謝爭明，曾慶軍，朱志宇，戴曉強(qiáng)，任申真

（1.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212100；2.中科探海（蘇州）海洋科技有限責(zé)任公司，江蘇蘇州 215600）

0 引言

海洋作為多種資源的重要來源，對海洋的探索具有重要意義［1］。自主水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作為探索海洋資源的重要技術(shù)裝備，在海洋科學(xué)考察［2］、智能水下檢測［3-4］、水下搜救等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。AUV 在這些領(lǐng)域代替人工進(jìn)行作業(yè)的同時(shí)，可大大降低作業(yè)人員遇到的風(fēng)險(xiǎn)并提高作業(yè)效率［5-6］。由于AUV 作業(yè)一段時(shí)間需要回收以進(jìn)行能源補(bǔ)給、數(shù)據(jù)傳輸及指令下達(dá)等任務(wù)，但頻繁布放及回收AUV 過于繁瑣［7-8］，同時(shí)給工作人員及AUV 帶來更多風(fēng)險(xiǎn)［9］，所以國內(nèi)外科研人員對水下自主對接進(jìn)行了研究。

自20 世紀(jì)90 年代以來，AUV 的對接系統(tǒng)主要包括捕捉式對接、平臺式對接、包容式對接等幾種類型［10］。近年來，國內(nèi)外研究人員也在自主對接方面取得多項(xiàng)成果［11-12］。如浙江大學(xué)于2017 年5 月在深度50m 和105m 條件下成功完成AUV 包容式自主回收對接海試，表明包容式對接在深海具有良好的可靠性及穩(wěn)定性［13-14］。而動(dòng)力定位控制作為AUV 自主對接過程中的重要一環(huán)，在懸停校準(zhǔn)環(huán)節(jié)起到了重要作用。文獻(xiàn)［15］設(shè)計(jì)自適應(yīng)滑?？刂破鳎钥朔嗀UV 模型不準(zhǔn)確和未知擾動(dòng)對動(dòng)力定位控制的影響，但其僅在定常海流干擾環(huán)境下設(shè)計(jì)控制器，未能很好地結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境；文獻(xiàn)［16］設(shè)計(jì)積分分離模糊PID 航向角控制器，在減小超調(diào)方面具有較好效果。

本文以“探海Ⅱ型”全驅(qū)動(dòng)AUV 為基礎(chǔ)，結(jié)合超短基線、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、雙目攝像機(jī)等設(shè)備，設(shè)計(jì)全驅(qū)動(dòng)AUV 自主對接回收動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，通過動(dòng)力定位控制器發(fā)揮全驅(qū)動(dòng)AUV 的優(yōu)勢完成推力分配，從而抵抗隨機(jī)浪流擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水下精準(zhǔn)對接回收。最終水下自主對接實(shí)驗(yàn)成功率超過90%，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性及可靠性。

1 自主對接系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的自主對接系統(tǒng)主要針對“探海Ⅱ型”AUV，該AUV 采用魚雷型結(jié)構(gòu)，有利于自主對接工作，同時(shí)支持水面無線遙控模式、有纜光纖遙控模式及自主作業(yè)模式。對接塢采用包容式結(jié)構(gòu)，與魚雷型AUV 結(jié)構(gòu)能夠較好地配合完成自主對接。

1.1 “探海Ⅱ型”AUV 設(shè)計(jì)

“探海Ⅱ型”AUV 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

Fig.1 Structure of“T-SEA Ⅱ”type AUV圖1“探海Ⅱ型”AUV 結(jié)構(gòu)

“探海Ⅱ型”AUV 由艏段、電子艙段與艉段組成，艏段搭載雙目視覺攝像機(jī)供視覺導(dǎo)航使用，電子艙段為控制系統(tǒng)所在艙段，并裝載光線慣導(dǎo)、多普勒計(jì)程儀、深度計(jì)、GPS等導(dǎo)航設(shè)備，艉段下部裝載超短基線設(shè)備作為自主對接的主要工具。整個(gè)AUV 共有5 個(gè)推進(jìn)器，分別為2 路側(cè)推、2路垂推及1 路主推，其中側(cè)推及垂推作為輔助推進(jìn)器用于控制AUV 姿態(tài)。同時(shí)，艉部設(shè)計(jì)“X”型舵以提高AUV 的可操作性，并可調(diào)整舵葉角度來調(diào)整其附加轉(zhuǎn)矩。AUV 主要參數(shù)如表1 所示。

Table 1 Parameters of“T-SEA Ⅱ”type AUV表1“探海Ⅱ型”AUV 參數(shù)

1.2 對接塢設(shè)計(jì)

對接塢設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。本文AUV 對接塢采用包容式結(jié)構(gòu)，主要由對接器、對接塢控制系統(tǒng)及基座組成。對接塢作為AUV 對接平臺，搭載了GPS、深度傳感器、姿態(tài)傳感器、超短基線（USBL）等多個(gè)傳感器。其中USBL 作為通信、定位一體機(jī)，提供對接塢與AUV 之間的位置關(guān)系，并作為AUV 與對接塢的通信工具。

Fig.2 Structure of docking device圖2 對接塢設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

為提高對接成功率，對接器采用錐形喇叭口結(jié)構(gòu)，其中軸線離底高度為2.2m，對接器大徑與小徑分別為800mm及250mm。通過對對接器的錐形導(dǎo)向罩進(jìn)行處理，以使AUV 能更平滑地進(jìn)入對接器。對接器實(shí)物圖如圖3 所示。

Fig.3 Docking device圖3 對接器

2 自主對接方案

AUV 自主對接示意圖如圖4 所示?！疤胶＂蛐汀盇UV 自主對接過程分為遠(yuǎn)距離直線歸位、遠(yuǎn)距離直線跟蹤、近距離直線跟蹤及近距離調(diào)整階段。在AUV 收到對接任務(wù)后，若AUV 未進(jìn)入U(xiǎn)SBL 作用區(qū)域，則根據(jù)對接塢入水前的坐標(biāo)信息向其靠近，待接收到USBL 信號后得到對接塢確切位置，計(jì)算位于對接器中心線上的跟蹤點(diǎn)并進(jìn)入直線歸位階段；到達(dá)指定跟蹤點(diǎn)后開啟AUV 動(dòng)力定位控制器，同時(shí)通過圓弧運(yùn)動(dòng)過渡至直線跟蹤階段，并利用控制器完成航向控制；待AUV 進(jìn)入視覺導(dǎo)引階段，通過視覺導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)AUV 實(shí)際位置并計(jì)算跟蹤誤差，同時(shí)利用動(dòng)力定位控制器實(shí)現(xiàn)懸停校準(zhǔn)及近距離直線控制；當(dāng)在近距離調(diào)整階段進(jìn)入視覺盲區(qū)，則依靠控制器所計(jì)算的對接器位置完成對接。

（1）直線跟蹤點(diǎn)調(diào)整。首先根據(jù)定位信息計(jì)算得到對接塢初始坐標(biāo)(x0,y0)及直線跟蹤點(diǎn)初始坐標(biāo)(xobj,yobj)，在AUV 作業(yè)過程中根據(jù)USBL 提供的坐標(biāo)信息計(jì)算AUV 與對接塢的相對距離及相對角度，并計(jì)算得出對接塢在大地坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)坐標(biāo)進(jìn)而由式（1）得到目標(biāo)直線跟蹤點(diǎn)更新坐標(biāo)

Fig.4 AUV auto docking diagram圖4 AUV 自主對接示意圖

（2）航位推算。大地坐標(biāo)系下AUV 航速為V，V在地理東向、北向的速度分量分別為VE、VN，推算大地坐標(biāo)系下的位移增量為［20］：

式中，ΔSE、ΔSN分別為位移增量在地理東向、北向的分量，ψ為航向角，Vx、Vy分別為AUV 相對于大地的前向、左向速度分量，進(jìn)一步對式（2）左側(cè)位移增量進(jìn)行積分，得出AUV 當(dāng)前航位推算位置量。

（3）懸停校準(zhǔn)。具體公式如下：

式中，ll為AUV 初次視覺導(dǎo)引時(shí)的位置在對接器中心延長線上的投影；el是相對喇叭口中心線的偏差；Δθ是AUV 當(dāng)前航向與喇叭口中心線的偏差，Δθ∈(-25°,25°)；k1、k2是比例系數(shù)；sgn(el·Δθ)用于判斷AUV 是趨向還是遠(yuǎn)離中心線；lmax是校準(zhǔn)點(diǎn)與喇叭口的最大距離；lmin是校準(zhǔn)點(diǎn)與喇叭口的最小距離。然后以式（3）估計(jì)動(dòng)力定位目標(biāo)相對喇叭口中心線的位置，校準(zhǔn)與喇叭口中心線的跟蹤偏差。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力定位控制器及自主對接系統(tǒng)的性能，將“探海Ⅱ型”AUV 及自主對接系統(tǒng)分別于蘇州某湖和校內(nèi)拖曳水池進(jìn)行測試。

3.1 蘇州某湖實(shí)驗(yàn)

圖5 為蘇州某湖實(shí)驗(yàn)環(huán)境，湖內(nèi)深度大于5m，湖底無水草等干擾物，湖面有波浪且水流速度小于1m/s。為更直觀地觀察自主對接效果，將對接器置于水下1～2m 處。

Fig.5 Experiment environment of some lake in Suzhou圖5 蘇州某湖實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖6 為AUV 水面監(jiān)控平臺操作界面（彩圖掃OSID 碼可見，下同），可通過上位機(jī)下達(dá)指令及接收信息等，并通過地圖監(jiān)控AUV 位置及信息。實(shí)驗(yàn)分為AUV 動(dòng)力定位控制實(shí)驗(yàn)與連續(xù)自主對接實(shí)驗(yàn)兩部分。

Fig.6 Water surface monitoring platform圖6 水面監(jiān)控平臺

（1）AUV 動(dòng)力定位控制實(shí)驗(yàn)。為測試AUV 的懸停校準(zhǔn)性能，首先進(jìn)行動(dòng)力定位深度控制實(shí)驗(yàn)。通過上位機(jī)設(shè)定AUV 動(dòng)力定位的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為（120.317 329 406 738，31.109 573 364 257 8），期望深度為3m，持續(xù)作業(yè)時(shí)間為1h以上。

實(shí)際控制深度及期望深度曲線如圖7 所示，深度誤差曲線如圖8 所示。由圖可知，AUV 動(dòng)力定位控制器在深度控制上取得了很好的效果，超調(diào)較小并能保持穩(wěn)態(tài)深度誤差在±0.04m 范圍之內(nèi)。在有隨機(jī)浪流干擾的情況下，能夠迅速抵抗擾動(dòng)的影響并回到穩(wěn)態(tài)，能夠滿足精確自主對接對深度控制的要求。

Fig.7 Dynamic positioning depth control curve圖7 動(dòng)力定位深度控制曲線

Fig.8 Depth error curve圖8 深度誤差曲線

同樣的，為測試AUV 在自主對接過程中直線跟蹤及姿態(tài)角控制方面的能力，進(jìn)行姿態(tài)角保持實(shí)驗(yàn)。設(shè)定AUV 沿直線行駛，并保持航向角恒定為90°、縱傾角0°、橫滾角0°，維持時(shí)間1h 以上。航向角、縱傾角及橫滾角控制曲線分別如圖9-圖11 所示。由圖可知，AUV 所設(shè)計(jì)的AUV 動(dòng)力定位控制器在姿態(tài)角控制方面具有優(yōu)越的性能，可控制航向角穩(wěn)態(tài)誤差在目標(biāo)角度±0.5°以內(nèi)，且控制縱傾角、橫滾角穩(wěn)態(tài)角度均在±0.3°以內(nèi)，能夠抵抗外部擾動(dòng)對角度控制的影響，更好地保障AUV 自主對接過程中對精確控制的要求。

Fig.9 Course angle control curve圖9 航向角控制曲線

Fig.10 Trim angle control curve圖10 縱傾角控制曲線

Fig.11 Roll angle control curve圖11 橫滾角控制曲線

（2）AUV 連續(xù)自主對接實(shí)驗(yàn)。為測試AUV 在不同距離及方位下自主對接的成功率，在蘇州某湖分別進(jìn)行4 段不同距離與不同方位的對接測試。以對接塢為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），利用USBL 提供AUV 與對接塢的相對坐標(biāo)信息，以不同初始角度及距離完成對接。AUV 連續(xù)自主對接軌跡如圖12 所示。

Fig.12 AUV continuous autonomous docking trajectory圖12 AUV 連續(xù)自主對接軌跡

如圖12 所示，AUV 分別以對接塢位置為初始點(diǎn)完成4次自主對接往返運(yùn)動(dòng)，最終均準(zhǔn)確返回至對接塢位置，成功率達(dá)到100%，能夠準(zhǔn)確并以最優(yōu)路線完成精確對接。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

Table 2 Experimental data表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：m

3.2 校內(nèi)拖曳水池實(shí)驗(yàn)

為更好地測試AUV 在不同環(huán)境下的自主對接能力，接下來在校內(nèi)拖曳水池完成對接實(shí)驗(yàn)。拖曳水池環(huán)境如圖13 所示，水池深約2m，長約100m。由于室內(nèi)GPS 信號較弱，故主要根據(jù)視覺導(dǎo)引及動(dòng)力定位控制完成自主對接。

Fig.13 Towing basin environment圖13 拖曳水池環(huán)境

拖曳水池動(dòng)力定位深度控制曲線如圖14 所示，控制AUV 保持在對接塢喇叭口的中心延長線上，并維持深度恒定。AUV 在短暫的超調(diào)之后能夠迅速穩(wěn)定在期望深度，并維持誤差在0.05m 之內(nèi)。AUV 根據(jù)搭載的雙目攝像機(jī)獲得對接器上的燈源圖像信息，利用視覺導(dǎo)引完成最終對接。

Fig.14 Towing basin depth control圖14 拖曳水池深度控制

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的AUV 自主對接系統(tǒng)經(jīng)過湖試及水池實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的可靠性及穩(wěn)定性，連續(xù)多組實(shí)驗(yàn)均能準(zhǔn)確完成對接任務(wù)，利用視覺導(dǎo)引及聲學(xué)導(dǎo)引保證了AUV 在多場景下的應(yīng)用，且AUV 動(dòng)力定位控制器在有隨機(jī)浪流干擾的湖泊及拖曳水池中能穩(wěn)定地將深度、姿態(tài)角精確控制在指定范圍內(nèi)，因此具有較好的應(yīng)用前景。但目前在對接塢設(shè)計(jì)方面依然存在水下充電困難等問題，在未來的研究中將對其作進(jìn)一步改進(jìn)。