基于浮力调节系统的AUV水底着陆策略研究

孙庆刚，郑荣，杨斌，李默竹

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 中国科学院大学，北京 100049

0 引 言

随着海洋资源的不断开发，应用日益频繁的自主式水下机器人（AUV）已成为当前的研究热点［1］。

海洋资源的开发和利用离不开海洋监测技术，一般海洋监测需要较长的时间，但动力受限的AUV无法满足长时间定点观测的要求。为解决这一问题，研究者提出让AUV水下着陆并关闭除测量设备以外的耗能设备从而节省AUV能源，以实现对某一水域的长期定点观测。此外，水下着陆还可以提高AUV的隐身性能。1992年，美国海军研究生院的Healey等［2］首次提出了AUV水下着陆的概念；1998年，美国亚特兰大大学的Stewart等［3］开发了Ocean Explorer II AUV，并成功进行了海底着陆—测量—返航试验；天津大学的王晓鸣等［4］、张宏伟［5］和杜兵［6］实现了基于压载水舱的AUV水底着陆；宋保维等［7］针对AUV提出了液压支撑式和锚链式这2种水下着陆方式。目前，有关作业型AUV依靠浮力调节系统进行水下着陆方面的研究在国内尚属空白。

因此，本文拟提出2种基于油囊式浮力调节系统的作业型AUV水下着陆方法：一种是控制浮力垂直下潜着陆；另一种是航行下潜控制浮力垂直着陆，并针对这2种着陆方式开展湖上试验验证工作。

1 AUV系统介绍

1.1 油囊式浮力调节系统

油囊式浮力调节系统是一种可重复使用的双向浮力调节系统，其使用寿命长且可靠性高。该系统的工作原理是通过液压系统实现内、外油囊之间的油量传输，以此来改变AUV的排水体积，从而调节浮力大小［8-9］。

油囊式浮力调节系统主要由油囊、电磁换向阀、锥阀、节流阀、溢流阀、阀组、流量计、压力传感器、齿轮泵、电机和减速器等组成，如图1所示。该系统的最大工作压力为2 MPa，在AUV艏、艉各配置一套。根据图2所示的外油囊轮廓图可知，其体积为7.4 L，可为AUV提供总计14 kg左右的正浮力。AUV可以依靠艏、艉2个浮力调节单元来控制姿态，其最大着陆深度可达200 m。

1.2 AUV基本结构

为满足减小航行阻力的设计原则，AUV一般设计为流线型。采用模块化设计的AUV由7个舱段组成，其基本组成结构如图3所示。

AUV基本结构的主要功能如下：

1）艏部段。主要由电磁铁、无线电、摄像头和频闪灯组成。电磁铁的作用是吸附17.5 kg的压铁，以保证AUV在紧急工况下实现抛载上浮；无线电主要用于水面校准，便于定位和回收AUV；频闪灯可用于AUV的任务提示和回收识别。

2）自动驾驶段。主要由仿真平台、超短基线和多普勒计程仪组成。仿真平台是AUV水下航行作业的控制中枢，用于下达一切作业指令；超短基线主要用于水下通信、定位和导航；多普勒计程仪的功能是实时测量AUV距地高度，其中惯组单元可以实时记录纵倾角、航行速度等运动参数。

3）电池舱段。主要由电池和侧扫声呐组成。电池可为AUV的传感器、电机等提供动力能源；侧扫声呐可用于探测水下地形。

4）校准源段。主要安装GPS/北斗导航仪，用于保障AUV浮出水面时与母船进行通信。

5）艉部段。主要由电机、舵机、水平舵、垂直舵及螺旋桨组成。电机和舵机主要用于驱动舵和螺旋桨，从而实现AUV的水下航行和姿态调整。

2 水下着陆控制策略

AUV水下着陆的目的是实现固定水域的长时间静默潜伏和观测。AUV到达目标点后，在不需要进行主动探测的情况下，可以关闭除观测设备之外的一切能耗设备以节约能源［10］。

AUV水下着陆面临的主要问题是着陆时间和速度控制、目标点与实际着陆点的偏移、着陆完成后的离底等。针对上述问题，本文提出了控制浮力垂直下潜着陆和航行下潜控制浮力垂直着陆这2种控制策略。

2.1 控制浮力垂直下潜着陆策略

母船吊放AUV后，AUV将继续在水面航行并抵达目标点。通过调整艏、艉浮力调节单元的外油囊排油量，AUV将以一定的负浮力下潜，并在某一高度悬浮以调整AUV姿态。由于AUV近底时的安全高度为1倍载体长度，因此选择定高8 m悬浮并最终实现水下着陆，如图4所示。

2.1.1 AUV下潜着陆速度分析

为保证AUV及相关观测设备的安全，应控制AUV的水下着陆速度，以避免较大的速度冲击使AUV陷入泥沙中并对设备造成损坏。

在垂直下潜过程中，AUV所受的水下阻力为

式中：Ζ为阻力；CD为阻力系数；ρ为水的密度；S为AUV的表面积；V为AUV的下潜速度。

随着AUV下潜速度的增加，其所受的阻力也将不断增加以平衡AUV的重力，并最终逐渐达到平衡状态。平衡方程为

式中：B为AUV的浮力；G为AUV的重力。

根据式（1）和式（2），可得AUV的下潜速度（单位：m/s）为

若AUV以此速度着陆，可能会对AUV或设备造成危害，故应采用着陆控制策略减小AUV的下潜负浮力，从而减小下潜速度。同时，这样也便于有效控制AUV，以避免水下地形突变带来的潜在危险。

2.1.2 AUV目标点偏离情况分析

采用该控制策略着陆时，AUV仅依靠有限负浮力进行下潜，所以着陆时间较长。同时，AUV也无法灵活调整姿态以应对水流变化，最终导致实际着陆点与目标点发生较大的偏差。

图5所示为AUV在下潜过程中的受力情况，图中：B1为艏浮力单元浮力；B2为艉浮力单元浮力；X为水流作用力。可能有2个原因导致实际着陆点与目标点出现偏移：一是在浮力调节系统作用下，AUV垂直方向的受力近似达到平衡，即B+B1+B2=G，则在水平方向水动力作用下AUV将以较小的纵倾角下潜，故此时偏移距离主要由水流导致；二是当AUV跨越密度变化较大的水域时，其垂直方向的受力没有达到平衡，即B+B1+B2≠G，则在重力、浮力和水动力的共同作用下AUV将以较大的纵倾角下潜，故此时偏移距离由AUV的滑翔距离和水流导致。

2.1.3 AUV离底分析

AUV的成功着陆并不意味着任务完成，其离底作业也是水下着陆的关键一环。水下着陆后，AUV会受到水底泥沙粘着力的影响，由于水下泥沙的强度未知，故AUV受到的粘着力也无法预测。AUV的离底受力分析如图6所示，其中P为土壤粘着力的均布载荷。

正常情况下，AUV依靠艏、艉浮力调节单元即可成功离底。大量着陆试验证明，浮力调节系统所提供的浮力完全能够克服土壤的粘着力。若依靠浮力调节无法离底，则可以选择2种离底方式：一种是根据纵倾角数值，AUV选择正转或反转主推进器来摆脱土壤粘着力；另一种是抛掉应急压铁，减小AUV的重力。

2.2 航行下潜控制浮力垂直着陆策略

母船吊放AUV后，AUV将以一定的航行速度和攻角下潜至一定深度，并通过阶跃式定深不断增加航行深度，最终在着陆点上方8 m处定高悬浮。随后螺旋桨关闭，同时开启浮力调节系统，令AUV以良好的姿态实现着陆，如图7所示。

本试验选用的AUV较长且质量较大，为避免AUV因惯性太大而发生触底，宜采用阶跃式定深下潜：定深30 m—定深40 m—定高8 m悬浮—着陆，该下潜方式实际上借鉴了飞机的着陆过程：下降—初步接近—最终接近—着陆。在下潜过程中，AUV的速度由推进器提供（定速航行速度可达3 kn），可在很大程度上缩短AUV的着陆时间。为避免实际着陆点与目标点发生较大偏离，可以视情对目标点进行修正。

AUV航行下潜着陆过程主要分为航行下潜阶段和定深悬浮阶段。在航行下潜阶段，AUV可以依靠艏浮力调节系统进行纵倾角调整，当到达指定深度时再依靠水平舵进行调整，由此及时修正目标点，最终在目标点上方8 m处悬浮。在定深悬浮阶段，AUV可以依靠艏、艉浮力调节系统调节自身姿态，并基于式（3）调节下潜速度，实现平稳着陆。

除导航系统的微小误差可能导致目标点偏离之外，在定深悬浮—着陆的垂直下潜阶段，受水流作用影响，AUV的实际着陆点与目标点也将发生一定偏离。

3 湖上试验验证

2017年6月，在千岛湖开展了湖上试验验证工作，AUV下潜深度的变化曲线如图8所示。由此可知，AUV基于上述2种着陆控制策略均可成功实现水下着陆。

AUV水下着陆的目的是长期潜伏和定点观测，故其着陆后的姿态对观测设备的影响较大，即AUV着陆后应保持良好的纵倾角和横倾角度。图9所示为AUV基于2种控制策略着陆后的纵倾角和横倾角变化曲线。由图9可知，AUV着陆后，其纵倾角基本保持不变，横倾角仅在小幅度范围内波动，满足使用需求。

3.1 着陆速度对比验证

对2种控制策略而言，AUV均在定高8 m后最终着陆，故最终着陆速度在理论上应完全相同。试验结果如图10所示。由图可知2种控制策略下的AUV着陆速度相差无几。实测的AUV垂向速度存在小幅波动，这是因为AUV的湿表面积较大，故垂直下降时受到的水动力也较大，易与重力、自身浮力、艏艉浮力调节单元提供的浮力达到近似平衡的状态，但艏艉浮力调节单元提供的浮力一直处于变化状态，因此AUV的垂向速度也存在一定的波动，不过其波动幅值在合理范围内，不会对AUV本身和观测设备造成损坏。

3.2 目标点偏离对比验证

在2种控制策略下，AUV的目标点与实际着陆点均会发生偏移，试验结果如图11所示。

由试验结果可知，在控制浮力垂直下潜策略下，AUV目标点与实际着陆点的偏离距离为191 m；而航行下潜控制浮力垂直着陆策略下的偏移距离为7 m，可见第2种控制策略的准确度更高，可为后期海上试验提供一定的参考。

3.3 AUV着陆后的离底验证

AUV完成水下着陆后，将依靠浮力调节系统进行离底，必须让AUV获得最大正浮力以克服土壤粘着力。试验结果表明，AUV能够成功离底上浮，AUV离底深度变化曲线如图12所示。

3.4 着陆能耗对比分析

在2种着陆方式下，着陆所需时间不同、主要工作设备不同、设备的工作电压和电流各不相同、相同设备在不同工作环境下的电流也不尽相同，综合各种影响因素，2种着陆方式下的工作能耗必然存在一定的差别。

控制浮力垂直着陆过程中，主要耗能设备为艏、艉浮力调节单元，其电流均值分别为2.23 A和4.75 A，则工作能耗为0.915 kW·h。

航行下潜着陆过程中，航行阶段主推进器和舵机的电流均值分别为7.86 A和0.08 A，定高阶段艏、艉浮力调节单元的电流均值分别为2.48 A和4.57 A，则工作能耗为0.837 kW·h。

因此，航行下潜控制浮力垂直着陆策略更节省能源，更符合未来海上实际应用需求。

4 结 语

为实现AUV长时间定点观测，本文设计了一套油囊式浮力调节系统，着重介绍了基于浮力调节系统的2种水下着陆控制策略。通过对比分析2种水下着陆控制策略的着陆速度、目标点偏离距离和能耗等可知，航行下潜控制浮力垂直着陆策略能够更快、更准确地完成水下着陆，且更节省能源，故该控制策略更符合实际应用需求。

在实际应用中，观测设备对AUV的姿态有一定的要求。鉴于未知的海底地形状况，需要研制一套调节装置，用以在AUV着陆后调整其纵倾角和横倾角，从而满足观测设备要求。同时，应针对水下土壤强度的测量方法开展研究，以便选择较好的着陆目标点。