白桂強，谷海濤，王子慶，李寧，高偉

(1. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，機器人學(xué)國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2. 中國科學(xué)院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽 110016；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

自主水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle）回收方式主要有罩籠式、著陸式、捕獲式、機械臂式[1-5]。捕獲式回收優(yōu)點是：AUV 在水中能夠?qū)崿F(xiàn)與對接目標(biāo)的全方位對接，受海洋環(huán)境的干擾相對較小，對接可靠性較高[6]。圖1（a）為佛羅里達大西洋大學(xué)設(shè)計的捕獲式回收裝置，該裝置捕獲范圍大，對AUV 航行精度要求低，但該裝置不能自主脫離回收纜繩，故不適用于自主收放AUV[7]。圖1（b）為佛羅里達大西洋大學(xué)設(shè)計的捕獲式回收機構(gòu)，該機構(gòu)與USV（Unmanned Surface Vehicle）配合可完成AUV 自主收放工作。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，由伺服電機直接驅(qū)動捕獲裝置，捕獲范圍大，但是受力易損壞，承載能力小[8]。圖1（c）為Hydroid 公司為REMUS AUV 研制的LCLR（LineCaptureLine Recovery）模塊化回收機構(gòu)，AUV 航行時，該機構(gòu)可回收至AUV 形體內(nèi)部，對AUV 航行阻力影響小，但該機構(gòu)回收AUV時需要支反力，故不適用于動態(tài)回收AUV[9]。OdysseyII AUV 可利用其簡單可靠的夾持機構(gòu)捕獲回收纜繩，但是該機構(gòu)的導(dǎo)向桿不能閉合，對AUV 的操縱性有不利影響[10]。圖1（d）為洛克希德·馬丁公司為MARLIN AUV 設(shè)計的捕獲式回收機構(gòu)，該回收機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，AUV 航行時機構(gòu)可收入AUV 形體內(nèi)部[11]。

本文結(jié)合捕獲式回收技術(shù)特點以及國內(nèi)外研制的捕獲式回收機構(gòu)，設(shè)計由導(dǎo)向機構(gòu)與鎖緊機構(gòu)組成的捕獲式回收裝置。所設(shè)計回收機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，受力不易損壞，捕獲范圍大，能夠共形。只需更改該機構(gòu)部分設(shè)計參數(shù)便可適用于不同直徑的AUV。本文以直徑為250 mm 的AUV 為載體進行設(shè)計與分析，如圖2 所示。AUV 用多普勒測速儀、電子羅盤以及超短基線組合導(dǎo)航，具有良好的定點、定向、定深航行能力。動基座由USV 以及拖曳裝置——V 型翼組成。USV 采用差分GPS 與電子羅盤組合導(dǎo)航，具有穩(wěn)定的定點、定向、定速航行能力。V 型翼外形為三角形，其自身具有深度及姿態(tài)穩(wěn)定能力。采用Adams 軟件對回收機構(gòu)進行動力學(xué)分析，以研究導(dǎo)向機構(gòu)長度及開口半徑對于AUV 回收過程的影響；采用Star-ccm+流體分析軟件研究AUV 回收機構(gòu)外形對于AUV 航行影響。

圖 1 回收機構(gòu)圖Fig. 1Recovery mechanism diagram

圖 2 便攜式AUVFig. 2Portable AUV

1 機構(gòu)設(shè)計

1.1 回收方案設(shè)計

根據(jù)AUV 回收特點，將AUV 回收過程分為導(dǎo)引過程與對接過程。導(dǎo)引過程分為遠距離聲學(xué)與近距離光學(xué)導(dǎo)引。在10 km 范圍內(nèi)，聲學(xué)通信與定位系統(tǒng)性能優(yōu)越[12]，AUV 利用超短基線與動基座進行定位后，以1.5 m/s 速度駛向動基座。AUV 與動基座距離較近時聲學(xué)導(dǎo)引誤差大，而近距離時光學(xué)導(dǎo)引精度高。藍綠光可視距離在水下最遠100 m[12]，試驗表明在千島湖水質(zhì)（光學(xué)衰減系數(shù)：0.6 m-1）中光導(dǎo)引最大作用距離為15 m，因此當(dāng)AUV 與動基座距離為10～15 m 時由聲學(xué)導(dǎo)引轉(zhuǎn)換為光學(xué)導(dǎo)引。光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備由光學(xué)傳感器——攝像機以及燈標(biāo)組成。直徑為1 m 的燈標(biāo)安裝于V 型翼后方，光源為藍光。由于水下攝像機存在開角，因此AUV 距離動基座較近時會進入攝像機盲區(qū)。攝像機開角為45°時不同對接高度的盲區(qū)范圍如圖3 所示。對接高度1 m 一方面可以滿足AUV 定深精度要求，另一方面可以減小A U V 回收時盲區(qū)距離。AUV 進入光學(xué)導(dǎo)引盲區(qū)后由導(dǎo)引過程轉(zhuǎn)換為對接過程。對接過程中，AUV 自主定深定向航行直至完成對接回收?；厥諏訄鼍叭鐖D4 所示。

圖 3 攝像機45°開角時盲區(qū)范圍Fig. 3The camera Angle of 45° open blind area range

圖 4 對接場景圖Fig. 4Illustration of the recovery scenario

1.2 回收機構(gòu)組成

回收機構(gòu)分為導(dǎo)向機構(gòu)與捕獲機構(gòu)，二者均為曲柄滑塊機構(gòu)?；厥諜C構(gòu)由直流電機，絲杠螺母，推桿，導(dǎo)向機構(gòu)，捕獲機構(gòu)，機架，回收機構(gòu)外殼以及承力結(jié)構(gòu)件等組成。直流電機驅(qū)動絲杠螺母，從而推動推桿驅(qū)動導(dǎo)向機構(gòu)與捕獲機構(gòu)運動。機構(gòu)主要組成部分如圖5所示。其中，圖5（a）為導(dǎo)向機構(gòu)部件，圖5（b）為捕獲機構(gòu)部件。

AUV 回收機構(gòu)與纜繩對接過程如圖6 所示。導(dǎo)向桿導(dǎo)向回收纜繩至回收機構(gòu)末端時，回收纜繩阻斷到位檢測裝置——對射型紅外線傳感器發(fā)射端與接收端信號，傳感器產(chǎn)生低電平觸發(fā)信號，使電機驅(qū)動捕獲爪產(chǎn)生捕獲動作將纜繩捕獲。AUV 航行時，導(dǎo)向機構(gòu)可回收至AUV 形體內(nèi)部以減小回收機構(gòu)對于AUV 航行阻力。

圖 5 回收機構(gòu)部件Fig. 5Recovery mechanism component

圖 6 對接過程簡圖Fig. 6Schematic diagram of recovery process

圖 7 回收機構(gòu)幾何關(guān)系簡圖Fig. 7Geometric relationship of recovery mechanism

1.3 機構(gòu)設(shè)計

由圖3 可知，AUV 進入光學(xué)導(dǎo)引盲區(qū)到捕獲完成，需要進行相對距離為4.5 m 的自主航行。AUV 與動基座之間相對速度為v，AUV 運動速度為V，AUV 自主航行偏航角為θ，則AUV 自主航行偏航距離L 為：

圖7 為AUV 回收機構(gòu)幾何關(guān)系簡圖，F(xiàn)1為AUV推進器產(chǎn)生推力，AUV 方向舵與俯仰舵產(chǎn)生最大力矩為MZ，可得出導(dǎo)向機構(gòu)開口半徑K1范圍：

導(dǎo)桿與回收纜繩之間不能自鎖?；厥绽|繩表面材料為橡膠，導(dǎo)向桿材料為金屬，兩者之間摩擦系數(shù)μ 約為0.5[13]。AUV 直徑為D，魚雷形AUV 長度與直徑比值小于11 時航行阻力小[14]。AUV 控制段，能源段等固有長度為I，因此導(dǎo)向機構(gòu)長度為l4與導(dǎo)向機構(gòu)半角 α 應(yīng)滿足：

本文針對實驗室直徑為250 mm 的AUV 進行設(shè)計，對接最大航行速度V 為1.5 m/s，自主航行偏航角θ 為±1°，AUV 推進器推力F1為20 N，方向舵與俯仰舵產(chǎn)生最大力矩為MZ為6 N·m。便攜式AUV 控制段，能源段，推進段等固有長度2 100 mm。由此可得出AUV 導(dǎo)向機構(gòu)尺寸為：

回收纜繩直徑為10 mm，取安全裕度為3，即捕獲機構(gòu)開口直徑K2為3 倍纜繩直徑。捕獲機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，其運動副為線高副，受力容易被破壞。因此，在回收機構(gòu)末端設(shè)計承力結(jié)構(gòu)可與回收纜繩上的回收球形成平面副接觸，優(yōu)化整個回收機構(gòu)的受力，承力結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示。針對該結(jié)構(gòu)進行強度校核，施加載荷為150 kg 時其應(yīng)力如圖8（b）所示。由圖可知，該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力41.56 MPa，為不銹鋼屈服極限的17.8%。

圖 8 承力結(jié)構(gòu)Fig. 8Bearing structure

2 機構(gòu)分析

回收纜繩在導(dǎo)桿最外端與導(dǎo)桿接觸時，兩者之間接觸力對于AUV 重心力臂最大。在與纜繩碰撞過程中，隨AUV 與回收纜繩之間接觸力矩變大，AUV 航行穩(wěn)定性變差，當(dāng)接觸力矩超過AUV 本身扶正力矩，將導(dǎo)致AUV 失穩(wěn)。開口半徑K1相同時，機構(gòu)半角α 越大，導(dǎo)桿長度越小，如圖9 所示。因此，機構(gòu)開口半徑不同，對于AUV 對接過程穩(wěn)定性影響不同。用ADAMS 動力學(xué)仿真軟件與Star-ccm+流體力學(xué)仿真軟件，對不同開角下導(dǎo)桿長度對于AUV 對接過程的影響進行分析。

圖 9 導(dǎo)向桿尺寸關(guān)系Fig. 9Dimension relation of guide rod

2.1 回收機構(gòu)動力學(xué)仿真分析

在對接過程中，AUV 回收機構(gòu)與回收纜繩的碰撞屬于剛性體與柔性體碰撞，采用ADAMS 多體動力學(xué)仿真軟件進行AUV 與纜繩對接過程碰撞力的分析，研究導(dǎo)向桿長度與開角對于AUV 對接過程穩(wěn)定性影響。

在對接過程中，AUV 與動基座相對速度為0.5 m/s。3 級海況回收AUV 時[15]，回收深度應(yīng)大于3 m，纜繩長度為5 m。將長度為5 m 的纜繩離散為通過柔性連接副連接的圓柱體，以此建立多剛體動力學(xué)模型近似回收纜繩，文中主要采用軸套力連接近似模擬鋼絲繩。ADAMS 中提供的軸套力柔性連接實際上是一個6 分量的彈簧結(jié)構(gòu)，通過定義3 個力分量和3 個力矩分量在2 個構(gòu)件之間施加1 個柔性力。該方法所建立的回收纜繩模型剛度低，柔韌性和彈性好，適合對短程拖令系統(tǒng)[16]。由文獻[16]可知，直徑為10 mm 的鋼絲繩軸套力剛度系數(shù)如表1 所示。

表 1 纜繩軸套力剛度系數(shù)Tab. 1 Stiffness coefficient of axle sleeve force of cable

USV 以不同速度拖曳V 型翼時，其產(chǎn)生下壓力與阻力不同導(dǎo)致纜繩傾角不同，V 型翼產(chǎn)生的阻力與下壓力及纜繩傾角如表2 所示。進而導(dǎo)致AUV 回收機構(gòu)與纜繩對接過程中所受力與力矩不同。

表 2 V 型翼產(chǎn)生阻力與下壓力Tab. 2 Drag and downforce generated byV-shaped wings

AUV 質(zhì)量為100 kg，在重心處施加980 N 豎直向上的力以模擬AUV 在水中的零浮力狀態(tài)。計算導(dǎo)向機構(gòu)開口半角α 為22.5°，30°，37.5°，45°，52.5°，60°時，AUV 以0.5 m/s 的相對速度撞擊4 種不同傾角的纜繩，共計24 種工況下的接觸力以及力矩。Constant_BDF 求解器為剛性穩(wěn)定算法，可直接求解DAE方程，采用SI2 積分格式時，求解加速度與力精度高，采用該模型能滿足本文分析需求。圖10 為AUV以不同開角與回收纜繩對接是所受回轉(zhuǎn)力矩大小。圖11為AUV 以不同開角與回收纜繩對接時所受俯仰力矩大小。

圖 10 對接時AUV 回轉(zhuǎn)力矩Fig. 10Rotation of AUV colliding with cable

圖 11 對接時AUV 俯仰力矩Fig. 11Pitching of AUV colliding with cable

圖10～圖14 中：A 表示開角為45°，B 表示開角為60°，C 表示開角為75°，D 表示開角為90°，E 表示開角為105°，F(xiàn) 表示開角為120°。由圖11 與圖12 可得出，隨AUV 導(dǎo)向機構(gòu)開角增大，對接過程中AUV 所受回轉(zhuǎn)力矩與俯仰力矩增大；開口半徑相同時，對接時V 型翼速度越大，AUV 所受回轉(zhuǎn)力矩與俯仰力矩越大。

2.2 回收機構(gòu)水動力仿真分析

為減小AUV 運動時阻力，降低AUV 航行能耗，回收機構(gòu)在閉合時需回收至AUV 形體內(nèi)部。開口半徑K1相同時，不同的開口半角 α 所對應(yīng)的AUV 長度如表3 所示。采用計算流體力學(xué)軟件Star-ccm+批處理功能，計算不同長度的AUV 分別以0.75 m/s，1 m/s，1.25 m/s，1.5 m/s 速度運動時所受阻力。

圖 12 回收機構(gòu)閉合時的阻力Fig. 12Resistance of closed recovery mechanism

圖 13 回收機構(gòu)打開時AUV 所受阻力Fig. 13Resistance of open recovery mechanism

圖 14 AUV 壓力云圖Fig. 14Pressure cloud of AUV

表 3 不同開口半角α 所對應(yīng)的AUV 長度Tab. 3AUV lengths corresponding to different opening

圖12 為AUV 回收機構(gòu)閉合時AUV 所受阻力。由圖可知，導(dǎo)向桿越長，AUV 運動時所受阻力越大；AUV 開口半徑不變時，AUV 運動速度越大，AUV 所受阻力越大。圖13 為AUV 回收機構(gòu)打開時AUV 所受阻力。由圖可知，AUV 回收機構(gòu)打開時，AUV 運動所受阻力略有增加；隨AUV 運動速度增加，AUV 所受阻力逐漸增大。

AUV 回收機構(gòu)為不規(guī)則外形，為減小AUV 航行阻力，設(shè)計球形與橢球形兩種回外形包裹回收機構(gòu)，并針對2 種外形進行水動力仿真計算。圖14（a）為AUV外形為球形壓力云圖，圖14（b）為外形為橢球形壓力云圖。由圖可知，AUV 在運動時產(chǎn)生壓力主要區(qū)域為回收機構(gòu)區(qū)域。不同外形下AUV 所受阻力計算結(jié)果如圖15 所示。其中曲線A 為橢球形回收機構(gòu)外形，曲線B 為無回收機構(gòu)時AUV 首部外形，曲線C 為球形回收機構(gòu)外形。由圖可知，回收機構(gòu)外形為橢球形時AUV 所受阻力與無回收機構(gòu)時AUV 所受阻力相當(dāng)，且明顯小于回收機構(gòu)外形為球形。

圖 15 不同外形AUV 運動所受阻力計算結(jié)果Fig. 15Resistance for different AUV shapes

由ADAMS 及Star-ccm+仿真結(jié)果可知，當(dāng)回收機構(gòu)開角大于90°時，AUV 與纜繩對接過程中所受力矩大于AUV 扶正力矩，影響AUV 穩(wěn)定性；回收機構(gòu)開角小于75°時，AUV 航行阻力大于螺旋槳推力。因此選擇開角為75°的回收機構(gòu)進行外場試驗。

3 試驗驗證

為驗證回收機構(gòu)可靠性以及回收機構(gòu)對于AUV 對接過程穩(wěn)定性影響，進行湖上試驗。通過湖上試驗，獲取AUV 偏航角、深度數(shù)據(jù)等信息。AUV 航行深度如圖16 所示。其中曲線A 為實際深度，曲線B 為目標(biāo)深度。由圖可知，AUV 航行深度偏差±0.1 m，均方差0.16 m。AUV 航行航向角數(shù)據(jù)如圖17 所示。其中曲線A 為實際航向，曲線B 為目標(biāo)航向。由圖可知，AUV航行偏航角為±1°。由AUV 深度及偏航角數(shù)據(jù)可知，加裝回收機構(gòu)后AUV 航行精度滿足回收需求。

圖 16 AUV 航行深度數(shù)據(jù)Fig. 16Depth data during AUV navigation

圖 17 AUV 航行艏向角數(shù)據(jù)Fig. 17AUV heading Angle data

圖18 為AUV 主推轉(zhuǎn)速相同時，AUV 回收機構(gòu)打開和閉合時航速。其中曲線A 為回收機構(gòu)閉合時AUV航速；曲線B 為回收機構(gòu)打開時AUV 航速。由圖可知，加裝回收機構(gòu)后AUV 航行阻力變大，相同主推轉(zhuǎn)速下AUV 速度降低，但仍然達到回收時所需航速。

圖 18 主推轉(zhuǎn)速相同時AUV 航速Fig. 18The AUV speed with the same propeller speed

經(jīng)過湖上試驗驗證，回收機構(gòu)可靠性強，對AUV操縱性影響小，回收AUV 時回收機構(gòu)順利打開。

將數(shù)據(jù)整理后得到回收機構(gòu)打開前后AUV 速度變化，如表4 所示。

表 4 回收機構(gòu)打開前后AUV 速度變化Tab. 4 Changes of AUV speed before and after opening of recovery mechanism

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種用于自主回收AUV 的捕獲式機構(gòu)，并對該機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)及機構(gòu)原理作了介紹。對機構(gòu)外形及參數(shù)對于AUV 回收過程影響進行了深入分析，通過仿真計算及湖上試驗獲取了有效數(shù)據(jù)，驗證了該機構(gòu)的可靠性，得出如下結(jié)論：

1）設(shè)計的回收機構(gòu)分為捕獲機構(gòu)與導(dǎo)向機構(gòu)，承力結(jié)構(gòu)與纜繩上球體配合可保證AUV 回收過程可靠性與安全性，經(jīng)外場驗證，所設(shè)計回收機構(gòu)動作成功率大于90%。

2）導(dǎo)向機構(gòu)開角與所受纜繩力矩正相關(guān)，與AUV航行所受阻力負(fù)相關(guān)。導(dǎo)向機構(gòu)開角應(yīng)位于大于75°且小于90°，回收機構(gòu)打開比閉合時AUV 阻力增加約為15%。

3）機構(gòu)外形為橢球形時AUV 所受阻力與無回收機構(gòu)時AUV 所受阻力相當(dāng)，且明顯小于外形為球形時AUV 所受阻力。