0 引　言

自20世纪50年代诞生以来，自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）已在海洋环境检测、深海资源勘探和开发、水下搜救打捞等领域得到广泛应用。随着科技水平不断提高，以及对深远海域的不断探索，AUV仍然是当前研究的热点，并逐步实现自主化、智能化、标准化^{[1 − 6]}。

AUV能源主要依靠舱内携带电池，续航时间有限。同时受制于水下通信能力，AUV需要频繁回收至母船，以补充能源和传输数据^{[7 − 8]}。回收作业因此成为AUV常态化作业至关重要环节，近些年受到世界各国广泛关注。传统有人回收方式工作效率低，劳动强度大，难以实现全天候作业。水面无人船（Unmanned Surface Vehicle，USV）技术近些年迎来爆发式发展，作为一种功能丰富的水面无人平台，与AUV相比，USV在载荷搭载能力、续航时间以及通信能力等方面具有明显优势。同时，USV重量和体积相比与有人舰船较小，可到达一些大型有人舰船难以触及的浅水区域和危险区域进行作业，具有更广的适用性和更强的自主性^{[9 − 10]}。USV与AUV协同作业能够相互促进，充分发挥自身长处，显著提高工作效率，为水面和水下任务提供全面而协调的解决方案，同时也为最终实现海上无人作业提供技术支持^{[11 − 12]}。

目前，国内外多家研究机构和科研公司均开展了有关USV自主布放回收AUV的研究，并取得了一定成果^{[13 − 16]}。2019年，GEBCO Alumni 团队使用Sea-Kit无人船自主进行Hugin 1000 AUV的布放和回收^[17]。这款无人船的整体设计呈现出“U”型，如图1所示。该种设计允许AUV航行至U型槽内进行回收，无人船的舱体底部配备传送带，旨在辅助AUV的回收。该设计方案对海况和AUV导航精度都有相对较高的要求。

2017年，ASV公司、Planet Ocean公司、英国国家海洋学中心（NOC）以及南安普敦大学共同研发了一套自主布放回收系统 ^[18]。ASV C-Worker-5无人船通过将前端一侧的回收装置旋转至水中，完成对漂浮在水面上的微型AUV的打捞回收。如图2所示。

此外，哈尔滨工程大学开发的二级变幅AUV回收布放装置，法国ECA集团INSPECTOR 120无人船自主回收AUV方案等，都为AUV的无人回收提供了新的思路。

本文提出一种基于倾斜滑道绳索捕获式回收装置设计方案。回收装置采用模块化设计，这一设计方案的优势在于其灵活性和通用性，采用水面回收，尾端可实现大角度捕获，结构简单、易于对接，同时降低对AUV导航定位精度的要求，且该装置能够在托架不同角度下实现有效捕获。采用模块化设计使得装置结构清晰，易于维护和调整，可调整托架两侧保护架间距以回收不同直径的AUV。

1 机械设计与工作流程 1.1 机械结构设计

回收装置整体结构如图3所示，拖曳滑道模块中绞盘安装在托架首部；限位模块安装在绞盘与滑道之间；张紧模块安装在托架两侧；底架滑台模块中步进电机安装在底架中部；电子推杆与铰接件以及轴承座将底架与托架连接在一起。装置依靠步进电机带动齿轮在齿条上运动实现托架的前后移动。拖曳滑道模块依靠电动推杆的伸缩实现倾斜与复位状态。能源模块安装在托架顶部，装置整体采用自容式供电，无需外接电源线。装置长2.5 m、宽1.2 m、高1.1 m，总重约120 kg。

本文方案咬绳装置与目前国内外采用的咬绳装置存在差异。佛罗里达大西洋大学采用双体USV，并通过咬绳机构实现对Remus100 AUV的回收，如图4所示。稳定翼受水流作用提供下压力，使竖直缆绳张紧。AUV的首部或侧部装有捕获装置。AUV通过撞击绷紧的缆绳完成捕获，然后通过回收缆绳将AUV回收至母船。

本文所设计回收方案部分受舰载机降落捕获阻拦索启发。舰载机在航母着陆过程中，依靠安装在其中尾部的挂钩勾住拦阻系统中的拦阻索完成着舰。本方案中张紧模块将回收缆绳水平拉紧，通过阻拦AUV前进迫使其被动咬绳实现捕获对接。

尾部缆绳通过张紧模块中两侧气鼓绳拉紧始终处于水平张紧状态，缆绳另一端与绞盘相连，此时缆绳整体呈现三角形。回收时，AUV向缆绳靠近，通过安装在AUV首部的被动捕获绳索机构完成对缆绳的捕获，原理如图5所示。

1.2 工作原理

本文所设计回收方案将回收AUV过程分为5个步骤：1）USV航行至AUV附近水面，两者通过信息交互确定相对位置；2）AUV向USV尾部靠近，回收装置托架伸出，推杆推出使拖曳模块倾斜，回收缆绳与水面接触，完成回收准备动作；3）AUV进一步向USV尾部的回收装置靠近，通过首部的被动捕获绳索机构撞击托架尾部回收缆绳完成咬绳操作；4）绞盘将AUV拖上托架到达指定位置；5）推杆收缩，步进电机带动齿轮相对齿条运动，托架归位，完成回收过程。

在回收过程的第3步，AUV摆正姿态并驶向托架尾部，进行咬绳操作，若捕获绳索失败，则AUV调整姿态重新进行咬绳动作。回收流程如图6所示。

2 受力及仿真分析 2.1 力学分析

AUV回收至托架可分为2个阶段，第1阶段AUV自水中被拖曳至托架，第2阶段为推杆收缩使AUV置平。已知回收装置托架以上整体质量为80 kg，AUV重50 kg。回收过程示意图及受力情况如图7所示。在此过程，对推杆的运动和受力进行了详细研究。这些分析有助于确定不同夹角下推杆的受力分布，为AUV回收过程的可靠性和效率提供关键信息。

图中KO为托架水平位置，DO为托架升起收缩时位置，K点代表推杆与底架连接点，O点代表轴承座相对位置，A点为托架质心位置，B点为AUV相对托架静止时的重心，B'点为AUV临界脱离水面时重心位置，C点为推杆作用点。角$\alpha$为托架与底架之间角度，角$\beta$为推杆力垂直作用线与水平底架的夹角。A点质量m_A=80 kg，B点质量m_B=50 kg，根据回收过程的2个阶段将受力分析分为2种工况。

第1阶段中，托架升起，固定在回收预备位置，此时角$\alpha =$35°，角$\beta$=30°。AUV由点 B′位置向点B运动时，AUV重力作用力臂不断减小。根据三角关系和静力平衡关系可得出以下公式：

$\begin{array}{l}\left\{ \begin{array}{l}\begin{array}{l}F={\rm{mg}}，\\ M=FL，\\ \Sigma M=0，\\ {F}_{C} \cdot OK \cdot \cos \beta {+F}_{B} \cdot {{OB}}^{{'}} \cdot \mathrm{cos}\alpha ={F}_{A} \cdot OA \cdot \cos \alpha 。\end{array}\end{array}\right.\end{array}$

(1)

式中：${F}_{A}$为托架所受重力；${F}_{B}$为AUV所受重力；${F}_{C}$为推杆所受拉力。

化简得：

$\begin{array}{c}F_C=\dfrac{\left(F_A\cdot OA-F_B\cdot OB^{\mathrm{'}}\right)\cos\alpha}{OK\cdot\cos\beta}\end{array}。$

(2)

已知绞盘拖曳AUV过程中角$\alpha$与角$\beta$的值固定不变，OA与OK已知，因此${F}_{C}$的大小是关于未知数OB'的一次函数。令顺时针方向为正方向，对OB'求一次导数得：

$\begin{array}{c}\dfrac{\partial F_C}{\partial OB^{'}}=-F_B 。\end{array}$

(3)

可得该函数单调递减，第一阶段中${F}_{C}$的最大最小值分别出现在OB'最大与最小时，将数据代入可得：

$\left\{\begin{array}{l}{F}_{{C}{\rm{max}}}=140.8\;{\rm N}，\\ {F}_{{C}{\rm{min}}}=-94\;{\rm N}。\end{array}\right.$

第2阶段中，AUV相对托架静止在B点，推杆收缩，托架角度变化，此时

$\begin{array}{c}F_C\cdot OK\cdot\cos\beta+F_B\cdot OB\cdot\cos\alpha=F_A\cdot OA\cdot\cos\alpha，\end{array}$

(4)

化简得：

$\begin{array}{c}F_C=\dfrac{\left(F_A\cdot OA-F_B\cdot OB\right)}{OK}\cdot\dfrac{\cos\alpha}{\cos\beta}。\end{array}$

(5)

此时角$\alpha$与角$\beta$的值随推杆的收缩而减小，已知三角函数余弦随角度减小而增大，角$\alpha$大于角$\beta$，两角同步减小至0°，可知角$\alpha$角加速度大于角$\beta$，式中${\cos \alpha }/ {\cos \beta }$随角度减小而增大，因此当托架与水平角度为0时，${F}_{C}$达到最大值${F}_{{C}{\rm{max}}}=$100 N。

拖曳滑道模块作为USV自主回收AUV的另一重要组成部分，直接影响回收任务的成功与否。因此对回收过程中绞盘所受拉力进行分析，如图8所示。取滚轮与光滑钢板表面的摩擦系数$\mathrm{\mu }=0.01$，开角$\alpha = 35^\circ$，${g}=9.8\;\mathrm{N}/\mathrm{k}\mathrm{g}$，取安全系数S=2，AB为托架平面。

由力学平衡关系可得：

$\begin{array}{l}\left\{\begin{array}{l}F=\mathit{\mathit{\rm{\mathit{mg}}}}，\\ F_n=F\cos\alpha，\\ F_t=F\sin\alpha，\\ F_T=SF_t+S\mu F_n。\end{array}\right.\end{array}$

(6)

式中：${F}_{T}$为绞盘拉力；$F$为AUV所受重力；${F}_{n}$为$F$垂直托架平面方向分力；${F}_{t}$为$F$与托架平面平行方向分力。

将式(6)代入三角辅助公式：

$\begin{array}{l}\left\{ \begin{array}{l}\begin{array}{l}f\left(x\right) = a\cdot \sin x + b\cdot \cos x = \quad \sqrt{{a}^{2}+{b}^{2}}\sin \left(x+\alpha \right)，\\ \tan\alpha =\dfrac{b}{a}。\end{array}\end{array}\right.\end{array}$

(7)

得式(8)：

$\begin{array}{l}\left\{\begin{array}{l}{F}_{T}=S{F}_{t}+S\mu {F}_{n}=SF\sin\alpha +S\mu F\cos\alpha= \\ \sqrt{2\left(1+{\mathrm{\mu }}^{2}\right){\mathrm{S}}^{2}{F}^{2}}\sin \left(\alpha +\beta \right)，\\ \tan \beta =\dfrac{{S}{\mu }F}{{S}F}=\mu。\end{array}\right.\end{array}$

(8)

可知绞盘受力随角$\alpha$增大而增大，当$\alpha$取最大值时，绞盘所受最大拉力${F}_{T{\mathrm{max}}}=581\;\mathrm{N}$。

在本文所设计回收装置中，步进电机通过驱动齿轮齿条相对运动以实现底架与托架沿槽钢滑道上相对运动。已知当AUV位于托架上，槽钢与槽钢滑轮之间摩擦系数受表面状态、材质、载荷、润滑等多种因素影响。一般情况下，槽钢与槽钢滑轮之间摩擦系数约在0.05～0.1之间。为使实验数据可靠，取槽钢与槽钢滑轮之间的摩擦系数$\mathrm{\mu }=$0.1。本装置选用扭矩为6 N·m的86步进电机，配以减速比i=10∶1减速器，最大输出扭矩T=60 N·m，${{T}}_{f}$为阻力得的等效力矩，齿轮齿顶圆半径为60 mm，选取r=60 mm为工作半径，步进电机做功需要克服摩擦阻力$f$，取安全系数${S}=2$，${g}=9.8\;\mathrm{N}/\mathrm{k}\mathrm{g}$。由力平衡分析得公式：

$\begin{array}{l}\left\{\begin{array}{l}G={{m}}_{1}g+{{m}}_{2}g，\\ f=S\mu G，\\ {{T}}_{f}=fr。\end{array}\right.\end{array}$

(9)

计算可得T_f =17.64 N·m，该电机可稳定运行。

机构可靠性的最大挑战在于装置中受力最大、受力变化幅值最大的零件是否具备足够强度以满足工作要求且不易破损。因此需要对托架与底架连接处的铰链支座进行受力分析及静应力仿真。

铰链支座主要承受托架与AUV两部分重力，运用有限元思想将铰链支座的受力等效为图9中2种情况的叠加。图中，O点代表轴承座受力点，将C点等同为一个铰点，利用力矩平衡求解O点受力情况，B点、A点为AUV质心位置。已知A点、B点、C点与O点之间距离，可分别求得O点支座反力的分力${F}_{O1}$与${F}_{O2}$。

根据力矩平衡公式求得支座反力F_O=F_O1+F_O2=1236 N。铰链支座材料选用5052铝合金，该材料具有较好的强度和耐磨性，相关参数如表1所示。

2.2 关键部件静力学仿真

使用Solidworks软件中的Simulation功能模块对铰链支座进行静应力分析。首先将材料设置为铝5052合金，将支座底面固定，分割轴心圆柱上下表面后向支座下轴面施加1236 N的力。划分好网格后进行运算，铰链支座所受应力与产生位移量如图10所示。

由仿真结果可知，铰链支座受力所产生的最大应力值为29.4 MPa，产生的最大位移为0.00213 mm，符合强度和稳定性要求。

静应力分析对承载AUV的托架同样重要，将模型添加材料，设置夹具约束，将AUV重力添加为受力并划分网格，仿真结果如图11所示。

托架最大位移2.017 mm，最小安全系数12，满足强度要求。

2.3 动力学建模仿真

将装置三维模型导入Adams动力学仿真软件，对装置工作过程中推杆受力情况进行仿真分析，设置推杆运动速度为30 mm/s，获得推杆受力变化曲线，如图12所示。

通过力学分析结果的比对，得知随着推杆伸出长度的增加，推杆的推力逐渐减小，与计算结果一致。

当AUV置于托架上时，为确保回收装置的稳定运行，须实时校核电机阻力矩，并将其与电机额定扭矩进行对比，以确保整个装置的稳定性和可靠性。

同样将底架模型导入Adams动力学仿真软件，将参数调整到实际情况相符，定义齿轮齿条之间接触力为基于Impact函数的接触力。Impact函数是通过刚度系数与阻尼系数来计算碰撞力。

Impact函数的表达式为：

${\mathrm{max} \left\{ 0,K \left(q_0 - q \right)^{\mathrm{e}} - C \times \dfrac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t} \times \mathrm{STEP}\left(q,q_0 - d ,l ,q_0 ,0\right) \right\}。}$

(10)

式中：q为2个物体之间的实际距离；${{\mathrm{d}}q}/{{\mathrm{d}}t}$为物体之间的速度；${q}_{0}$为2个物体接触的参考距离；刚度系数 K描述了系统的弹性；刚性力指数$\mathrm{\varepsilon }$控制了刚性力对距离变化的响应；阻尼率C表示了系统的阻尼大小；d用于调整阻尼率达到最大值所需的距离，以确保碰撞过程中阻尼条件的连续性。

这个方程描述了2个物体之间的力学相互作用，融合了刚性力、弹性和阻尼元素，为系统的动态行为提供了精确而全面的建模。对齿轮所受力矩进行仿真，结果如图13所示。

可以看出，在齿轮工作过程中实时接触力大部分时间维持在350 N左右，该步进电机与减速器配合使用最高可输出60 N·m扭矩，由$T=F{r}$计算得接触力等效力矩T_N = 21 N·m，远小于电机额定扭矩，该部分机构稳定可靠。

3 试　验

为验证本文所设计布放回收装置的可行性，搭建系统原理样机并进行AUV布放回收试验测试。测试分为陆上测试与水上测试2个阶段。陆上测试验证执行机构与机构稳定性，水上测试验证该装置在真实工作环境下的回收能力，具体内容如图14所示。试验过程中USV停靠水池岸边，AUV通过无线远程操控，按回收流程进行回收操作。

经试验验证，该装置结构可靠稳定，功能完整，能高效便捷地回收一定尺寸范围内的AUV。

4 结　语

本文提出一种基于USV的倾斜滑道绳索捕获AUV布放回收装置。对该装置进行了总体结构设计、工作原理分析、静力学理论分析与强度校核以及动力学仿真，详细介绍了回收装置的工作流程。最终搭建一套装置原理样机并进行陆上测试与水上测试，实验表明该装置中各执行机构稳定运行，各功能稳定可靠，能高效快捷完成对AUV的布放回收，可实现自主无人作业，为未来实现海上少人化、无人化作业提供技术支持。同时，该布放回收装置具有较好的普适性，可等比放大，为实现中大型AUV的自主布放回收提供参考思路。