经过几十年的发展，自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle，AUV)的技术已经十分成熟了^[1]，无人水面艇(unmanned surface vehicle，USV)技术也在近几年得到了长足的发展^[2]。目前AUV的布放和回收基本都需要有人船和人力支持，为降低有人平台布放AUV的难度，特别是为减小在高海况下人员操作安全隐患和设备损毁的风险，人们对少人和无人化的自动布放技术提出了迫切的需求^[3-4]；同时，随着海洋无人平台和无人系统的迅速发展，USV与AUV协同工作的需求越来越多，用USV来管理AUV成为一个很有价值的研究方向。利用USV来布放和回收AUV，一方面可以降低安全风险，另一方面可以实现AUV布放和回收的自动化和无人化，为未来海洋无人系统的发展扫清技术障碍。

美国佛罗里达大西洋大学、麻省理工学院以及康斯博格公司都对USV回收AUV作了一系列的研究^[5-7]。这些工作对USV回收AUV的策略和方案进行了讨论与分析，但是缺少AUV与回收装置水下对接过程中的水动力分析。通过水动力计算分析能够得到影响回收成功率的主要力学因素，对USV自主回收AUV的方案设计和结构设计具有指导意义。

1 水下动基座回收AUV的研究

水下动基座回收AUV是指在水面平台上悬挂一回收装置，水面平台以航行状态拖曳该装置，在水面以下完成对AUV的捕获与回收，回收装置可随水面平台移动。水下回收AUV相比于水面回收，不仅可避免水面波浪对回收装置的不利载荷冲击，而且降低了水面平台产生的水流对AUV操纵性的影响。目前国外对USV动态回收AUV仅作了一些新概念设计和探索性试验研究。

1.1 漏斗类回收方案

此类回收装置的外形为漏斗状^[8]。Hydroid公司设计了一种水下回收REMUS 100 AUV的装置^[8]，如图 1所示。该装置由漏斗形引导罩和V形翼等结构组成，使用数字超短基线(digital ultra short base line，DUSBL)和长基线(long base line，LBL)引导AUV和回收装置进行交会对接。在成功对接的11次试验样本中，尝试次数小于2次的占77%，同时就深度对成功率的影响进行了分析。该研究表明利用水面平台拖曳一个回收装置，在水面以下回收AUV是可行的，但是该回收实验是在有人船上进行的，尚未在USV等水面无人平台上进行测试。漏斗类的回收方案对回收装置的尺寸有一定限制，同时对近端引导具有较高的精度要求^[9]。

1.2 “剪刀”与绳捕获回收方案

该方案利用USV悬挂单根绳索回收AUV。在USV下悬挂一根柔性绳，绳末端铰接一个V形稳定翼^[10]。同时将AUV的艏部段进行改装，使用“剪刀”与USV下的绳进行对接捕获，即“剪刀”夹住绳后完成捕获。如图 2所示为佛罗里达大西洋大学设计的回收方案，采用了WAM-V双体USV和REMUS 100 AUV作为载体。该方案的优势是AUV可以从任意方向靠近绳索，也可以在稳定翼与USV拖点之间的缆索范围之间实现夹紧捕获，存在的缺点是需要在AUV艏部段设计一套夹紧机构，增大了系统的复杂度。

1.3 “翅膀”与绳捕获回收方案

该方案利用卡箍在AUV外安装了“翅膀”形的夹子，通过两侧的夹子实现对绳索的捕获^[11]。图 3为佛罗里达州大西洋大学设计的水下动基座回收方案，利用WAM-V悬挂双绳，REMUS 100 AUV上的“翅膀”勾住绳后完成回收。该方案可以使AUV在较大范围内进行对接，但是对接角度受到限制，同时增加了AUV的航行阻力。

2 AUV回收装置的设计

为了实现利用USV回收AUV，作者设计了一种可行性较好的回收方案。

2.1 设计背景

本文的回收对象为便携式AUV，如图 4所示, 其主要参数见表 1。AUV在水下使用多普勒测速仪和电子罗盘组合，自主推算导航，USV使用GPS和电子罗盘组合导航。AUV具有较高精度的定点、定向、定深航行能力，USV具有稳定的定点、定速、定向航行能力。USV和AUV之间通过水声通信机实时互传自身位置、航向和航速信息，可以随时获知对方的位置、运动信息，并计算交会地点，从而引导AUV向捕获装置航行。AUV的艏部段装有双目视觉传感器，采用基于光学阵列的近端引导算法，可在近距离为回收装置提供引导。

USV动态回收AUV的流程可以分为3个部分：远距离、中距离和近距离对接。其回收流程如图 5所示。

2.2 结构设计

USV上装有一个小型自动绞车，绞车放下2根缆索，限制回收装置在水平面的旋转运动，缆索挂住转接板上部，转接板下部分出3根缆索，分别系住回收装置的首部和尾部，回收装置下端用绳铰接一个V形翼，其结构如图 6所示。回收装置回收AUV的场景图如图 7所示。

回收装置总质量约为30 kg，最大长度为1 410 mm，喇叭口外直径为740 mm，笼外直径为340 mm。

回收装置艏部使用电磁铁，在对接完成后能够锁紧便携式AUV。回收装置艏部同时装有行程开关，用于确认对接是否成功。利用电磁铁做锁紧装置，简化了整体结构。与常用的液压锁紧装置相比，电磁铁操控便捷，结构简单。

喇叭口外端装有7个LED灯，为AUV提供近距离光学视觉导引。回收装置上装有深度计，可提供回收装置的深度信息。

本回收装置中使用的V形翼为劳斯莱斯公司的Rolls Royce V-WING 460。V形翼最大长度为460 mm，最大宽度为510 mm，最大高度为185 mm，重为8 kg。根据其说明书中的标称，V形翼在水中运动时受到的阻力R和下压力L如表 2所示。

在V形翼后方设计了一个垂直翼，能够保证其在不同航速下运动时不发生左右偏转。水中拖曳实验表明：在一定的拖曳速度范围内，V形翼能够保持高度稳定；调整V形翼的拖挂点，能够让V形翼保持姿态稳定。V形翼会为回收装置提供一个稳定的下压力，能够克服回收装置受到的各种扰动。

回收装置随USV运动时需要保持匀速稳定，以提高捕获AUV的成功率，因此需要满足空间力系平衡。回收装置为对称结构，它以稳定状态运动时，绳的拖曳力、流体阻力、重力、浮力、V形翼的拉力都可以等效到回收装置重心上，它们对重心的力矩可以相互平衡，故其受力可以简化到一个平面，在回收装置稳定运动状态下其受力如图 8所示。

其中，O为回收装置重心和浮心的重合点，以O为坐标原点建立如图 8所示的直角坐标系，T₁为拖曳绳对回收装置的等效作用力，T₂为V形翼对回收装置的等效作用力，F_fluid为回收装置水平方向流体阻力，G为回收装置受到的重力，B为回收装置受到的浮力，θ为T₁和垂直方向的夹角，φ为T₂和垂直方向的夹角。可表示为：

$ \left\{ \begin{array}{l} {F_{{\rm{fluid}}}} + {T_2}{\rm{cos}}\varphi = {T_1}{\rm{cos}}\theta \\ G + {T_2}{\rm{sin}}\varphi = {T_1}{\rm{sin}}\theta \end{array} \right. $

(1)

式中θ和φ可表示为:

$ \left\{ \begin{array}{l} \theta = {\rm{arctan}}\frac{{{F_{{\rm{fluid}}}} + R}}{{G + L - B}}\\ \varphi = {\rm{arctan}}\frac{R}{L} \end{array} \right. $

2.3 稳定性分析

在回收装置的设计过程中，需要分析其在水流中拖曳时的动态稳定性，确保回收装置在对接回收过程中不发生较大的晃动，提高对接捕获的成功率。为此在设计上采取了以下具体措施：

1) 使用双索缆悬挂回收装置，限制回收装置在水中的运动，通过转接板将双索缆转为三索缆，防止回收装置在水平面内旋转。该设计在一定程度上保障了回收装置在对接时的稳定性。

2) 回收装置为镂空结构，减小了流体阻力，使回收装置受水流影响小，增强稳定性。使用比较简化的结构，增强方案的可行性和可靠性。

3) 回收AUV时，USV需在水面保持稳定或者匀速直行，以保证回收装置在水下能够有相对稳定的状态。

4) V形翼按流体动力学设计，USV拖动回收装置运动时，V形翼能够为回收装置提供一个稳定、持续的下压力，增强回收装置的定深稳定性，确保其不因水流产生大的扰动。

3 回收装置水动力仿真分析

本文选用成熟的CFD软件CFX进行回收装置阻力计算。

3.1 回收装置阻力计算

1) 网格划分。

网格划分一般采用专业的网格生成工具，本文选用Pointwise对回收装置进行网格划分。本文在计算域内设置一个加密区，以提高计算精度。加密区网格尺寸为3 850 mm×1 150 mm×1 150 mm，计算域尺寸为18 800 mm×7 000 mm×7 000 mm，边界层成数为10^[12]。Pointwise中网格参数设置如表 3所示，网格尺寸表示网格中四面体边长的平均值，其值大小与回收装置尺寸及其在流场中的运动速度等参数相关。回收装置水动力分析时的网格划分如图 9所示。

2) 计算求解。

利用CFX计算回收装置在水中受到的阻力。计算了0.25, 0.50, 0.75, 1.0, 1.5和2.0 m/s六种工况下的阻力。

k—ω模型是工程中常用的湍流模型，适用于大多数场合，该模型能满足本文的工况分析要求。采用k—ω模型计算，计算结果的稳态误差收敛到2%以内。

水动力分析时，回收装置在水中运动时的速度流线图如图 10所示，其周围和身后会有一段湍流，可能会影响到与AUV的近距离对接。回收装置在水中运动时受到的阻力随速度的增加呈近似二次曲线增长，如图 11所示。将部分仿真数据代入式(1)可求得θ的值，如表 4所示。

θ代表回收装置在被USV拖曳时，回收装置与绳之间的夹角，θ的变化会影响回收装置的深度变化和定深稳定性，将直接影响到交会捕获的位置及其成功率。设计回收装置时，θ值应该尽量小，保证回收装置的深度变化不超过20%，因此θ值不超过37°。本文中，回收装置以2.0 m/s运动时θ=27.7°，深度变化率为11.5%，其变化在可控范围内。

3.2 对接过程的阻力计算

1) 网格划分。

在AUV和回收装置对接时，加密区的尺寸为7 600 mm×1 150 mm×1 150 mm，计算域的尺寸为21 200 mm×7 000 mm×7 000 mm，边界层层数为10。对接过程中，对接场景网格划分如图 12所示, Pointwise中网格参数设置如表 5所示。

2) 计算求解。

AUV和回收装置的对接捕获属于动态交会过程，本文利用CFX仿真计算该过程的流场情况和阻力特性。AUV与回收装置交会对接过程中，在不同的位置，以不同的速度、攻角与回收装置进行对接，选用k—ω模型进行计算，得到AUV受到的阻力如图 13所示。

根据图 13可知，AUV在接近回收装置的过程中，受到的阻力先增大后减小。AUV受到的阻力可分为摩擦阻力和压差阻力，如图 14、图 15所示。

图 13至图 15中：A表示攻角为0°，速度为0.50 m/s；B表示攻角为5°，速度为0.50 m/s；C表示攻角为10°，速度为0.50 m/s；D表示攻角为0°，速度为1.0 m/s；E表示攻角为5°，速度为1.0 m/s；F表示攻角为10°，速度为1.0 m/s；G表示攻角为0°，速度为1.5 m/s；H表示攻角为5°，速度为1.5 m/s；I表示攻角为10°，速度为1.5 m/s。

图 16为AUV接近回收装置时的速度流线图和压力分布图。

AUV由远距离靠近回收装置时，受到的摩擦阻力增大。水流经过回收装置后会在其后侧形成一块紊流区域，将导致该区域内流体相对速度增大，因此雷诺数Re随之增大。

$ Re = \frac{{\rho vl}}{\mu } $

(2)

式中:ρ, v和l分别为流体的密度、相对流速和一特征长度。

根据普朗特-史里希廷公式：

$ {C_{{\rm{Df}}}} = \frac{{0.445}}{{{{({\rm{lg}}\;Re)}^{2.58}}}} $

(3)

根据式(3)可知, Re增大时摩擦阻力因素C_Df将会减小。

$ {F_{\rm{D}}} = {C_{{\rm{Df}}}}\rho {v^2}A $

(4)

式中F_D, A分别为AUV受到的摩擦阻力和AUV的湿表面积。由式(2)至式(4)可知，当AUV接近这块区域时，其受到的摩擦阻力会逐渐增加。

AUV到达回收装置附近时，受到的压差阻力迅速减小。受回收装置影响，在其后形成一个低压流动区域，AUV到达这一区域时受到的压差阻力迅速变小。

对于漏斗类回收装置，AUV在接近回收装置时，受到的阻力将迅速减小，AUV一旦到达该区域，将有助于提高捕获对接的成功率。

4 结论

本文提出了一种可用于USV动态回收AUV的回收方法及其装置的设计方案，对该装置的设计思路和机械结构作了介绍，并对动态交会过程中的流场变化及装置的姿态稳定性进行了深入分析，获取了有效数据。

针对回收装置进行了水动力计算和受力分析，得到了其航行阻力变化曲线和姿态变化趋势。对AUV与回收装置对接过程进行了分析，得到不同位置、速度和攻角下AUV对接时的航行阻力变化，得到以下结论：

1) 本回收装置采用双缆转三缆悬挂拖曳、镂空结构、稳定拖行、铰接稳定翼等设计，具有足够的动稳定性，能够满足对接时的稳定性要求。

2) USV匀速稳定拖曳回收装置时，拖曳绳与大地坐标系垂直方向的夹角在0~37°以内，确保了回收装置在拖曳过程中深度变化在可控的范围内。

3) AUV接近回收装置时，在回收装置后侧会形成一段紊流区，使AUV受到的摩擦阻力逐渐增大。在即将接触回收装置时，回收装置后侧产生低压区，压差阻力会迅速减小。AUV靠近回收装置的过程中，受到的总阻力是先增大后减小。

当前，国内外在USV动态回收AUV方面的技术成熟度还较低，具有较大的发展空间。针对所提出的方案，作者前期重点开展理论分析和仿真研究，目前正在逐步组织开展试验验证方法研究，计划在后续的试验验证工作中，在回收装置上增设姿态传感器以监测回收装置的姿态，进一步验证或修正理论研究结果。