韓 濤，胡志強(qiáng)，崔慶佳，秦曉輝，徐 彪

（1. 湖南大學(xué)無(wú)錫智能控制研究院，江蘇 無(wú)錫 214115；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. 湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 整車(chē)先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

水下機(jī)器人，又稱(chēng)水下無(wú)人航行器（unmanned underwater vehicle， UUV），按照工作方式，可分為自主水下機(jī)器人（autonomous underwater vehicle， AUV）和遙控水下機(jī)器人（remotely operated vehicle， ROV）。自1957 年華盛頓大學(xué)研發(fā)出第一臺(tái)可實(shí)用AUV——“專(zhuān)用水下研究飛行器SPURV”［1］且被應(yīng)用于水文調(diào)查后，AUV逐步進(jìn)入公眾視野。AUV因具有模塊化程度高、可拓展性強(qiáng)、移動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境和科學(xué)考察［2］、石油工業(yè)和海洋采礦業(yè)［3］以及海底地貌學(xué)研究［4］等領(lǐng)域。此外，AUV 作為反水雷、反潛、偵察和潛艇作戰(zhàn)的重要裝備，在軍事上也發(fā)揮了重要作用［5］。

國(guó)外，AUV 發(fā)展已近70 年歷程，美國(guó)、英國(guó)、日本和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)發(fā)展出了一系列具有代表性的商業(yè)化產(chǎn)品，占據(jù)了絕大部分的商用市場(chǎng)份額［6］，如美國(guó)的Hydroid公司的Bluefin系列、挪威Kongsberg公司的REMUS 系列和HUGIN 系列、美國(guó)Teledyne 公司的Gavia 系列等［7］。但受水下能源技術(shù)、通信和定位技術(shù)的限制，AUV 仍然是目前研究的熱點(diǎn)，新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用促進(jìn)著更多的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。

在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（簡(jiǎn)稱(chēng)“863計(jì)劃”）支持下，我國(guó)于1994 年成功研制出了第一臺(tái)AUV—“探索者”號(hào)。近30 年來(lái)，在國(guó)家各部門(mén)和組織的支持下，以中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所為代表的科研院所研制出了一系列水下機(jī)器人產(chǎn)品及配套載荷，其中一些型號(hào)產(chǎn)品性能指標(biāo)已達(dá)國(guó)際前列水平，如“潛龍”系列AUV 和“探索”系列AUV 等［8］。但在AUV 的商業(yè)化進(jìn)程上，我國(guó)相較國(guó)外仍有較大差距，缺少一批商業(yè)規(guī)模大、產(chǎn)品市場(chǎng)占有率高的商業(yè)化公司。

1 當(dāng)前自主水下機(jī)器人發(fā)展面臨的問(wèn)題及發(fā)展方向

在水下能源、通信和定位等關(guān)鍵技術(shù)未取得突破性進(jìn)步的當(dāng)下，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們?cè)谏詈ｎI(lǐng)域的探測(cè)愈發(fā)深入，單個(gè)AUV 的作業(yè)能力已不足以滿(mǎn)足需求。為解決單個(gè)AUV可搭載的載荷數(shù)量有限、探測(cè)范圍較窄等問(wèn)題，將多AUV編隊(duì)后進(jìn)行集群應(yīng)用是現(xiàn)今主流的作業(yè)方式［9］。AUV的集群應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：

（1） 通過(guò)大規(guī)模集群擴(kuò)大水下作業(yè)范圍；

（2） 通過(guò)異構(gòu)AUV集群實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)能力；

（3） 通過(guò)協(xié)同探測(cè)實(shí)現(xiàn)水下高效感知。

但該方案一方面仍未解決單個(gè)AUV 攜帶能源有限、作業(yè)時(shí)間短等問(wèn)題，且在AUV集群應(yīng)用時(shí)，單體間使用聲吶、光學(xué)等設(shè)備進(jìn)行信息交互進(jìn)一步加大了設(shè)備載荷的整體耗能水平；另一方面目前階段的AUV的集群控制策略、集群控制算法仍需完善，距離穩(wěn)定可用還需要作進(jìn)一步探索。

為提高單個(gè)AUV 的運(yùn)動(dòng)靈活性，增強(qiáng)單個(gè)AUV續(xù)航能力與作業(yè)能力，將多AUV 合為一體，即多體AUV的開(kāi)發(fā)是目前研究的一個(gè)重要方向，本文旨在研究鏈?zhǔn)蕉囿wAUV。鏈?zhǔn)蕉囿wAUV具有以下特點(diǎn)：

（1） 通過(guò)外形重構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能的疊加和增強(qiáng)；

（2） 通過(guò)改變外形提升水下作業(yè)能力；

（3） 通過(guò)換裝模塊化載體拓展水下作業(yè)類(lèi)型。

對(duì)現(xiàn)有的具有代表性的鏈?zhǔn)蕉囿wAUV進(jìn)行調(diào)研，如2016 年由R.Mills 等人開(kāi)發(fā)的Eelume2、在Eelume2基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的EELY500［10-11］，及沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的康帥等人于2018 年設(shè)計(jì)的具有分布式推進(jìn)系統(tǒng)的水下機(jī)器人［12-13］。從這些項(xiàng)目中可以發(fā)現(xiàn)，為增強(qiáng)鏈?zhǔn)蕉囿wAUV運(yùn)動(dòng)能力，現(xiàn)有的方案多采用外掛推進(jìn)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但增大了AUV的最大外徑，降低了AUV的通過(guò)性與以及在狹窄空間的作業(yè)能力。

針對(duì)上述單個(gè)AUV 作業(yè)能力不強(qiáng)及現(xiàn)有鏈?zhǔn)蕉囿wAUV存在的問(wèn)題，本文提出了一種多關(guān)節(jié)水下機(jī)器人（簡(jiǎn)稱(chēng)“多關(guān)節(jié)AUV”）。該多關(guān)節(jié)AUV 由若干功能載體與一個(gè)基本載體經(jīng)連接關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，搭載的載荷類(lèi)型與數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要自行選擇；根據(jù)任務(wù)需求還可作為自航或基于底座的水下機(jī)械臂使用，具有通過(guò)性好、靈活性強(qiáng)、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)和作業(yè)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 多關(guān)節(jié)水下機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

秉承模塊化設(shè)計(jì)理念，多關(guān)節(jié)AUV整機(jī)由3部分構(gòu)成，分別為基本載體、功能載體和連接關(guān)節(jié)。基本載體是多關(guān)節(jié)AUV 基本構(gòu)成單元，承擔(dān)控制、通信等功能。功能載體是多關(guān)節(jié)AUV 的基本功能單元，通過(guò)使用不同的功能模塊，可以為多關(guān)節(jié)AUV附加不同的功能，如增強(qiáng)推進(jìn)能力、增強(qiáng)操縱性、實(shí)現(xiàn)聲吶成像和增加續(xù)航等。連接關(guān)節(jié)是多關(guān)節(jié)AUV改變工作模式的基本執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖1 所示，通過(guò)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使多關(guān)節(jié)AUV在直航模式與工作模式之間互相切換，直航模式下多關(guān)節(jié)AUV 航行阻力最小，工作模式下多關(guān)節(jié)AUV通過(guò)形狀的改變以實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)全面的探測(cè)。

圖1 多關(guān)節(jié)AUV 總體設(shè)計(jì)方案Fig. 1 Overall design scheme of a multi-joint AUV

該多關(guān)節(jié)水下機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：

（1） 模塊化程度高、拓展性強(qiáng)。各功能組件高度模塊化，可選擇搭載的典型載荷有溫鹽深儀（conductivity， temperature， depth， CTD）、水下攝像機(jī)、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、水質(zhì)檢測(cè)儀和聲學(xué)模塊等。為了便于使用者快速更換功能艙段，一方面使用了快拆接口，僅需拆裝四顆螺釘即可實(shí)現(xiàn)功能艙段的更換或加裝；另一方面，功能艙段為中性浮力配置，功能艙段的換裝不會(huì)對(duì)AUV 整體的浮力狀態(tài)產(chǎn)生影響［14］。

（2） 操控性能好、自由度高度冗余。多關(guān)節(jié)AUV除基本的槳舵操縱機(jī)構(gòu)外，還配備了操縱艙段和矢量推進(jìn)艙段，除增強(qiáng)了AUV 的操縱性外，還在一定程度上更靈敏地遏制AUV 在執(zhí)行任務(wù)中所受到的亂流擾動(dòng)。

（3） 通過(guò)性好、可在狹窄空間開(kāi)展作業(yè)。多關(guān)節(jié)AUV 的功能載體和基本載體艙段直徑均為3 英寸（76.2 mm），且在水下航行時(shí)用于通信的天線(xiàn)處于折疊狀態(tài)，不會(huì)影響AUV的通過(guò)性。

（4） 集成化程度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

2.2 系統(tǒng)組成與關(guān)鍵技術(shù)

圖2示出多關(guān)節(jié)AUV的功能載體與基本載體。其中，功能載體包括操縱艙段、電源與控制艙段、矢量推進(jìn)艙段及其他支持的功能艙段。基本載體包括操縱艙段、電源與控制艙段、天線(xiàn)艙段、后操縱艙段、舵操縱艙段及艉部推進(jìn)器。

圖2 多關(guān)節(jié)AUV 的功能載體和基本載體Fig. 2 Functional and basic carriers of multi-joint AUV

功能載體與基本載體都具備自航行能力。本項(xiàng)目研發(fā)分為兩個(gè)階段，目前正在進(jìn)行第一階段。第一階段是將功能載體與基本載體直接通過(guò)關(guān)節(jié)串聯(lián)在一起形成多關(guān)節(jié)AUV；下一階段將逐步實(shí)現(xiàn)功能載體與基本載體的自主水下對(duì)接，通過(guò)對(duì)接形成多關(guān)節(jié)AUV。

在開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)水下機(jī)器人的過(guò)程中形成了一些關(guān)鍵技術(shù)：（1） 一體化集成設(shè)計(jì)技術(shù)；（2） 微型射流操縱技術(shù)；（3） 微型矢量推進(jìn)技術(shù)；（4） 多維度連接關(guān)節(jié)技術(shù)；（5） 微型折疊天線(xiàn)技術(shù)。后面將針對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3 多關(guān)節(jié)水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 微型射流操縱技術(shù)

為提高多關(guān)節(jié)AUV的操縱性，在操縱艙段內(nèi)水平方向?qū)ΨQ(chēng)布置了2個(gè)射流推進(jìn)器，在豎直方向布置了一個(gè)槽道推進(jìn)器。各推進(jìn)器作用力示意及操縱艙段模型如圖3所示，在水平方向?qū)ΨQ(chēng)布置的2個(gè)射流推進(jìn)器可同時(shí)工作，并可根據(jù)水平擾動(dòng)力的大小，差速調(diào)整射流推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速，以更好地維持AUV的航向。布置在豎直方向的槽道推進(jìn)器可控制多關(guān)節(jié)AUV的俯仰角，或與其他槽道推進(jìn)器一同工作以實(shí)現(xiàn)AUV的垂直上浮或下潛。

圖3 推進(jìn)器推力示意與操縱艙段模型Fig. 3 Schematic diagram of propeller thrust and control cabin model

圖4示出操縱艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理。可以看出，在水平方向?qū)ΨQ(chēng)布置的射流推進(jìn)器不同于常見(jiàn)的槽道推進(jìn)器，射流推進(jìn)器的流道入口與流道出口位于同側(cè)，流道入口圓形環(huán)繞在流道出口四周。槽道推進(jìn)器通過(guò)正反轉(zhuǎn)來(lái)控制推進(jìn)器，只在單獨(dú)一側(cè)產(chǎn)生推進(jìn)力；而對(duì)稱(chēng)布置的2 個(gè)射流推進(jìn)器可同時(shí)工作，即可在兩側(cè)同時(shí)產(chǎn)生推力，進(jìn)一步提升了AUV的操縱性。

圖4 操縱艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理Fig. 4 Principles of the internal structure of the control cabin section

圖5（a）為射流推進(jìn)器的樣機(jī)。該樣機(jī)與力傳感器相連，并通過(guò)變送器測(cè)量接入推進(jìn)器的電流與電壓。將推進(jìn)器浸入水池中進(jìn)行系泊試驗(yàn)，結(jié)果如圖5（b）所示?？梢钥闯?，射流推進(jìn)器在100 W時(shí)，可產(chǎn)生8～9 N的推力。

圖5 射流推進(jìn)器樣機(jī)及推力試驗(yàn)Fig. 5 Jet propulsion prototype and thrust test

圖6（a）為槽道推進(jìn)器的物理樣機(jī)。同樣將其接入力傳感器與變送器浸入水池中進(jìn)行系泊試驗(yàn)，結(jié)果如圖6（b）所示?？梢钥闯?，槽道推進(jìn)器在100 W 時(shí)產(chǎn)生的推力為11～12 N。

圖6 槽道推進(jìn)器樣機(jī)及推力試驗(yàn)Fig. 6 Prototype and thrust test of channel thruster

3.2 微型矢量推進(jìn)技術(shù)

鏈?zhǔn)蕉囿wAUV通常在AUV艙體外側(cè)附加推進(jìn)器來(lái)為AUV提供前進(jìn)推力。這種方式的缺點(diǎn)在于外附式推進(jìn)器的使用增大了AUV 的最大外徑，減弱了AUV在狹窄空間的通過(guò)性。為了避免在給多關(guān)節(jié)AUV提供前進(jìn)推力的同時(shí)減弱AUV的通過(guò)性，本文設(shè)計(jì)了矢量推進(jìn)艙段。圖7 示出矢量推進(jìn)器艙段的模型及布置在多關(guān)節(jié)AUV 中的作用力效果?？梢钥闯?，矢量推進(jìn)艙段在為多關(guān)節(jié)AUV產(chǎn)生前進(jìn)推力的同時(shí)，沒(méi)有增大多關(guān)節(jié)AUV 的最大外徑，對(duì)多關(guān)節(jié)AUV 的通過(guò)性沒(méi)有產(chǎn)生不良影響。

圖7 矢量推進(jìn)艙段及推力示意Fig. 7 Schematic diagram of vector propulsion cabin and thrust

圖8 示出矢量推進(jìn)艙段內(nèi)部原理及作用效果。可以看出，流道入口與流道出口也位于同側(cè)，流道入口垂直于AUV軸向方向，流道出口沿著AUV軸向方向；并且在水平方向?qū)ΨQ(chēng)布置了2 個(gè)矢量推進(jìn)器，減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿同步轉(zhuǎn)動(dòng)2 個(gè)推進(jìn)器，使推進(jìn)器在一定范圍內(nèi)可以改變推進(jìn)方向。

圖8 矢量推進(jìn)艙段內(nèi)部原理及作用效果圖Fig. 8 Internal principle and effect diagram of vector propulsion cabin section

在計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）軟件中對(duì)矢量推進(jìn)艙段的沿軸推力（即x軸方向力）、橫滾力矩、俯仰力矩及槳葉的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 射流推進(jìn)艙段仿真結(jié)果Tab. 1 Simulation results of jet propulsion cabin section

從表1 可知，射流推進(jìn)器槳葉轉(zhuǎn)速在8 000 r/min時(shí)產(chǎn)生的推力為4 N，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)；且此時(shí)的橫滾力矩、俯仰力矩和槳葉轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值較小，在可控范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)多關(guān)節(jié)AUV的航行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3.3 微型折疊天線(xiàn)技術(shù)

由于多關(guān)節(jié)AUV耐壓艙內(nèi)部空間和搭載的電池能量密度有限，且天線(xiàn)部件中集成的天線(xiàn)在水下往往無(wú)法使用，可通過(guò)將天線(xiàn)部件在水下折疊的方法，降低微型AUV的水下航行阻力，提高其續(xù)航能力［15］；同時(shí)，還可以減少天線(xiàn)導(dǎo)致的AUV艉部流場(chǎng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，從而降低AUV的航行噪聲，提高推進(jìn)器的工作效率［16］。

按照天線(xiàn)升起與折疊狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)位置使用解析法設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)［17］，以實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的折疊與升起。折疊天線(xiàn)機(jī)構(gòu)使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于艙段耐壓艙內(nèi)部，與折疊機(jī)構(gòu)通過(guò)一組錐齒輪嚙合傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用一組齒數(shù)比為1∶2 的直齒輪實(shí)現(xiàn)減速增矩，且通過(guò)在傳動(dòng)軸上布置兩個(gè)O形圈實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸的動(dòng)密封。折疊機(jī)構(gòu)模型如圖9所示。

圖9 折疊天線(xiàn)機(jī)構(gòu)模型Fig. 9 Model of folded antenna mechanism

在Adams 軟件中進(jìn)行該折疊天線(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真。首先，對(duì)主動(dòng)件即舵機(jī)所連小齒輪添加旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動(dòng)來(lái)模擬舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度被設(shè)定為200 °/s；其次，根據(jù)在樣機(jī)中擬使用的材料設(shè)置各零件的材料密度；最后，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，添加相互接觸的零部件的摩擦系數(shù)，其中靜摩擦系數(shù)被設(shè)置為0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.3。在前置條件設(shè)定完成后運(yùn)行仿真，提取舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)和天線(xiàn)升起時(shí)的角速度幅值曲線(xiàn)，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 天線(xiàn)折疊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果Fig. 10 Kinematics and dynamics simulation results of antenna folding mechanism

從圖10中可以看出，天線(xiàn)升起過(guò)程中所需舵機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩為0.05 N·m，小于所選舵機(jī)（KST-X08H）在200 °/s下的額定轉(zhuǎn)矩（0.14 N·m），可知舵機(jī)滿(mǎn)足使用要求。天線(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍為0°～90°，符合設(shè)計(jì)要求，能夠覆蓋從水平折疊到豎直升起的整個(gè)微型AUV所需要的運(yùn)動(dòng)范圍。從天線(xiàn)升起時(shí)的角速度幅值曲線(xiàn)可以得知，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行0.11 s、天線(xiàn)升起到38.5°時(shí)，天線(xiàn)角速度達(dá)到最大值約400 °/s；之后，天線(xiàn)升起角速度緩慢降低，直到天線(xiàn)完全升起且角速度為0 °/s時(shí)止，整個(gè)過(guò)程用時(shí)約0.5 s。該過(guò)程角速度過(guò)渡比較平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造成沖擊，有助于折疊天線(xiàn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在物理樣機(jī)中進(jìn)行天線(xiàn)的通信試驗(yàn)與折疊機(jī)構(gòu)的折疊試驗(yàn)。通信試驗(yàn)結(jié)果表明，GPS、WiFi 和無(wú)線(xiàn)電通信效果皆良好。折疊天線(xiàn)升降的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11 所示。試驗(yàn)中，天線(xiàn)折疊機(jī)構(gòu)可正常運(yùn)行，其中升起用時(shí)不到1 s，與仿真結(jié)果相近，但最大升起角度僅75°。通過(guò)觀察得知，導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因在于WiFi、無(wú)線(xiàn)電和GPS天線(xiàn)被灌封安裝到天線(xiàn)支架上后，天線(xiàn)與耐壓艙內(nèi)部通信設(shè)備相連接的線(xiàn)纜彈性較強(qiáng)，給天線(xiàn)升起帶來(lái)了額外的阻力，導(dǎo)致天線(xiàn)無(wú)法升起至預(yù)定的角度，但最大升起角度為75°不影響微型AUV 的水面航行通信功能。后續(xù)將考慮通過(guò)使用線(xiàn)材較軟的饋線(xiàn)來(lái)解決最大升起角度偏小問(wèn)題。

3.4 多維度連接關(guān)節(jié)技術(shù)

在多關(guān)節(jié)AUV整體結(jié)構(gòu)中，功能載體與功能載體間、功能載體與基本載體間均使用關(guān)節(jié)來(lái)進(jìn)行連接。根據(jù)關(guān)節(jié)上有無(wú)驅(qū)動(dòng)器，可將關(guān)節(jié)分為被動(dòng)式連接關(guān)節(jié)和主動(dòng)式連接關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)器的作用是為多關(guān)節(jié)AUV構(gòu)型的改變提供驅(qū)動(dòng)力矩。本文分別對(duì)被動(dòng)式與主動(dòng)式連接關(guān)節(jié)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并提出了以下幾點(diǎn)要求，作為被動(dòng)式與主動(dòng)式連接關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)皆要考慮的因素：

（1） 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)在各方向均無(wú)干涉；

（2） 連接穩(wěn)定可靠，關(guān)節(jié)可承受足夠的抗彎與抗拉力矩；

（3） 還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來(lái)為關(guān)節(jié)前后載體提供數(shù)據(jù)與能源傳輸，進(jìn)而使多關(guān)節(jié)AUV成為一個(gè)整體。

圖12為被動(dòng)式連接關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。可以看到，被動(dòng)式連接關(guān)節(jié)包括上下連接法蘭、穿線(xiàn)螺紋孔及兩個(gè)法蘭之間的轉(zhuǎn)接件，該結(jié)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)靈活，運(yùn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有死區(qū)且上下法蘭連接單元的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度可達(dá)90°，滿(mǎn)足使用需求。另外，為了使關(guān)節(jié)連接的鄰近單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與能源傳輸，使用了穿線(xiàn)螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)纜的穿艙與密封。相對(duì)于水密接插件，穿線(xiàn)螺栓在做到安全可靠的基礎(chǔ)上減小了軸向長(zhǎng)度，從而減少連接件對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)影響。該關(guān)節(jié)內(nèi)部屬于滲水艙，沒(méi)有做密封處理。為了使多關(guān)節(jié)AUV具有良好的水動(dòng)特性，在關(guān)節(jié)安裝完成之后在外表面覆以橡膠薄膜，以減小多關(guān)節(jié)AUV在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流體阻力。

圖12 被動(dòng)式連接關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig. 12 Structure of passive connection joint

圖13為主動(dòng)式連接關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，其主要包括上下連接法蘭、上下穿線(xiàn)螺孔、軸向舵機(jī)和垂向舵機(jī)。該主動(dòng)式連接關(guān)節(jié)是一個(gè)具有二自由度的連接關(guān)節(jié)，其中，軸向舵機(jī)提供繞關(guān)節(jié)軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度與驅(qū)動(dòng)力矩，垂向舵機(jī)提供繞垂向舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度與驅(qū)動(dòng)力矩，且垂向舵機(jī)輸出軸的中線(xiàn)與關(guān)節(jié)軸線(xiàn)相垂直。該關(guān)節(jié)在線(xiàn)纜的穿艙處理方式、外表面的覆膜處理與被動(dòng)式連接關(guān)節(jié)相同，不再贅述。

圖13 主動(dòng)式連接關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig. 13 Structure of active joint

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 樣機(jī)研制

為了驗(yàn)證多關(guān)節(jié)AUV的基本航行性能，我們制備了多關(guān)節(jié)AUV 的基本載體樣機(jī)。多關(guān)節(jié)AUV 基本載體物理樣機(jī)與其在水池內(nèi)初步試驗(yàn)如圖14～圖15所示。

圖14 多關(guān)節(jié)AUV 基本載體樣機(jī)Fig. 14 Multi-joint AUV basic carrier prototype

圖15 多關(guān)節(jié)AUV 基本載體樣機(jī)水池試驗(yàn)Fig. 15 Water tank test diagram of a multi-joint AUV basic carrier prototype

4.2 功能試驗(yàn)

多關(guān)節(jié)AUV 基本載體樣機(jī)先后在沈陽(yáng)市棋盤(pán)山秀湖水域、大連小長(zhǎng)山島渤海海域開(kāi)展試驗(yàn)與調(diào)試工作，圖16 示出在大連小長(zhǎng)山島渤海海域的試驗(yàn)照片。首先測(cè)試3 英寸AUV 水面航行時(shí)接收GPS 信號(hào)的穩(wěn)定性及定向航行的性能。試驗(yàn)過(guò)程中，多關(guān)節(jié)AUV 基本載體樣機(jī)在水面航行狀態(tài)下，通過(guò)控制折疊機(jī)構(gòu)使天線(xiàn)處于升起狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，WiFi 與無(wú)線(xiàn)電信號(hào)良好，滿(mǎn)足水面數(shù)據(jù)傳輸要求；GPS在水面航行過(guò)程中可穩(wěn)定獲取衛(wèi)星定位信號(hào)，在航行過(guò)程中，航向保持穩(wěn)定。

圖16 多關(guān)節(jié)AUV 基本載體樣機(jī)在大連小長(zhǎng)山島渤海海域試驗(yàn)Fig.16 Experimental on the multi-joint AUV basic carrier prototype in the Bohai Sea area of Xiaochangshan Island,Dalian

之后進(jìn)行水下定深定向航行調(diào)試。定向變深度航行的結(jié)果如圖17 所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，使天線(xiàn)處于折疊狀態(tài)，將目標(biāo)航向角設(shè)定為105°，0～300 s 時(shí)期望深度設(shè)為2 m，300～540 s 時(shí)期望深度設(shè)為3 m。從圖17（a）的深度控制曲線(xiàn)中可以看出，多關(guān)節(jié)AUV基本載體樣機(jī)具備定深調(diào)節(jié)能力且可按照預(yù)設(shè)任務(wù)自主變化航行深度，深度穩(wěn)定后，深度誤差不大于±0.1 m；從圖17（b）的航向曲線(xiàn)中可以看出，在進(jìn)行定深航行同時(shí)，航行保持穩(wěn)定，在航行穩(wěn)定之后，航向誤差不大于±1°。

圖17 定向變深度航行Fig.17 Directional variable depth navigation

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種多關(guān)節(jié)AUV設(shè)計(jì)方案，該多關(guān)節(jié)AUV由若干功能載體與一個(gè)基本載體構(gòu)成。文章闡述了功能載體與基本載體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，詳細(xì)說(shuō)明了其中使用的若干關(guān)鍵技術(shù)及工作原理，并研制了多關(guān)節(jié)AUV 基本載體的物理樣機(jī)。通過(guò)湖上、海上試驗(yàn)驗(yàn)證了，多關(guān)節(jié)AUV具備基本的航行性能。

雖然基本載體的樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了多關(guān)節(jié)AUV 的基本航行性能，但仍存在一些不足，需要完善：（1）未能形成多關(guān)節(jié)AUV功能載體的樣機(jī)，未能進(jìn)行整機(jī)的試驗(yàn)，整機(jī)的控制策略與控制算法可行性需要試驗(yàn)驗(yàn)證；（2）目前僅形成了多關(guān)節(jié)AUV 整機(jī)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于可進(jìn)一步增強(qiáng)作業(yè)能力的一些輔助裝置，如機(jī)械臂等尚未進(jìn)行研制。