0 引　言

水下机器人在海洋探索作业方面扮演着重要的角色。在深海搜救领域，遥控水下机器人（ROV）经过数十年的技术发展，凭借良好的工作性能以及可操控性得到了广泛认可，成为各国深海搜救装备体系中不可或缺的一部分^[1]。以美国海军在中国南海打捞坠海的F-35C战斗机为例，该海域最大深度约3800 m，美国海军租赁了“毕加索”号潜水支援工程船，通过CURV-21型ROV将专用索具和吊缆固定到飞机残骸上，最终由船上起重机完成了飞机的回收^[2]。

深海搜救打捞任务具有由浅至深、由广至细的特点。在使用ROV执行具体任务前需要对搜索区域的海底地形环境以及目标的位置与状态信息进行确认^[3]。在Fugro公司执行马航MH370失事航班搜救打捞的流程中，其使用了EdgeTech DT拖曳系统以及Hugin AUV对海底进行大范围搜探以确认海底的地形环境、发现疑似目标，并投入了2台FCV3000型ROV，对疑似残骸进行确认和回收^[4]。在深海搜救打捞任务中，多种不同类型装备的依次部署需要消耗大量的时间用于等待深海装备的布放与回收，而多装备的配合使用也要求更高的支援保障能力，同时带来更多的物料、人力成本消耗，造成时间效率低、经济性差等不足。

随着我国ROV、AUV、深拖系统等深海装备发展，深海搜救打捞综合能力也获得进一步提升。在大深度作业级ROV方面，已经在3000 m，4500 m，6000 m等深度等级上陆续研制出ROV装备并开展应用。中国科学院沈阳自动化研究所研制了“海星”系列深海ROV，2018年首次在最大作业深度6001 m开展水下科考作业。上海交通大学也先后研制出“海马”、“海龙”系列深海ROV^[5]。在用于大范围搜寻探测的深海拖曳系统上，以中国科学院声学研究所自主研制了DTA-6000为例，能够以2～4 kn拖曳速度在距海底50～100 m的高度上，对海地地貌以及浅地层剖面进行绘制^[6]。

当下，新型水下机器人的研制呈现出功能融合的发展趋势，如美国Oceaneering公司的Freedom^[7]、Houston Mechatronics的Aquanaut^[8]等混合模式水下机器人同时具备了AUV和ROV的工作特性，在具备作业处置能力的同时能够智能识别环境与目标，拓宽了工作能力范围。结合当下混合模式机器人的研发思维，以及深海搜探打捞作业的现实需求，本文提出一种将作业级ROV和深海拖曳系统相结合的新型潜水器—深海拖曳式ROV，从总体方案、结构设计以及低阻外形优化方面进行论述。

1 技术方案 1.1 总体概述

深海拖曳式ROV结合作业级ROV和深海拖曳系统的结构和功能特点，具有高速拖曳和处置作业双工作模式，并可在水下快速切换，从而能够在拖曳模式下进行大范围目标探测，并在发现目标后以ROV的形态现场对疑似目标进行确认与处置。系统配置方面，深海拖曳式ROV与传统作业级ROV相近，包括水面控制单元、收放系统组成的水面支持分系统，以及潜水器、压载器与系缆组成的水下作业分系统，如图1所示。

基于不同作业需求，潜水器通过自身变结构装置能够实现如下2种工作模式：

1）高速拖曳模式

在该模式下，变结构装置处于收回状态，下部壳体与上部浮力材组成完整封闭的流线型外形，有效减小拖曳阻力，从而实现良好的高速拖曳性能。此时ROV常规意义上的尾部作为拖曳体的头部，通过拖缆由母船拖动潜水器在水下运动，同时潜水器上配置的侧扫声呐、浅地层剖面仪等探测设备对目标海域进行大范围的探测，并将探测结果实时传输至水面。

2）处置作业模式

在该模式下，变结构装置处于外伸状态，下部壳体与上部浮力材在垂向分开一定距离，露出安装在浮力材框架上的推进器、机械手等部件，潜水器稳心高相应变大，提高潜水器作业时自身姿态的稳定性。此时，潜水器与常规作业级ROV一样，可通过水下高清摄像机和声呐等设备对近海底环境进行观察，并用前端搭载的机械手对现场目标进行处置。

深海搜救打捞任务主要划分为：确定搜索区域、确定水下搜索范围、执行搜索打捞任务。深海拖曳式ROV可以在一个潜次内开展大范围高效搜探，并将搜探结果实时传输至水面，供决策人员判别疑似目标，并及时对疑似目标进行现场确认，若发现非搜寻目标，潜水器变为拖曳模式继续大范围搜探；若经确认为搜寻目标，则现场进行处置作业。

深海拖曳式ROV的设计作业流程如图2所示。

本文主要针对潜水器上述特色功能开展相关的变结构设计与外形设计优化。

1.2 潜水器系统组成与配置

拖曳式ROV系统以潜水器作为水下搜探作业的重要载体，潜水器一方面要作为拖体由铠缆高速拖曳运动，另一方面还要承担作业级ROV的主要功能。潜水器主要由结构框架、浮力单元、水下控制单元、动力推进单元、照明摄像单元、探测设备单元、水下作业工具等组成。

系统功能配置方面，兼顾拖体与ROV的作业需求，配置侧扫声呐、浅地层剖面仪等大范围探测设备，还配置多台水下高清摄像机、高亮度照明灯对疑似目标抵近观察和确认，搭载机械手使用各种水下工具应对不同类型的处置任务需求。同时为保证潜水器具有良好的水下运动性能，还分别在水平和垂直方向上配置了多台推进器。

1.3 潜水器结构设计

在潜水器本体设计方面，在满足潜水器配置与功能要求的基础上，采用变结构水下机器人的设计方法，以实现水下快速可靠模式切换、减小高速拖曳阻力作为主要目标，同时也考虑了潜水器水下运动姿态稳定等要求。深海拖拽式ROV如图3所示。

在结构方面，拖曳式ROV按照传统作业级ROV的结构布局形式，并将其划分为上下两主体部分。通过使用变结构装置连接上下主体取代传统的刚性连接，实现变结构的能力。在变结构装置收回时，安装在上部框架的推进器等部件可以收容在下部框架内，起到减小迎流面积的作用；装置外伸时，则能够增大浮力材和下部框架的垂直距离，以满足作业级ROV对稳心高的要求。

外形方面，采用起吊点和拖曳点分离的形式，将系缆的连接点设置在ROV的尾部，确保拖曳力作用下潜水器姿态的稳定。在设计中引入了Nystrom线型，通过参数化设计获得了理想的低阻外形方案，并在底部框架上包裹轻质材料制成的外壳，其形状同样采用流线设计，使潜水器的总体外形实现上下、左右的近似对称，以实现较好的拖曳特性。

根据作业任务的要求，拖曳式ROV应当实现的指标如下表1所示。

2 变结构装置设计

变结构装置使拖曳式ROV具备了2种工作模式之间快速可靠切换的能力，主要由垂向变形机构、电机耦合冗余机构组成，如图4所示。电机耦合冗余机构耦合了2台电机的输入，通过单一输出实现对变形机构的同步控制，并在单电机失效情况下仍能保证系统运转，体现了冗余性；垂向变形机构实现了变形运动，具备较好的侧向刚度和较少的油液补偿量。此外，变结构装置能够实现较好的自锁特性。

2.1 工况分析

根据场景以及流程状态的不同，可区分为3种工况，如表2所示。

1）甲板上工况

当设备平放，变结构装置收回时，由主体框架相接触以承受主要负载。此时若需要改变工作模式，则需承受来自浮力材、推进器等上部负载。

2）起吊工况

起吊时，由于潜水器顶端起吊点与变结构装置之间为刚性连接，上部负载由与起吊点连接的框架承受，而变结构装置主要承受框架、控制单元、动力能源单元、作业工具、探测设备等下部负载。

3）水下作业工况

当潜水器在水下工作时，潜水器通过垂向推进器控制自身的高度，而变结构装置则在承受下部负载的状态下运动以改变潜水器上下部分的垂直距离。

2.2 垂向变形设计

垂向变形机构实现了拖曳式ROV的变形运动，由于液压缸需要配置液压系统，而剪叉升降机构侧向刚性较差，因此选用螺旋传动作为变形运动的实现机构。如图5所示，在结构设计上，垂向变形机构采用了内外外层的设计，由直径较小且形成密封的内部升降机构联动外部的粗筒，从而在较小的油液补偿量需求的前提下具备较好的侧向刚性。

2.3 双电机耦合冗余机构

在高速拖曳工况下，若因变结构装置的电机失效而导致潜水器无法完全变形，将会导致其无法正常工作，甚至影响潜水器作业安全。因此，提出双电机耦合冗余机构的设计。如图6所示，双电机耦合驱动机构由行星齿轮机构配合失电制动器组成，利用行星齿轮组在双输入确定的条件下存在唯一输出的特性，不仅实现了双电机输入的耦合，还可以通过失电制动器锁死单边输入形成减速器，保证任一电机失效时装置的正常运转，体现出冗余性。

根据各个齿轮的齿数，行星齿轮在用于运动耦合时具有如下的性质^[9]：

$ {n}_{{H}}=\frac{1}{1+\alpha }{n}_{{A}}+\frac{\alpha }{1+\alpha }{n}_{{B}}。$

(1)

式中： ${n}_{{H}}$ 为行星架转速； ${n}_{{A}}$ 为太阳轮转速； ${n}_{{B}}$ 为内齿圈转速；特征参数 $ \alpha $ 的值为内齿圈齿数 $ {Z}_{3} $ 与太阳轮齿数 $ {Z}_{1} $ 的比值。

取 $ \alpha =3 $ ，直流电机转速皆选定为1500 r/min时，根据电机和制动器的配合，存在如表3所示的3种工作模式。机构可实现的最大减速比为4，可用于小功率电机的冗余驱动或特殊重载工况。

3 外形设计与阻力分析

在6 kn的拖曳速度指标下，为保证系缆在承受来自潜水器阻力的同时仍然具备足够的强度以承受如船只升沉、收缆等因素带来的额外冲击，避免发生系缆断裂的情况，应确保潜水器在该拖曳速度下的流体阻力小于一定上限值。综合考虑系缆受力情况及其自身力学性能，将潜水器的拖曳阻力上限定为2 kN，以此展开潜水器低阻力外形设计与优化。

3.1 外形设计初步方案

深海拖曳式ROV的外形设计需要兼顾2种模式下的工作能力：一方面，其外形应具备一定的流线性以减小拖曳阻力；另一方面，其设计应当结合传统作业级ROV的结构形式，避免对推进器、机械手设备正常工作造成影响。

水下拖体外形设计方案主要分为2类，回转体与平面对称体。深海拖曳式ROV的外形设计应兼顾2种模式下的工作能力：一方面，其外形应具备流线性以减小拖曳阻力；另一方面，其设计应当结合传统作业级ROV的结构形式，避免对作业造成负面影响。

初始外观方案在ROV的基础上做了较小更改，结合了垂向变形特性，并考虑垂直、水平推进器以及一堆机械手的布置，仅在迎流面上下作圆角处理。该设计方案的特点在于除变结构装置带来的改动外对ROV的常规设计影响较小，便于后续设计与装配。

设计外形尺寸为2800 mm×1600 mm×1300 mm。使用STAR-CCM+软件粗略估计在拖曳速度为6 kn时流体阻力的数值大小。设置流场内模型的方位角皆为0，创建切割体网格，棱柱层数设为6，延伸率设为1.2。采用定常RANS方程配合K-Epsilon湍流模型。

经测试得到流体阻力为3307 N，大于设定上限，故需要对潜水器的外形进行进一步优化。

3.2 参数化外形设计

参考低阻线型，对潜水器外形进行参数化设计。低阻线型设计在水下装备中应用广泛，常用于潜艇、武器或AUV等，发展出如Myring型、水滴型、纺锤型等各种线型^[10]。本文选用参数修改较为简便的Nystrom线性^[11]，曲线方程如下：

首部

$ {Y}=\frac{{D}_{0}}{2}{\Bigg\{1-\Bigg[1-{\left(\frac{{X}_{e}}{{L}_{e}}\right)}^{2}\Bigg]}^{\frac{1}{{n}_{e}}}\Bigg\}，$

(2)

尾部

$ {Y}=\frac{{D}_{0}}{2}{\Bigg[1-{\left(\frac{{X}_{r}-{L}_{f}}{{L}_{r}}\right)}^{2}\Bigg]}^{\frac{1}{{n}_{r}}} 。$

(3)

式中： $ {D}_{0} $ 为截面轮廓的最大值； $ {X}_{e} $ 和 $ {X}_{r} $ 为首、尾部曲线的横坐标； $ {L}_{e} $ 和 $ {L}_{r} $ 为首、尾部的长度； $ {L}_{f} $ 为尾端曲线启点前的长度； $ {n}_{e} $ 和 $ {n}_{r} $ 为首部椭圆指数和尾部抛物线指数。

设定潜水器的首部、尾部长度分别为800 mm，1000 mm，而高度和宽度分别为1200 mm，1500 mm，图7为不同指数下Nystrom线型，可见指数过小时曲线过于细窄，过大时则趋向方正，故取值在2～4之间是较为合适的。

根据表4所示主要参数，在侧视和俯视方向分别绘制轮廓曲线，并通过附加截面添加辅助曲线与样条曲线，由SolidWorks软件的边界外形功能生成外形曲面。由于线型设计在尾部存在一定收拢，在保持模型长度的前提下，结合ROV的实际结构要求，对模型进行修改。

因修改前后的模型特征尺寸相近，采用同一套配置模型，以1 kn为步长测试二者在1～8 kn速度范围内流体阻力数值的大小，测试结果如图9和表5所示。

可见修改后的外形方案在中高速拖曳工况下的流体阻力要显著小于修改前方案。考虑到潜水器的实际模型受到的阻力可能与简化模型存在较大出入，有必要对具体模型进行后续分析。

3.3 实体近似模型阻力分析

根据功能设备的布置对简化模型进行修改，包括在中部开出垂直推进器通孔，为使机械手内置而将中部加长200 mm。基于修改后的平台，以6 kn为基准速度对潜水器的流体阻力进行分析，测得其大小为2060 N，可见近似模型的阻力要远大于简化模型。分析速度云图（见图10），推测阻力显著增大的原因除框架、机械臂等凸起、空余部分外，主要是尾部工作平台阻碍了从潜水器底部向尾部汇聚的水流。去除平台覆盖的钢板，仅保留框架结构后测得阻力的大小为1734 N。若是去除尾部平台，则阻力进一步下降至1520 N。

4 结　语

本文提出了一种新概念的深海拖曳式ROV，具有高速拖曳和处置作业双工作模式以及水下切换能力，从而实现搜探、确认、处置一体化能力，有效提高深远海搜救的效率。为深海拖曳式ROV研制进行初步技术探索，给出拖曳式ROV水下搜探打捞作业流程，分析潜水器的作业工况，基于作业级ROV和深海拖体的功能特性进行潜水器结构和外形设计，根据模式切换需求，设计垂向变形机构和双电机耦合冗余机构，完成变结构装置可靠性和冗余性设计；在外形设计上，以降低阻力为目标，以阻力上限值为约束条件，使用Nystrom线型进行参数化外形设计，并通过仿真分析获得了潜水器良好的低阻力线型。后续还将针对变结构装置开展试验验证，并采用潜水器缩比模型开展水池拖曳性能测试与验证。