自主式水下机器人水下对接技术综述

郑荣，宋涛，2，孙庆刚，3，国婧倩，2

1 中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳 110016

2 东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819

3 中国科学院大学，北京 100049

0 引 言

随着技术的不断发展，水下机器人已成为海洋开发的重要工具之一。由于自主式水下机器人（AUV）具有很好的机动性和大范围的巡航能力等优点，在水下观测、制图、定位和深海采样中扮演着重要角色［1］。但由于近年来电池技术未得到大的发展，AUV自身所携带的能源有限，仪器功耗大，其在能源将要耗尽的时候需要及时回到母船补充能源，这就使得其在水下的作业范围受到很大的限制，因此增加了AUV的使用成本［2］。AUV的布放和回收需要母船的支持，同时需要花费大量的人力和物力，而且还有一定的风险。为了提高AUV的工作效率和作业范围，满足海洋信息搜集和传输、海洋勘探和特种作战等需求，需要研究AUV的水下对接技术。AUV的水下对接是一种可以为AUV进行能源补充以及水下数据上传和任务下载的关键技术，对于建立三维海洋观测系统至关重要［3］。目前，世界上许多国家都在积极研究AUV的水下对接技术，由于AUV的外形和尺寸不一，所以其对接形式也各不相同。

1 国内外AUV水下对接技术

近30年来，国内外研究者根据不同的对接主体和对接环境，设计研发了多种AUV水下对接系统，这些对接系统各具特点。目前，国外研究水下对接的国家主要有美国、日本、挪威、瑞典、英国和意大利等，国内对水下对接技术研究的具有代表性的研究机构主要有中国科学院沈阳自动化研究所、浙江大学、哈尔滨工程大学以及中国船舶科学研究中心等。总结国内外已有的水下对接系统，主要有5种形式：水下箱（笼）式对接、机械手或载体辅助式对接、杆类引导对接、平台阻拦索式对接和喇叭口式引导对接［4］。本文将对不同的水下对接系统进行介绍。

1.1 水下箱（笼）式对接

水下箱（笼）式对接属早期AUV对接回收方式，这种回收方式不仅需要母船和回收装置的支持，同时还需要大量的人员参与，受海浪影响比较严重。对于这种对接方式，最具代表性的是中国科学院沈阳自动化研究所设计的“探索者”号水下对接回收系统。

1994年，中国科学院沈阳自动化研究所针对“探索者”号研制了一套箱（笼）式水下对接回收系统［5］，如图1所示。该系统由水上和水下2部分组成，水上部分为控制平台和起吊设备，水下部分为中继器和一台大型水下回收本体［6-7］。回收本体用于完成与自主式水下机器人的对接和释放，主要由框架、U型架、浮力收放臂、驱动收放臂、液压系统、推进器、传感器和水下摄像机等组成。AUV与回收器的相对位置依靠水下摄像机观察，当AUV运动到回收器本体上的适当位置后，即下落到回收器中，然后液压系统驱动浮力臂锁紧AUV，最后U形架收起，完成AUV与回收器的对接［8-9］。这种方法在回收的过程中要求AUV能够准确定位回收对接装置，并不断调整自身的运动姿态。由于是操作人员通过摄像机的画面观察AUV的位置来决定何时锁紧AUV，所以该方式的定位精度不高。

1.2 机械手或载体辅助式对接

机械手或载体辅助式对接是应用于军用潜艇上的一种自主对接回收方式，主要有机械手式对接回收和潜器辅助对接回收等。机械手式对接回收由机械手辅助实现对接，潜器辅助对接回收是借助摇控水下机器人（ROV）等载体辅助回收AUV，具有代表性的分别是LMRS AUV水下对接回收系统［10］和瑞典的“海鹰”号ROV辅助对接回收系统。

由美海军远期反水雷计划（LMRS）研究的LMRS AUV水下回收系统是利用潜艇的533 mm鱼雷管来发射并回收AUV，如图2所示，其已于2007年在“哈特福德”号核潜艇上得到验证。这套回收系统是应用于军事领域的回收技术。潜艇鱼雷管发射的LMRS AUV（长5.88 m，直径510 mm）在接收到潜艇发出的回收指令后，会调整自身的速度和姿态，然后自主运行到潜艇的鱼雷发射管。潜艇装有上部和下部鱼雷发射管，机械手安装在上部鱼雷发射管内，其可向外伸展并捕获AUV，将由机械手来实现对接过程中对AUV的捕捉、夹紧和定位［11］。捕获过程大致为：机械手伸出全部长度后，机械手的前部关节由液压驱动向下弯过一定角度；AUV由潜艇的艉部向艏部靠近，同时伸出其自带的系留杆，通过AUV的运动配合，将系留杆插入机械手的系留锥孔中并固定；最后，AUV在机械手的引导下进入到鱼雷发射管内［12］。该种对接方式的回收过程非完全自主，回收过程比较复杂，对控制的精确程度要求很高，在海流影响较大时不易捕获。

图3所示为“海鹰”号ROV辅助回收系统。该系统的回收过程大致为：对接时，首先释放潜艇鱼雷管中的“海鹰”号ROV，操作人员通过ROV拍摄的视频和传回的声呐图像控制ROV不断接近AUV62F，当ROV运动到足够靠近AUV62F时，用携带的绳圈捕获AUV62F，并在预定位置收紧固定绳圈（因“海鹰”号ROV底部有吸盘，绳圈固定时，吸盘会吸住AUV62F），然后操作人员控制“海鹰”号ROV将AUV62F拖入鱼雷管中完成回收［12］。

1.3 杆类引导对接

这种对接方式是通过AUV上的捕捉机构与对接机构上的捕捉杆的相互配合来实现的。对于这类对接方式，具有代表性的是美国的Odyssey IIB AUV水下对接系统。这套系统由MIT和Woods Hole海洋研究所于2001年联合研制，主要由V型剪、定位杆、锁紧机构和基座组成［13］，如图4所示。

Odyssey IIB水下对接系统属于杆类引导对接，具有对AUV进行能源补充、数据交换和故障检测的功能。该系统是通过AUV上的V型剪结构和对接基座上的定位杆，以及杆上端的滑盖来实现对接。当AUV靠近对接机构时，AUV上的V型剪触发弹簧，捕捉杆会被定位杆顶到一侧，定位杆进入“V形剪”的槽中被捕捉杆锁住，同时上端滑盖落下并锁紧AUV，需要打开时，驱动装置拉动捕捉杆将定位杆放出［14］。该对接方式具有全方位对接的优点，对AUV的定位精度要求不是很高，受海洋环境的干扰相对较小，对接的可靠性高，在很大程度上保证了对接的成功率。但是，该对接方式需要在AUV前端增加V形导向机构，该机构会影响AUV的运动性能并增加AUV的能量消耗，且对接装置的定位和锁紧装置也比较复杂［15］。

1.4 平台阻拦索式对接

平台阻拦索式对接的原理类似于战机在航空母舰上着陆，当需要对接时，AUV对准水下平台缓慢降落，最后通过平台与AUV上的锁定机构实现锁定对接。对于该种对接方式，具有代表性的是Marine-bird水下对接系统［16］，如图5所示。

Marine-bird水下对接系统属平台阻拦索式对接。2003年，日本川崎重工通过试验完成了AUV与平台的对接。该对接系统依靠短基线引导AUV归位，当AUV靠近平台一定距离时，平台发出信号引导AUV缓慢下降，然后通过平台上的V型捕捉装置勾住AUV腹下的捕捉臂实现定位，由平台上的锁紧机构实现锁紧。AUV捕捉臂与水下平台上的捕捉机构均采用V形布置形式，两者在空间上相互交错，在捕捉臂与捕捉机构接触后，AUV的运动空间越来越小，最后AUV被完全定位［17］。对接后，AUV与平台之间依靠感应线圈进行充电。该对接方式适用于海底平台对接，对接成功率和定位精度相对较低，对AUV的自导和动力系统要求较高。

1.5 喇叭口式引导对接

喇叭口式引导对接在结构上相对简单，对接装置采用的是导向罩或笼箱结构形式，无需对AUV进行很大的改动，且对接后对AUV有一定的保护作用，但是需要AUV有很好的运动控制能力和操纵性。这种对接系统对对接机构与洋流之间的水动力相互作用更为敏感［18］。由于对接入口处为一敞口结构，可以引导AUV以正确的姿态进入对接装置，所以允许AUV在靠近对接结构时有一定的偏差，这在很大程度上保证了对接的成功率。对于喇叭口式引导对接，目前具有代表性的有：Remus水下对接系统、Bluefin水下对接系统、哈尔滨工程大学和中国船舶科学研究中心研制的AUV水下对接系统，以及浙江大学的“海豚二号”AUV水下对接系统等。

Remus水下对接系统（图6）由Woods Hole海洋研究所研制，具有对AUV的能源补充和数据交换功能。该对接系统很简单，可以停泊在海床上，由中继通信浮标牵引沉在水中，或是由母船拖曳［18］。其结构采用的是锥形导向罩与圆柱形坞站相结合的形式，通过圆锥导向罩和圆柱形坞站来实现AUV的导向与定位［19］。在锥形导向罩上方布置了超短基线（USBL），用于在对接过程中对AUV进行定位导航，USBL模块分布在AUV的艏部，对接引导距离达3 000 m，分辨力小于0.5°［20-21］。该系统使用线性执行器引导水密电连接器进行插拔来实现充电和数据传输，充电机构由一对导向针和充电接头组成，由直线驱动结构驱动导向针插入AUV上的导向孔实现连接，导向针限制了AUV与对接装置的相对运动。美军的多次海试表明，Remus AUV在超短基线的引导下能从几海里外准确进入直径仅为80 cm的锥形导向罩，单次对接成功率达60%［22-23］。这种对接方式不需要对AUV做大的改动，但对其定位精度和运动的控制能力要求较高。图7所示为Remus水下对接过程。

Bluefin水下对接系统采用喇叭口式引导对接，整体结构与Remus对接装置相似，对接系统和对接结构分别如图8和图9所示。

哈尔滨工程大学和中国船舶科学研究中心共同研制的AUV水下对接系统采用的是喇叭口式引导对接，对接系统和对接所用载体分别如图10和图11所示。这套对接系统已于2015年10月试验成功。由于对接机构的入口尺寸相对较小，所以需要借助高精度的位姿测量技术、导航技术、自主规划与运动控制技术来实现对接。为了获得AUV对于对接机构入口的精确位置，哈尔滨工程大学团队研制了超短基线导航定位技术系统，通过安装在对接机构入口的应答器与AUV上的超短基线阵实现精准测距与定位。借助AUV搭载的水声引导定位系统和惯性导航系统，通过完全自主规划与决策以及智能运动控制，不断调整自身姿态，以便在进入对接机构之前将自身调整至正对平台入口，从而顺利进入喇叭状的对接机构，进行无线信息传输和水下无线充电。进入对接机构以后，该机构利用AUV上的吊耳进入对接机构上的导向板来限制横滚并进行定位。通过在AUV正下方设置2个V形块，驱动V形块将AUV夹紧在对接框架和V形块之间来完成AUV锁紧。

浙江大学在中国科学院沈阳自动化研究所的“探索100”号AUV的基础上研制了“海豚二号”，该AUV已于2017年5月在南海完成自主对接试验。在50 m深的海域，AUV与海底观测网非接触式海底对接系统共进行了11次自主对接操作，成功对接10次。其水下对接机构采用的是喇叭口式引导对接，如图12所示。喇叭口结构的入口直径为1.1 m，呈60°锥角［24］。该对接系统采用电磁锁紧技术实现AUV的固定，同时采用了无线充电和非接触式数据传输［25］。

上述几种典型AUV水下对接形式的结构各不相同，各具特点：

1）早期水下箱（笼）对接方式的定位精度和对接精度较低，技术难度低，效率高，方式灵活多样，可靠性和安全性高，但对接回收系统复杂，且受海况及天气等因素的制约，不利于隐蔽部署。

2）机械手或载体辅助式对接适用于潜艇上AUV的对接，对接方式比较复杂，专用性强，对AUV的运动控制能力要求很高，且其回收过程并非完全自主，对控制的精确程度要求很高。

3）杆类引导对接虽然对AUV的运动精度要求低，能够实现360°的对接，但是需要对AUV增加类似于V形剪的结构，这对AUV的运动性能有所影响，而且对接系统结构复杂。

4）平台阻拦索式对接的定位精度较高，对AUV的自导和动力系统要求较高，其对接成功率和定位精度不及杆类引导对接和喇叭口式引导对接。

5）对于喇叭口式引导对接，首先，无需对AUV进行改动或是改动较小，对AUV的运动性能影响不大；其次，由于喇叭口式引导对接采用的是敞口结构，即使AUV与对接机构的轴线不重合（偏差在一定范围内），AUV也能在敞口结构的引导下完成对接。这种类型的对接系统不仅能降低末端引导要求，还能提供更可靠的锁定装置和保护外壳，以及更便利、可靠的充电与传输数据［26］。喇叭口式引导对接与其他类型相比具有更高的实用性和可靠性，是当今应用较为广泛的AUV水下对接系统。

2 重型AUV水下对接系统研究

针对以上各种对接方式的优点及不足，中国科学院沈阳自动化研究所研究设计了一种针对重型AUV的喇叭口引导式水下对接系统，如图13所示。

2017年12月，中国科学院沈阳自动化研究所在千岛湖试验场针对AUV水下对接关键技术进行了试验验证，试验共进行10个条次，每个条次有3次对接机会，成功完成了全部10次对接。

对接过程中，AUV依靠搭载的惯性导航系统和USBL水声导引定位系统提供的导航定位信息，航行到设定的悬停位置目标点，然后解算对接装置的位置并调整自身运动姿态。完成目标位置的解算后，AUV定深航行，其横截面中心深度需与对接装置的中心深度一致，从而顺利进入对接装置内部，进行水下有线大功率充电。

AUV的水下对接过程是一个自主引导的过程，如图14所示，其采用USBL水声定位的方法来实现AUV与对接装置的定位。由于水中存在水流和噪声，会对水下对接精度产生很大的影响，所以该装置采用了喇叭口式导向罩来引导AUV进入对接装置，该导向罩在很大程度上保证了对接的成功率。同时，在导向罩上还均匀布置了应答器，用于接收AUV的声呐信号，进而解算出AUV的位置和姿态，实现AUV与对接装置之间的定位。AUV依靠惯性导航系统和水声引导定位系统，通过自主决策和规划的智能运动控制，不断搜索跟踪定位对接机构并调整自身的运动姿态，在对接前调整到正对入口的位置，从而保证AUV顺利进入对接机构。

在AUV缓慢进入对接装置的过程中，为了保护AUV艏部的声呐设备，在对接装置内壁安装了保护板，以起到缓冲的作用。AUV经导向罩进入对接机构，在AUV主推进器停止动作后，依靠对接机构上的推进机构将AUV回推到指定位置。由于水下充电和数据传输拔插机构的移动范围有限，故需对AUV进行轴向定位，即在喇叭口之后设计对接导向机构，导向机构采用整体筒状结构，在AUV接触到艏顶罩后，AUV主推进器关闭，然后再利用最大行程为200 mm的液压缸推满行程，回推AUV至指定位置，用以进行轴向定位。

AUV进入机构之后，为了对AUV进行定位校正，水平方向用推进机构定位，竖直方向用抱紧机构定位，并通过定位销和AUV侧面的三角槽实现矫正。为了减小对接后水流对AUV稳定性的影响，在对接机构上设计了一个对称的限位夹紧机构，限位夹紧机构主要依靠液压缸驱动连杆机构来完成。

AUV稳定对接之后，拔插机构即开始工作，对AUV进行充电和数据传输。考虑到对接存在误差，在拔插机构上安装了万向节，以使拔插插头能够有一定幅度的摆动，从而实现柔性对接。液压缸驱动接插件插头与AUV载体上的接插件插座相连，进而完成连接，对AUV进行能源补充和信息传输。

3 结 语

AUV水下对接技术对搭建海底空间站和组建海底观测网具有重要作用，是AUV在水下长时间作业的重要保证。随着研究的不断深入，对接技术会更加多元化，如实现AUV与USV的动态对接、AUV与对接机构的动态对接等，这对构成水下物联网（UIoT）有着很大的帮助。水下对接技术将帮助人类更好地认识海洋，对民用和军事领域均具有较大的应用价值。