一种AUV水下接驳系统的设计与研究

吴 哲，羊云石，程 烨，林 婕，岳志杰，顾海东

(中国船舶重工集团公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

0 引 言

随着海洋工程建设的不断推进，海底观测网在近几年被各国广泛关注，甚至在某些国家已经初步布设完成[1]。海底观测网整合了先进的海洋观测技术及手段，可以对海洋进行全天候、高密度、多要素地探测。而作为观测网中的任务执行主体，无人水下平台（AUV）目前由于技术的局限，其数据通信与能量补给只能通过与接驳站对接来实现。因此，稳定可靠的水下接驳技术，将是建设海底观测网的关键。近几年由于相关需求的出现，国内外在对接技术上都有大量的研究出现[2–8]，涵盖接驳站结构、接驳导引方式等方向。

本文介绍了一种自主研发的AUV水下接驳系统，概述了系统中水下无人平台与接驳站的相关设计。该接驳系统已经在渤海海域进行了长达半年的布放，进行了数十次的接驳试验，验证了可靠性[1]。

1 水下无人平台

作为海底观测网的主要功能执行者，无人水下平台是一个搭载有多种传感器并具有自主运动功能的智能航行器。本文介绍的接驳系统中的AUV，最大直径为350 mm，长约3 m，总重243 kg，外形如图1所示，采用“回转体+十字鳍舵+导管桨推进器”形式。通过采集惯性、深度、高度、多普勒测速、卫星定位、水声通信等测量信息，AUV将数据融合后进行组合导航解算，导航精度小于航程的0.5%。在接驳航行过程中，AUV以3 kn速度航行。

1.1 水声定位系统

AUV导引是整个接驳系统的关键技术。虽然目前导引技术已经趋向于多元化，如光学导引、磁学导引等等，但声学导引仍然拥有着巨大优势。声学导引作用范围大，技术成熟，对海洋环境的要求相对较低，不受浊度影响。因此在对接过程中，本系统采用声学导引的方法进行AUV路径规划。为该套接驳装置所研发的水声定位系统，采用超短基线基阵进行定位，定位信息最快刷新时间间隔为2 s，最大作用范围约3 000 m，与GPS测量结果相比定位精度可达0.5%以下。

水声定位系统构成如图2。AUV通过换能器发出声学定位请求脉冲。当接驳站收到脉冲信号后，通过声学方法测量此时AUV相对于接驳站的水平方向角和垂直方向角，结合接驳站姿态传感器的信息进行方位修正，并将估计结果以水声通信方式向外发送。当收到接驳站端水声信号后，AUV端自动计算两者之间的距离，解析出接驳站发送的方向信息，由控制中心根据这些信息解算AUV相对于接驳站对接筒的位置。

1.2 数据及电能传输

当AUV进坞后，系统通过接驳站中的湿插拔结构将AUV端与接驳站端电连接器进行接触式对接。为了满足需要，水下湿插拔连接器选用了苏里奥公司8810型12芯连接器，能满足3 000 m水深的插拔，单芯最大电流7.5 A，绝缘电阻＞100 MΩ。AUV设计充电电压为48 V。

AUV与接驳站的数据及电能传输性能已经过实验室水池联调测试。在水下AUV与接驳站接驳部分对接，当AUV与接驳站上位机间组成局域网后，通信速率可达到120 Mbps。此外经验证AUV系统充电效率在92%～98%之间。

2 接驳站

根据接驳形式的不同，接驳站可分为捕捉式、包容式、平台式3种。其中包容式的接驳方式对AUV改造较小，并且在接驳时对AUV有保护作用，适用于海底观测网系统，本文介绍的接驳站属于包容式，如图3所示。接驳站结构上可划分为以下几块。

2.1 漏斗形导引段及对接筒

接驳站上部为漏斗形的导引段及对接筒。导引段起到引导AUV顺利进入既定接驳位置的作用。整个导引段最大外径2 000 mm，由2根不锈钢圆环与18根玻璃钢圆杆构成。而对接筒则为AUV提供安全停靠、补给能量和传输数据的空间位置，是AUV最后停留的基站。对接筒体呈中空圆柱形，内壁直径为380 mm（AUV直径350 mm），壁厚为20 mm。对接筒在水平位置两侧开有引导槽，底部留有插拔缺口。此外，在对接筒侧边装有到位传感器，用于AUV进坞的检测。

2.2 基座

考虑到稳定性，接驳站的底座是一个金字塔形的结构，所占面积较大。基座总高为2 075 mm，由铝合金焊接而成。在侧面的铝合金板上，开有圆孔来减轻重量，同时减小水流的冲击力。

基座上装有多个照明灯与水下摄像机，用于捕捉对接流程。

2.3 俯仰调节模块

海底地貌存在起伏特性，为了保证接驳站在水下具有良好的俯仰姿态，对接筒下部，基座顶端为单自由度旋转铰接点。该旋转点固定有一俯仰杆，上部与对接筒刚性连接，底部装有调节重块。系统通过重块提供回复力矩，维持良好的俯仰姿态，并在AUV冲击接驳站时，通过重块抵消一部分能量。同时，在重块底部安装有前后2条调节链，分别由2个俯仰电机驱动，用于地形较差时通过电机拉扯调节俯仰角。

2.4 湿插拔结构

湿插拔模块用于实现水下电连接器的导引、对正和插拔功能，结构如图4所示。它通过梯形螺母在丝杆上的运动实现上下插拔，并将插销机构安装在底部配有万向节的锥形弹簧上，便于实现轴向偏移及偏角，保证机构的轴向位置及角度纠偏能力（±20 mm，±15°）。

2.5 电子舱

电子舱主要用于采集传感器信号（压力传感器、电子罗盘），完成信号传输与控制命令下达功能。上位机通过电子舱控制接驳站摄像头、俯仰电机、插拔电机、照明灯的启动与关闭。

3 水下对接流程

整个接驳系统工作流程可分为以下几个阶段：

1）回归阶段。AUV基于水声通信导航信号调整航行轨迹，向接驳站靠近。途中，AUV使用航向信息和水声通信来计算对接就位点（就位点位于对接喇叭口的中心延长线上）。

2）驶向就位点。AUV完成就位点计算后，将自主规划出通往就位点的轨迹，然后控制驶向就位点。

3）靠近对接口。AUV到达就位点后，在水声定位通信的方位、距离信息、DVL航速信息以及航向信息的综合处理下，以最低可操纵速度沿着对接口中心线靠近对接喇叭口。

4）电能及信号传输。如果对接平台检测到AUV准确到位，对接平台控制器将驱动插拔装置升起插销锁住AUV，随后使用水下电连接器进行充电和数据传送。

4 海试试验

为验证接驳系统可靠性，对接驳成功率、工作时间进行考核。2017年7–12月在大连老虎滩附近海域进行了海上验证试验。试验开始前，借助多波束探测工具对试验海域进行了测绘。试验海域海底地形平坦，水深在30～40 m左右。接驳站布放处水深为30 m。此外使用ADCP记录了海域5月洋流参数，发现作用于预定对接航道上的侧流约有一半时间流速高于1 kn，峰值流速超过3 kn。

本次海试接驳站总计布放时间达到5个月，并在期间进行了数十次AUV接驳试验。试验时通过水声通信，可捕捉AUV在航行中的坐标点，得出AUV向接驳站靠近过程中的航迹，如图5所示。AUV在较远处通过计算相对方位调整自身航向，直至与基线重合，随后沿基线进入接驳站。最终，经过试验验证，该接驳系统单次对接成功率达90%以上。

5 结 语

本文介绍了一种自主研发的AUV接驳系统，包括接驳站与AUV两部分，并通过海试试验证明了该接驳系统的可靠性，实现了单次90%以上的成功率。未来将进一步扩展接驳站与水下无人平台相关功能，使整个系统的环境适应性进一步加强，为海底观测网提供技术储备。