羊云石 顧海東

（第七一五研究所，杭州，310012）

AUV水下對接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

羊云石 顧海東

（第七一五研究所，杭州，310012）

AUV水下對接技術(shù)是一種可以為AUV提供能源補充和信息交換的系統(tǒng)，從而極大地增強AUV的長期及遠程工作能力。通過接駁形式、接駁傳感器、接駁控制策略、水下傳輸技術(shù)四個方面的綜述，闡述了AUV水下對接的方法、相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。

AUV；水下對接；信息交換；能源補充

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自主式水下無人航行器（AUV）作為探索海洋空間的有力工具之一，在軍事和科學(xué)研究方面起著越來越重要的作用。未來的AUV需要更長的水下工作時間、更大的自主性、更隱蔽的情報收集能力、更高速的數(shù)據(jù)分析速度以及更強大的通信能力。而這些目標的實現(xiàn)主要受到自身攜帶能源和水下通信兩個因素的限制。由于幾十年來電池技術(shù)一直沒有獲得突破性進展，AUV的水下工作時間仍然很短，需要頻繁的回收和布放。此外水聲通信速率較低，AUV難以及時回傳所收集到的數(shù)據(jù)。兩者均極大增加了AUV的使用成本，降低了其工作效率。因此，AUV水下對接技術(shù)作為一種為其提供能源補充與信息交換的補給支持系統(tǒng)就顯得十分必要。

1 AUV水下對接形式

上世紀90年代以來，國外研究者根據(jù)各自AUV的不同特點和對接目標，設(shè)計出了各種AUV水下對接系統(tǒng)，主要可以分為三類[1]。

1.1 捕捉式對接

捕捉式對接是指AUV利用頭部捕捉裝置捕捉對接裝置上的繩索、桿類等導(dǎo)向目標，然后沿導(dǎo)向裝置運動，完成對接。該種對接方式的優(yōu)點主要是可以全方位對接，受周圍環(huán)境影響較小，對接的可靠性較高；缺點是對接基站的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時對水下航行器的改動也較大。這種對接方式中最具有代表意義的是美國的Odyeesy II AUV水下對接系統(tǒng)，原理如圖1所示[2]。AUV在超短基線的引導(dǎo)下駛向?qū)友b置，然后依靠前進沖量實現(xiàn)頭部V型捕捉裝置與垂直桿的對接，并通過電磁感應(yīng)系統(tǒng)進行充電和信息傳輸。該型AUV水下對接裝置由Woods Hole海洋研究所和MIT海洋實驗室共同研制，應(yīng)用于海洋自主采樣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（AOSN）。

圖1 Odyeesy II AUV捕捉式對接裝置

1.2 包容式對接

包容式對接是指對接裝置采用導(dǎo)向罩或者籠箱等結(jié)構(gòu)形式對AUV進行導(dǎo)向，使AUV進入對接管或者對接箱籠內(nèi)完成對接。包容式對接中的對接裝置本身可以包容AUV，在對接口附近采用漸縮形的入口裝置對AUV進行引導(dǎo)，使其進入預(yù)定軌道實現(xiàn)兩者的對接。這種形式的對接方式較容易受到海流的影響，優(yōu)點是對接裝置本身并不是特別復(fù)雜，也不需要對水下航行器進行特別的改造，并且在AUV對接后具有保護作用。

典型的包容式對接裝置有美國的REMUS AUV水下對接系統(tǒng)[3]（圖2）和MBARI研究所開發(fā)的水下對接系統(tǒng)[4]（圖3）。

圖2 REMUS AUV包容式對接裝置

圖3 Bluefin AUV包容式對接裝置

REMUS對接裝置由Woods Hole海洋研究所研制，由圓柱型塢站和錐形引導(dǎo)口組成，采用超短基線引導(dǎo)AUV回歸，并用水密電連接器進行充電和數(shù)據(jù)傳輸。MBARI研究所為Bluefin AUV開發(fā)的水下對接系統(tǒng)基本與REMUS對接裝置相似，主要應(yīng)用于海底觀測網(wǎng)絡(luò)中。

1.3 平臺式對接

平臺式對接是指AUV采用飛機降落的方法降落于對接平臺上，鎖定對接的形式。該種形式的對接方式與飛機在航空母艦上的降落情形非常相似。該方式對水下航行器的動力系統(tǒng)以及自導(dǎo)系統(tǒng)要求較高，具有代表意義的是日本的Marine-bird水下對接系統(tǒng)，對接原理示意圖見圖4[5]。該對接平臺通過短基線引導(dǎo)AUV回歸，并用V型攔截裝置捕捉AUV下方的掛鉤，最后通過感應(yīng)線圈進行充電。

圖4 Marine bird水下對接平臺

2 接駁傳感器

AUV要實現(xiàn)對接功能，必須實時測量其與對接裝置的距離、方位和深度信息。根據(jù)傳感器的原理不同，現(xiàn)階段國外AUV采用的對接傳感器有三類：聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器和電磁傳感器。

2.1 聲學(xué)傳感器

AUV使用的聲學(xué)傳感器一般指的是超短基線（USBL）。與其他幾種傳感器相比，聲學(xué)超短基線的作用距離遠（大于2000 m），受到的環(huán)境影響相對較小，因此國外大多數(shù)AUV對接技術(shù)都采用超短基線（USBL）作為其主要對接導(dǎo)航定位方式。如美軍使用最廣泛的水下無人航行器-REMUS AUV就采用了高精度數(shù)字式USBL作為其對接傳感器（圖5）。該型USBL模塊布置于AUV頭部，對接引導(dǎo)距離達到3000 m，分辨力小于0.5o。美海軍多次海試表明，REMUS AUV在超短基線的引導(dǎo)下能從幾海里外，準確地進入直徑僅為80 cm的錐形導(dǎo)向罩內(nèi)，單次對接成功率達到60%[3]。

圖5 REMUS頭部USBL基陣

2.2 光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器在AUV對接技術(shù)中的使用有其獨特的優(yōu)勢與特點，其近距離探測精度能達到厘米級，特別適用于入口較小的對接裝置，例如AUV魚雷管回收。但是光學(xué)傳感器受到海水清晰度的影響很大，有效作用距離很近（小于30 m），一般均要與聲學(xué)傳感器（USBL）配合使用。目前基于視覺感知的AUV對接技術(shù)尚處于研制階段，例如韓國研究機構(gòu)正在研究魚雷型AUV與錐形對接裝置的視覺導(dǎo)航接駁技術(shù)，如圖6所示[6]。

圖6“ISiMI”AUV光學(xué)導(dǎo)向裝置

整個視覺導(dǎo)引裝置包含五盞信標燈（布置于錐形入口處）、CCD攝像機（AUV頭部）以及信號處理DSP，作用距離10~15 m，通過圖像處理來識別信標光源，從而計算出對接裝置的距離和中心位置，并結(jié)合視覺伺服控制算法引導(dǎo)AUV進入對接口。

2.3 電磁傳感器

早在1990年代中期，美國MIT Sea Grant Program Odyssey AUV就設(shè)計了基于電磁場導(dǎo)航的對接裝置[7]。電磁傳感器克服了光學(xué)傳感器的易受干擾的缺點，且對接精度也較高。1996年在Buzzards灣的試驗表明，該電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的有效作用距離為25~30 m，對接精度為小于20 cm。但是由于技術(shù)較復(fù)雜、傳感器尺寸較大、需要與USBL配合使用等因素使其與光學(xué)傳感器一樣，在AUV對接導(dǎo)航中的使用較少。

3 接駁控制技術(shù)

AUV對接過程中的控制技術(shù)就是根據(jù)AUV的操縱性能、采取的對接形式、對接傳感器的種類、對接目標的位置以及海洋環(huán)境等因素，制定出AUV合理的對接航行策略，規(guī)劃出最佳路徑，最后根據(jù)航行策略選取某種控制算法實現(xiàn)AUV水下對接。

無論是美國的REMUS AUV對接系統(tǒng)還是MBARI研究所開發(fā)的Bluefin AUV水下對接系統(tǒng)，都采用了類似的航行策略，即將接駁過程分為兩個階段：回歸航行階段和精確接駁階段（圖7），各階段的詳細對接流程如圖8所示[4]。

圖7 AUV接駁過程控制路徑示意圖

圖8 AUV對接控制流程示意圖

3.1 回歸航行階段控制

AUV自主航行至USBL信號覆蓋范圍以內(nèi)，采用追蹤制導(dǎo)方式接近對接裝置，過程中調(diào)整AUV，使其始終朝向USBL信號方向，以保持可以得到最大信號強度。當USBL信號強度足夠時，AUV利用自身羅盤、USBL測向和測距信息來計算就位點（接駁裝置中心軸延長線上的一點），并駛向該就位點。

3.2 精確接駁階段控制

AUV到達就位點后，沿接駁裝置軸線向接駁裝置靠近。此時控制方式不再采用追蹤制導(dǎo)方式，而是采用沿固定路線前進的控制方式，并且AUV在距接駁裝置200~100 m遠的地方進行減速，為控制層提供足夠的時間去消除航向超調(diào)量，并降低接駁撞擊力。該種控制方式要求AUV沿著固定路線接近接駁裝置，需要對以下方面展開研究：海流對航向產(chǎn)生的影響；USBL數(shù)據(jù)刷新期間的AUV航跡推算及誤差消除。

此外，對接失誤策略也是AUV對接控制技術(shù)的必要部分。當AUV沒有對接成功，應(yīng)根據(jù)AUV與對接目標間的通信來確認，并采取對接失誤策略，重新開始接駁。

4 接駁傳輸技術(shù)

AUV水下對接技術(shù)的最終目的就是實現(xiàn)AUV的能源補充（充電）、任務(wù)下載、探測數(shù)據(jù)上傳等功能。要實現(xiàn)這些功能，對接系統(tǒng)必須有可靠、高效的水下能量、信息傳輸裝置。目前，AUV與對接裝置間的傳輸技術(shù)可以分為兩大類：接觸式插拔傳輸和非接觸式感應(yīng)傳輸。

4.1 接觸式插拔傳輸技術(shù)

接觸式插拔傳輸方式具有原理結(jié)構(gòu)簡單、傳輸穩(wěn)定高效的特點。一旦連接成功，傳輸過程幾乎不受任何海洋環(huán)境的影響。但是在深海、無人工操縱的條件下能準確、牢固地完成一般的水密連接器插拔十分困難。為此，實現(xiàn)接觸式插拔傳輸技術(shù)的關(guān)鍵在于具有特殊功能的水密電連接器與配套的插拔動力裝置。該套系統(tǒng)需要具備自動導(dǎo)向?qū)φ?、便捷鎖緊與松開、不受海水壓力影響的帶水濕插拔能力。圖9為REMUS AUV對接系統(tǒng)采用的插拔機構(gòu)及其原理圖[3]。

圖9 REMUS AUV插拔機構(gòu)原理圖

4.2 非接觸式感應(yīng)傳輸

與接觸式插拔傳輸方式相比，非接觸式感應(yīng)傳輸可以做到對海水的完全可靠密封，不存在海水腐蝕連接器和精確對準等一些問題。但其主要缺點是能量傳輸效率較低，美國Florida Atlantic University 為AUV水下對接開發(fā)的電磁充能系統(tǒng)總效率也僅為48%[4]。此外，由于數(shù)據(jù)傳輸使用的是無線電磁波方式，容易受到外界干擾而不穩(wěn)定。圖10為國外某AUV水下對接裝置使用的感應(yīng)傳輸器件。

圖10 AUV對接感應(yīng)傳輸器件

5 總結(jié)

AUV水下對接技術(shù)是AUV能源補充、信息交換的關(guān)鍵技術(shù)，未來無論在民用領(lǐng)域，如海洋探測、科學(xué)考察，還是軍用領(lǐng)域，如水下無人作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)、AUV反潛（反水雷）戰(zhàn)均有廣泛的應(yīng)用價值。隨著AUV水下對接技術(shù)的不斷發(fā)展，將會對未來AUV的使用理念、使用方式帶來深遠的影響。

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