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        基于USV的AUV布放回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2023-11-10 06:33:08李明爍孟令帥谷海濤曹新星張明遠(yuǎn)
        關(guān)鍵詞:推桿基座水面

        李明爍, 孟令帥, 谷海濤, 曹新星,4, 張明遠(yuǎn),5

        (1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110870;2. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110016;3. 中國(guó)科學(xué)院 機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院, 遼寧 沈陽(yáng) 110169;4. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819;5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

        地球表面積的2/3是海洋面積。我國(guó)海洋國(guó)土面積為300萬(wàn) km2,約為我國(guó)陸地面積的1/3。探索未知海洋要用到多種技術(shù)手段,而自主水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicle,AUV)以其獨(dú)特的優(yōu)越性,被頻繁應(yīng)用于海洋勘探工作[1]。近幾年來(lái),AUV的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,其被廣泛應(yīng)用于海洋探測(cè)、油田勘探、海底打撈及海底信息情報(bào)獲取等。隨著人們對(duì)AUV作業(yè)任務(wù)及功能需求的不斷增加,AUV逐漸向自主化、長(zhǎng)期化、無(wú)人化方向發(fā)展。由于AUV須頻繁地回收以補(bǔ)充能源,傳統(tǒng)基于人工的布放回收方式已經(jīng)不能滿足未來(lái)作業(yè)的需求[2]。當(dāng)AUV在深海作業(yè)時(shí),其回收需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,若海況較差,則回收過(guò)程具有一定的風(fēng)險(xiǎn)[3]。無(wú)人水面船(unmanned surface vessel,USV)作為水面航行的無(wú)人自主機(jī)器人,具有很強(qiáng)的載荷搭載能力和續(xù)航能力,且航行速度較快。AUV與USV協(xié)同作業(yè),可以取長(zhǎng)補(bǔ)短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[4],極大地提高海上無(wú)人系統(tǒng)的作業(yè)效率,為最終實(shí)現(xiàn)海上無(wú)人作業(yè)提供技術(shù)支撐。利用USV自主回收AUV,首先須實(shí)現(xiàn)USV與AUV的水下對(duì)接捕獲。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)USV布放回收AUV過(guò)程中的對(duì)接技術(shù)開(kāi)展了研究。如:Page等[5]提出了一種集成導(dǎo)航算法,采用該算法可促進(jìn)AUV可靠水下對(duì)接;Meng等[6]設(shè)計(jì)了一種由鋼桿、纜繩和穩(wěn)定翼組成的水下?tīng)恳到y(tǒng),提高了AUV水下回收的成功率;Sarda等[7]制作了基于雙體USV的拖曳對(duì)接裝置的原理樣機(jī),測(cè)試了對(duì)接裝置的可行性與有效性;Mcewen等[8]開(kāi)發(fā)了一套AUV對(duì)接站,其具有下載數(shù)據(jù)、上傳作業(yè)計(jì)劃、為電池充電等功能。

        結(jié)合目前大多數(shù)AUV的自身特點(diǎn)及其回收系統(tǒng)所采用的對(duì)接捕獲形式,作者設(shè)計(jì)了一種適用于雙體USV的AUV自主布放回收系統(tǒng)。該布放回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,可用于布放回收不同外徑尺寸的AUV,通用性較好,在未來(lái)海洋探測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

        1 常用AUV布放回收方式和布放回收系統(tǒng)

        布放回收是AUV作業(yè)中必不可少的一環(huán)[9-10]。目前有3種較為成熟的AUV布放回收方式[11]:基于水面船對(duì)AUV進(jìn)行回收,這是最常用的水面部署方式;利用潛艇布放回收AUV,包括采用魚(yú)雷管方式、塢艙搭載等[12-13];在海洋底部,采用深海常駐系統(tǒng)布放回收AUV。多樣化的AUV布放回收方式使得各海洋平臺(tái)間的互聯(lián)互通更加高效,促進(jìn)了智慧透明海洋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)[14]。智慧透明海洋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。

        圖1 智慧透明海洋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.1 Intelligent and transparent ocean network system

        目前使用率較高、通用性較好的AUV布放回收系統(tǒng)主要有3種,如圖2至圖4所示。佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)研制的布放回收系統(tǒng)通過(guò)AUV捕捉繩索或桿類目標(biāo),實(shí)現(xiàn)AUV回收。對(duì)AUV導(dǎo)航定位精度要求較低,可實(shí)現(xiàn)360°全方位捕獲,回收成功率高,缺點(diǎn)是須對(duì)AUV進(jìn)行改造。Hydroid公司研制的布放回收系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)有導(dǎo)向功能,可使AUV更易進(jìn)入對(duì)接管道而完成對(duì)接[15]?!疤剿髡摺碧?hào)布放回收系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)捕捉臂捕捉AUV來(lái)進(jìn)行回收,回收成功率高,但是回收系統(tǒng)須有適合AUV坐落的平臺(tái)[16-17],且對(duì)AUV導(dǎo)向精度要求很高。

        圖2 佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)研制的AUV布放回收系統(tǒng)Fig.2 LARS developed by Florida Atlantic University

        圖3 Hydroid公司研制的AUV布放回收系統(tǒng)Fig.3 LARS developed by Hydroid company

        圖4 “探索者”號(hào)AUV布放回收系統(tǒng)Fig.4 "Explorer" AUV LARS

        2 AUV布放回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

        2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        借鑒佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)研制的布放回收系統(tǒng)的對(duì)接捕獲方法,作者設(shè)計(jì)了基于USV的AUV布放回收系統(tǒng)。該布放回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于對(duì)接,適用于不同尺寸的光滑圓柱形AUV。其結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由對(duì)接框架、轉(zhuǎn)接板、剛性桿、折合板、電動(dòng)推桿、轉(zhuǎn)接件和連接桿等組成。對(duì)接框架長(zhǎng)為3 176 mm,寬為1 200 mm,高為1 352 mm,質(zhì)量為80 kg。對(duì)接框架通過(guò)安裝在其兩側(cè)的4個(gè)轉(zhuǎn)接板安裝在USV中間位置。剛性桿布置在對(duì)接框架前端,用于完成與AUV的對(duì)接任務(wù)。對(duì)接桿不采用以往的柔性纜繩,而采用可伸縮的剛性桿,其受海水?dāng)_動(dòng)較小,且沒(méi)有軸向自由度,只能橫向擺動(dòng)。折合板布置在對(duì)接框架兩側(cè),通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承與對(duì)接框架連接,是布放回收的關(guān)鍵部件。電動(dòng)推桿固定在對(duì)接框架頂部,其底部連接轉(zhuǎn)接件,轉(zhuǎn)接件連接2個(gè)連接桿,連接桿與折合板上的軸承基座進(jìn)行連接。剛性桿和電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)需要外部能源,能源模塊布置在USV艙體內(nèi)。電纜線路的布置通過(guò)穿艙件完成。

        圖5 基于USV的AUV布放回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of AUV LARS based on USV

        2.2 工作原理

        USV自主回收AUV是一個(gè)AUV由遠(yuǎn)及近逐漸駛向USV的過(guò)程,回收流程如圖6所示。流程為:第1步,AUV通過(guò)水聲通信在水下對(duì)USV進(jìn)行定位,獲取定位信息后航行至USV附近,并浮出水面進(jìn)行水面航行;第2步,AUV駛向USV,并通過(guò)網(wǎng)橋通信調(diào)整姿態(tài)而進(jìn)入回收系統(tǒng);第3步,當(dāng)AUV接近USV時(shí),回收系統(tǒng)剛性桿上電,向水下延伸,同時(shí)折合板打開(kāi),AUV前端捕獲機(jī)構(gòu)與剛性桿進(jìn)行對(duì)接,待AUV前端卡舌與剛性桿咬合后,AUV軸向移動(dòng)被限制;第4步,檢測(cè)到AUV捕獲完成信號(hào)后,剛性桿和電動(dòng)推桿收縮,折合板閉合并將AUV抱離水面,完成回收。

        圖6 自主回收AUV流程Fig.6 Process of autonomous recycling AUV

        在AUV回收流程的前2步,對(duì)AUV自身導(dǎo)航精度要求不高,而第3步是實(shí)現(xiàn)水面對(duì)接捕獲,是回收AUV的關(guān)鍵,因此下面重點(diǎn)介紹對(duì)接捕獲過(guò)程。

        在第3步中,AUV與USV的距離較近,通常小于30 m,且兩者定向逆流航行。AUV通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成定位,并且以快于USV的航速駛向USV,逐漸縮短與USV的距離。當(dāng)兩者距離小于5 m時(shí),AUV再次確定與USV的位置及姿態(tài)信息,并加速駛向剛性桿,直至其前端卡舌與剛性桿咬合。當(dāng)AUV的航向與回收系統(tǒng)的航向平行時(shí),便可進(jìn)行后續(xù)回收步驟。若AUV被捕獲后因受外界影響未與回收系統(tǒng)的航向保持平行,則由USV拖帶AUV航行而逐步改變其航線,以盡可能保持AUV與回收系統(tǒng)的航向一致。待AUV整體處于折合板開(kāi)角范圍內(nèi)時(shí),剛性桿上移,同時(shí)電動(dòng)推桿帶動(dòng)折合板閉合,將AUV抱出水面,完成回收。

        3 AUV布放回收仿真

        3.1 受力分析

        在布放回收AUV的過(guò)程中,折合板與AUV存在動(dòng)態(tài)接觸,折合板會(huì)對(duì)AUV施加一個(gè)實(shí)時(shí)變化的支撐力。在這個(gè)過(guò)程中,折合板因受力而發(fā)生形變。為了保證回收系統(tǒng)的安全性,須對(duì)折合板進(jìn)行受力分析?;厥障到y(tǒng)的材料選用45號(hào)鋼。45號(hào)鋼的性能參數(shù)如表1所示,其具有較好的強(qiáng)度和耐磨性。

        表1 45號(hào)鋼性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of 45 # steel

        折合板受力如圖7所示。圖中:圓表示AUV橫截面,AB表示折合板截面,A點(diǎn)表示轉(zhuǎn)軸截面。當(dāng)折合板與AUV接觸時(shí),會(huì)在折合板與AUV的接觸點(diǎn)O處產(chǎn)生指向AUV軸心方向的支撐力F。F與水平方向(x向)的夾角為α,F(xiàn)隨著α的變化而變化;Fy為F在垂直方向(y向)的分力;f為折合板與AUV間的摩擦力;轉(zhuǎn)軸處承受著折合板重力與AUV重力的合力FA。一側(cè)折合板承受的重力為AUV重力G的一半。在布放時(shí),α的最大值為85°,最小值為0°。β為折合板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,α與β互為余角。若受力后折合板不會(huì)發(fā)生形變或者損壞,則折合板滿足工作強(qiáng)度要求。

        圖7 折合板受力Fig.7 Folded plate loading

        通過(guò)受力分析可知:

        式中:μ為折合板與AUV間的摩擦因數(shù)。

        求解式(1),可得:

        式中:θ=arctanμ。由于μ=0.3,可得θ=0.29。

        由式(2)可知,μ、G、θ皆為常數(shù),因此F的大小取決于sin(α+θ)。在布放過(guò)程中,α逐漸減小,由正弦圖像可知,sin(α+θ)先增大后減小,F(xiàn)在布放初始時(shí)數(shù)值較大,隨后逐漸減小。

        回收系統(tǒng)兩側(cè)的4個(gè)轉(zhuǎn)軸基座承受折合板和AUV的重力,單個(gè)轉(zhuǎn)軸基座承受折合板重力G折的1/2和AUV總重力G的1/4,即:

        實(shí)際測(cè)得一個(gè)折合板的重力G折=300 N,AUV重力G=1 500 N,計(jì)算可得FA=525 N。

        3.2 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真

        利用Solidworks軟件建立回收系統(tǒng)的三維模型,并保存為x_t文件,導(dǎo)入ADAMS軟件,進(jìn)行AUV布放過(guò)程仿真。所建立的AUV布放模型如圖8所示。設(shè)置AUV布放時(shí)電動(dòng)推桿的初速度為5 mm/s,在AUV與折合板的接觸點(diǎn)設(shè)置表面接觸碰撞,獲得接觸力變化曲線,如圖9所示。

        圖8 AUV布放模型Fig.8 AUV launch model

        圖9 接觸力變化曲線Fig.9 Contact force variation curve

        由圖9可知:接觸力整體呈先增大后減小的趨勢(shì),與受力分析得出的結(jié)果一致;接觸力最大值為1 700 N。

        3.3 折合板和軸承基座的應(yīng)力及位移仿真

        采用Solidworks軟件中的Simulation功能模塊對(duì)折合板和軸承基座進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

        將折合板與AUV接觸位置的受力設(shè)置為1 700 N,折合板的材料設(shè)置為45號(hào)鋼,折合板上轉(zhuǎn)軸位置設(shè)置為固定,劃分網(wǎng)格,進(jìn)行仿真運(yùn)算。在承受最大力時(shí),折合板應(yīng)力及位移的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可知,折合板的最大應(yīng)力為13 MPa,最大位移為0.45 mm,滿足了強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。在對(duì)接過(guò)程中AUV與對(duì)接桿存在瞬時(shí)碰撞作用力,為了避免對(duì)AUV造成損壞,在折合板表面包裹一層緩沖泡沫。

        圖10 折合板應(yīng)力及位移仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of stress and displacement of folded plate

        在布放回收過(guò)程中,AUV和折合板的重量由安裝在兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸基座承受,因此,軸承基座的可靠性至關(guān)重要。在Simulation功能模塊中,將軸承基座的材料設(shè)置為45號(hào)鋼,軸承基座底面設(shè)置為固定,在軸承基座內(nèi)側(cè)施加525 N的力,進(jìn)行仿真運(yùn)算。軸承基座應(yīng)力及位移的仿真結(jié)果如圖11所示。由圖可知,軸承基座所受最大應(yīng)力為2.78 MPa,最大位移為0.000 07 mm,也符合強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

        圖11 軸承基座應(yīng)力及位移仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of stress and displacement of bearing housing

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的布放回收系統(tǒng)的可行性,搭建了系統(tǒng)的原理樣機(jī),進(jìn)行AUV布放回收實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為陸上實(shí)驗(yàn)和湖上實(shí)驗(yàn)兩階段。陸上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力和穩(wěn)定性,湖上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)整體的工作能力。AUV布放回收實(shí)驗(yàn)如圖12所示。

        圖12 AUV布放回收實(shí)驗(yàn)Fig.12 AUV launch and recovery experiment

        湖上實(shí)驗(yàn):AUV通過(guò)水聲通信對(duì)USV進(jìn)行定位,獲取與USV的相對(duì)位置后駛向USV,航行至USV附近后打開(kāi)其前端的捕獲機(jī)構(gòu),繼續(xù)向安裝在USV中的回收系統(tǒng)靠近,直至捕獲機(jī)構(gòu)與剛性桿咬合;當(dāng)AUV姿態(tài)穩(wěn)定且處在正確位置時(shí),回收系統(tǒng)的折合板閉合,將AUV抱離水面,完成回收??梢酝ㄟ^(guò)以下2種方法調(diào)整AUV姿態(tài):1)調(diào)整AUV艉舵,通過(guò)其自身操縱能力調(diào)整姿態(tài);2)USV拖曳AUV向前航行,依靠水流改變AUV姿態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明,布放回收系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與AUV的對(duì)接,并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)折合板將AUV從水中進(jìn)行回收。

        5 結(jié) 論

        本文首先介紹了幾種國(guó)內(nèi)外常用的AUV布放回收方式和布放回收系統(tǒng)。結(jié)合目前大多數(shù)AUV的自身特點(diǎn)及回收系統(tǒng)所采用的對(duì)接捕獲形式,設(shè)計(jì)了一種基于USV的AUV布放回收系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析和強(qiáng)度分析,同時(shí)介紹了系統(tǒng)的工作原理和流程。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)布放回收系統(tǒng)的可行性,搭建了系統(tǒng)原理樣機(jī),進(jìn)行了其陸上實(shí)驗(yàn)和湖上實(shí)驗(yàn)。陸上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能,各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)正常,不存在干涉;湖上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的整體操控流程及功能,布放回收系統(tǒng)在正常工況下能完成對(duì)AUV的布放回收任務(wù)。實(shí)驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的布放回收系統(tǒng)具備AUV自主布放回收功能,可實(shí)現(xiàn)無(wú)人自主作業(yè),功能穩(wěn)定可靠,且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展自主布放回收測(cè)試,對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,為其應(yīng)用的普適性提供支撐。

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