0 引　言

随着人类不断深入探索海洋，对海洋开发工具的使用需求逐渐提高，各种无人探测设备应运而生。水下滑翔机（Underwater Glider，UG）是一种新型无人探测设备，通过调整自身浮心和重心位置改变升沉状态，利用水动力实现锯齿状滑翔，具备自主导航、探测、跟踪能力，通常由母船布放至指定海域，具有尺寸小、功耗低、成本低、机动性弱、续航时间长等特点^[1]，可长时间执行侦察监视、资源勘探、信号采集等任务^[2]。

滑翔机自身重量大、附体强度低、机动性能弱、易受浪流干扰，因此不易回收。母船回收水下滑翔机时，通常需使用小型工作艇，人工打捞并系紧揽绳，再由母船起重臂吊运至甲板，整个过程需多人协作，作业效率低、人力成本高、安全风险大，且滑翔机易与母船磕碰导致损坏^[3]，受海况影响明显，操作难度大。

为解决上述问题，国内外在布放回收平台设计、滑翔机对接导引、动力学特性分析等方面开展了大量研究。孙叶义等^[4]针对自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）水下对接回收问题，系统描述了不同方法的技术难点和优缺点。M. MIRANDA II^[5]提出了一种无人艇（Unmanned Surface Vessel，USV）用于滑翔机回收，该型USV搭载声学探测传感器实现对滑翔机定位。STOKEY R等^[6]介绍了一种锥形坞式水下对接装置，其具备目标跟踪能力可提高浪流中对接成功率。刘旸等^[7]就长杆套圈连绳的回收方式进行分析，结合实例详细描述了作业准备、船舶操纵、特情处置等方面的操作流程和注意事项。LI Y等^[8]在水池实验中测试了视觉导航定位装置，实现了超80%的对接成功率。QIN Y等^[9]研究了滑翔机抵近锥形对接站时的流体动力学特性，为对接运动控制提供动力学模型参考。徐胜等^[10]提出了一种使用双体无人船的布放回收方案（见图1），通过锥形导向口和机械手对接并锁紧滑翔机。马杰^[11]设计了一种V形导引锁紧装置，搭载该装置的ROV自下向上回收水下滑翔机（见图2）。综合现阶段研究成果，回收装置与滑翔机或AUV的水中引接、固定仍是主要技术难点。

本文聚焦滑翔机的布放回收，研制了新型水下遥控机器人（下称ROV），其可定位、抓取、固定水下滑翔机，并通过配套起重设备吊放至甲板或海面。该方案免除人力参与高风险作业，降低船舶操控和打捞的难度，显著提高收放过程的安全性、快速性和可靠性。

1 整体设计方案

本文所设计ROV用于回收天津大学的某型水下滑翔机（见图3）^[12]，其在机身两侧装有机翼，尾端安装尾翼、推进器和杆状天线，天线方向与机身轴线平行，机身头部安装传感器，整机外形细长。因滑翔机天线、机翼、传感器等部位脆弱，需依据滑翔机的外形合理设计ROV结构以确保设备安全。

ROV主尺度为3.3 m×1.29 m×1.03 m，满载重300 kg，最大潜深80 m，续航时间8 h，可在3级海况下作业，具备4个自由度（纵移、横移、垂荡及偏航）的运动控制能力，前进速度3 kn，有较高的自动化能力。除摄像头、推进器等基本配置外，ROV还加装了机械爪用于抓取并固定滑翔机，配套设备（见图4），包括起重机、绞车、便携式遥控站、吊索及对接装置，其中绞车用于收放脐带缆。ROV采用单点吊装，水平作业半径100 m。针对ROV与起重机的对接问题，本文设计了机械式收放接头，公头与母头可利用重力自动锁止或松脱，实现起重机与ROV的快速对接或释放。

滑翔机在水面漂浮时呈近似直立状态以确保天线露出水面，因此不适用无人船锥形导引或自下向上的V形导引装置进行回收，若强行改变滑翔机浮态至水平，会因天线入水而失联，一旦对接失败易丢失滑翔机位置，导致设备损失。针对该问题，本文借鉴现有无人船和ROV回收方案，采用水面对接的方式，设计ROV头部结构呈V形便于导引滑翔机进入锁紧位置，并创新性地采用可变俯仰角的对接抱紧装置，使其迎合滑翔机的浮态，保持机械爪与机身垂直，确保夹紧时不损坏机身外壳。

ROV布放（回收）滑翔机的主要步骤包括吊放ROV入水、航渡、释放（抓取）滑翔机、航渡、吊点对接、吊放ROV至甲板，其中ROV的水中操控可由单人完成。具体收放工作流程如图5所示。

2 结构设计 2.1 总体布局

ROV采用框架式结构，由主体框架、垂直/水平推进器、浮力材料、弹性导向杆、重力回收公头、控制舱、摄像头、照明灯及姿态传感器等组成。具体ROV外型、结构爆炸示意图如图6和图7所示。

主体前端呈V字形，安装弹簧外包裹橡胶护套，同时ROV腹部可能与滑翔机接触部位同样包裹橡胶护套。重力回收公头安装在ROV顶部，用于实现水下自动脱钩、挂钩。控制舱呈圆柱形，外壳采用316 L不锈钢制作，共2个，均横置于ROV腹部后端、浮力材料下方。传感器、推进器、照明灯等设备主要安装在钢制框架内部，可防止磕碰损坏。推进器采用导管螺旋桨，既提高推进效率，又可保护桨叶^[13]。

2.2 对接抱紧装置

在布放回收过程中，ROV与滑翔机的对接抱紧环节至关重要，既要保证滑翔机顺利进入该装置的机械爪内得到可靠固定，又要防止其与ROV相互碰撞损坏。

ROV的对接抱紧装置主要由框架、传动机构、机械爪等组成。装置可绕中心轴旋转，向吊点施加外力即可调整纵倾角度，空载状态下尾倾15°～20°。大扭矩伺服电机经减速机转动机械爪，控制其开合。吊点与回收公头连接，起吊时吊点受到向上的拉力，将滑翔机提至水平姿态。对接抱紧装置的结构示意如图8所示。

2.2.1 装置框架

框架主要用于安装其他零部件和承受外载荷。前端V字形导向杆起到限位作用，控制滑翔机进入机械爪时方向正确。导向杆外侧包裹弹性缓冲橡胶，防止对接导向过程中与滑翔机碰撞造成损坏。滑翔机对准导向杆中间开角后，ROV即可前进，使滑翔机进入预定抱紧位置。装置框架示意图如图9所示。

2.2.2 机械爪

机械爪用于回收时对滑翔机进行固定。双臂从最大开角到抱紧状态用时约10 s，可快速固定滑翔机。机械爪外层包裹弹性缓冲橡胶，防止抱紧过程对滑翔机损伤，结构示意如图10所示。

2.2.3 传动机构

传动机构主要用于驱动机械爪进行抱紧动作。传动机构主要由电机、减速机及传动齿轮组成。电机选用设计成熟的商用大扭矩减速伺服电机，具备10 m深度防水能力。减速机及传动齿轮均由耐腐蚀不锈钢材料制成，使设备能够长时间海水中工作。在轴承上安装齿轮使双臂的转动角度同步，避免滑翔机固定位置发生横向偏移。传动机构示意图如图11所示。

2.3 自动收放接头 2.3.1 结构设计

为提高ROV与起重机对接/释放的便捷性，本文设计了自动收放接头，可免除人力固定、拆卸，母头沿脐带缆下降后可自动对接锁定。装置主材选用316 L不锈钢，由吊机连接绳、吊环、弹簧拉环、锁栓、公头、母头等组成。公头固定在ROV框架重心位置上方，母头与吊机连接。公头顶部设计有锥形止回机构，母头内置活动锁栓，锁栓通过弹簧与拉环连接，公头顶端通过后锁栓利用弹簧的拉力自动复位，进而锁住公头。收放接头结构示意图和收放接头外观，如图12和图13所示。

2.3.2 布放工作原理

在布放ROV前手动将弹簧取下，随后起重机吊起ROV，由于重力作用公头和锁栓紧密咬合。ROV入水后，由于浮力作用公头上移，锁栓随即脱开，起吊使母头与公头解脱，完成ROV的布放。布放工作流程图如图14所示。

2.3.3 回收工作原理

回收前手动安装弹簧，使锁栓保持拉紧。ROV携带滑翔机移动至母头下方，母头沿零浮力缆绳下降并与公头对接，在母头重力作用下锁栓被公头锥形顶推开，公头锥形顶穿过后锁栓恢复原位，起吊时锁栓与公头咬合起限位作用。

2.4 脐带缆

ROV通过脐带缆供电和传输信号。为防止影响ROV作业，脐带缆需保持零浮力状态^[14]，即缆整体密度与水密度相近。缆内包含2根大电流供电线和2根用于数据通信的屏蔽双绞线，填充凯夫拉纤维和发泡浮力材料，具有良好的抗弯性和耐磨性，直径约30 mm，抗拉能力达1500 kg以上，外层包覆明黄色聚氨酯，容易识别。回收工作流程图和脐带缆外观如图15和图16所示。

3 关键部件屈服强度分析

ROV在水下工作时，多种设备受到水压力和滑翔机的挤压力，其中控制舱和对接抱紧装置是主要受力部件，容易出现应力集中，需进行受力校核。

3.1 控制舱强度分析

控制舱主要实现ROV运动控制及信号反馈，外壳选用316 L不锈钢加工制成，使用O型圈密封舱口。不锈钢为塑性材料，高载荷工况下容易产生屈服破坏，因此本文针对控制舱在水压作用下塑性变形情况，使用有限元分析方法计算极限工况下舱体的Von Mises应力，基于第四强度理论校核结构设计有效性。

第四强度理论认为无论材料处于何种应力状态，只要形状改变能密度达到单向拉伸屈服极限就会发生屈服破坏^[15]，计算式为：

$ \sigma =\sqrt{\frac{1}{2}[{\left({\sigma }_{1}-{\sigma }_{2}\right)}^{2}+{\left({\sigma }_{2}-{\sigma }_{3}\right)}^{2}+{\left({\sigma }_{3}-{\sigma }_{1}\right)}^{2}]}，$

(1)

$ \sigma \leqslant \left[\sigma \right]。$

(2)

式中：$ \left[\sigma \right] $为许用应力；$ \sigma $为Von Mises应力；$ {\sigma }_{1} $、$ {\sigma }_{2} $、$ {\sigma }_{3} $为三轴主应力。

控制舱整体直径为150 mm，长度369 为mm，壁厚7 为mm。ROV设计深度为80 m，海水压力约为0.8 MPa。根据中国船级社的《潜水系统与潜水器入级规范》^[16]（下称“规范”），承受外压力的耐压壳体计算压力取最大压力的1.5倍，对应计算载荷取为1.2 MPa。316 L不锈钢的屈服极限取170 MPa。控制舱仿真结果如图17所示。

根据仿真结果可知，设计工况下控制舱壁最大应力出现在圆柱壳体端部内沿，为48.5 MPa；舱盖最大应力出现在舱盖中心处，为63.32 MPa。根据规范，无肋骨加强的圆柱形耐压壳体，轴向中点处壳板的计算应力值需小于0.85倍屈曲强度，肋骨处计算应力值需小于0.6倍屈曲强度，控制舱结构符合安全要求。

3.2 机械爪强度分析

机械爪是主要承力部件，在夹紧状态下既承受滑翔机的挤压力，还有滑翔机重力（垂向主要载荷）。机械爪采用316 L不锈钢制成，易产生塑性变形。本部分同样采用前述方法，基于第四强度理论对机械爪进行屈服强度校核。机械爪受力示意图如图18所示。

对夹紧状态的机械爪进行受力分析，确定载荷工况。根据静力平衡方程：

$ G={F}_{1}\times \cos\theta +{F}_{2}\times \cos\theta。$

(3)

式中：$ G $为滑翔机重力；$ \theta $为15°，可得出$ {F}_{1} $、$ {F}_{2} $均为1317 N。

根据上述载荷工况计算机械爪的Von Mises应力，为便于计算取单侧受力1500 N，应力分布如下图所示。由于两机械爪结构、受力均呈镜像分布，此处仅取一侧分析。机械爪应力云图如图19所示。

根据计算结果，结构最大应力为126.65 MPa，出现在机械爪垂直方向中部开孔处边沿，取安全系数1.2为151.98 MPa，小于材料屈服极限，该结构满足安全要求。

4 海上试验

为检验ROV设计方案可行性和可靠性，使用滑翔机模型（载况与实机相同）进行海上收放试验。试验海域位三亚东南部，试验海况2～3级。母船为“大圣一号”试验船，使用后甲板4 t折臂吊进行收放，吊点高度10 m。海上收放实验如图20所示。

海上试验期间，ROV共重复进行17次布放回收测试，单次测试流程包括吊放ROV入海、航渡至目标位置、布放滑翔机、ROV远离、抵近滑翔机、抓取固定、返回母船。期间使用激光测距仪测量滑翔机到母船距离，记录不同距离、浪高的布放回收用时，汇总（见表1）。分析可知，单次布放回收作业（含航渡过程）用时大多在10～15 min；海况恶化会导致部分航次耗时增多，对应海况下平均耗时增多；ROV速度3 kn，百米用时1 min左右，航渡时长占比小，滑翔机到母船距离对总耗时影响不明显。综上所述，对ROV布放回收滑翔机耗时影响较大的因素是海况，由于ROV的摇荡使对接公头和母头难以对准，增大对接难度，因此耗时较长。

试验过程中ROV表现出极高的成功率和工作效率，在3级海况下仍可顺利完成布放回收任务，表现出较优的操控性和可靠性，期间滑翔机未发生损坏，设备安全有所保障。同时ROV回收方案较小艇人工回收，显著降低了作业难度和学习成本，对人力的依赖性减弱。以上结论证明该设计方案达到了预期效果。

尽管增益显著，但ROV仍存在设计问题。一是对接公头与母头不易对准，尤其在海况较恶劣时，由于ROV随波浪摇荡明显，公母头中心不在同一垂线上，如图21所示，需人力拖拽脐带缆进行辅助，多次尝试才能对接成功。二是目前脐带缆较粗，增大了航行阻力，且推进器功率较小，导致ROV的机动性较弱，操控时能感觉到浪流干扰的影响，不利于高海况下捕获滑翔机。后续可在以下方面做改进：

1）优化对接头设计，尝试添加锥形导引结构辅助公母头对准，使其能依靠自身重力完成对接。

2）采用微型脐带缆并优化ROV水动力设计，降低浪流作用力。

3）改进推进器选型，增大推力以提高ROV机动性。

5 结　语

本文针对水下滑翔机布放回收问题提出了一型ROV设计方案，详细介绍了装置组成、设计思路和工作流程，使用有限元法和规范法校核了关键部位结构强度，基于设计方案制作了原型机，最后通过海试检验了该方案的可行性。重复性海上试验中，ROV均能顺利完成预定布放回收任务，证明设计方案有效。在浪流影响下，现有ROV仍存在晃动严重、操作困难、作业耗时长的问题，后续可在机动性、稳定性方面进行优化以提高作业效率，如采用微细脐带缆^[17]或无缆^[18]方案，降低脐带缆对平台运动控制的影响；增加ROV本体的扰动预测和运动补偿功能^{[19 - 20]}，降低操控难度。

经实践检验，该型ROV具备良好的可靠性和操控性，极大降低了海上作业的人力成本，降低了水下滑翔机布放回收作业的风险。该方案证明使用ROV回收滑翔机具备工程可行性，是对该种ROV技术路线的探索，可供后续同类型装备参考借鉴。