劉 蔚，李壯壯，鄒 勁，談果戈，董 超，唐梓力

(1. 國家海洋局南海調查技術中心，廣東 廣州 510300；2. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術與應用重點實驗室，廣東 廣州 510300；3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519000；4. 哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；5. 珠海云洲智能科技有限公司，廣東 珠海 519099)

0 引 言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）具有機動性好、安全、智能化、噪聲小等優(yōu)點，成為實施各種水下任務的重要工具[1-2]。但AUV往往針對單一的水下區(qū)域進行作業(yè)，受到水下通信和定位的制約，作業(yè)范圍和效果受限且信息獲取類型少。針對該問題，國內外研究學者提出的跨域無人裝備協同作業(yè)模式，成為了當今無人海洋裝備研究的熱點[3]。

近些年來，國內外有關跨域無人裝備協同作業(yè)模式的研究中大都采用無人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）輔助下的AUV作業(yè)[4-5]、USV輔助下的無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作業(yè)[6]和多AUV協同作業(yè)[7-8]3種模式。USV輔助作業(yè)模式解決了AUV/UUV在水下工作時通信、定位困難問題，但USV的隱蔽性較差且受波浪的影響較大，致使這種模式很難在未知水域中展開；多AUV協同模式雖然利用水下空間位置差異實現了AUV之間的協同導航[8]，但在工作時無法實現實時操控、通信，存在環(huán)境適應能力較差、回收困難等問題。

1 設計概況

針對現存的跨域無人裝備協同作業(yè)模式存在的問題，設計以AUV為核心、USSV為信號中繼站的協同工作系統，系統由USSV、AUV、基站和遠程控制端構成，執(zhí)行的工作模式如下：

1）基站在收到遠程控制端發(fā)送的任務信息后，由搭載的有人駕駛船舶從港口駛向與目標水域一定距離的安全區(qū)域并投放USSV和AUV（見圖1），其在借助搭載的設備對基站附近水域進行水面和近水面?zhèn)刹旌涂睖y的同時，對AUV在某些需要人員介入的作業(yè)過程提供航行控制。

圖1 協同工作方式Fig. 1 Cooperative working method

2）在遠程控制端下達任務指令后，基站搭載的人員根據區(qū)域環(huán)境建立任務環(huán)境態(tài)勢圖；AUV離開基站執(zhí)行任務時，通過USSV接收來自基站傳遞的指令，于近水面附近駛向目標水域，同時，USSV與其伴隨航行，在到達目標水域外圍后，AUV進行下潛作業(yè)，USSV保持靜浮。

3）任務結束后，AUV就地上浮或駛離目標水域后上浮，通過USSV向基站發(fā)送定位、運動、環(huán)境勘測等工作信息，基站根據AUV的定位位置進行運動控制并將其回收。

同時，在到達目標水域后，系統中基站、USSV和AUV之間由于通信限制，需要保證USSV在基站無線電信號的最大通信范圍內、AUV在USSV的聲吶最大通信范圍內[10]。

2 遠程控制端-基站- USSV-AUV通信、控制、定位系統設計

2.1 通信系統

海上通信方式，按照傳輸媒質的不同可以分為無線電和有線電通信；按照工作頻率的不同可以分為長波、短波、超短波、微波通信等[9]。協同工作系統將通信聯系劃分為3個部分：遠程控制端-基站通信、基站-USSV通信和USSV-AUV通信，各部分通信方式的選擇如表1所示。

表1 通信方式的選擇Tab. 1 Choice of communication method

遠程控制端-基站通信采用衛(wèi)星通信，實現遠程控制端和基站在海上遠距離通信并可以保證通信質量。基站和USSV采用的無線電短波通信方式，可較好地支持數據話音、傳真、靜態(tài)圖像和計算機數據保密通信業(yè)務[9]，且經濟有效。USSV和AUV在水下環(huán)境采用聲吶通信方式。

2.2 控制系統

AUV和USSV在控制系統的選擇上保持一致。以USSV為例（見圖2），USSV的首部安裝側推、尾部安裝垂推，為無人艇提供轉向動力和垂直動力；兩側加裝減搖鰭，減輕無人艇在遭遇浪、流時發(fā)生的橫搖運動。針對無人艇可能遭遇的縱傾變化，使用絲杠機構改變重心位置來進行調整。絲杠機構結構簡單、噪聲小且調節(jié)過程呈線性，對小型無人艇的隱蔽性和搭載設備的穩(wěn)定工作有利。側推、垂推、減搖鰭和絲杠分別由相應的反饋控制單元進行控制。

圖2 控制系統示意圖Fig. 2 Control system diagram

無人艇進行調整縱傾時，控制絲杠使得滑臺移動，以無人艇抬首時滑臺前移距離a為例，無人艇的重心前移，產生垂直于無人艇方向的合力F1，與尾部動力推進力F形成力矩減小縱傾。當無人艇需要轉向時，以無人艇左轉向為例，啟動側推產生垂直于艇體方向的力F2，與尾部動力推進力F形成力矩控制轉向?；_的移動距離和方向、側推的轉速和旋轉方向分別與縱傾角、轉向角相關。

2.3 USSV-AUV定位設計

USSV-AUV定位包括水面定位和水下定位，水面定位采用衛(wèi)星定位獲取水面二維位置信息，衛(wèi)星定位模塊分別安裝在USSV的上層結構和AUV的主艙；水下定位利用定位聲吶、水聽器、羅經和壓力傳感器等設備獲取AUV在水下的三維位置信息，區(qū)別于傳統的超短基線水下定位系統將聲信標安裝在定位目標上向水面船只發(fā)送聲波信號的方法，協同工作系統將定位聲吶安裝在USSV艇體底部、水聽器安裝在AUV（定位目標），以期減輕系統中存在多個AUV定位的數據處理繁雜問題并降低多個定位聲吶造成的成本激增。水面、水下定位原理如圖3所示。

圖3 協同定位原理Fig. 3 Co-location principle

AUV在t0時刻入水，記此時USSV的衛(wèi)星定位信號坐標（X0,Y0,Z0）、羅經讀取AUV運動方向與坐標軸X的角度θ。USSV搭載的定位聲吶與AUV上的水聽器測算時刻t時兩者的距離L；USV上的壓力傳感器讀出水壓P，則AUV所在深度為：

式中：ρ為水的密度；g為重力加速度。USSV和AUV在水平面x，y方向上的距離分別為：

AUV搭載的羅經測算t0時刻其在x，y，z方向的加速度分別為，則其在單位時間不同方向航行的距離分別為：

則AUV在航行單位時間后的位置坐標可以記為（X0+Lx+x0，Y0+Ly+y0，Z0+h+z0）,據此測算任意單位時間后AUV在水下的位置信息。

3 協同工作系統的總布置和電路系統設計

3.1 協同工作系統的總布置

USSV包括5個部分：首艙、側推艙、主艙、尾艙和上層結構，總布置如圖4(a)所示。首艙安裝成像聲吶，布置在艇體水下部分，用于對USSV附近水域的近水面環(huán)境探測；側推艙為USSV提供徑向推力；主艙包括絲杠、羅經、GPS、通信聲吶和定位聲吶，為USSV提供姿態(tài)信息并進行縱傾控制的同時，實現對AUV的通信和定位；尾艙提供航行推動力，控制航速；上層結構包括攝像頭、激光雷達和天線，用于探測水面環(huán)境信息并與基站通信。

圖4 無人艇的總布置Fig. 4 General arrangement of unmanned boat

AUV包括4個部分：首艙、垂推艙、主艙和尾艙，總布置如圖4(b)所示。主艙上方安裝壓力傳感器、水聽器和通信聲吶，在AUV下潛后，獲得水下壓力信息，同時與USSV進行水下通信并完成輔助定位；其他艙室的布置與USSV相同。

基站由一艘具備遠距離輸送及長距離通信能力的船舶承擔，它的構成包括：無人艇儲放裝置、通信設備、信息存儲模塊、遙控和顯示組件等。無人艇儲放裝置用于基站攜帶、釋放、回收無人艇。通信設備分別建立與遠程控制端和USSV的通信聯系。在海上通信中斷的情況下，信息在存儲模塊中臨時存儲，作為搭載人員對無人艇信息處理的依據。

遠程控制端作為協同工作系統的中樞，兼具任務規(guī)劃、指令下達和對外通信功能，設有港口、工作間等配套設施。工作間保障遠程控制端與基站之間信息進行雙向傳遞，接收來自基站包括無人艇的運動路徑、水面水下環(huán)境圖像、基站對無人艇的操縱信息等各類信息，并向外發(fā)送任務指令。港口負責基站和無人艇的臨時?？?、日常維護等。

3.2 電路系統設計

結合USSV和AUV的工作需要和所處的空間環(huán)境，分別對其電路系統進行設計，如圖5和圖6所示。

4 協同定位仿真實驗

利用Matlab軟件對USSV和AUV的協同運動進行仿真，并驗證AUV水下定位的精度。給定USSV和AUV的規(guī)劃路徑，對AUV從USSV釋放后下潛進行作業(yè)且USSV伴隨AUV航行這一過程進行模擬。為了對定位算法進行驗證，給定AUV在75 s內的角速度和加速度信息，用以模擬AUV的光纖羅經及慣性導航系統模塊的信號輸出，計算對應時刻AUV在水下的三維位置信息，并與相應運動信息下的設定路徑進行對比，驗證定位精度。仿真中AUV的設定運動情況如表2所示。

假設AUV從USSV釋放后的初始位置坐標為（0，0），所處水下位置的壓力為2 940 Pa（按式（1）計算所得深度H=3 m）。之后AUV沿規(guī)劃路徑航行，通過角速度和加速度信息對自身航位進行計算。假設光纖羅經及慣性導航系統模塊的信號采樣周期為0.1 s，根據上述信息通過仿真獲得AUV的運動軌跡如圖7（a）所示。為了驗證水下定位精度，將不同測量點下AUV仿真軌跡與其規(guī)劃路徑進行對比，所得二者之間的偏移量如圖7（b）所示。

圖5 USSV的電路布置Fig. 5 Circuit layout of USSV

從仿真結果來看，在AUV執(zhí)行任務的過程中，USSV根據通信聲吶獲得的AUV水下位置信息對自身的航速和航向進行反饋控制，使得USSV可以伴隨AUV航行，二者之間的距離一直保持在通信范圍以內，則USSV可以實現對AUV的通信中繼。同時，在AUV運動的75 s時間內，根據水下定位方法利用光纖羅經和慣性導航系統模塊對AUV的水下位置進行計算得到的結果與其規(guī)劃路徑之間的最大偏移量沒有超過4 m，定位精度比較可靠。但從圖7（b）中可以看出，利用光纖羅經和慣性導航系統對AUV的水下位置進行推算的誤差隨時間累積這一弊端仍然存在，因此為了滿足AUV水下定位的精度要求，需要其在規(guī)定時間內上浮到海面上使用GPS進行定位校正。

圖6 AUV的電路布置Fig. 6 Circuit layout of AUV

表2 無人艇的運動信息Tab. 2 Movement information of unmanned boat

圖7 仿真結果Fig. 7 Simulation results

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5 結 語

傳統的幾種AUV跨域無人裝備協同作業(yè)模式存在系統隱蔽性和實時性較差、受海上風浪影響較大等問題，導致AUV的工作范圍和工作環(huán)境受限。針對上述問題，本文提出了USSV與AUV協同工作系統。協同工作系統利用USSV作為信號中繼站，配合基站對AUV進行協同位置定位、運動控制并實施與遠程控制端的多級通信，在保證無人艇基本運動指標的前提下，提升了系統的隱蔽性和工作的穩(wěn)定性，進而擴大AUV的環(huán)境適應力。提出的基于USSV運動軌跡信息的AUV水下定位方法，偏移誤差在75 s內呈增大趨勢，但在設定時間內的最大偏移量不超過4 m，有一定的實際應用價值。提出的協同工作模式對于開展離岸偵察、海洋資源開發(fā)具有重要意義。