洪 瓊 ,蒲進菁 ,周 立 ,曹澤強 ,劉 涵

(1.江蘇海洋大學 海洋技術與測繪學院,江蘇 連云港,222002;2.北京星天科技有限公司,北京,100102;3.江蘇省礦業(yè)工程集團有限公司,江蘇 徐州,221000;4.珠海云洲智能科技有限公司,廣東 珠海,519000)

0 引言

進入21 世紀以來,世界各國逐漸將開發(fā)和利用海洋的著力點放在提高海洋資源的開發(fā)效能上,同時海洋調(diào)測任務也進一步向深海遠洋延伸。面向深水作業(yè)環(huán)境,自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)由于具有更強的靈活性和任務適應性,在大范圍的近底探測、水下抵近觀察等任務中應用更為廣泛。但是,由于AUV 沒有類似于遙控潛水器 (remote operated vehicle,ROV)臍帶纜、深拖系統(tǒng)拖曳鎧裝纜一類的牽引供能以及數(shù)據(jù)傳輸裝置,且當前電池技術和水下通信技術發(fā)展也未有較大突破,其自身所攜帶能源無法維持長時間作業(yè),同時所采集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)無法實時回傳,這使得其作業(yè)時間與范圍都在一定程度上受到限制,需要周期性回收來進行能源補充、數(shù)據(jù)交換、設備檢修等一系列保障工作。

傳統(tǒng)AUV 回收作業(yè)往往難度較高,且施工風險較大。對于近岸淺水或觀察級任務的小型AUV,由于其體積小、質(zhì)量輕,通常可采用小型工作艇人工打撈的方式進行回收,如圖1 所示。深水環(huán)境使用的大型AUV,其回收則主要通過自動拋出牽引纜,施工船打撈牽引纜后使用浮籠、兜網(wǎng)、滑軌等裝置及配套起吊裝置組成的布放回收系統(tǒng)(launch and recovery system,LARS)進行打撈回收,如圖2 所示。

圖1 小型AUV 人工回收Fig.1 Manual recovery of small AUV

圖2 大型AUV 兜網(wǎng)回收Fig.2 Net recovery of large AUV

目前AUV 的回收依舊是困擾施工方的一個難點,也成為限制其使用的一個重要因素。原因在于: 首先,由于海上工況變化莫測,一旦回收時間窗口遭遇海況惡化,整個打撈過程的難度和風險必然驟增,極易發(fā)生捕獲失敗、無法接近甚至AUV 碰撞損毀等情況,使人員和裝備涉險;其次,執(zhí)行大型AUV 回收任務的支持、保障船舶往往需要特殊設計,如低干舷、必備多普勒超聲波流量計和主動姿態(tài)補償?shù)腖ARS 等,此類船舶普遍造價昂貴且運行費用高昂;再次,AUV 完成水下任務后通常自持力已接近極限,出水后需要立即回收,否則存在丟失風險,這對現(xiàn)場施工人員的業(yè)務能力提出了極高的要求,需要長期實施此類任務且具有豐富經(jīng)驗的作業(yè)班組及指揮人員[1-2]。

隨著無人技術的發(fā)展,繼無人機、無人車和無人水下航行器(unmanned undersea vehicle，UUV)之后,無人水面平臺即無人艇(unmanned surface vessel,USV)技術也日趨成熟。由USV 搭載AUV 進行海洋調(diào)查作業(yè),結合USV 機動性強、長續(xù)航和通信實時性好的優(yōu)勢,彌補AUV 的短板,可實現(xiàn)高效、自動化海洋信息采集,在降低施工成本的同時,極大地提高了作業(yè)效率和海上作業(yè)的安全性[3-5]。

文中搜集整理適用于USV 的AUV 收放技術,并對基于USV 的AUV 自主回收技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行探討。

1 AUV 回收技術發(fā)展概況

近年來,國內(nèi)外研究者在實踐過程中設計了多種AUV 回收方案?，F(xiàn)有AUV 回收方案可分類為水面回收式、水中拖曳式以及回收座底式3 種,具體如圖3 所示。

代表性的AUV 回收方式主要有以下幾種: 美國seahorse AUV 及哈爾濱工程大學“悟空”號AUV 采用的是水面起吊式回收作業(yè)模式[6-7],該類作業(yè)方式較為傳統(tǒng),自動化程度低,需要對綜合調(diào)查船艉門架結構加改裝起吊機并配合人工牽引,但單靠加改裝起吊裝置難以在USV 平臺上實現(xiàn)AUV 的布放回收工作;美國LMRS AUV 對接系統(tǒng)采用潛艇伸出機械臂捕獲AUV 牽引至魚雷發(fā)射管的方式進行回收,該方案回收過程復雜,對機械控制以及導航精度要求極高,常規(guī)水面平臺受海況影響難以實現(xiàn)對AUV 的捕獲[8];美國Wood Hole 海洋研究所和麻省理工學院聯(lián)合研制的Odyssey II B AUV 回收對接系統(tǒng),采用桿狀結構引導對接進行回收,該方案依靠復雜的緊鎖裝置來提高AUV 回收對接的成功率以及定位容錯率,但需要對AUV 本體進行改造,增加導向機構,對結構強度有較高要求,若對接結構形變斷裂,AUV 則無法對接回收甚至導致遺失[9];日本川崎重工研發(fā)的Marine-bird AUV 回收對接方案,采用水下馱帶式回收方案,其原理類似于飛機于航母甲板著陸,通過AUV 降至水下對接平臺,依靠底部捕獲裝置抓取平臺上阻攔索,并鎖緊完成回收,該方案適用于執(zhí)行對隱蔽性要求高的調(diào)測任務[10];中國科學院沈陽自動化研究所設計的“探索者”號水下對接系統(tǒng),采用籠式對接方案,該方案為AUV 提供籠式收納裝置,其對接過程依賴人工根據(jù)實時水下圖像信息操控AUV 返回回收裝置,是當前AUV回收技術的主流回收方案,擁有自動化程度高、對接容錯率高的特點[11]。

綜上所述,針對AUV 回收技術的發(fā)展始終圍繞著降低海面強擾動環(huán)境干擾,降低對支持、保障船舶等硬件條件的要求,以及降低對現(xiàn)場施工人員能力的要求3 個方面展開,其各自特點可為USV平臺的AUV 回收技術發(fā)展提供參考。

2 USV 平臺的AUV 自主回收方式

近年來,使用USV 作為AUV 作業(yè)支持保障平臺,成為AUV 布放、回收技術研究和發(fā)展的趨勢。針對不同類型作業(yè)場景特點的需要,文中總結了包括水面滑軌式、水面艙塢式和水下塢站式3 類典型的適用于USV 平臺的AUV 回收方案,并從平臺組成、宏觀結構特點和工作流程等方面論述每種方案技術特征[12]。

2.1 水面滑軌式

由傳統(tǒng)起吊系統(tǒng)改進的滑軌式LARS,專門針對大型魚雷型AUV 布放、回收任務設計,主要由帶有主動運動補償功能的起吊裝置、收納機構、止蕩器和滑軌組成,其中起吊裝置的吊點、拖曳點與AUV 收放滑軌以及止蕩器接駁,回收作業(yè)時吊點可下探至接近水面的位置,然后下放滑軌收納機構,操作員控制起吊點鉤索與AUV 頭部對接裝置對接,并控制AUV 在一定范圍內(nèi)保持其水平、垂向位置不變,待操作員遙控AUV 與滑軌接駁后,通過控制起吊伺服電機將AUV 拖入滑軌,再將滑軌上AUV 鎖緊,通過變幅機構升起滑軌至舷內(nèi),完成回收[13]。

USV 具備干舷低、機動性好的優(yōu)勢,可較好地控制其與AUV 的相對位置,減少AUV 與回收機構碰撞等問題,大幅度簡化LARS 的復雜性。但由于USV 航程有限、耐波性欠佳、缺乏大型支持母船的保障條件,以及AUV 在回收后存在充電、維護困難等問題,因此這種方案在高海況時的作業(yè)能力以及維護充電方面受到一定限制[14-15]。該方案較為代表性的回收案例如挪威康世伯(Kongsberg)公司與挪威國防研究局(Forsvarets forskningsinstitutt,FFI)聯(lián)合設計開發(fā)的基于傳統(tǒng)起吊回收改造的自主滑軌式LARS,使用11.5 m 充氣剛性巡邏艇改造的USV 作為回收平臺,對長5.5 m、重780 kg的高性能Hugin AUV 實施回收[16](見圖4)。

圖4 無人艇搭載Hugin AUVFig.4 The USV carring Hugin AUV

2.2 水面艙塢式

水面艙塢式回收系統(tǒng)在保障USV 水面結構體上增加水面回收船塢，為AUV 提供一個安全穩(wěn)定的回收對接、存儲清潔和信息交換的保障空間。該方案主要解決AUV 及其配套LARS 在支持母船上無法靈活轉(zhuǎn)運、布置和使用的問題,USV 尾部回收艙塢為其儲運、維護提供一個半封閉性的存儲空間,使用時打開艙塢閉鎖結構,通過配套LARS實現(xiàn)AUV 作業(yè)過程的布放和回收。

該方案對支持母船的適應性較強,系統(tǒng)進場轉(zhuǎn)場時的加改裝成本、難度也較低,但受到水面艙塢尺寸的限制,LARS 通常無法在較高海況下使用。針對大尺寸AUV 回收,USV 船體艙塢設計成本和運輸成本也相對較高。該方案回收案例中具有代表性的如荷蘭輝固(Fugro)公司與無人駕駛和自主船舶技術公司Sea-Kit 合作推進的L3-ASV 項目,在“Maxlimer”號USV 艉部設計了一個類似于滑軌式濕式艙塢的結構區(qū)域,供大型AUV 存放、運輸、布放和回收[17],如圖5 所示。

圖5 “Maxlimer”號艉部收納、布放、回收AUV 的艙塢Fig.5 Stern dock of Maxlimer for receiving,deployment and recovering an AUV

2.3 水下塢站式

水下塢站式AUV 回收方案,通過在USV 艉部安裝拖曳纜連接水下回收籠并配套LARS 實現(xiàn)AUV 回收對接。該方案能夠有效減弱海面的強擾動環(huán)境對AUV 和收納裝置相對位置、姿態(tài)的影響,降低AUV 與回收裝置對接的末端引導要求[18]。

由于對接全程均在水下完成,受海面海況干擾力小,主要受到對接深度海流影響,提升了高海況條件下AUV 回收作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性,且模塊化的回收裝置設計便于整個系統(tǒng)的運輸和針對不同類型AUV 的布放和回收,配合USV 進行遠距離AUV 布放回收作業(yè),提高了作業(yè)的隱蔽性、適應性和機動性，同時降低了系統(tǒng)運輸、布放、回收和監(jiān)控成本,但對支持母船及配套硬件保障要求較高,例如甲板機械的能力、水下定位精度、水下收納的設計和維護等。其中比較具有代表性的案例如挪威康士伯(Kongsberg)公司為REMUS 100 AUVV 設計開發(fā)的水下拖曳式塢站回收方案[19-20],塢站由鎧裝纜拖曳的沉降器、敞口式引導結構、收納桶等部分組成，通過支持母船上的超短基線為塢站和AUV 提供精確定位,在支持母船與AUV 同步同向航行的過程中下放塢站至一定深度,然后利用水下聲學、光學信號導航引導AUV 駛?cè)雺]站并鎖閉,最后將整體起吊完成回收[21],如圖6 所示。

圖6 水下拖曳式塢站回收大型AUV 示意圖Fig.6 schematic diagram of underwater towed docking station recovery a large AUV

表1 為主要AUV 自主回收方式比較。

表1 AUV 自主回收方式比較Table 1 Comparison of AUV automatic recovery modes

3 USV 平臺AUV 自主回收的關鍵技術

基于USV 平臺的AUV 回收系統(tǒng)的設計,所面臨的主要問題是如何在水面/水下復雜海洋環(huán)境的干擾下,保證船體和回收機構穩(wěn)定,同時快速精準地完成對AUV 的捕獲、接駁和回收工作。其研究的關鍵主要集中在USV 集成LARS 設計、AUV自主引導捕獲裝置設計以及跨介質(zhì)協(xié)同控制設計3 個方面。

3.1 USV 集成LARS 設計

USV 集成LARS 設計主要集中在軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)設計2 部分。其軟件系統(tǒng)主要包括定位導航系統(tǒng)、外部環(huán)境和平臺狀態(tài)感知系統(tǒng),為USV 運動決策與控制、自身狀態(tài)監(jiān)測提供必要的數(shù)據(jù)源及硬件、接口支持。實際作業(yè)過程中，感知系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡采集與分析USV 內(nèi)外環(huán)境信息，并輸出至控制系統(tǒng)中的核心控制算法，實現(xiàn)USV 自主駕駛以及AUV 部署回收過程中可控回收結構間的精準控制。通信系統(tǒng)為控制端通信設備和執(zhí)行端通信設備搭建必要數(shù)據(jù)鏈路。交互系統(tǒng)為操作人員提供平臺狀態(tài)實時監(jiān)控,操控平臺可視化操作界面。硬件系統(tǒng)主要包括船體設計與布置、回收裝置設計與布置、材料與結構的設計以及平臺機械的設計安裝,為整個回收平臺系統(tǒng)提供浮力、動力、布置空間、執(zhí)行機構以及必要的防護條件[22]。

面向AUV 回收的USV 設計,既要應對變化莫測的海況,在強擾動海面環(huán)境下保持穩(wěn)定,同時自身硬件結構需滿足支撐AUV 安全回收的剛性條件。目前比較好的USV 平臺設計如美國佛羅里達大西洋大學在對REMUS 100 AUV 進行遠距離AUV 自主布放回收實驗時所采用的一款Marine Advanced Research Inc 公司開發(fā)的波浪自適應模塊化雙體USV“WAM-V14”[23]。WAM-V14 相比傳統(tǒng)USV 具有更好的耐波性,由左右2 個充氣浮筒支撐,每個浮筒使用獨立懸掛系統(tǒng)與中心有效載荷托盤連接,懸掛系統(tǒng)使用彈簧、減震器和球形接頭進行配置,以便半船體在一定程度上能夠獨立通過波場移動。該USV 由電動馬達提供動力,配合2 個噴水推進器推進,最大速度可達7 kn。同時佛羅里達大西洋大學Dania Beach 為其開發(fā)了自動制導、導航和控制系統(tǒng),并已經(jīng)部署在12 ft、14 ft 和16 ft 尺寸的雙體船體版本上,以便它們作為自動USV 執(zhí)行預先編程的任務[24]。WAM-V14平臺如圖7 所示。

圖7 WAM-V14 無人水面平臺Fig.7 WAM-V14 unmanned surface platform

目前USV 集成回收系統(tǒng)設計仍面臨眾多挑戰(zhàn)：當前設計還無法適應高海況條件下大型AUV的布放回收工作；還需要進一步研究保障船體結構材料的設計來降低復雜海洋環(huán)境的影響,同時還要結合AUV 應用場景、攜帶傳感器數(shù)量種類的不同,以及其自身尺寸形狀設計的多樣性,設計具有普遍適用性的USV 回收保障平臺,在回收過程中既能保持船體的穩(wěn)定,又能保障AUV 的安全。

3.2 AUV 引導捕獲裝置設計

針對USV 平臺的AUV 回收輔助引導、捕獲裝置設計的關鍵在于確保AUV 在復雜多變的海洋環(huán)境下安全自主地完成回收對接。傳統(tǒng)對接捕獲方案多依靠AUV 導引裝置與回收裝置咬合對接,諸如掛鉤、阻攔索、引導桿等導引結構,配合遙控拋纜、機械式自動咬合機構實現(xiàn)AUV 回收引導工作[25]。該類型方案對接過程繁瑣,受海洋環(huán)境影響較大,對接效率低。

當前主流的AUV 引導捕獲裝置設計常采用類似喇叭口式的錐形導向罩的回收籠設計,該方案無需對AUV 本身進行改動,回收容錯率高,安全自主化易實現(xiàn)。其中具有代表性的案例如Woods Hole 海洋研究所研制的REMUS AUV 回收系統(tǒng)[26-28]、通用動力任務系統(tǒng)公司開發(fā)的Bluefin AUV 回收系統(tǒng)(見圖8)[29]、哈爾濱工程大學和中國船舶科學研究中心研制的AUV 回收系統(tǒng)[30],以及浙江大學“海豚二號”AUV 回收系統(tǒng)等[31]。

圖8 錐形導向罩回收籠Fig.8 Recovery cage with tapered guide housing

水下對接環(huán)境易受海流影響,回收裝置與AUV難以保持相對穩(wěn)定,對接自由度受限,回收裝置設計應考慮海洋水動力影響,避免AUV 與回收裝置發(fā)生碰撞,對接結構還應盡量簡化以提高對接容錯率。提高水下對接及回收過程的穩(wěn)定性和安全性仍是未來AUV 回收技術研究的關鍵所在。

3.3 跨介質(zhì)協(xié)同控制技術

目前AUV 回收過程中的導航控制方案主要包含衛(wèi)星定位導航、捷聯(lián)慣性導航、多普勒計程儀導航、水聲定位導航以及光學導航等手段。USV平臺AUV 自主回收過程可劃分為AUV 返航深水導航、AUV 抵近母船淺水導航以及AUV 引導接駁高精度導航3 個階段。不同階段下AUV 所處介質(zhì)條件不同,需要采用不同的導航控制手段。當AUV 處于返航深水導航階段時，常采用聲學定位導航引導AUV 抵近母船,至淺海區(qū)域時切換至衛(wèi)星導航/慣性導航組合導航引導AUV 靠近回收裝置,后通過其他高精度導航手段引導AUV 進入回收裝置[32]。

早期美國海軍海洋監(jiān)視中心和蒙特瑞海灣水族館研究所曾分別對Odyssey IIB AUV 進行基于前期聲學制導結合光學攝像終端制導和電磁導航終端制導的回收實驗[33]。韓國高級科學技術研究院對ISiMI AUV 進行了主動聲學定位結合視覺導航對接的方案評估,在由主動聲學定位引導AUV靠近回收裝置后，通過識別安裝在回收裝置附近的LED 圖案引導AUV 歸巢[34-35]。赫羅納大學研究項目LOON-DOCK 針對Sparus II AUV 開發(fā)了一種基于聲學距離測量結合視覺信標檢測的2 級導航系統(tǒng)[36],依靠聲學距離定位傳感器估計回收裝置位置,并引導AUV 沿著可觀察航跡靠近回收裝置,通過視覺信標引導AUV 歸巢,并在此基礎上添加了增強現(xiàn)實(augmented reality,AR)技術。國內(nèi)哈爾濱工程大學和浙江大學分別進行了基于超短基線(ultra short base line,USBL)水聲導航結合視覺導航的AUV 回收對接實驗[37-38](見圖9 和圖10)。

圖9 Sparus 抵近回收裝置Fig.9 Sparus approaching the recovery device

圖10 視覺導航對準場景Fig.10 Visual navigation aligning with the scene

綜上所述,通過劃分AUV 回收過程中所處的不同階段,區(qū)分各自介質(zhì)條件的不同,結合各類型導航方案的傳播性能優(yōu)勢,采用跨介質(zhì)組合導航控制策略是實現(xiàn)USV 平臺AUV 自主收放過程中AUV 跨介質(zhì)協(xié)同控制技術的關鍵所在[39-40]。同時,跨介質(zhì)定位導航切換過程中導航定位的連續(xù)性和延遲，以及對接末端定位方式和精度仍是當前AUV 回收過程協(xié)同控制技術的難點和挑戰(zhàn)。

4 結束語

文中搜集整理相關適用于USV 平臺的AUV自主回收方案,并通過相關案例對其技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行探討。概述了目前主要的基于USV平臺AUV 自主回收方案及其關鍵技術。

目前USV 與AUV 協(xié)同工作越來越普遍,基于USV 的AUV 回收方式拓展了AUV 調(diào)測任務的時空尺度,但由于USV 所集成的LARS 設計、AUV引導捕獲裝置設計和跨介質(zhì)協(xié)同控制技術等關鍵技術的發(fā)展限制,目前該回收方式針對大尺寸、高海況、深海作業(yè)的AUV 仍然不具備獨立、完整的回收作業(yè)能力，現(xiàn)階段仍然以傳統(tǒng)船舶設計為基礎作為基于USV 平臺的AUV 回收技術手段的復制和補充。

未來隨著材料技術、傳感器技術、智能控制技術、USV 集成LARS 設計以及AUV 引導捕獲裝置的發(fā)展,USV 將逐步脫離傳統(tǒng)船舶的設計思路,以AUV 回收任務作為核心設計導向,針對多種類型AUV 以及海況場景下實現(xiàn)其快速、機動和智能化的布放回收。USV 將從一種水面搭載平臺轉(zhuǎn)變?yōu)橥陚涞腁UV 回收智能水面指揮保障平臺。而隨著水下聲學導航技術、水下單目及雙目視覺定位技術以及其他新型水下定位技術的不斷突破,融合多種新型導航定位技術的組合導航定位手段將為AUV 回收的各階段介質(zhì)環(huán)境提供更加精準高效的定制化解決方案,為AUV 獨立自主遠洋深海探測提供了可能性。可以預見,隨著海洋無人技術的迅速發(fā)展,USV 與AUV 協(xié)同工作將越來越普遍,基于USV 平臺的AUV 回收技術將趨向于更加實用化、智能化、模塊化和隱蔽化的方向發(fā)展。