0 引　言

水下探测打捞系统是一种重要的水下无人系统，在民用和军用领域应用十分广泛。在民用领域，随着频繁的海洋经济活动和科学研究，不断有潜水器、海洋探测仪器等贵重海洋工程设备丢失，需要对它们进行探测打捞、获取数据、查找丢失原因^{[1 – 2]}。同时飞机、轮船沉没事故不断发生，飞机失事后需要探测打捞黑匣子，分析出事原因；轮船沉没需要打捞出重要物品。在军用领域，海军部队在进行海上训练、执勤时，不可避免发生训练目标或测量仪器丢失事故，设备丢失后必须要进行打捞，以分析失败原因、保护国家秘密。因此，十分必要研究一种专用深海探测打捞系统，以满足日益紧张的水下打捞作业需求。

水下探测打捞系统要能适应复杂的海洋环境，须具备高效推进、灵活的空间运动能力，同时能在有限的空间配置不同的传感器和打捞工具以满足环境探测、目标识别、水下航行和水下打捞的需要^[3]。国外比较著名的CURV系列机器人是典型的打捞系统，成功完成了丢失氢弹的深海打捞，开创了无人系统水下打捞的先例。国内经过多年的研究，先后研制出自走式海缆埋设机CISTAR、“海龙”号、8A4等水下作业机器人，这些机器人以探测为主，虽然具备一定的水下打捞能力，但不能满足打捞设备多样性的需求^{[4 – 5]}。

本文设计的探测打捞系统采用4个主推进器、3个垂直推进器的组合方式实现打捞作业时灵活的运动控制，配备5功能液压机械手和专用打捞工具，可实现水下小物体、大体积物体以及重载沉物的打捞。

1 深海探测打捞系统组成 1.1 系统总体设计

深海探测打捞系统采用开放型结构，便于设备搭载、推进器布置和各设备安装调试，最优地发挥各设备功能。系统由潜航体框架、浮力组件、综合控制装置、高压直流能源装置、探测识别装置、推进器、打捞作业装置组成。系统设计150 kg剩余浮力，以满足不同情况下的设备搭载需求。系统如图1所示，设备工作深度见表1。

1.2 推进装置

深海探测打捞系统在海底打捞作业时需要良好的机动性、抗流能力和控位能力，本文采用多推进器组合推进方式来实现。推进装置布置时尽量保证水平运动与垂直运动不耦合^[6]，减少附加运动带来的控制难度；保证机器人具有良好的直线航行能力、原地旋转能力和左右平移能力，机器人同时要满足垂直运动和打捞作业时姿态平稳。因此，水平方向采用4推进器环形45°的配置方式；中心垂直面60°对称布置里2个推进器；尾部垂向布置1个垂直推进器，当机械手伸出作业时减小纵倾角，保持系统姿态平稳。推进装置布置方式如图2所示。

1.3 探测识别装置

探测识别装置实现打捞目标的搜索和二次定位，并辅助打捞作业。该装置由声呐、彩色摄像机、照明灯及可俯仰机构组成。声呐和彩色摄像机固定支架上，照明灯分布于摄像机两侧并尽量远离摄像机，构成探测装置^{[7 – 8]}。探测装置固定在机器人的前部，在目标搜索、识别、打捞过程中可随时调节俯仰机构辅助打捞作业。

1.4 打捞作业装置

打捞作业装置是深海探测打捞系统核心装置，包括大功率5功能液压机械手和专用打捞工具。通过机械手和专用工具的配合可实现小目标、轻载和重载3种沉物的打捞。水下小目标打捞时直接控制械手抓取；轻载打捞由机械手控制捕捉器捕捉目标，然后操控打捞系统返回母船，通过连接打捞目标的细钢丝绳实现打捞；重载打捞由重载打捞转接器，专用起吊竿和重载打捞绳索配合完成^{[9 – 10]}。水下打捞示意图见图4。

2 水下打捞方法及流程

探测打捞系统完成打捞作业包括目标的搜索识别、打捞工具的挂放和目标的打捞回收3个过程，同时打捞目标的不同，具体打捞方法存在差异。

2.1 小目标打捞

打捞目标为黑匣子等质量、体积较小的目标时，水下打捞主要依靠液压机械手完成，通过操控探测打捞系统和机械手配合可完成打捞工作。具体流程为：1）确定打捞区域；2）布放探测打捞系统；3）声呐搜索目标；4）搜索到疑似目标后抵近目标，开启照明灯和摄像机识别目标，并观察周边环境；5）打捞目标确认后，操控打捞系统，控制机械手打捞目标；6）回收打捞系统，流程如图5所示。

2.2 轻载打捞

当打捞目标质量大于40 kg或尺寸超出机械手手抓尺寸时，需要轻载打捞工具实现打捞。通过探测打捞系统、机械手和专用工具的配合可完成打捞作业，具体方法如下：1）确定打捞目标；2）拆掉机械手手爪关节，安装轻载捕捉器；3）打捞系统自检完毕入水；4）打捞系统向目标点运动，开启声呐搜索目标；5）发现疑似目标后抵近确认目标；6）目标确认后控制打捞系统保持平稳，操作机械手控制捕捉器捕捉目标；7）摄像机确认目标捕捉完成后，探测打捞系统后退并控制机械手松开捕捉器；8）操控打捞系统上浮，小绞车系放细钢索；9）打捞系统回收完毕后，通过细钢索打捞轻载目标。具体打捞流程如图6所示。

2.3 重载打捞

重载打捞时，目标可为无锚索目标和携带锚索装置的目标两类。携带锚索装置目标打捞只需通过打捞系统携带锚链破断器破断锚链，目标浮出水面即可完成打捞。无锚索目标打捞时，具体打捞方法如下：1）确定打捞目标；2）拆掉机械手手爪关节并安装捕捉器；3）打捞系统自检完毕入水；4）打捞系统向目标运动，开启声呐搜索目标；5）发现疑似目标后抵近确认目标；6）目标确认后控制打捞系统保持平稳，操作机械手控制捕捉器捕捉目标尾翼；7）通过摄像机确认目标捕捉完成后，探测打捞系统后退并控制机械手松开夹具；8）操控探测打捞系统上浮，打捞系统的小绞车系放钢索；9）通过细钢索安装携带粗钢索的重载转接器，重载转接器沿着细钢索下滑与起吊竿对接；10）对接完成后通过粗钢索打捞。重载打捞流程如图7所示。

3 探测打捞试验

系统调试完毕后，针对不同打捞目标开展了打捞试验，验证系统的可靠性和打捞性能。

3.1 小目标打捞

选定一开阔水域，分别布放一类似海底铠装电缆沉底目标和一小型悬浮目标，分别开展了打捞试验。试验过程中，探测打捞系统先通过前视声呐大范围搜索目标，远距离发现疑似目标后抵近观察，通过摄像机确认为打捞目标后，操作打捞系统的水下姿态位置和机械手的动作完成目标的抓取，抓取成功后控制打捞系统上浮完成打捞作业。典型目标打捞如图8所示。

3.2 轻载目标打捞

选定一宽阔、水底相对干净的水域，布放一重300 kg，直径为533 mm的典型航行器目标。探测打捞系统自检完毕后，将机械手手抓关节替换为捕捉器。系统布放入水，开启前视声呐搜索目标，声呐发现目标后，操作推经装置使打捞系统抵近目标，通过摄像机确认目标控制探测打捞系统水中位置及姿态，操作机械手捕捉目标，目标捕捉完毕后系统浮出水面，通过细钢索直接打捞目标。水下轻载捕捉如图9所示。

3.3 重载目标打捞

选定一合适水域，布放一重1 t，外形不规则海工设备目标。探测打捞系统自检完毕后，将机械手手抓关节替换为捕捉器。系统布放入水，开启前视声呐搜索目标，声呐发现目标后，操作推经装置使打捞系统抵近目标，通过摄像机确认目标控制探测打捞系统水中位置及姿态，操作机械手捕捉目标，目标捕捉完毕后系统浮出水面并释放细钢索，通过细钢索挂放重载打捞转接器，重载打捞转接器顺着细钢索下滑锁住起吊竿，与目标连为一体，通过与重载转接器相连的粗钢索直接打捞目标。重载转接器捕捉目标如图10所示。

4 结　语

本文针对一般水下机器人难以满足水下多类沉物打捞作业的问题，提出了一种探测打捞系统，系统在有限的空间里配备多推进器以提高打捞作业控位能力，安装5功能液压机械手以实现小目标打捞。同时充分利用机械手的灵活性，设计与之匹配的捕捉器用于目标捕捉，并设计重载打捞转接器、起吊竿、水下绞车等专用打捞工具，实现不同种类的沉物目标打捞。针对不同种类打捞目标，本文给出了打捞方法和试验结果，为水下沉物打捞系统的设计提供借鉴。