0 引　言

随着海洋机电控制技术的发展，人类对海洋的探索和研究不断向深海和远海扩展^[1-5]。由于AUV具有良好的实时性、连续性及可移动性的特点，因此被广泛地应用于海洋资源环境的勘测和开采过程中^[5-10]。在AUV的收放过程中，传统的回收方式是在母船上起吊回收，人为参与完成挂钩任务，这种方式受风浪的影响较大。为了提高AUV的使用保障能力，需要针对AUV的自主收放技术展开研究。

近年来，国内外针对AUV收放技术开展了一定的研究。陈佳伦^[11]提出一种基于AUV和USV的一体化作业系统。基于一体化系统，设计了一种USV 水面动对动回收AUV 作业流程，经过外场试验验证了水动力模型和仿真结果的准确性和可靠性。郝启^[12]设计了自主回收 AUV的装置结构。对回收机械臂的自由度、关节类型、驱动方式、材料进行了分析选择以及对机械臂的连杆进行了优化设计。王志敏^[13]设计了一种基于PLC控制的可以在船舶航行条件下对AUV进行释放和回收操作的装置，设计了释放回收结构、液压系统设计、电气控制系统。裴宏广^[14]设计了一种适合于较大型AUV的专用收放装置，操作简便、安全，不需要其他特殊的设备配合，即可独立完成AUV的入水和回收作业。

虽然目前的国内外科研机构针对AUV的收放技术进行了一定的研究，然而以往的研究主要集中在部分机械结构设计与基本功能实现，很少涉及机构的运动学特性分析及控制研究。针对现有AUV收放存储的技术难以满足工作需求的状况，本文设计了一套AUV收放存储装置，可用于AUV的布放及回收。针对现有AUV收放存储的技术难以满足工作需求的状况，设计了各部分的机械结构，并通过系统校核验证了结构设计的合理性。同时，设计了AUV收放存储装置控制系统，实现了对机械液压执行器的精密控制、传感器的数据采集、系统状态参数显示、试验参数调整、工作状态监控和安全报警等功能，能够对控制系统的控制流程进行辅助判断和安全保障。

1 AUV收放存储装置组成

AUV收放存储装置由固定架、控制台、吊机装置、绞车、定滑轮、钢丝绳、收放架等部分组成，各部分功能如下：

1）固定架

固定架布置于靠近船舷处，总长约6 m，由不锈钢支架和锁紧装置组成。固定架用于存储AUV。

2）电控系统

电控系统由控制台和传感器组成。电控系统主要实现AUV收放存储装置的收放控制，显示收放状态等功能。

3）吊机装置

吊机装置包括液压系统、立柱、旋转吊臂、伸缩吊臂、回转油缸、伸缩油缸、挂载头等。吊机装置能够完成旋转、俯仰和伸缩运动，利用固定于挂载头处的收放架可完成对AUV的布放和回收。

4）绞车

绞车本体由卷筒、安装底座、减速机（传动机构）、改向轮组成。绞车主要用来收放、存储钢丝绳。绞车本体能实现钢丝绳收放速度以及缆绳张力控制。定滑轮与吊机挂载头铰接，实现钢丝绳的转向。

5）钢丝绳

钢丝绳缠绕在绞车卷筒上，一端固定于绞车内，另一端经过定滑轮转向穿过收放架并在末端安装卡扣。当回收AUV时，由潜水员将收放架中部的钢丝绳与AUV中部吊耳连接，操作员操作绞车回收将AUV牵引至收放架下

6）收放架

收放架总长3.95 m，采用不锈钢材质，包括旋转运动调节机构、俯仰运动调节机构以及锁紧机构。旋转运动调节机构挂载在吊机挂载头处，完成对锁紧机构的水平旋转调节。俯仰运动调节机构连接在旋转运动机构上，完成锁紧机构的垂直俯仰调节。锁紧机构由电动卡盘将AUV抱死，电动卡盘内部覆有软橡胶，增大与AUV之间的摩擦，回收中可对AUV与收放架之间碰撞起到缓冲作用。收放架中部引出一根钢丝绳，回收时与AUV中部吊耳连接。控制台安装在吊机装置底座上，所有装置均布置于露天近水环境，AUV收放存储装置应满足潮湿、雨淋的工作环境要求，达到IP65以上的防护要求。

2 主要设计参数

1）动力

输入：220 V两相交流电、380 V三相交流电。

2）吊车技术参数

承载能力：不低于3 t。

3）收放约束范围

吊车装置可旋转、下探，调节范围以水面高度离船舷垂直距离4 m为约束。

4）收放架姿态调整范围

收放架可旋转调节和俯仰调节，旋转角度可0～180°连续调整，俯仰角度可在水平±30°连续调整。

5）安装环境限制

满足潮湿、雨淋的工作环境要求，达到IP65以上的防护要求。设备满足−10°C ～ 50°C的工作环境温度要求。

3 AUV收放存储装置工作流程

AUV收放存储装置分为控制柜、吊机、绞车和收放架4个部分，系统的组成结构如图1所示。控制柜电控系统主要实现AUV收放存储装置的收放控制和收放状态的显示，包括吊车的控制、绞车的收放、收放架的控制等；吊机主要实现能够完成旋转、俯仰和伸缩运动，利用固定于挂载头处的收放架可完成对AUV的布放和回收；绞车实现钢丝绳收放速度以及缆绳张力控制；收放架完成AUV锁紧机构的水平旋转调节、垂直俯仰调节和AUV抓取等操作。

AUV收放装置的整体工作流程如图2所示。释放时，吊车机构旋转至存储架正上方，调整收放架角度至与AUV平齐，下放收放架并抓取AUV，然后将存储架上的AUV锁紧装置松开。吊机将AUV提起并旋转至甲板外，吊机悬臂下探至海面附近，收放架松开，AUV入水，吊车旋转至甲板内，布放完成。

AUV结束任务后，上浮至水面距尾弦一定距离后，开始回收。吊车悬臂梁旋转至甲板外并下探至海面附近。此时潜水员将收放架中部的钢丝牵引绳与AUV中部吊耳连接，绞车开始回收，通过钢丝绳将AUV牵引至收放架正下方，调整收放架旋转调节机构和俯仰调节机构后抓取并锁紧AUV，通过吊车将AUV回收至存储架，存储架将AUV锁紧，回收完成。

4 AUV收放存储装置结构设计 4.1 吊机装置设计

吊机装置如图3所示，包括液压系统、立柱、旋转吊臂、伸缩吊臂、回转油缸、伸缩油缸、挂载头等。

吊机自重约2 t，安装空间900×900 mm，最大起重质量5 t，最大起重力矩10 t·m，工作半径10 m，额定功率20 kW，液压系统额定压力28 MPa，推荐流量40 L/min，回转角度360°，可满足使用要求。

4.2 绞车系统设计组成及原理

绞车系统由卷筒、改向轮、底座、伺服电机、减速机和钢丝绳等组成。

钢丝绳缠绕在卷筒上，另一端经过定滑轮转向穿过收放架并在末端安装卡扣。绞车底座安装在吊车悬臂梁上，卷筒采用伺服电机+减速机的方案驱动。由于AUV存在正浮力，因此绞车实际负载力只需克服空气阻力和水阻力等，暂按照100 kg负载力进行设计。

卷筒直径400 mm，负载100 kg，按照最大收放速度0.2 m/s，可做如下计算：

1）静态最大输出功率

P=1 000 N×0.2 m/s=200 W，

考虑减速器及机械传动部分效率，取0.85，则理论计算的驱动电机静态功率为235.3W；

2）卷筒速度

w=（0.2m/s）/（0.4m/2）=1rad/s=60 r/min。

3）卷筒扭矩

考虑最大卷筒直径时，卷筒扭矩最大，T=1 000 N×0.4 m/2=200 N·m。

4）动态性能

考虑到该绞车张力跟随系统中，卷筒和减速器惯量对系统动态性能的影响，取4倍系统静态功率：

253.3 W×4=1.013 kW，可选择安川伺服电机，型号SGMGV13DDA6C，减速机采用1∶25，功率1.3 kW，额定转矩8.34 N·m，瞬时最大转矩23.3 N·m，额定转速1500 r/min，最高转速3000 r/min，防护等级IP67。

5）系统校核

该减速电机：额定输出转速60 r/min，满足缆绳速度要求。

该减速电机减速比为25，伺服电机额定扭矩为8.34 N·m，则减速电机额定输出扭矩为：8.34×25=208.5 N·m，远大于负载所需扭矩。

该伺服减速电机系统最大动态扭矩为：582.5 N·m，因此能满足系统动态扭矩控制需求。

4.3 收放架设计组成及原理

收放架如图4所示，由旋转运动调节机构、俯仰运动调节机构以及锁紧机构组成，钢丝牵引绳从收放架顶部的约束口中穿过与AUV连接。

旋转运动调节机构挂载在吊机挂载头处，完成对收放架的水平旋转调节。如图4所示，旋转运动调节机构由锥齿轮组和步进电机组成。步进电机通过脉冲控制旋转角，可完成旋转运动机构的360°连续调节。

步进电机采用雷赛86CM120，防护等级IP65，具备大扭矩、高平稳、低发热、高一致性等特点，保持转矩12 N·m，采用高减速比的锥齿轮组，可满足旋转调节要求。

俯仰运动调节机构连接在旋转运动机构上，完成收放架的俯仰角调节。采用力士乐CDT3系列精密液压油缸，体积小，推力大，可满足功能要求。

锁紧机构由电动卡盘将AUV抱死，电动卡盘内部覆有软橡胶，增大与AUV之间的摩擦，回收中可对AUV与收放架之间碰撞起到缓冲作用。

5 AUV收放存储装置控制系统设计

AUV收放存储装置控制系统由控制台、传感器系统及电缆组成。控制台由吊车控制器、PLC控制单元、触摸屏操作单元、人机接口单元及电源系统组成，完成对机械液压执行器的精密控制、传感器的数据采集、系统状态参数显示、试验参数调整、工作状态监控和安全报警等功能，同时能记录与处理试验数据，是整个系统最为核心的一部分。传感器系统对关键位置进行状态监测，如缆绳张力、释放长度、收放架姿态角等，对控制系统的控制流程进行辅助判断和安全保障。

5.1 吊机运动学建模

为了安全地吊放AUV，需要根据各级臂架和臂头的相对位置，确定吊车臂头在起重作业平面的位置。

分别在臂头、外动臂、内动臂、基座上建立坐标系，考虑内外动臂变幅、伸缩运动，则根据齐次坐标变换方程可得臂头在基础坐标系中的实时齐次坐标为^[15]：

$ \begin{split} {X_1} = &T_4^1{X_4} = T_2^1T_3^2T_4^3{X_4}=\\ &\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} \left( {{x_{o4o3}} + {x_{Po4}}} \right)\cos \left( {{\theta _1} + {\theta _2}} \right) - ( {y_{o4o3}} + {y_{Po4}} )\sin ( {\theta _1} +\\ {\theta _2} ) + {x_{o3o2}}\cos {\theta _1} - {y_{o3o2}}\sin {\theta _1} + {x_{o2o1}}\\ \left( {{x_{o4o3}} + {x_{Po4}}} \right)\sin \left( {{\theta _1} + {\theta _2}} \right) + ( {y_{o4o3}} + {y_{Po4}} )\cos ( {\theta _1} + \\{\theta _2} ) + {x_{o3o2}}\sin \theta + {y_{o3o2}}\cos \theta + {y_{o2o1}}\\ {{z_{Po4}} + {z_{o4o3}} + {z_{o3o2}} + {z_{o2o1}}}\\ 1 \end{array}} \right], \end{split} $

因此, 吊车的作业幅度和相对作业高度为：

$\left\{ \begin{array}{l} r = \left( {{x_{o4o3}} + {x_{Po4}}} \right)\cos \left( {{\theta _1} + {\theta _2}} \right) - ( {y_{o4o3}} + {y_{Po4}} )\sin ( {\theta _1} +\\ \quad\;\; {\theta _2} ) + {x_{o3o2}}\cos {\theta _1} - {y_{o3o2}}\sin {\theta _1} + {x_{o2o1}} ,\\ h = \left( {{x_{o4o3}} + {x_{Po4}}} \right)\sin \left( {{\theta _1} + {\theta _2}} \right) + \left( {{y_{o4o3}} + {y_{Po4}}} \right)\cos ( {\theta _1} +\\ \quad\;\;{\theta _2} ) + {x_{o3o2}}\sin \theta + {y_{o3o2}}\cos \theta + {y_{o2o1}} , \end{array} \right.$

其中， ${x_{o4o3}}$ 和 ${y_{o4o3}}$ 反映外动臂伸缩长度， ${\theta _1}$ 和 ${\theta _2}$ 代表臂架变幅角度，设 $\gamma $ 为折臂全缩状态下，外动臂轴线 ${O_3}{O_4}$ 与坐标系 $\left\{ {{O_3}} \right\}$ 的 $x$ 轴负向的夹角。 $L$ 代表外动臂实时长度，因此：

$\left\{ \begin{array}{l} {x_{o4o3}} = - L\cos \gamma , \\ {y_{o4o3}} = L\sin \gamma \text{。} \end{array} \right.$

通过吊车的位移传感器和角度检测器和检测到的长度、角度实时信息，计算吊车臂头相对基座的坐标，从而控制吊车根据作业高度和幅度来吊放AUV。

5.2 控制系统总体结构

控制系统的总体结构如图5所示，由吊车控制器、PLC控制系统、触摸屏、人机接口、电源系统、电连接器、传感器系统及电缆组成。

吊车控制器完成对吊车的旋转、起降和伸缩控制。

PLC采用西门子1200系列，具备结构紧凑、安装方便、拓展灵活、处理能力强等优点。CPU上集成了4个100 kHz 的高速脉冲输出，用于步进电机或伺服驱动器的速度和位置控制。这4个输出都可以输出脉宽调制信号来控制电机速度、阀位置或加热元件的占空比。PLC-DQ模块用于控制收放架锁紧机构和直线电机的动作，其中直线电机安装电位计，通过AD采集模块采集推杆位置进行闭环控制。PLC-DI模块采集限位接近开关、锁止到位行程开关等位置信号。确保收放流程的安全性。

5.3 软件设计

软件主要功能包括：

1）动作流程控制

合理设计收放流程，在设备运动到正确的位置时开放动作权限，通过自动或手动的模式控制执行器运动到位。

2）安全策略设计

针对收放流程中存在风险的几个流程进行安全设计，设置位置保护、张力保护等环节。

3）绞车位置/速度控制

根据目标调整缆长发送脉冲控制指令给伺服电机驱动器进行位置/速度控制，同时应进行张力保护，避免张力过大（以AUV重量*1.5为限制条件）损坏钢丝绳索。

5.4 人机操作面板设计

控制系统的人机操作可分为3个部分：触摸屏操作、实体按钮操作和吊车控制器操作。

触摸屏操作与PLC控制系统关联，包含与收放架及绞车控制系统相关联的操作。触摸屏主要提供人机交互操作界面，并实时显示试验状态参数。

实体按钮操作包括电源开关机、急停开关和关键执行器的动作控制按钮。

6 结　语

针对现有AUV收放存储的技术难以满足工作需求的状况，本文设计了一套AUV收放存储装置，可用于AUV的布放及回收。解决了传统AUV收放技术的难题，提高了AUV收放的智能化水平。