)掃聲吶、多波束聲吶、水聲通信聲吶的電子艙加裝屏蔽外殼。

2 設(shè)備安裝校準(zhǔn)

導(dǎo)航設(shè)備和探測聲吶是AUV實現(xiàn)水下目標(biāo)探查的核心裝備。為了獲得準(zhǔn)確的地形地貌測量數(shù)據(jù)，必須獲得各個設(shè)備的安裝誤差。由于所有設(shè)備都進(jìn)行了時間同步，可認(rèn)為延時誤差已被修正。

2.1 導(dǎo)航設(shè)備校準(zhǔn)

GNSS/SINS/DVL組合導(dǎo)航方式，是目前便攜式AUV的主要定位方法。AUV在水面能接收到GNSS信號時使用衛(wèi)星定位，AUV在水下無GNSS信號時則利用SINS、DVL進(jìn)行航位推算定位。

圖4 導(dǎo)航設(shè)備標(biāo)定試驗

在設(shè)備安裝時，要求SINS、DVL的艏向及姿態(tài)與AUV盡量保持一致。以SINS中心作為AUV的坐標(biāo)原點，精確量取GNSS天線和DVL的安裝位置偏差。在條件允許的情況下，可采用坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、光學(xué)掃描儀等精密測量方法。

SINS的安裝角度偏差和DVL的測速系數(shù)，需要通過水下航行測試進(jìn)行計算和驗證[12]。為了使得測量的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，需要AUV做多種航向的航行(例如平行于東方向、平行于北方向、與南北方向夾角45度等)，而且入水和出水點的直線距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)一些。

在湖試過程中進(jìn)行了“天科探海一號”AUV自主導(dǎo)航傳感器標(biāo)定、DVL測速性能標(biāo)定以及自主導(dǎo)航精度驗證測試試驗。通過執(zhí)行直線、轉(zhuǎn)彎、下潛、攀升等測線(圖4)，并將全部測線中的偏角求取平均即可得到需要的數(shù)據(jù)，測出SINS的艏向偏差值為-2.36°，DVL的測速系數(shù)為0.994。經(jīng)改正后，測試航程2 000 m，誤差為7.53 m，導(dǎo)航精度為0.36%自主航程，滿足探測聲吶定位需求。

圖5 多波束聲吶校準(zhǔn)測線示意圖

2.2 聲吶設(shè)備校準(zhǔn)

首先通過機(jī)械設(shè)計和安裝固定，確保多波束聲吶和側(cè)掃聲吶的換能器與AUV之間的艏向及姿態(tài)偏差均小于2°。采用精密測量方法，精確量取各個換能器與SINS中心之間的空間關(guān)系，然后通過水下校準(zhǔn)測試對換能器的角度偏差進(jìn)行進(jìn)一步計算和驗證。

多波束聲吶的水下校準(zhǔn)測試是為了得到換能器相對于AUV的橫搖、縱搖、艏向偏差，其工作方法與船載多波束聲吶是一致的[13]。即完成聲速剖面測量后，選擇地勢平坦的水域，往返測線進(jìn)行橫搖偏差校準(zhǔn)；選擇地勢變化的水域，往返測線進(jìn)行縱搖偏差校準(zhǔn)，平行測線進(jìn)行艏搖偏差校準(zhǔn)(圖5)。通過湖試數(shù)據(jù)計算得到，橫搖偏差為0.05°，縱搖偏差為-1.20°，艏搖偏差為0.87°。

6-a 左側(cè)校準(zhǔn) 6-b 右側(cè)校準(zhǔn)

側(cè)掃聲吶的水下校準(zhǔn)測試主要是為了得到兩側(cè)換能器分別相對于AUV的艏向偏差。湖試過程中，將一個強(qiáng)反射目標(biāo)(如空心鋼球等)沉入水底，在目標(biāo)周圍10 m、15 m、20 m、25 m的距離分別布置測線，如圖6所示，其中左側(cè)校準(zhǔn)的測線為逆時針，右側(cè)校準(zhǔn)的測線為順時針。每側(cè)測試有16條測線，雙側(cè)共32條測線。取32組成像結(jié)果中的目標(biāo)位置的平均值作為真值，統(tǒng)計每側(cè)16組定位結(jié)果與真值之間的誤差，根據(jù)誤差的均值計算得到換能器的艏向偏差。其中左側(cè)換能器艏向偏差為0.16°，右側(cè)換能器艏向偏差為0.28°。

3 水下測試

2019年7月，“天科探海一號”AUV在近海進(jìn)行了水下測試，水深約30 m。

3.1 水下地形探測

按照布置好的航線，以固定航速進(jìn)行測量，完成6條測線的多波束聲吶測量(圖7)。對于每條測線，保留±72°波束范圍內(nèi)的所有有效波束點。每次選擇2條測線，對比重疊部分的水深，統(tǒng)計水深比對不符值的點數(shù)。在重疊區(qū)域水深比對時，對于兩個文件中的點，當(dāng)平面位置距離小于0.5 m時，認(rèn)為是同一位置點，對其深度進(jìn)行比對。按照以上方法，得到6組對比結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯陨?組對比結(jié)果，超限點(大于±0.20 m)比例最大值為3.08%；6組合并統(tǒng)計時，總比對點數(shù)為316 109，超限點數(shù)量僅為9 032，超限點比例為2.86%。

表1 測深誤差測定統(tǒng)計表

3.2 水下地貌探測

在多波束聲吶測量的同時，采用側(cè)掃聲吶進(jìn)行海底地貌測量，可根據(jù)海底跟蹤結(jié)果自動設(shè)置增益、TVG等圖像參數(shù)。測量區(qū)域缺少明顯地物，但漁業(yè)活動形成的錨溝發(fā)育豐富。通過錨溝清晰度和位置的對比，驗證測量結(jié)果的可行性。

從圖8中可以看出，海底地貌效果清晰，不同測線得到的錨溝位置完全吻合，實現(xiàn)了側(cè)掃聲吶無形變、無錯位的自動圖像拼接，解決了傳統(tǒng)的拖曳式側(cè)掃聲吶由于位置、姿態(tài)誤差的限制而造成的聲吶圖像變形、目標(biāo)位置偏差較大的問題。

4 結(jié)論

“天科探海一號”AUV采用模塊化平臺設(shè)計、共形陣聲吶安裝和聲信號兼容處理等技術(shù)，實現(xiàn)了多波束聲吶和側(cè)掃聲吶在便攜式AUV上的搭載，其中多波束聲吶主要應(yīng)用于海底地形測量，而側(cè)掃聲吶主要應(yīng)用于海底地貌成像，二者相互驗證可有效提高海底面探測的精度與效率。

模塊化設(shè)計使“天科探海一號”AUV成為了一個開放式平臺，可使平臺的負(fù)載能力得到充分利用，能夠根據(jù)工作需求執(zhí)行多樣性探測任務(wù)。共形陣聲吶安裝能夠減小航行阻力、提高推進(jìn)效率、抑制流體噪聲，有效提高了淺海環(huán)境下的探測性能。聲信號兼容處理避免了設(shè)備之間的干擾，使頻率接近的多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、DVL能夠同步協(xié)同作業(yè)。

“天科探海一號”的主要用途是利用成像聲吶實施水下應(yīng)急搜尋探測，要求AUV的探查結(jié)果能以一種精確有效的方式展現(xiàn)出來，便于水下目標(biāo)的探查、分類、判圖、識別和定位。在以后的研究工作中，應(yīng)進(jìn)一步提高AUV導(dǎo)航與探測的精度，并加強(qiáng)AUV在海上使用環(huán)境中長時間使用的可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，使便攜型AUV擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。