0 引　言

AUV作为人类探索海洋、完成水下作业任务的重要工具，在海洋工程和军事活动中发挥着越来越重要的作用^[1]。AUV作业时需由支持母船配置的折臂吊车或A型门架对其进行释放和回收。为避免AUV与母船其他设备发生碰撞，操作人员需拉拽多条缆绳对AUV进行止荡保护。此方式受海面风浪影响大，成本高，自动化程度低，释放回收过程中人员和设备均具很大程度的安全隐患，在军事活动中还有隐蔽性差的问题。AUV作业时特别是在功能调试试验过程中，需频繁对其布放、回收，以在母船上完成数据传输及能量补给^[2]。为提高AUV作业效率，降低作业风险，水下对接技术逐渐成为了行业的热点问题。水下对接技术能够在水下实现AUV的布放、回收，完成能源补给及数据传输，极大提高了AUV作业的效率和安全性。水下对接按照对接装置的运动形式分为静态对接及动态对接^[3]。静态对接时对接装置坐落在水底的固定位置，AUV在声光信息的导引下航行进入对接装置完成对接，并实现数据传输及能量补给。静态对接装置长期处于水下会产生海洋生物的附着及受到海洋环境的腐蚀，影响整体系统工作的可靠性。动态对接装置处于运动状态，受海洋生物附着的影响远低于静态装置，其对接过程和对接区域的选择上更加灵活，具有更强的隐蔽性。动态水下对接装置最早出现在协同AUV作业的潜艇上，近年来随着技术的发展，无人水面艇、自主水下航行器等领域也开展了动态水下对接技术的研究，使其能够在多海洋平台上使用，技术发展日趋多样化、个性化，并开始走向应用。

1 研究现状

AUV水下对接技术是借助于声学、光学、视觉等导引方式定位AUV与对接装置间空间位置关系，采取路径规划方式实现AUV与装置间对接的技术。按照对接装置所处状态的不同，水下对接分为静态对接与动态对接2大类。美国Woods Hole海洋研究所和MIT共同研制的Odyssey IIB AUV 水下对接系统^[4]，日本川崎重工的Marine-bird水下对接系统，以及中国杭州电子科技大学团队的电磁导引回坞系统^[5]等是较为典型的静态对接系统。由于对接装置固定在水下的特定区域，因此对接区域受限，长期使用时海水腐蚀及海洋生物附着对对接装置影响较大。

动态对接所采用的对接装置具有可移动的特点，以多海洋平台协同作业的方式，在移动平台上安装对接回收装置，在运动过程中通过目标位置规划实现对接任务。对接模式包括悬停对接及移动对接2种，可根据外在作业环境特点和对接装置的性能灵活设置，对接区域可根据具体情况进行调整，AUV路径规划更具灵活性，相应地对路径规划和跟踪控制的性能要求更高。国内外动态水下对接技术主要应用在潜艇、无人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）及有人作业母船对AUV的布放、回收及能量传输过程中。

1.1 潜艇平台的AUV水下对接技术

AUV以其无人、高智能化的特性在提升潜艇的综合性能方面具有重要作用。20世纪90年代开始美国已开始潜艇集成AUV系统的研究，以提高整体作战水平。潜艇平台水下对接所采用的主要方式包括坞舱式、背驮搭载式、鱼雷管搭载式、弹道导弹发射管式、坞载式及电磁引导式。

1.1.1 坞舱式

坞舱式的搭载方式包括上层建筑坞舱式搭载^[11]及首部透水坞舱保形搭载^[12-13]，如图1所示。上层建筑坞舱式搭载通过潜艇上层建筑上方的矩形凹槽开合实现AUV对接；首部透水坞舱保形搭载通过在潜器首部部署透水坞舱，采用升降装置实现AUV的对接，具有保形盖板，在AUV布放后能够恢复潜艇整体形态特征。坞舱式的搭载方式利用潜艇自有空间，通过改造的方式实现AUV搭载，能够维持潜艇原有形态，但只适应于小型AUV。

1.1.2 背驮搭载式

背驮搭载式包括直接背负式^[14-15]及间接背负式^[16]2种，如图2所示。直接背负式采用在潜艇首部区域外设计对接机构，AUV暴露在海中，实现AUV对接；间接背负式设置AUV专用耐压筒，具有与直接背负式相同的固定机构，在对接过程中需打开专用舱门以完成AUV的对接存储。背驮搭载式对潜艇整体外形改造大，影响潜艇流线形设计，但其对接成功率高，适用于大中型UUV。

1.1.3 鱼雷管搭载式

鱼雷管搭载式包括鱼雷管机械臂式^[17]、AUV机械臂式^[18]、捕捉机构式^[19]及ROV辅助式^[1]，如图3所示。鱼雷管机械臂式潜艇中的一个鱼雷管用于装载机械臂，在潜艇航行的过程中可通过机械臂的释放对接运动AUV，能够实现完全自主，但对潜艇的改造较大且改造价格昂贵，适合与533 mm以下口径的AUV对接。AUV机械臂式的对接装置为2个环形支架，UUV首部设计叉形机械手，通过机械手捕捉环形支架实现对接，对接装置简单但受环境影响大，同时由于声呐导引装置的设计导致其隐蔽性差。鱼雷管内安装捕捉机构，通过捕捉机构的释放捕捉靠近的AUV，通过缆绳回收实现AUV入管，能够实现完全自主，可采用单鱼雷管、双鱼雷管、扩大鱼雷管的方式。同时可根据不同作业需求选择对应类型的管式。ROV辅助式能够释放潜艇鱼雷管中ROV，靠近AUV并完成捕捉，通过回收ROV系缆的方式将AUV拖入鱼雷管完成对接，利用ROV传回的视频、图像，采用人工方式确定AUV位姿状态。

1.1.4 弹道导弹发射管式

弹道导弹发射管式^[20]，是将AUV对接用的升降装置及存储装置安装在潜艇的导弹发射管内，对接时升降装置出艇，利用水声通信引导AUV入坞，存储支架可进行90°姿态位姿调整，通过升降装置完成最后对接。这种方式对AUV尺寸限制低同时对AUV外部流线性改变小，改造方式不影响潜艇机动性，但能够对接的AUV长度受限，不适用于较长款AUV的对接。

1.1.5 坞载式

坞载式^[8]是在潜艇指挥台围壳环向处设置UUV船坞或存储槽，采用驱动机构实现UUV对接。此方式对UUV尺寸约束小，不影响潜艇机动性，但对UUV形状限制严格，占用潜艇空间且设计难度大。

1.1.6 电磁导引式

电磁导引式^[18]如图4所示，是在对接装置上通过横、纵向金属线圈缠绕后通电的方式产生电磁场，利用电磁感应原理实现对接。对接回收精度高，鲁棒性良好，但其作用距离短、易受电磁干扰影响且对接装置复杂度高。

通过对目前潜艇平台AUV水下对接技术的分析能够看出，通过对潜艇内外空间的改造可实现AUV的成功搭载，其中AUV搭载在潜艇内部的方式为其主要方式，包括坞舱式、鱼雷管方式、弹道导弹发射管方式，此方式能更好地维持潜艇的原有形态，对接过程自动化程度更高，更能确保人员安全，但需占据潜艇的内部空间，且对AUV的尺度具有限制^[6-7]。而AUV搭载在潜艇外部的方式主要为背负式搭载方式、坞载方式，多用于大中型AUV的搭载^[8]。美国等西方国家在潜艇与AUV对接技术的研究方面起步较早，进展明显，已进入了工程应用阶段。潜艇平台与AUV对接因具备可人为参与的便利条件，应大力发展并加以利用。

1.2 水面平台水下对接AUV技术

水面平台包括有人平台及无人平台，20世纪90年代国内有学者开展了利用有人水面平台执行水下对接AUV技术的研究。海上有人平台向无人平台的转化是一个重大的发展方向，无人水面装备的发展能够推动海洋探索、科学研究、海上作战方式的重要变革，具有广阔的民用、军用前景^[21]。近些年，随着科技的不断发展，USV技术发展日益成熟。通过USV布放回收AUV能够降低作业成本及人员风险，在水下完成数据传输及能源补给，是有人平台布放回收AUV模式的有力补充。水面平台实现动态水下对接的方法如表1所示^[22-31]。由表中可看出，水面平台水下对接方式与潜艇平台水下对接方式具有较为明显的区别，通常采用绳或杆的方式进行。首先将对接装置用绳或杆布放到水中，应用箱（笼）等对接装置，通过AUV咬绳机构、AUV卡绳装置、AUV定位抱紧机构等实现动态水下对接^[30]。目前USV回收AUV的技术研究基本处于研究和试验阶段，尚未实现工程应用。由于水面平台整体暴露于水面上，因此其隐蔽性较潜艇为差，限制了其在军事领域的应用。

2 AUV水下动态对接AUV技术和系统实现

AUV作为水下无人系统平台的典型代表，随着智能方法与AUV系统平台的结合，其自主性和智能性不断增强^[31]，AUV与AUV之间的动态水下对接技术具有无人（高自主性）、隐蔽的特点，与潜艇的“有人”状态及水面平台的“易暴露”相比，更能够充分展现动态水下对接技术的优势作用。针对“无人”、“隐蔽性”作业需求，中国科学院沈阳自动化研究所设计的AUV水下动态对接AUV系统，在验证了AUV间的动态水下对接技术的同时，最大程度地发挥了动态水下对接的技术优势。对接系统由2台AUV组成，搭载移动坞站的AUV简称DAUV，执行回坞对接任务的AUV简称RAUV。基于声学导引、PCM动态导引等导引设备和导引方法，在多次湖试中完成对接，入坞成功率达到90%以上。

2.1 装置设计

此动态对接装置是在静态对接装置的基础上，基于动态对接的场景需求开发设计的。静态对接装置如图5所示^[33]，整体长度为4.7 m。静态对接装置设有RAUV限位夹紧机构实现对RAUV六自由度的姿态控制，对接后可实现数据传输及能源补给。静态对接过程是RAUV在声学指引下到达设定航路点，通过路径规划解算静态对接装置位置，在推进器的推动下，RAUV逐步入坞。当RAUV首部到达对接装置首部端点后停止推进，限位夹紧机构在液压系统的驱动下抱紧RAUV，首部推行机构反方向推动RAUV，直到限位加紧机构上的定位销到达RAUV首部的三角槽最前端，从而完成其位姿状态固定。在设计阶段，设计人员对RAUV横滚姿态的矫正、首部受力情况进行了分析，仿真结果满足设计要求。

针对水下动态对接的特点，在静态装置的基础上设计了DAUV。其中包括AUV固定装置，起吊架、3个纵向推进器，2个垂向推进器及6个浮力桶，将静态对接装置以及AUV在SolidWorks建模软件中进行装配，得到如图6所示DAUV结构示意图。其中起吊架用于DAUV的整体布放回收，3个纵向推进器用于DAUV前进、后退及转向控制，2个垂向推进器用于DAUV的上升及下降，喇叭口式的导向罩上均匀布置了用于接收RAUV声呐信息的应答器。RAUV长度为8.6 m，直径533 mm。

2.2 试验验证

湖上试验中，完成了DAUV与RAUV在不同深度、不同航速下的协同作业，利用TrackLink、Evologics2套不同水声定位设备分别完成了自主动态对接验证，及声光联合导引方式自主对接试验验证。由于RAUV的首部进行了对接定位用三角凹槽设计改造，在试验时首先对其主推与静水目标速度关系进行了分析，确定了AUV航行姿态控制的稳定性。在近距离导引时分析了范围、深度的探测数据的精度和可信性，通过实航数据总结得到不同情况下数据可信性的选择方式，提高了航行控制精度。设计基于Track Link 超短基线声呐的近距离目标位置修正策略，当RAUV向目标航行时，根据超短基线斜率值情况对目标位置进行更新，并采用近距离目标修正的方法改善了超短基线数据离散较大的问题，解决了离散误差对位置解算的影响。

在DAUV悬浮水下对接成功的基础上，实现了RAUV对DAUV动态追踪，完成了2组航行速度下RAUV与DAUV动态水下对接，对接过程中DAUV与RAUV的航行速度分别为0.5 kn、1 kn及1 kn、1.5 kn。整个过程中，通过算法控制解决了路径规划过程中AUV动态数据接收速率更新问题、水声定位数据对方位信息的敏感性问题，实现了相对运动高精度的控制。结果表明，AUV入坞成功率在单次入水时能够达到90%以上，验证了移动坞站AUV水下动态对接技术的可行性。DAUV对RAUV的动态回收突破了水下对接的区域限制，实现了不同区域环境的水下成功对接^[34]。

移动坞站AUV动态对接回坞AUV湖上试验的成功，为动态水下对接技术的发展提供了更多发展空间，移动坞站AUV对接AUV的方式可拓展应用在母子型AUV水下作业中，增强了不同功能类型AUV间的协作及互补。此方法既具备隐蔽性，又具备无人的优势。潜艇改造会带来高成本，采用潜艇验证水下对接技术难度大、费用高，在技术验证过程中，可采用通过移动坞站AUV充当潜艇的方式，在移动坞站上进行相关技术的验证。此方法既能保证试验效率又能降低成本，为今后潜艇水下对接技术的研究和发展提供了技术路线和技术基础。

3 动态水下对接的关键技术 3.1 对接传感器的数据融合与处理

AUV在对接的过程中首先需要解决的问题是确定AUV与对接装置的距离、方位和深度。对接过程由远及近，不同距离对传感器的精度要求不同。远距离时对传感器精度的要求较近距离时低很多。目前应用的引导传感器包括声学、光学及电磁传感器，导航定位方法包括水声导航、惯性导航、卫星导航、电磁导航、光学导航和组合导航^[34]。在水下对接的整个路径规划过程中，远距离（千米级）时以导引精度米级的声学导航为主，近距离（小于30 m）时需采用厘米级别的光学电磁导引。不同导引方式存在不同的技术难点，如声学传感器在工作时的存在通信延时及数据丢失风险^[36]，AUV与对接装置在不同深度时声学导引设备数据存在不收敛问题；光学导引易受到背景光变化、光的反射、折射、吸收以及水中悬浮颗粒、生物等因素影响，会因环境扰动、观测距离及观测角度的变化而丢失目标，计算量大，精度受控制算法影响程度高^[37]；电磁导引传播距离小，磁场干扰对导引精度影响大；潜用UUV的回收过程要求具有较高的隐蔽性，应尽量减少声呐通信的使用等。在实际应用过程中需对不同传感器的数据质量和使用情景进行充分考虑，并在试验中不断改进优化，从而提高对接的整体效率。

3.2 对接控制策略

对接控制策略用于规划最佳对接路径，通过算法控制AUV接到对接任务指令后进行合理路径规划，降低整体路径中的能源损失、对接偏差及对接失败概率，短时高效地完成对接任务。在AUV靠近对接装置时，需设置危险区，通过稳定性控制调整AUV姿态确保作业精度^[38]，通过控制策略避开危险区来降低AUV与对接装置相撞的概率。目前应用的水下对接控制策略包括：基于坞站锥形导向罩中轴线的动态修正循环的PCM动态导引；基于连续变量动态系统和离散变量动态系统有机结合的混杂系统对接控制；规划层、决策层、执行层，3层递进的对接控制；速度和位置匹配的评价函数控制；将对接空间划分为模糊目标的模糊控制策略^[2]；基于动力定位系统控制器设计的最优滑模变结构控制理论。

3.3 水动力干扰对策

AUV在水中运动，舵、推进器等推动水产生运动必然会受到水对AUV的反作用力，这种由于AUV运动而引起的水反作用力就是水动力，水下对接的过程中AUV会受到水动力扰动的影响，同时AUV受海流和浮力的影响，需要AUV在速度和姿态上进行调整以适应其变化^[39]。影响因素包括AUV与对接装置的尺寸差异，AUV运动姿态、速度，AUV与平台间的方位、距离等。解决方式通常为在理论模型分析的基础上，通过流体力学模拟分析AUV对接方位，规划AUV的对接路径、姿态以最大程度地降低对接过程中水动力干扰的影响。除上述原因外，还包括海流、波浪、海洋生物的干扰，且干扰呈非线性，解决方法包括采用AUV迎流对接法、建立海流模型法、传感器测定波浪参数法等。

4 结　语

随着AUV技术的日益发展，在下潜深度、工作时长等方面关键技术的逐步突破，具备更多功能的AUV将推动人类在海洋探索、智能勘探等多个方面的进步。AUV动态水下对接技术作为AUV水下布放回收、能源补给的重要方式对实现海洋平台“自主化”作业的发展目标具有重要意义，动态水下对接技术的发展将对扩展AUV工作时长、增强AUV使用的便利性和隐蔽性、降低保障需求，进而推动AUV走向更多场景的工程应用起到重要作用。移动坞站AUV动态水下对接AUV的技术以其“无人”、“隐蔽”的自身优势将引起更多国内外学者的关注及研究。通过不同海洋平台上的应用、协同，动态水下对接技术未来将在以下方面起到不可替代的作用：

1）有人水下平台和无人水下平台间的协作

AUV是水下作战力量的倍增器，在目前AUV续航能力、人工智能技术、无人系统机理等方面尚不理想的情况下，水下动态对接技术可作为AUV与水下有人平台之间的桥梁，综合利用潜艇的能源供给、人在回路，AUV的无战损特点，设计水下战场，仍是较为可行的发展路线。

2）水面平台与水下平台间的协作

水面平台通信链路畅通，能源储备充足，这2点恰好是AUV所欠缺的。但其受水面波浪的影响较大，动态对接装置的运动状态因之变得复杂，对技术提出了更高要求。未来需大力开展复杂环境下动态对接技术的研究，提高对接过程对环境的适应性。在动态对接技术的支持下，水面平台特别是无人水面平台可以延长AUV的海上作业时间，实时或准实时地了解AUV的工作状态，提高AUV的作业效能。

3）大型水下平台与小型水下平台间的协作

大型AUV续航力长、航速快、能源储备多，具备携载多型多套小型AUV的能力；小型AUV可根据不同任务需求，配置不同任务载荷，灵活作业。预计随着动态对接技术的成熟，大小AUV各司其职，各显所长的子母型AUV及其群组会出现在海洋工程领域及海战场中，以分工合作的模式，实现人们对AUV更快、更远、更深、更强的愿望。