辛傳龍，鄭 榮，楊 博

（1.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧沈陽 110016；2.中國科學院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧沈陽 110169；3.中國科學院大學，北京 100049）

水下對接是自主水下機器人（autonomous underwater vehicle，AUV）自主布放與回收的重要環(huán)節(jié)。在過去三四十年間，AUV水下對接技術得到很大發(fā)展。對接裝置按照其結構形式可分為坐落平臺型、繩桿型和導向罩型[1]。在魚雷形AUV動對接應用場景下，坐落平臺型的結構已被逐漸淘汰；采用繩桿型的結構，能夠實現(xiàn)AUV水下360°全方位對接[2]，可降低AUV航跡規(guī)劃的控制要求；導向罩型的結構因其容錯率高、充電與數(shù)據傳輸功能易于集成等優(yōu)勢，得到廣泛應用。

根據對接裝置在AUV對接過程中的運動和被操縱狀態(tài)，可將水下對接形式分為靜對接、懸停對接、移動對接、懸浮對接和拖曳動對接。靜對接裝置通常配置在海底預置系統(tǒng)上或單獨布放在大陸架上，作為AUV在海底的固定“加油站”和信息中轉站。美國蒙特利海洋研究所[3]、中國的浙江大學和哈爾濱工程大學[4-5]等相關研究機構都研究了在“金字塔”形底座上配置喇叭口導向罩型對接裝置的靜對接形式，并成功完成AUV水下對接試驗。常見的潛艇馱載回收AUV的方式[6]，則屬于典型的懸停對接和移動對接形式。其與懸浮對接和拖曳動對接不同的是，對接裝置自身能夠主動對抗與AUV對接碰撞以及海流帶來的擾動。Liu、鄭榮等[7-8]基于某重型AUV和可操縱移動對接裝置，分別采用聲學和光學導引技術，成功實現(xiàn)懸停和移動對接。類比于海洋船舶工程系泊和錨泊系統(tǒng)的定義[9]，將懸浮對接定義為：對接裝置由具有一定長度的繩索束縛在另一固定或浮式結構物（如大陸架、母船、浮標、海上石油平臺等）上，在對接過程中，裝置自由懸浮，不受任何主動操縱力控制。拖曳動對接與懸浮對接類似，只是拖曳動對接時對接裝置一般束縛在移動平臺（如水面母船、無人艇）上。拖曳動對接由海洋深拖系統(tǒng)形式演變而來，被廣泛應用于水面平臺AUV的布放與回收。

現(xiàn)有的針對AUV水下對接過程的研究，主要對靜對接中接駁碰撞過程的影響因素進行分析[5，10]，相關的結構優(yōu)化也是基于靜對接應用場景的[11-12]，尚無針對懸浮對接和拖曳動對接的接駁運動規(guī)律的研究。同樣，關于水下接駁控制策略的研究，主要集中在如何規(guī)劃對接路徑以及如何通過有效的控制算法使AUV跟蹤所規(guī)劃的路徑[1]。對于AUV入塢的最后階段，一般都規(guī)定了恒定的對接速度。而文獻[13]指出，對接速度是影響對接成功率的重要因素，因此有必要對AUV對接的前向運動控制方案作更充分的研究。

為實現(xiàn)水面無人艇自主部署AUV，針對現(xiàn)有導向罩型對接裝置結構的局限性，提出一種新型水下開合對接裝置。根據裝置的結構形式，制定靜對接、懸浮對接和拖曳動對接三種應用場景下的接駁控制方案。通過對各應用場景下AUV對接過程的動力學簡化分析，利用ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical system，機械系統(tǒng)動力學自動分析）和MATLAB軟件建立水下接駁控制的仿真環(huán)境，并對不同對接形式的接駁控制方案進行仿真分析和對比。

1 新型AUV水下開合對接系統(tǒng)

1.1 開合對接方案

水面無人艇自主部署AUV一體化系統(tǒng)針對多海洋平臺協(xié)同協(xié)作發(fā)展的需求應運而生[14]，在水面無人艇下拖曳體自主收放裝置[15]的基礎上改進而成。其主要由水面無人艇、布放與回收裝置（固聯(lián)在水面無人艇甲板上）、開合對接裝置組成，后兩者之間由拖纜連接，共同組成一套完整的拖曳式布放與回收系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 水面無人艇自主部署AUV一體化系統(tǒng)Fig.1 Integrated system for AUV autonomous deployment of surface unmanned vehicle

為了實現(xiàn)水面無人艇自主部署AUV，筆者設計了一套適用于靜對接、懸浮對接和拖曳動對接應用場景的水下開合對接裝置（以下簡稱為“Dock”），用于水下對接324型AUV。AUV水下開合對接裝置的結構如圖2所示。

圖2 AUV水下開合對接裝置的結構Fig.2 Structure of AUV underwater opening and closing docking device

Dock主要由拖架、電子艙、框架、開合機構、導向罩和傳感設備等組成。其中傳感設備主要由陀螺儀、超短基線（ultra-short baseline，USBL）和到位開關組成。艙艏外形光順，導向罩合攏后，Dock周身呈圓柱形。這種規(guī)則的幾何外形與滑道式布放與回收方式非常匹配，有助于實現(xiàn)AUV布收流程的自動化。導向罩打開后，Dock呈對稱的傘狀，具有良好的水動力特性。密閉的電子艙主要用來放置Dock的控制系統(tǒng)以及小型液壓站。除此之外，為提高AUV被動導向效率，將傳統(tǒng)的固定罩導引方式改為動態(tài)開合導引方式。隨著導向罩的合攏，AUV逐漸被約束，并被限位滑塊和卡爪夾緊，以進一步進行水下非接觸式充電、數(shù)據傳輸及回收等工作。該方案要求324型AUV艏部段感應式充電環(huán)所在位置設計成凸起形狀，以最大限度地保留AUV的光順外形，又便于卡爪鉗住AUV。AUV對接成功狀態(tài)如圖3所示。

圖3 AUV對接成功狀態(tài)示意Fig.3 Schematic of successful AUV docking

在AUV水下對接過程中，Dock控制系統(tǒng)的規(guī)劃和決策依賴于傳感器系統(tǒng)所感知的外部環(huán)境信息。該系統(tǒng)采用USBL聲導引方式，根據回聲定位解算獲悉AUV位姿。陀螺儀用于單獨監(jiān)測Dock的姿態(tài)信息，用于反饋控制。到位開關反饋的邏輯信號既是對接是否成功的判斷標志，也作為導向罩合攏的觸發(fā)信號。

如圖2所示，Dock的理論拖點位置D在裝置縱中垂面上，設D-xyz為裝置的隨體坐標系（z軸與x、y軸滿足右手定則，圖中未標出）。Dock的結構參數(shù)如表1所示。

表1 Dock的結構參數(shù)Table 1 Structural parameters of Dock

1.2 開合對接流程

在AUV水下對接過程中，如果導向罩合攏的時機不合適，會導致AUV艏部段的感應式充電環(huán)卡在卡爪之外，造成對接失敗。因此，制定了開合對接流程，如圖4所示。該流程可用于靜對接、懸浮對接和拖曳動對接。其中：L為USBL聲導引解算的AUV與Dock之間的距離；LE1、LE2、LE3分別為控制開合對接流程走向的期望距離，滿足LE1>LE2≥LE3；αp為導向罩張角。對接流程規(guī)劃從AUV結束航路點導引，執(zhí)行直線跟蹤任務開始。當聲導引解算出L≤LE1時，AUV開始執(zhí)行最后階段的對接入塢指令；當L≤LE2時，Dock的液壓缸推動開合機構合攏導向罩；隨著αp趨近于0°，液壓缸走完一個行程，若此時到位開關檢測到AUV就位，說明對接成功，否則，Dock張開導向罩，等待AUV二次入塢。

圖4 AUV開合對接流程Fig.4 AUV opening and closing docking process

值得一提的是，由于對接碰撞不可避免，AUV入塢時縱向運動控制方案的優(yōu)劣將決定AUV完成對接任務所需要的時間?；陂_合對接裝置的結構特征，對AUV執(zhí)行對接入塢指令階段的運動提出以下控制要求：1）避免AUV碰撞后反彈距離過大，反彈后應盡快實現(xiàn)L≤LE3；2）對接過程中消耗的能量應盡可能少，避免出現(xiàn)推進器高速運轉而AUV前向速度仍為0 m/s的空轉狀態(tài)；3）在懸浮對接工況下，避免Dock因與AUV碰撞造成相對初始平衡位置偏移過大；4）在拖曳動對接工況下，AUV須具備良好的跟隨特性。

接下來，通過建立簡化的AUV對接系統(tǒng)的動力學仿真模型來研究AUV在對接過程中的前向運動控制方案。

2 AUV對接系統(tǒng)的動力學仿真模型

為了搭建AUV入塢過程的仿真環(huán)境，須對對接過程中AUV多剛體動力學模型進行深入分析?？紤]到本研究是為了探究更高效的適用于開合對接系統(tǒng)的AUV接駁控制方案，且在AUV入塢階段其前向運動起主導作用，所以對該動力學模型作如下簡化：

1）AUV入塢前的直線跟蹤軌跡與Dock中軸線重合；

2）在懸浮對接和拖曳動對接工況下，忽略Dock因碰撞而偏離初始平衡位置造成的縱傾角的微小變化；

3）水下對接中不考慮水底暗流的干擾；

4）在對接過程中AUV低速航行，舵效不明顯，只考慮主推進器作用下AUV的運動；

5）忽略在低速對接下AUV與導向罩之間的流場壁面效應；

6）對接過程中接觸部件均視為剛體。

2.1 AUV對接系統(tǒng)受力分析

在水下對接過程中，AUV受到重力FGA、浮力FBA、主推力T、水動力FWA和碰撞力FC的作用，Dock同樣受到重力FGD、浮力FBD、纜繩拉力FD（分解為FxD和FyD）、水動力FWD和碰撞力FC’的作用。因AUV和Dock的外形基本呈中心對稱，忽略水動力FWD對運動剛體產生的附加水動力矩。綜上，在靜對接、懸浮對接和拖曳動對接工況下對AUV對接系統(tǒng)進行受力分析，如圖5所示。為方便描述AUV和Dock的運動和受力，建立固定坐標系E-xyz和2個隨體坐標系B-xyz和D-xyz。兩隨體坐標系的原點分別選為AUV的浮心B和Dock的拖點D，x軸均與各自縱軸重合并指向前方，y軸垂直于x軸指向上方，z軸指向滿足右手定則。

圖5 AUV對接系統(tǒng)受力分析Fig.5 Stress analysis of AUV docking system

水下剛體垂直面的運動方程式為[16]：

式中：X、Y、N分別為水下剛體在x、y向的合外力和z向的合外力矩；m為水下剛體的質量；vx、vy分別為水下剛體在x、y向的速度分別為水下剛體在x、y向的加速度；ωz為水下剛體在z向的角速度為水下剛體在z向的角加速度；Iz為水下剛體在z向的轉動慣量。

隨體坐標系D-xyz的原點D與Dock的重心不重合，假設AUV的質心、浮心重合，聯(lián)立AUV和Dock的垂直面運動方程，可得AUV對接系統(tǒng)的簡化動力學方程為：

式中：下標“A”表示是AUV的物理量，下標“D”表示是Dock的物理量，符號含義與式（1）相同。下同。

為求解對接過程中AUV和Dock的運動狀態(tài)，須知各外力的表達式，故重點研究AUV和Dock水下運動所受的水動力和接觸產生的碰撞力。

2.2 水動力建模

物體在水中作非定常運動所受的水動力主要由兩部分組成：由速度引起的流體黏性力和由加速度引起的流體慣性力。因此，可將直航的水下剛體所受的水動力FW表示為：

式中：Rv為水下剛體因前向均速運動引起的流體黏性阻力，主要包含黏性剪切力和黏性壓差阻力；Ri為水下剛體因前向運動速度變化引起的流體慣性力。在一般情況下，Rv

式中：ρ為水的密度，取997.561 kg/m3；v為水下剛體的運動速度；S為水下剛體最大迎流橫截面積；Cx為水下剛體的阻力系數(shù)。

由于AUV和Dock的外形基本呈上下對稱，根據勢流理論以及流體慣性力的基本概念，可將近似直航的AUV和Dock所受的流體慣性力表示為：

式中：λ11為附加質量系數(shù)，常以無量綱的附加質量因數(shù)K11表示，其中V為水下剛體的排水體積。

在工程領域，常借助CFD（computational fluid dynamics，計算流體力學）方法計算海洋裝備的水動力系數(shù)[17]。本文采用商用CFD軟件Star CCM+進行Dock勻速和勻加速直航仿真，測算Dock的阻力系數(shù)CxD和附加質量系數(shù)λ11D。AUV相關水動力參數(shù)參考324 mm口徑魚雷數(shù)據[16]。兩者的計算模型均采用k—ε湍流模型，其切割體和棱柱層復合網格形式能充分體現(xiàn)Dock表面流體邊界層的水動力特性，棱柱層總厚度設為0.025 m，采用速度—壓力分離求解器，離散方式采用二階迎風格式。在不同直航速度下，Dock的前向黏性阻力RvD按式（4）經線性回歸分析后得到的擬合曲線如圖6所示，其中擬合系數(shù)R2=0.999 7，可見擬合度較好。圖中擬合關系式的二次項系數(shù)可近似為Dock的縱向阻力系數(shù)，無量綱化后可得CxD=0.405。

圖6 不同直航速度下Dock前向黏性阻力擬合曲線Fig.6 Fitting curve of forward drag resistance of Dock under different direct navigation velocities

在Dock以加速度a=1 m/s2的勻加速過程中，其周圍的速度流場如圖7所示。由圖可知，隨著Dock從1 m/s加速至2 m/s，其首尾速度最大差值由1.295 m/s增加至3.141 1 m/s。首尾壓差導致Dock的前向阻力增大。Dock以不同的加速度從靜止狀態(tài)勻加速至2 m/s過程中的前向阻力如圖8所示。由圖可知，加速度越大，同一速度下Dock的前向阻力越大。相比于圖6所示Dock在勻速狀態(tài)下的前向阻力，兩者之差可近似為Dock非定常運動的流體慣性力。按式（5）進行回歸和擬合分析，無量綱化后可得K11D=0.428 9。

圖7 Dock周圍的速度流場(a=1 m/s2)Fig.7 Velocity field around the Dock(a=1 m/s2)

圖8 Dock在不同加速度下的前向阻力Fig.8 Forward resistance of Dock under different accelerations

2.3 碰撞力建模

在對接過程中，AUV與Dock的碰撞邊界為非定常，且剛體碰撞本身就是非線性動力學問題。碰撞力受到接觸材料、接觸面幾何形狀、碰撞速度等諸多因素影響。對于碰撞力的研究，目前主要有沖量恢復系數(shù)法、等效彈簧阻尼法和有限元方法[18]。在工程應用領域，等效彈簧阻尼法因可以計算碰撞力的時變而得到廣泛應用。AUV與Dock的碰撞力FC可分解為接觸面的法向分量FCn和切向分量FCt。

根據Hertz接觸理論，法向力FCn采用非線性彈簧阻尼模型描述[19]，其中阻尼項用來描述碰撞過程中碰撞物體的能量損失。忽略因塑性變形造成的能量損耗后，F(xiàn)Cn可表示為：

式中：K為Hertz接觸剛度；δ為接觸點的法向穿透深度；c為材料剛度項貢獻值指數(shù)；C為接觸阻尼系數(shù)；vn為接觸點的法向相對速度。

接觸剛度由Hertz理論計算如下：

式中：R1、R2分別為接觸處AUV、Dock的曲率半徑；h1、h2分別為AUV、Dock的材料參數(shù)為材料泊松比，Ei為材料的彈性模量，i=1，2。

接觸阻尼系數(shù)C采用Lankarani等提出的修正遲滯阻尼系數(shù)：

式中：e為彈性恢復系數(shù)；n為非線性彈簧力系數(shù)；u為碰撞速度。

切向力FCt采用經典的庫侖摩擦力模型計算，其表達式為：

式中：μ為摩擦系數(shù)。

考慮到在對接過程中碰撞檢測和接觸區(qū)識別的復雜性，采用ADAMS軟件仿真對接過程。采用彈簧阻尼模型模擬碰撞力FC，其表達式為[10，13]：

式中：x0為接觸瞬時兩碰撞物體質心之間的初始距離；x為兩接觸物體質心之間的實際距離；dx/dt為兩接觸物體間的相對速度；d為最大穿透深度。

當x

2.4 其他力建模

除水動力和碰撞力外，AUV、Dock還受到自身重力和浮力的作用。AUV還受到主推力T的作用，在勻速直航狀態(tài)下在懸浮對接和拖曳動對接工況下，Dock還受到纜繩拉力FD的作用，將FD在隨體坐標系D-xyz下正交分解為FxD和FyD。

基于本節(jié)提出的簡化假設，在懸浮對接過程中，F(xiàn)xD和FyD分別為：

式中：xD、yD為Dock相對初始位置在E-xyz坐標系的坐標；l為系泊纜繩的長度，取l=10 m；kt為纜繩的彈性系數(shù)，取kt=5×104N/m。

在懸浮對接過程中，須滿足|xD|≤1.74 m。

在拖曳動對接過程中，F(xiàn)yD同式（12），F(xiàn)xD為：

式中：vE為期望的Dock直線拖曳航速。

為維持期望的Dock直線拖曳航速，在AUV勻速直航過程中，F(xiàn)xD須維持與Dock以vE速度直航狀態(tài)下的水阻力一致，即FxD=|RvxD+RixD|，其由黏性水阻力和慣性水阻力兩部分組成；當Dock的實際速度小于期望速度時，為使Dock快速啟動，須在維持Dock勻速運行的力 |RvxD+RixD|vE的基礎上增加附加力mDaD，取附加加速度aD=0.25 m/s2。

3 AUV水下對接過程聯(lián)合仿真模型

由于難以確定在對接過程中時變的接觸碰撞區(qū)域，使用ADAMS軟件建立AUV水下對接過程的聯(lián)合仿真模型。

3.1 幾何物理模型的建立

將AUV和Dock幾何模型導入ADAMS軟件，在ADAMS/View環(huán)境中依據實際情況設置AUV和Dock的質心、浮心和拖點位置，對應設置其重力、浮力、推力、拖曳力和水動力，并在AUV與Dock之間設置接觸，添加相關的測量參數(shù)，如AUV、Dock的運動參數(shù)。仿真中各參數(shù)的初始設置值如表1和表2所示。

表2 AUV水下對接仿真模型中主要參數(shù)的初始設置值Table 2 Initial setting values of main parameters in the AUV underwater docking simulation model

3.2 數(shù)據接口定義

ADAMS/Control模塊可用于建立ADAMS與MATLAB/Simulink之間的數(shù)據接口，通過狀態(tài)變量數(shù)組實現(xiàn)數(shù)據傳輸[20]。該數(shù)組包含一系列數(shù)值，代表系統(tǒng)事先設定的參數(shù)，包括輸入變量和輸出變量。輸入變量一般為由控制系統(tǒng)輸入虛擬樣機系統(tǒng)的受控量或外界須傳輸?shù)教摂M樣機系統(tǒng)讓樣機感知的變量，如對接系統(tǒng)中推進力和Dock的拖曳力等；輸出變量為虛擬樣機系統(tǒng)輸出到控制系統(tǒng)的反饋變量和用戶監(jiān)測的變量。

在ADAMS環(huán)境中輸入變量為：AUV的前向推力T、Dock的前向拖曳力FDx。輸出變量為：Dock的位移xD、速度vxD；AUV的速度vxA；AUV與Dock的相對距離Lr；AUV與Dock之間的碰撞力FC。AUV水下對接過程聯(lián)合仿真模型的數(shù)據流如圖9所示。在仿真模型中，由ADAMS的求解器求解對接系統(tǒng)動力學方程，由Simulink求解已設計的控制算法方程。設置2個solver求解過程中的數(shù)據交換周期為0.005 s。

圖9 AUV水下對接過程聯(lián)合仿真模型的數(shù)據流Fig.9 Data flow of co-simulation model for AUV underwater docking process

4 接駁控制方案的設計與結果分析

對AUV入塢最后階段的控制一般采用簡單的單期望航速控制方法。該方法更側重對AUV方向的控制，忽略在對接過程中AUV前向運動的控制，這可能導致AUV與對接裝置碰撞后回彈，速度急劇減小，對推進器造成極大沖擊。此外，若AUV卡在導向罩收口處，在靜對接時推進器會持續(xù)高速旋轉，導致能量急劇消耗；在懸浮對接時可能導致AUV推動對接裝置而使其原地打轉。所以，基于建立的水下對接聯(lián)合仿真模型，研究在不同對接場景下AUV最后入塢階段的前向運動控制方案。

4.1 接駁控制方案設計

假定AUV在最后入塢階段航向調整正常，直線跟蹤狀態(tài)良好。重點研究在靜對接、懸浮對接和拖曳動對接三種場景下AUV前向運動控制方案。

在以往的研究中，接駁控制常采用如圖10和圖11所示的速度和相對位置閉環(huán)控制方案。然而AUV在水下的運動具有大慣性和長時滯特性[21]，具體表現(xiàn)在：在恒定推進器轉速的條件下，AUV的加速運動過程緩慢；當推進器轉速為0 r/min時，AUV依然會因慣性而航行一段距離。在水下對接過程中，AUV因碰撞而瞬間減速，如果這一過程不能平滑過渡，會降低對接的準確性和快速性。因此，本文通過綜合常規(guī)的速度閉環(huán)控制和相對位置閉環(huán)控制，提出一種對AUV推進力進行線性控制的位置-速度閉環(huán)控制方法，如圖12所示。相比于相對位置閉環(huán)控制，在原有距離偏差基礎上，引入了AUV和Dock的前向速度（在靜對接和懸浮對接過程中，Dock前向速度設為0 m/s），將三者線性組合后的速度偏差作為控制量，主推進力作為AUV運動的被控輸入量，AUV的實際運動量作為輸出量，也作為反饋控制量。該控制方案既兼顧了AUV運動慣性和水流的擾動，又可起到提前“剎車”的作用。

圖10 速度閉環(huán)控制框圖Fig.10 Velocity closed-loop control block diagram

圖11 相對位置閉環(huán)控制框圖Fig.11 Relative position closed-loop control block diagram

圖12 位置-速度閉環(huán)控制框圖Fig.12 Position-velocity closed-loop control block diagram

控制方案采用PID（proportion-integral-derivative，比例-積分-微分）控制算法。位置-速度閉環(huán)控制可表示為：

式中：Te為作用于AUV的目標控制推力；Δv為AUV目標控制速度與AUV實際速度的偏差值（AUV實際速度可以通過慣性組合導航系統(tǒng)獲得）；kp、ki、kd為PID參數(shù)；vD為Dock實際運動速度（通過解算超短基線獲得Dock位置信息，將其微分處理后可得到vD）；ΔL為AUV與Dock相對距離的偏差，其比例系數(shù)根據經驗設為，其中v為對接過程中maxAUV的最大期望航速，L0為AUV執(zhí)行對接入塢指令時與Dock的初始相對距離，設L0=4 m。

4.2 接駁控制仿真結果分析

評判接駁控制方案優(yōu)劣的指標為：

1）對接成功，即滿足L≤LE3=0.115 m。

2）對接過程耗時短。

接駁時從L0=4 m開始計時，當L滿足指標1）并持續(xù)5 s，該過程所用時間為對接耗時。

3）對接過程中能量消耗少。

根據一維運動物體機械功的物理定義，同時考慮不同運動狀態(tài)下推進器推力—功率關系和推進器的功率損耗，采用以下近似方法來計算對接過程的耗能Q：

式中：η為推進器的能量轉換效率，取η=0.6；kT為在AUV零節(jié)航速下推進器推力—功率比例系數(shù)，此處將v≤0.01m/s定性為零節(jié)航速，取kT≈4.09。

4）碰撞次數(shù)少，最大碰撞力小。

在對接碰撞中，當碰撞力FC>100 N時記為1次碰撞。一般第1次碰撞時初始速度大，產生的FC最大。

根據以上4項指標，對比分析對在靜對接、懸浮對接和拖曳動對接三種場景下的接駁控制結果。

4.2.1 靜對接

在不同接駁控制方案下靜對接的仿真結果如圖13和表3所示。雙恒力開環(huán)和雙速度閉環(huán)控制方案是以AUV是否碰撞反彈為邏輯條件，設定了2個不同的控制目標值。由圖13可知，在單恒力和雙恒力開環(huán)控制下，AUV在啟動階段響應較慢，勻加速至約1.3 m/s后與Dock發(fā)生碰撞，回彈3次后才對接成功。雙恒力開環(huán)方案是基于單恒力控制方案，當檢測到AUV發(fā)生碰撞時，調整目標推力使之大于原來的設定值。這種做法可以減少一定的調整時間，但總體能耗呈直線上升。其余4種閉環(huán)控制方案可以很好地抑制AUV長時滯運動特性，AUV基本都在2.6 s以內達到最大速度。碰撞后，2種速度閉環(huán)控制能夠通過增大推進力有效地抑制回彈后AUV的運動慣性，減少對接耗時，但能耗陡然增加。在相對位置閉環(huán)控制下AUV初始啟動響應迅速，但是在AUV與Dock的相對距離較小時，該方案對AUV的調整能力相比速度閉環(huán)控制方案弱，加大了對接耗時。位置-速度閉環(huán)控制取得了提前“剎車”的效果，避免了AUV與Dock的猛烈碰撞，減小了碰撞力，從而避免其回彈過多而造成能量消耗。由表3可知，在位置-速度閉環(huán)控制下，AUV對接耗時僅比耗時最少的單速度閉環(huán)控制多0.135 s，而其余指標均為最優(yōu)。

圖13 不同接駁控制方案下靜對接仿真結果1Fig.13 The first simulation result of static docking under different connection control schemes

表3 不同接駁控制方案下靜對接仿真結果2Table 3 The second simulation result of static docking under different connection control schemes

4.2.2 懸浮對接

為了避免懸浮對接成功后Dock的前向位移大于1.74 m，僅采用雙速度閉環(huán)、相對位置閉環(huán)和位置-速度閉環(huán)三種控制方案。在不同接駁控制方案下懸浮對接的仿真結果如圖14和表4所示。由圖14可知，在3種控制方案下AUV啟動響應都非常迅速。在雙速度閉環(huán)控制下，AUV與Dock之間的接觸力持續(xù)作用在處于懸浮狀態(tài)的Dock上，外加Dock自身的慣性力，Dock前向運動超過2 m，然后在AUV恒推力的作用下，AUV與Dock共同回擺至受力平衡狀態(tài)，此時Dock前向位移約1 m。由于AUV推進器持續(xù)高速運轉，能耗持續(xù)增加。在相對位置閉環(huán)控制下，懸浮的Dock有明顯的漸進擺蕩現(xiàn)象，而且在第15秒和第30秒附近AUV推進器所提供的推力并沒有使AUV有效跟蹤Dock的懸浮擺動幅值，造成其相對距離嚴重超出0.115 m。所以，當Dock處于正向位移且滿足L≤0.115 m時，須再次啟動導向罩合攏操作，因此增加了1次對接失敗的風險。想要完全滿足穩(wěn)定的對接條件，還須等待Dock擺蕩4～5個周期。相比之下，在位置-速度閉環(huán)方案下AUV與Dock距離的變化曲線平緩，并在相對距離滿足對接成功要求時，AUV仍受較小的推進力的作用，使AUV艏部與Dock有較好的貼合。當懸浮對接系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，Dock前向位移僅為0.1 m左右，為導向罩的合攏創(chuàng)造了穩(wěn)定的對接環(huán)境。由表4可知，雙速度閉環(huán)、相對位置閉環(huán)控制方案都存在碰撞力大導致的對接過程中Dock偏移過大的問題，盡管在雙速度閉環(huán)控制下對接耗時最少，也克服了懸浮Dock的漸進擺蕩，但造成了一定的能耗。位置-速度閉環(huán)控制方案則能從根本上降低對接過程碰撞時刻AUV與Dock的相對速度，減小兩者之間的碰撞力，從而減小抑制Dock擺蕩的功耗，進而縮短對接耗時。

圖14 不同接駁控制方案下懸浮對接仿真結果1Fig.14 The first simulation result of floating docking under different connection control schemes

表4 不同接駁控制方案下的懸浮對接仿真結果2Table 4 The second simulation result of floating docking under different connection control schemes

4.2.3 拖曳動對接

針對拖曳動對接，僅對相對位置閉環(huán)和位置-速度閉環(huán)兩種具有自主跟隨特性的控制方案進行研究。在不同接駁控制方案下拖曳對接的仿真結果如圖15和表5所示。由圖15可知：在相對位置閉環(huán)控制下，當AUV與Dock的相對距離小于0.25 m時，AUV的控制推進力迅速減小，這導致AUV在9 s內經過2次回彈后，再過10 s也未能追上以1 m/s作勻速直線運動的Dock；在位置-速度閉環(huán)控制下，AUV迅速加速啟動，經“剎車”后迅速減速至約1.12 m/s與Dock產生碰撞力為119.2 N的微小撞擊，然后AUV迅速減速至1 m/s，跟隨Dock等速航行。由表5可知，相對位置閉環(huán)位控制方案下對接耗時長于20 s，即仿真20 s時還不具備良好的對接前提條件：L≤0.115 m。

圖15 不同接駁控制方案下拖曳對接仿真結果1Fig.15 The first simulation result of towing docking under different connection control schemes

表5 不同接駁控制方案下拖曳對接仿真結果2Table 5 The second simulation result of towing docking under different connection control schemes

為了進一步驗證在位置-速度閉環(huán)控制下AUV優(yōu)良的響應性和跟隨性，對Dock在原有拖曳力的基礎上施加幅值為100 N、頻率為0.2 Hz的正弦脈動擾動，探究對接系統(tǒng)的變速跟蹤效果。位置-速度閉環(huán)控制下對接系統(tǒng)的變速跟蹤效果如圖16所示。

圖16 位置-速度閉環(huán)控制下對接系統(tǒng)的變速跟蹤效果Fig.16 Variable velocity tracking effect of docking system under position-velocity closed-loop control

由圖16可知：Dock從初始狀態(tài)加速后，在脈動擾動力的作用下，前向速度出現(xiàn)波動，在第7秒時與AUV發(fā)生碰撞，其前向速度小幅增加后，在水阻力的作用下又迅速恢復到原有運動狀態(tài)；碰撞后，AUV的速度瞬間小幅減小，之后便進入跟隨Dock的運動狀態(tài)，第7秒后其實際速度與Dock的前向速度基本一致，且兩者相對距離滿足對接要求，表明了位置-速度閉環(huán)控制方案的適用性。

綜合以上分析可知：對于3種不同的水下對接場景，在速度閉環(huán)控制下，AUV在最后入塢階段前向運動的啟動響應快，對自身慣性抑制作用明顯，但是能耗大；在相對位置閉環(huán)控制下，盡管能耗相對速度閉環(huán)方案小，但是AUV近距離跟隨響應慢，導致抑制碰撞反彈的效果稍差；位置-速度閉環(huán)控制綜合了速度閉環(huán)和相對位置閉環(huán)控制的優(yōu)勢，使AUV具有良好的響應性、跟隨性和經濟性，因此該控制方案適用于不同的水下對接場合。

5 結論

本文基于水面無人艇自主部署AUV的應用需求，提出并設計了一種導向罩開合式水下對接裝置及其主要技術指標和對接流程。分別對在靜對接、懸浮對接和拖曳動對接場景下的AUV和Dock進行受力分析，借助水動力軟件確定Dock前向運動的相關水動力系數(shù)，以完善基于ADAMS建立的水下對接動力學模型。結合MATLAB/Simulink控制仿真軟件，著重探討了在不同接駁控制方案下AUV在最后入塢階段不同對接場景下的對接效果。根據分析，得出以下結論：

1）配置在水面無人艇自主部署AUV系統(tǒng)中的新型水下開合對接裝置，主要應用在無人艇機動和非機動兩種狀態(tài)下的懸浮對接和拖曳動對接場景。為了實現(xiàn)AUV自動化布放與回收、水下平穩(wěn)拖曳和提高AUV對接的準確性，將Dock設計成具有開合形態(tài)的傘狀規(guī)則流線外形。

2）在靜對接場景下，因Dock固定，可供選擇的AUV接駁控制方案較多。在實際應用中，考慮實施控制方案的簡便性，考慮采用單速度閉環(huán)的接駁控制方案。

3）在懸浮對接場景下，須避免因Dock與AUV碰撞力過大造成Dock懸浮擺蕩幅值過大?？梢圆捎镁哂谐掷m(xù)前向推進力的速度閉環(huán)方案，以抑制Dock的回擺；為從根本上減小Dock與AUV的碰撞力，采用具有“剎車”效果的位置-速度閉環(huán)接駁控制方案。

4）在拖曳動對接場景下，AUV須變速直線跟蹤Dock，以完成動態(tài)對接。相比其他方案，采用位置-速度閉環(huán)控制方案不僅能實現(xiàn)AUV與Dock的動態(tài)對接，而且具有更好的快速性、準確性和經濟性。

5）在以上不同接駁控制方案中，均須根據AUV和Dock的速度與阻力的關系，通過PID控制器控制AUV推進器的轉速，從而控制AUV的輸出推進力。

6）水下對接系統(tǒng)動力學簡化分析有助于快速掌握AUV在對接入塢過程中的運動規(guī)律，為建立其復雜的動力學模型和仿真平臺作鋪墊；同時，構建和使用AUV對接控制聯(lián)合仿真平臺，有助于快速驗證和制定水下對接策略，對研究不同形式水下對接的操縱和控制具有一定的工程意義。