2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
随着自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)产品化、产业化的进程加快,其在高海况下的安全回收问题日益凸显。一方面,水下机器人应用领域拓宽,越来越多的海洋研究专业人士和海上石油开采工人等非专业人士需要以水下机器人为平台进行相关作业,这对水下机器人收放和操作维护的便捷性提出了更高要求。另一方面,水下机器人逐步向长期水下作业发展,在未来大规模水下机器人应用情况下,现有的母船布放回收方式将无法满足应用需要。通常,AUV回收的目的有3个:1) 对AUV进行维护;2) 对AUV进行能源补充;3) 对AUV进行数据上传或下载。目前,AUV的可靠性、稳定性在逐步提高,通常短期内不需维修。因此回收AUV的目的主要是补充能源或上传、下载数据。当AUV在深海工作时,AUV的回收要花费很长时间,若作业区域海况较差,回收过程也具有一定的风险[1]。所以,为了解决以上问题,国内外学者相继研究出了不同结构形式的水下对接装置,使AUV能够与水下静止平台或移动平台对接,完成对AUV进行能源补充、数据上传或下载等任务。除此之外,AUV水下对接技术也可以为军事作战和无人水下作战平台提供技术基础,同时也是将来海底空间站[2]和深海长期观测系统构建的基础。
本文结合目前国内外研制的水下对接装置的特点,设计了一款水下对接装置。该装置结构简单,通用性强,适用于不同尺寸的AUV。在未来海洋观测以及海洋开发中具有广泛的应用前景,对水下对接装置的总体设计也具有一定的指导和借鉴意义。
1 AUV水下对接方式目前,国内外学者根据AUV的不同外形,分别设计了不同的水下对接方式。根据对接平台是否能够移动,对接方式可以分为水下静态对接和水下动态对接。
1.1 水下静态对接方式水下静态对接是指与AUV对接的平台是静止不动的,通常固定在海底。从20世纪90年代起,科学家就开始对该种对接方式进行了相关的研究,因此该对接方式的相关技术比较成熟。
1) 捕捉式对接方式。该对接方式要求AUV具有能够捕捉到绳索、杆类等目标的捕捉机构进而能完成对接。这种对接方式的优点是受外界环境的干扰相对较小,对接成功率较高,能够实现全方位对接;缺点是对接基站的结构比较复杂,同时需要对AUV作一些改动。该对接方式适合回转体形外壳的AUV,典型代表是美国的OdysseyⅡAUV水下对接系统[7],如图 1所示。
2) 导向式对接方式。该对接方式要求水下对接装置具有导向罩类的装置对AUV进行导向,能够使AUV进入对接管道或对接箱笼类的装置进而完成对接。这种对接方式的优点是水下对接装置相对比较简单,且在对接完成后,水下对接装置本身可以对AUV起到一定的保护作用,使之免受海洋潮流的影响。缺点是对AUV的操控性能和运动控制能力要求较高。该类对接方式适合外壳较光洁的圆柱形或鱼雷形AUV,典型代表是美国的REMUS AUV水下对接系统[8],如图 2所示。
3) 坐落式对接方式。该对接方式要求水下对接装置具有一个适于AUV坐落的平台,AUV通过捕捉臂捕捉平台的定位装置来完成对接。该对接形式类似于飞机在航空母舰上降落的形式。这种对接方式的优点是对接方式比较简单,对接成功率较高。缺点是对AUV的动力系统及自导系统要求较高。该类对接方式要求AUV具有捕捉臂,典型代表是日本的Marine-bird水下对接系统[9],对接原理示意图如图 3所示。在国内,中国科学院沈阳自动化研究所设计的“探索者”号AUV水下回收系统,也是采用坐落平台式的对接方式,先完成对接再实现回收。
1.2 水下动态对接方式水下动态对接指的是与AUV对接的平台是运动的。目前,水下动态对接平台主要有潜艇、ROV(remote operated vehicle)、USV(unmanned surface vehicle)等, 其中使用最多的是潜艇和USV。
美国提出了4种潜艇布放回收AUV方式,即潜艇鱼雷发射管方式、弹道导弹发射管方式、背驮回收方式和坞载方式。其中潜艇鱼雷发射管和弹道导弹发射管方式已经完成了测试,证实了潜艇能够在水下完成布放和回收AUV,水下对接是其回收过程的一个关键技术[10-11]。
Edoardo等[12]提出了双体USV拖曳捕捉式对接方式概念设想,即AUV与运动中的绳索完成连接,如图 4(a)所示,同时也验证了双体USV布放、回收AUV的另外一种方式。Sujit等[13]提出了一个应用自主导航和控制策略来实现潜艇与AUV的动态对接,其对接装置安装在潜艇的上部,对接原理示意图如图 4(b)所示。除了从潜艇的上表面对AUV进行对接和回收外,Currie等[14]提出了从潜艇的侧面利用对接机械结构来完成AUV的水下对接和回收工作,对接原理示意图如图 4(c)所示。美国Hydroid公司在2012年制作了一套利用水面船拖曳在水下实现REWMUS100对接和回收的装置[15],其中也用到了水下动态对接技术,这套装置如图 4(d)所示。
与水下静态对接方式相比,水下动态对接方式具有以下优势:第一,动态对接平台可以移动到AUV的作业区域,与AUV实现对接进而完成相应任务,节省了AUV本身的能源,扩大了AUV的作业区域,同时也提高了AUV的作业效率;第二,由于深海海底凹凸不平,水下静态对接平台不容易固定,而水下动态对接平台可以悬停在不同深度以适应AUV所在的深度,与AUV完成对接任务,这样就降低了对AUV操控性能的要求。但从实现对接的难易程度及成熟度来讲,AUV与静态对接平台完成对接更加容易,因为AUV与动态对接平台对接不仅仅要考虑AUV的运动状态,同时也要考虑动态对接平台的运动状况,此外动态对接平台的运动会导致其附近流体运动状态发生改变,流体运动状态的改变会对AUV的姿态以及对接装置产生影响[16-18],所以AUV水下动态对接比水下静态对接更难实现。
国内研究水下对接技术的机构并不多,主要有中国科学院沈阳自动化研究所[19-20]、哈尔滨工程大学[21-22]、浙江大学[23]等机构,并且主要是研究水下静态对接。我国的水下对接技术与国外相比有很大差距,还有很多水下对接技术方面的工作亟需研究。
2 AUV水下对接装置总体设计本文所设计的水下对接装置属于水下静态对接装置的一种,上面介绍的3种水下静态对接装置都具有不同的特点。第1种和第3种对接装置都需要对AUV作不同的改造,通用性相对较差。本文所设计的水下对接装置是在参考第2种对接装置的基础上,对其进行改进。该对接装置结构简单,适用于不同尺寸AUV的水下对接。
2.1 机械设计水下对接装置采用框架式结构设计,主要由控制舱、丝杠滑台、导向罩、罩支架、罩固定架、照明灯、加紧环、挡板、底板、支柱、移动基座以及行程开关等部件组成,如图 5所示。导向罩采用圆锥外形,为AUV准确进入加紧环提供导引;照明灯安装在导向罩上,为AUV水下近距离对接提供位置信息;导向罩和罩支架通过螺钉连接到罩固定架上面;罩固定架、丝杠滑台、控制舱和挡板固定在底板上,底板通过螺钉与3根支柱连接,加紧环固定在移动基座上,行程开关安装在挡板上。移动基座固定在丝杠滑台上,在电机带动丝杠旋转作用下,丝杠滑台带动移动基座移动,进而带动加紧环相互靠近或远离,从而实现对AUV的加紧或释放。
2.2 受力分析当水下对接时,加紧环需要对AUV进行加紧固定,而夹紧力的大小是否合适以及加紧环能否承受该压力,对于水下对接装置来说非常重要。本文对接装置的大部分材料采用铝合金(5A06),该材料具有较高的强度和腐蚀稳定性,相关参数见表 1所示。
当AUV触碰到行程开关时,对接装置会用加紧环对其进行加紧,加紧力作用在加紧环内侧上、下斜面处,如图 6所示。加紧力满足的方程关系如公式(1) 所示。
$ \left\{ \begin{align} &{{F}_{1Y}}+{{F}_{2Y}}=0 \\ &2({{F}_{1X}}+{{F}_{2X}})=T \\ &{{F}_{1X}}={{F}_{1}}\ \text{sin}\ \alpha \\ &{{F}_{1Y}}={{F}_{1}}\ \text{cos}\ \alpha \\ &{{F}_{2X}}={{F}_{2}}\ \text{sin}\ \alpha \\ &{{F}_{2Y}}={{F}_{2}}\ \text{cos}\ \alpha \\ \end{align} \right. $ | (1) |
式中:F1, F2为加紧环加紧AUV后,加紧环与AUV表面所受的压力;F1X,F2X, F1Y,F2Y分别为F1,F2在X,Y方向的分力。
通过多次试验验证,当加紧环上、下斜面对AUV施加的合压力大于100 N时,加紧环完全可以把AUV固定住。为了保证加紧环具有足够的强度,在仿真过程中,取压力安全系数为1.2,则实际加载到加紧环上的力为120 N,此时加紧环所受到的应力和合位移如图 7、图 8所示。
从图 7、图 8中可以看出,当加紧环斜面受到120 N的压力时,最大应力出现在连接加紧环与移动基座的双头螺柱上,为88.115 MPa,满足强度和稳定性的设计要求;最大合位移出现在加紧环的上部和连接加紧环的长双头螺柱上,为1.375 mm,满足设计要求。为了增大加紧环与AUV表面的接触面积以避免加紧环在夹持过程中对AUV表面造成损坏,在加紧环的内表面包裹了一层缓冲泡沫。
2.3 通用性设计为了使该对接装置能够与不同尺寸的AUV实现水下对接,加紧环截面采用梯形轮廓。同时为了保证加紧环夹持的可靠性,当加紧环对AUV进行加紧时,首先要保证加紧环的2条斜边先接触到AUV外表面,这需要对加紧环梯形轮廓两斜边夹角θ及竖直边长度L进行设计以确定能够实现水下对接AUV的最小半径R,如图 9所示,其中,R表示AUV的半径,θ为加紧环两斜边的夹角,L表示加紧环内侧竖直边的长度,a为加紧环内侧斜边的长度,X1表示AUV轴线到加紧环内侧竖直边的距离,X2表示加紧环内侧竖直边到加紧环两内侧斜边交叉点的距离。
加紧环在夹持AUV时,若要加紧环斜面先接触到AUV外表面,则加紧环的尺寸需要满足以下条件:
$ \left\{ \begin{align} &{{X}_{1}}>R \\ &0<\theta <90{}^\circ \\ \end{align} \right. $ | (2) |
在设计时就应该确定好L与θ的大小,因为它们会影响到X1与R的大小。
对图 9进行几何分析可得θ,X1,X2,R及L关系式:
$ \text{tan}\frac{\theta }{2}=\frac{L}{2{{X}_{2}}} $ | (3) |
$ \text{sin}\frac{\theta }{2}=\frac{R}{{{X}_{1}}+{{X}_{2}}} $ | (4) |
联立式(3)、(4) 可得:
$ \text{sin}\frac{\theta }{2}=\frac{R}{{{X}_{1}}+L/\text{tan}\frac{\theta }{2}} $ | (5) |
化简得:
$ {{X}_{1}}=\frac{R-L\text{cos}\frac{\theta }{2}}{\text{sin}\frac{\theta }{2}} $ | (6) |
把式(6) 代入(2),化简得:
$ R>\frac{L\text{cos}\frac{\theta }{2}}{1-\text{sin}\frac{\theta }{2}} $ | (7) |
由式(7) 可知,通过更改L与θ的大小,即可改变水下对接AUV的最小半径R。一旦确定L与θ后,水下对接AUV的最小半径R即确定。本文所设计的加紧环竖直边的长度L=146 mm,θ=25°,代入式(7) 得Rmin=227.75 mm。而本试验使用的AUV的半径为250 mm,因此满足水下对接要求。
不同外径的AUV与水下对接装置进行对接时,通过调节2个加紧环之间的相对距离以及加紧环内侧斜边的长度,即可实现加紧环对不同外径AUV的固定,从而大大提高了水下对接装置的通用性,如图 10所示。当外径尺寸分别为d1,d2,d3的AUV进入加紧环后,加紧环之间的距离分别为L1,L2,L3。从图 10中可以看出,虽然2个加紧环之间的相对距离会发生变化,但不同外径AUV的轴线都在同一高度,因此行程开关的安装高度是一个定值,当不同外径的AUV进入对接后,都能触碰到行程开关,因此该对接装置的通用性进一步得到了提高。
需完成水下对接的AUV如图 11所示,该AUV的参数见表 2。
对接过程通常可以分为远程、中程、近程三个阶段[24]。远程阶段:AUV完成任务后到与水下对接装置相互探知的过程。中程阶段:当AUV与水下对接装置相互确认位置后,AUV向对接装置所在位置航行的过程。近程阶段:水下对接装置引导和捕捉固定AUV的过程。远程阶段和中程阶段对AUV的导航定位精度要求并不是很高,近程阶段的导航定位精度才是自主对接成功的关键。因此本文介绍的是AUV与对接装置在对接近程阶段的工作原理。
对接近程阶段,即AUV与对接装置之间的距离已经很接近( < 30 m),常用的导航定位技术所用的传感器一般有声学传感器、电磁学传感器、光学传感器和视觉传感器四种。AUV要实现自主对接,至少需要知道其相对于对接装置的距离、方位及深度。
近几年,随着灯光及摄像机技术的发展,它们被广泛应用到水下对接技术中[25]。本文的对接装置采用光学传感器对AUV进行导航定位,在导向罩前端布置8盏照明灯,AUV艏部段装有摄像头,摄像头通过识别8盏照明灯即可确定AUV与水下对接装置的位置及方位等信息。图 12是在试验水池中采用蓝色照明灯对AUV进行导航测试时所拍的照片,通过图片可以清晰地发现照明灯的位置。
当AUV进入照明灯灯光可见区域时,就开始进行灯光视觉导航,通过识别8盏照明灯来获取精确的位置、角度等信息,并驶向水下对接装置。在进入导流罩区域时,AUV在螺旋桨推力作用下继续向前航行,在导向罩的引导下会依次穿过罩固定架、加紧环,最终前端面触碰到对接装置的行程开关,并且在螺旋桨推力的作用下,与行程开关保持接触。当达到夹持条件时,丝杠滑台带动加紧环对AUV进行夹持固定,完成对AUV的定位加紧,为AUV水下对接的后续任务(如能源补充、数据下载等)作好准备。
AUV完成对接的整体效果图如图 13所示。
AUV水下对接流程如图 14所示。
4 试验为了验证该水下对接装置的可靠性,对所设计的对接装置进行灯光导引测试及夹持机构测试。
4.1 灯光导引测试在水池2.5 m深的位置固定好对接装置,同时使AUV处于水下2.5 m的水平面上。让AUV在距离对接装置约10 m的位置开始航行。依次改变AUV与对接装置的夹角及横向侧移距离来检测照明灯对AUV的导引,如图 15所示。通过灯光导引测试发现,在不同条件下,AUV均能准确无误地找到对接装置所在的位置,说明灯光导引能够应用于AUV水下对接,并且可以为AUV提供精确的位置等信息。
4.2 夹持装置测试由于水池条件有限,只验证了AUV在水面钻入对接装置后夹持装置的可靠性。把水下对接装置固定在水面上,AUV在距离对接装置约10 m的位置向对接装置航行,当AUV进入对接装置并触碰到行程开关后,夹持结构开始对AUV进行夹持固定,如图 16所示。通过在水面上对夹持机构的测试表明,丝杠滑台夹持机构能够稳定可靠地实现对AUV的固定加紧,可以为水下对接的后续工作(如传输数据、补充能源等)奠定基础。
5 结论本文对目前国内外的水下对接装置进行了介绍,并对静态对接与动态对接方式分别进行了简介。
设计了一种通用性强的对接装置,该对接装置适用于不同尺寸的AUV的对接,并且对该装置进行了机械设计、强度分析及通用性分析。
对对接装置的工作原理进行了分析,并且为了验证该对接装置的可靠性,对灯光导引及夹持机构进行了水池测试验证,测试结果显示:对接进程阶段采用灯光导引技术是稳定、安全和可靠的,同时丝杠滑台机构也能对AUV进行可靠加紧固定,能够为水下对接的后续工作奠定基础。总之,通过水池试验测试表明该对接装置结构简单、性能可靠、稳定性好。本文的研究结果对水下对接装置的设计具有一定的指导意义和参考价值。
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