0 引　言

近年来，无人水面艇（unmanned surface vehicle, USV）在海洋环境检测、海上维权执法、海洋安全防卫等领域得到了广泛的应用。无人水面艇在无人装备体系中具有续航力与持续作业能力强、载荷装载能力大、空中与水下2种介质通信中继与信息交互等特点^[1]。无人潜航器（unmanned underwater vehicle, UUV）具有自主性高、探测范围大等优点，在海洋环境观测、海洋资源调查、海洋安全防卫等领域得到了广泛的应用，是人类认识海洋的步伐由近海到深远海迈进所借助的水下核心系统平台^[2]。USV和UUV的不同特点使它们适合不同的应用场景，以互补的方式协同工作，使协同系统具有更大的作业能力^[3]。文献[4]中指出异构载运工具合作执行复杂任务是提高任务完成效率的有效手段，已被广泛应用于军事与民用任务^[4]。使用无人水面艇远程投送无人潜航器，将2种异构平台结合组成协同观测系统对海洋环境进行立体观测、水下目标搜寻、协同导航等方面具有广阔的应用前景。

本文研究并设计建造了一种新型多功能长续航力无人水面艇，具有小型无人潜航器远程投送、海洋环境要素协同立体观测、通信中继与信息交互等功能，该无人水面艇具有人工遥控和自主航行2种工作模式，自主航行具有定向航行、定点航行和轨迹跟踪航行能力。

USV进行了多次海上试验，结果表明，该无人水面艇可适应复杂海况，实现跨昼夜连续自主航行，成功自主投送了无人潜航器−“海翼”水下滑翔机。

1 船体结构 1.1 船体结构设计

USV采用主机加喷水推进的动力组合方式。与传统螺旋桨比较，具有优良的操纵性和机动性。USV的转向通过在水平方向改变喷口水流的方向来实现，具有船体转向力矩大反应速度快；适应多变工况能力强，主机不易超载；振动小，噪声低。船外附体少，阻力小，浅水航行能力强等优点^[5]。参数如表1所示。

船体设计分为甲板下部和甲板上部2个部分，其中甲板下部采用分舱段设计，从前到后依次为首尖舱、设备舱和能源动力舱。首尖舱安装设备及安全配载，设备舱安装控制系统所需的设备、相关载荷传感器及应急电池；能源动力舱安装USV所需动力总成、转向喷泵、发电机及油箱等关键能源动力设备。其中，设备舱段采用分区域模块化布置方式，保证设备防护固定及电缆合理走线，即节省舱内有限空间又减轻船体总重。该舱内布置有循环冷却系统，防止舱内温度过热。甲板上部分为人工操控驾驶台、桅杆设备及天线、无人潜航器布放装置等3个部分。

为合理布置潜航器布放机构，在船体尾部设计了宽2.5 m、长4 m大甲板，预制安装支架用于潜航器布放机构安装和潜航器装夹。无人艇总体布置如图1所示。

1.2 布放机构设计

潜航器布放装置设计安装在USV尾部，实现对潜航器的自主布放作业。布放机构主要包括底座总成、机体固定座、滑移驱动总成、液压系统、控制系统等部分。底座总成安装有丝杠及其驱动机构，为滑动提供驱动力；滑移驱动总成通过铰接轴与机体固定座连接，上部铰接轴连接升降油缸，用于实现机体固定座的倾斜运动，底部与滚珠丝杠的滑移块连接，由滚珠丝杠提供运动的驱动力；机体固定座包括固定座焊接架、左右侧机翼稳定架、尾部限位机构、中部压紧机构、头部限位机构等部分。固定座焊接架上安装有轴承，轴承与底座总成的滑轨接触，实现上下及侧向限位，左右两侧安装有机翼稳定架，下部有复合材料垫板，为潜航器的机翼提供支撑力。尾部限位机构和前部压紧机构分别通过橡胶板与潜航器的尾部和头部配合，中部压紧机构通过液压油提供压紧力，将潜水器固定在复合材料垫上；液压系统包括液压站、收放油缸、中部压紧油缸、前部压紧油缸等部分。图2为自主布放系统机械结构图。

布放机构执行流程分解为4个步骤，主要分为水平缓慢推出机体固定座，释放首部卡件、下摆、释放压紧机构，潜航器滑出，收回机体固定座，完成潜航器布放作业流程，其主要步骤如图3所示。

2 电控系统 2.1 船载电控系统

船载控制系统总体采用分布式控制方案，主控制器和辅助控制器分开，保证冗余安全设计。船载控制系统软件基于Linux操作系统，采用分层设计模式，结构清晰，任务模块化显著，便于维护。控制系统软件以完成USV使命任务为目标，包含了路径规划、控制算法实现、故障在线诊断与处理、应急控制、数据采集、载荷作业控制、数据记录、立体观测控制、数据分发、多模式通信等功能。船载控制系统总体结构框图如图4所示。

为满足布放系统大功率、不同电压等级输入需求及总体电源供给稳定可靠性需求，设计了冗余能源供给监控策略，如图5所示。

布放机构电控系统的总体控制图如图6所示。系统设计由PLC控制器、电磁阀和中间继电器组成的油缸控制单元、布放装置外推行程限位开关和回收行程限位开关、收放油缸倾斜角度限位开关、伺服驱动器和伺服电机、液压泵站电机启动单元、24V供电、220V供电。与USV自动驾驶单元采用RS485和以太网进行指令和信息交互。

潜航器布放指令协议格式如表2所示。

2.2 岸基显控系统

为了对USV本体及USV布放系统进行监视控制，设计了岸基显控系统。岸基显控系统与USV进行信息交互以多模态通信系统为基础，具有监视和控制2个方面的功能。通过独立无线电、卫星、无线图传、Wifi接收USV回传信息，进行数值、仪表、海图、视频图像等方面的解析、存储及显示，为监视人员提供丰富的监视信息。岸基辅助控制系统的控制功能主要包括使命任务运行前的使命任务编辑、离线使命预置、设备硬检、参数预置，USV使命任务开始后进行在线自主使命下达、人工遥控操作及必要的应急控制等功能。

为了对USV本体及布放系统工作状态进行控制和监视，设计了覆盖不同通信距离的网络、无线电、卫星、视频图像等多种类通信手段的多模态通信系统。主要包括：无线电通信模块、卫星通信模块、无线网络图传模块及水声通信模块。无线电通信模块主要用于近距离（3km内）设备检测、使命预置及参数设定；卫星通信模块主要用于超视距远程监视控制；无线网络图传模块主要用于视频图像等高带宽要求的数据传输，水声通信模块主要用于USV与水下平台进行信息交互，是USV与UUV协同通信控制的主要通信手段。多模态通信系统结构如图7所示。

3 自主布放 3.1 自主航行控制方法研究

由于无人艇的运动十分复杂，为空间6自由度运动。为了便于分析对无人艇的运动模型进行简化，仅考虑水平面运动，其受力可分为：重力、浮力、惯性类水动力、粘性类水动力、动升力以及喷水推进力^[6-7]。工程应用中简化得到无人艇三自由度的运动方程式：

$ \Bigg\{\begin{array}{l}m（\stackrel{.}{u}-rv-{x}_{G}{r}^{2}）=X，\\ m（\stackrel{.}{v}+ru+{x}_{G}\stackrel{.}{r}）=Y，\\ {I}_{ZZ}\stackrel{.}{r}+m{x}_{G}（\stackrel{.}{v}+ru）=N。\end{array} $

(1)

式中：m为USV质量、u为前向速度，v右向速度，r航向角度率，I_ZZ为转动惯量，x_G为重心坐标，X，Y，N分别为力和力矩。

USV具有宽航速大滞后的控制特性，同时执行机构具有一定控制误差和响应延时，且外界扰动频繁，传统单级PID控制无法满足USV航迹控制需求，采用增益调度的串级PID航迹控制方法能够较为有效解决这些问题。

航迹闭环控制以航向控制为基础，航向控制作为串级控制的中间环，外环为参数自整定航迹控制环，内环为喷泵控制闭环。

航迹控制方法如图8和图9所示。S为路径段起始点，E为路径段终点， $ \Delta {{e}} $ 为USV与目标轨迹SE之间的距离误差， $\Delta {{e'}}$ 是USV与目标轨迹SE之间的距离误差 $ \Delta {{e}} $ 的一阶导数， $ \omega $ 是当前航向值， $ \omega ' $ 为航向变化率。d为设置的判别域度，当USV与目标轨迹SE垂直距离误差 $ \Delta {{e}} $ 小于d时，判别航迹跟踪误差在允许范围内。

当USV航迹误差 $ \Delta {{e}} $ 大于d时，将反馈的航迹误差值 $ \Delta {{e}} $ 输入增益调度控制器，将 $ \Delta {{e}} $ ， $ \Delta {{e'}} $ ， $ \omega ' $ 及当前航速等信息送入轨迹控制器，得出跟踪当前目标轨迹所需要修正的航向角度值 $ \Delta \omega $ ，计算出此刻目标航向角 $ {{{h}}_i} $ （i=1,2,3···），其中 $ {{{h}}_i} $ = $ {\omega _i} $ + $ \Delta {\omega _i} $ ，作为航向控制中间环的输入量。

对于存在频繁大扰动的USV控制系统来讲，固定PID参数并不能够满足USV非线性时变系统的控制需求，因此使用基于PID参数自整定控制方法在线调节PID参数来满足控制需求。

系统采用时间乘绝对误差积分准则即ITAE准则，当ITAE取值最小时系统最优。

$ ITAE = \int_0^\infty {t\left| {e(t)} \right|} {\rm{d}}t，$

(2)

离散系统中ITAE离散化，

$ ITAE = \sum\limits_{i = K}^{i = N} {i\left| {{e_i}} \right|}，$

(3)

控制系统周期性计算ITAE，根据轨迹跟踪闭环控制效果固定时间间隔进行比较，根据比较结果对系统p值进行修正。

若 $ ITA{E^n} < ITA{E^{n - 1}} $ ，修正p参数：

$ \Bigg\{\begin{array}{l}{K}_{p(n+1)}={K}_{p(n)}-C\text{，}{K}_{p(n)}\leqslant {K}_{p(n-1)}，\\ {K}_{p(n+1)}={K}_{p(n)}+C\text{，}{K}_{p(n)}\geqslant {K}_{p(n-1)}。\end{array} $

(4)

若 $ ITA{E^n} > ITA{E^{n - 1}} $ ，修正p参数：

$ \Bigg\{\begin{array}{l}{K}_{p(n+1)}={K}_{p(n)}+C\text{，}{K}_{p(n)}\leqslant {K}_{p(n-1)}，\\ {K}_{p(n+1)}={K}_{p(n)}-C\text{，}{K}_{p(n)}\geqslant {K}_{p(n-1)}。\end{array} $

(5)

若 $ ITA{E^n}{\text{ = }}ITA{E^{n - 1}} $ ，

$ {K_{p(n + 1)}} = {K_{p(n)}}。$

(6)

其中，C为p值修正常数。

喷泵喷嘴角度控制系统底层采用液压泵站加电磁阀的控制方法，上层控制器通过开关量来控制喷嘴角度的调节，通过角度传感器采集喷嘴角度信息，顶层控制器进行PID闭环控制。该系统具有结构简单，响应速度快，精度较高等优势。

3.2 布放策略

USV投送无人潜航器分为3个阶段，第一阶段为USV携带无人潜航器航行至目标海域；第二阶段为USV抵达预定目标海域后自主布放无人潜航器入水及协同开始使命任务；第三阶段为USV和无人潜航器进行水下和水面的立体观测。图10为USV投送无人潜航器过程流程图。

USV携带UUV抵达目标海域后，布放决策控制器启动，根据外部环境信息、USV本体速度航向信息及当前位置信息，在线规划最优布放路径，计算最优的布放航速和航向信息反馈给USV航行控制器，航行控制器根据需求调整航向和航速，自主决策布放UUV。

UUV入水后将通过无线电及水声通信向USV发送成功入水信号，USV开始对UUV进行水面硬件检测及参数配置，并将结果反馈信息传给USV并回传岸基监控端，待UUV检测及参数预置正常结束后，开始执行立体观测任务。

USV和UUV按照离线规划预置路径在设定观测海域进行海洋环境要素、海气界面数据等的协同观测，USV和UUV通过水声通信进行信息交互。

4 海上试验结果

围绕航控能力验证、远程投送无人潜航器等方面内容，USV在黄海和南海进行了多次海上试验，验证了USV自主航行控制、多模态通信、远程自主布放无人潜航器等方面的能力。试验结果表明，USV能够实现长时间连续自主航行、自主决策布放无人潜水器功能。

4.1 航行控制能力验证

在航行控制试验中对USV的自动定向以及轨迹跟踪能力进行了测试。图12为自动定向测试结果，图13为轨迹跟踪测试结果。

4.2 自主布放能力验证

在自主布放试验中，以无人潜航器“海翼”水下滑翔机为布放目标。USV沿规划轨迹航行到预定海域布放点，成功进行了自主布放并协同完成水面检测和下潜任务，图14为“海翼”水下滑翔机自主布放海试图。

5 结　语

本文研究设计了一种自主布放无人潜航器的无人水面艇，针对USV自主航行控制、远程自主投送小型潜航器等问题开展了研究。提出以USV作为载体，实现了自主布放小型潜航器以及USV与UUV协同立体观测。通过海试验证了USV的自主航行控制能力、多模态通信功能，成功实现了远程自主投送UUV。