0 引　言

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）在各项先进技术的驱动下，具备自主决策和控制能力，可以更高效地执行各类水下任务，已经成为世界海洋强国竞相发展的重要装备，在军事、民用以及科学研究领域发挥着越来越重要的作用^[1]。但由于AUV自身所携带的能源有限，在能源将要耗尽时需要及时回到母船进行补充，其水下工作时间和范围严重受限。并且AUV的水面布放回收需要花费大量的人力和物力，还存在着成功率受水面状况影响大、不便于隐蔽作业等问题。AUV水下对接回收技术通过AUV与海底基站、水下移动平台等水下支持平台的对接，实现了AUV的能源补充、数据交换和维护保障，是实现AUV大范围、长时间连续水下作业的有效方式^[2]。

AUV的水下对接回收装置搭载在水下平台上，可以按照其所搭载平台的运动形式进行分类，划分为静态对接回收装置和动态对接回收装置2种类型。典型的AUV水下静态对接回收装置包括美国伍兹霍尔海洋研究所的Roger Stokey团队为“REMUS”AUV开发的水下对接装置^{[3 − 4]}、美国麻省理工学院海洋实验室和伍兹霍尔海洋研究所的Hanumant Singh团队研制的“Odyssey-IIB”AUV水下对接系统^[5]、日本川崎造船株式会社的Tadayuki KAWASAKI团队研制的“Marine-Bird” AUV水下对接系统^[6]以及日本东京大学的Toshihiro Maki团队研发的悬停型AUV“Tri-TON 2”水下对接回收系统^[7]等。这类装置实现了AUV对接回收作业流程的无人化，作业成功率受水面海况的影响较小，在海底基站附近AUV作业的隐蔽性也较强，但AUV的水下作业范围仍受限于静态水下平台的具体位置，不利于AUV的水下远程作业。哈尔滨工程大学的一系列援潜救生对接式AUV水下对接回收装置^{[8 − 10]}、美国巴特尔纪念研究所、哥伦比亚集团和Bluefin机器人公司的Dave Pyle团队为“海神”大型水下航行器设计的AUV搭载装置^{[11 − 12]}以及中国科学院沈阳自动化研究所的郑荣团队设计的AUV移动对接坞站^{[13 − 14]}等是目前世界各国研制的AUV水下动态对接回收装置。这类装置解决了AUV水下作业范围受限的问题，提升了AUV的应用水平，对AUV应用技术的发展具有重要意义，是AUV对接回收装置的未来发展趋势。

目前，成熟应用的AUV水下动态对接回收装置较少，大部分技术都还处于设计研制和初步试验阶段。本文依据AUV在大型水下航行器上搭载的需求，设计了一种新型的AUV水下动态对接回收装置，可以实现对鱼雷状外形重型AUV的搭载、布放和回收。对于填补AUV水下动态对接回收技术的空白、提升AUV的应用水平、实现AUV在大型水下航行器上的搭载具有重要意义。

1 对接回收装置的主要功能和工作对象

本文所设计的AUV水下动态对接回收装置主要针对AUV和水下母艇都处于运动状态的水下动态对接回收场景，解决了AUV在6个自由度上的方向调整问题，同时实现了对AUV的安全对接缓冲和快速稳定锁紧。对接回收装置的主体部分安装在水下母艇上，以流线型外形的重型AUV作为对接回收目标，目标AUV全长为11300 mm，圆柱体部分直径为1900 mm，如图1所示。

为了便于目标AUV与水下母艇进行对接回收，在目标AUV圆柱体部分布置有4个环向锁紧把手、首尾各1个纵向锁紧沟槽和1个圆柱形充电及数据传输接口等辅助对接装置，如图2所示。

水下母艇进行AUV对接回收的部分可简化为1个用于固定AUV水下动态对接回收装置的安装平面和1个固定式的圆柱体AUV充电及数据传输接头，如图3所示。

2 对接回收装置方案研究 2.1 总体方案设计

本文所设计的AUV水下动态对接回收装置的总体结构如图4所示，主要由升降机构、横向调整机构、扶手机构、横滚调节机构、锁紧钩爪、框架结构以及驱动液压缸等部件组成。利用框架结构，对接回收装置可被划分为结构稍有差异的前后两部分，分别适配目标AUV上的首部和尾部纵向锁紧沟槽。

2.2 对接回收流程分析

为了使上述各部分机构能够实现预期设计功能，保证AUV对接回收作业的效率和可靠性，对接回收装置需要按照完整合理的工作流程运作。本文所设计的对接回收装置的对接回收流程如图5所示。

1）初始状态。当水下母艇在水下正常航行，未搭载AUV时，对接回收装置处于初始状态。升降液压缸保持收回，升降机构保持在最低处；横向调整液压缸保持伸出，两侧扶手机构间距保持最大；扶手液压缸保持收回，钩爪保持收回；纵向锁紧液压缸保持伸出，尾部锁紧钩爪保持在靠前位置。初始状态各机构的具体位置见图4。

2）AUV到位。AUV对接回收作业开始后，AUV首先会利用超短基线（USBL）声学导航定位技术从远处运动至对接回收装置上方约10 m处，随后，AUV会同时利用水下母艇上安装的定位光阵进行光学视觉定位。最终AUV与水下母艇保持基本一致的航行速度和航行方向，且将相对于对接回收装置的位置调节至如图6所示。垂向位置为装置上方约10 m处，横向位置为与对接回收装置基本对齐，纵向位置为将充电及数据传输接口保持在图6中的对接准备区内。

3）准备阶段。在AUV到位之后，对接回收装置会进入准备阶段。2个升降液压缸同步伸出，升降机构带动其他部分同步上升至框架结构顶端；横向调整液压缸向内收回，两侧扶手机构缩小间距，扶手上的双轴滚轮凸出横滚调节机构的圆弧形滚条；扶手液压缸伸出，扶手钩爪伸长至最远端；纵向锁紧液压缸维持原状。准备阶段完成后各机构的具体位置如图7所示。

4）缓冲及纵向调整阶段。在对接回收装置完成准备之后，AUV开始下落。在AUV接触双轴滚轮时，扶手液压缸末端相连的缓冲弹簧通过杠杆作用完成对接缓冲。与此同时，AUV受到额外的摩擦力，相对水下母艇向后运动。此时，艏部锁紧钩爪会在纵向定位AUV，完成AUV纵向调整。最后，传感器检测到艏部锁紧钩爪锁紧后，横向调整液压缸会向外伸出，两侧扶手机构间距增大，双轴滚轮落回到圆弧形滚条下方。而AUV同时会在升降舵的作用下随之坐落到圆弧形滚条之内，如图8所示。

5）横滚调节及锁紧阶段。在传感器检测到AUV落入圆弧形滚条之后，扶手液压缸开始收回，钩爪勾上环向锁紧把手。在收回过程中，钩爪带动AUV旋转以完成横滚调节。由于4个扶手液压缸持续输出压力，AUV在完成横滚调节后就会被横向和垂向完全锁紧。在传感器检测到扶手液压缸收缩到位后，纵向锁紧液压缸就会开始收回，使艉部锁紧钩爪完成AUV纵向移动自由度的锁紧，如图9所示。

6）垂向对接阶段。在传感器检测到艉部锁紧钩爪锁紧完成后，2个升降液压缸会同步收回，驱动升降机构并最终带动AUV平稳水平下降。在升降机构下降至框架结构底部时，AUV上的圆柱形充电及数据传输接口也恰好与水下母艇上的圆柱形接头完成对接，开始水下母艇与AUV之间的数据交换和能源补充等后续作业。至此，AUV水下动态对接回收工作流程完成，如图10所示。

2.3 AUV布放流程分析

本次设计的对接回收装置同时也考虑了布放AUV的需求，具体的AUV布放流程如图11所示。

3 关键机构设计研究

1）升降机构设计

升降机构的具体结构如图12所示，主要由升降液压缸、升降底盘、滑块、垂直滑轨等零件组成。其中，升降底盘安装在升降液压缸上，在底盘的4个角安装有8组滑块，与安装在框架结构上的垂直滑轨相配合。在升降液压缸的驱动下，升降底盘可以带动其他部分利用滑块沿着垂直滑轨做升降运动，并且前后2个升降液压缸被设计为同步缸，可以使前后2个升降机构在垂向保持同步。

2）横向调整机构设计

横向调整机构的具体结构如图13所示，主要由横向调整液压缸、移动底座、滑块、水平导轨等零件组成。其中，横向调整液压缸和水平导轨安装在升降机构的升降底盘上，移动底座安装在滑块上并与横向调整液压缸相连。在1个升降机构上横向对称布置2个横向调整机构，通过控制2个横向调整液压缸的伸出与收回可以驱动2个移动底座沿水平导轨往复运动，带动扶手机构增大或缩小间距。

3）扶手机构设计

扶手机构的具体结构如图14所示，主要由扶手液压缸、杠杆底座、缓冲弹簧、扶手、双轴滚轮、扶手钩爪等零件组成。其中，杠杆底座安装在横向调整机构的移动底座上，扶手液压缸包裹在扶手中通过安装轴安装在杠杆底座上，起到杠杆的作用。在横向调整机构的移动底座向内运动后，横向对称布置的2个扶手机构间距缩小，扶手上的双轴滚轮会凸出横滚调节机构的圆弧形滚条，首先接触AUV。缓冲弹簧不仅可以缓冲杠杆作用传导来的双轴滚轮受到的碰撞冲击，还可以利用回弹力带动横向对称的2个扶手旋转，辅助AUV进行横向对中。在横向调整机构的移动底座向外运动后，2个扶手机构的间距增大，双轴滚轮回到圆弧形滚条下方，AUV落入横滚调节机构的圆弧形滚条内。此时，在圆弧形滚条的辅助下，2对横向对称布置的输出力相同的扶手液压缸驱动扶手钩爪与AUV上的环向锁紧把手相配合，可以利用力矩平衡原理完成AUV小幅度的横滚调节，并同时完成对AUV的横向和垂向锁紧。

4）横滚调节机构设计

横滚调节机构的具体结构如图15所示，主要由支撑底座、滚轮、圆弧形滚条、橡胶防滑条等零件组成。其中，支撑底座安装在升降机构的升降底盘上，15个滚轮安装在支撑底座内，圆弧形滚条与滚轮保持相切，可以绕圆柱轴自由转动。而橡胶防滑条则安装在圆弧形滚条上，上表面与AUV圆柱体部分的外径相同，与AUV直接接触，不仅可以进一步起到缓冲作用，还可以避免在横滚调节过程中，AUV与圆弧形滚条之间发生滑动。横滚调节机构的主要功能是配合扶手机构进行横滚调节，但同时也起到引导AUV坐落以及辅助最终锁紧定位的作用，更是完成对接回收之后，直接承载AUV的主要机构。

4 液压控制系统研究

根据AUV水下动态对接回收装置的工作流程和各部分机构的具体结构设计方案，为了实现各部分机构的精准流畅运动，确保对接回收装置正常工作，设计对应的液压驱动系统。考虑到该液压驱动系统工作在深海环境中，需要承受较大的海水压力，为了使液压系统能够正常工作，采用压力补偿技术^[15]。通过压力补偿，该液压系统的回油压力与外界海水压力相等，避免了海水压力对液压系统的影响。同时，考虑到本次设计的AUV水下动态对接回收装置以重型AUV作为目标对象，所需液压驱动系统的功率较大，采用了开式布置方式^[16]。将液压泵布置在油箱之外，减小了油箱的体积，并且由于液压泵在海水中工作，散热迅速，避免了液压油温升过高的问题。

根据AUV水下动态对接回收装置的实际负载，综合考虑液压缸起动摩擦力、动摩擦力、液压缸机械效率等因素，确定了液压缸的各主要参数。本次设计液压缸选用单活塞杆液压缸，依据式(1)来确定液压缸的内径和活塞杆截面积，进而结合液压缸各动作设计用时来确定整个液压系统的工作流量。

$ \left\{\begin{split}&F/\eta ={A}_{1}{P}_{1}-{A}_{2}{P}_{2}={A}_{1}{P}_{1}-\left({A}_{1}/2\right){P}_{2},\\ &D =\sqrt{4{A}_{1}/{\text{π}} },d=0.707D。\end{split} \right.$

(1)

式中：$ F $为液压缸负载；$ \eta $为液压缸机械效率；$ {A}_{1} $为无杆腔工作面积；$ {A}_{2} $为有杆腔工作面积；$ {P}_{1} $为无杆腔工作压力；$ {P}_{2} $为有杆腔工作压力；$ D $为液压缸内径；$ d $为活塞杆直径。

整套液压系统回路可划分为升降回路、扶手回路、横向调整回路和纵向锁紧回路，各个回路互不影响，单独动作，如图16所示。图中，两位两通电磁阀起到液压总开关的作用，该电磁阀默认为开启状态，转变为闭合状态后，后续各回路才能正常动作。升降回路需要使前后2个升降液压缸保持高度同步状态，且由于升降液压缸垂直布置，与受力方向相同，因此采用了电磁比例换向阀和平衡阀组合的同步回路。在传感器的辅助下，电磁比例换向阀可以较为精准地控制前后2个升降液压缸，使其始终保持同步。而平衡阀则可以使升降液压缸始终平稳顺畅地进行升降动作，避免液压缸失控和抖动。扶手回路和横向调整回路对于各个液压缸的同步性要求不高，因此采用了由多个分流阀组成的简易同步回路。纵向锁紧回路的结构最为简单，仅需1个电磁换向阀来控制纵向锁紧液压缸的伸出与收回。

5 结　语

本文针对AUV和水下母艇都处于运动状态的水下动态对接回收场景，设计了一种新型的AUV水下动态对接回收装置。介绍了该对接回收装置的总体设计方案，对其中的部分关键机构进行了详细的结构说明，并设计了与机械结构相匹配的液压控制系统。

本文的设计方案可以完成AUV在6个自由度上的方向调整，同时实现了对AUV的安全对接缓冲和快速稳定锁紧。该成果将为AUV实现其在水下大型航行器上的搭载提供支撑，具有一定的工程实用价值。后续将进行样机试制和联调试验，并最终进行样机水池对接回收试验，以满足实际工程需求。