基于浮力調節系統的AUV水底著陸策略研究

孫慶剛，鄭榮，楊斌，李默竹

1 中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016

2 中國科學院大學，北京 100049

0 引 言

隨著海洋資源的不斷開發，應用日益頻繁的自主式水下機器人（AUV）已成為當前的研究熱點［1］。

海洋資源的開發和利用離不開海洋監測技術，一般海洋監測需要較長的時間，但動力受限的AUV無法滿足長時間定點觀測的要求。為解決這一問題，研究者提出讓AUV水下著陸并關閉除測量設備以外的耗能設備從而節省AUV能源，以實現對某一水域的長期定點觀測。此外，水下著陸還可以提高AUV的隱身性能。1992年，美國海軍研究生院的Healey等［2］首次提出了AUV水下著陸的概念；1998年，美國亞特蘭大大學的Stewart等［3］開發了Ocean Explorer II AUV，并成功進行了海底著陸—測量—返航試驗；天津大學的王曉鳴等［4］、張宏偉［5］和杜兵［6］實現了基于壓載水艙的AUV水底著陸；宋保維等［7］針對AUV提出了液壓支撐式和錨鏈式這2種水下著陸方式。目前，有關作業型AUV依靠浮力調節系統進行水下著陸方面的研究在國內尚屬空白。

因此，本文擬提出2種基于油囊式浮力調節系統的作業型AUV水下著陸方法：一種是控制浮力垂直下潛著陸；另一種是航行下潛控制浮力垂直著陸，并針對這2種著陸方式開展湖上試驗驗證工作。

1 AUV系統介紹

1.1 油囊式浮力調節系統

油囊式浮力調節系統是一種可重復使用的雙向浮力調節系統，其使用壽命長且可靠性高。該系統的工作原理是通過液壓系統實現內、外油囊之間的油量傳輸，以此來改變AUV的排水體積，從而調節浮力大小［8-9］。

油囊式浮力調節系統主要由油囊、電磁換向閥、錐閥、節流閥、溢流閥、閥組、流量計、壓力傳感器、齒輪泵、電機和減速器等組成，如圖1所示。該系統的最大工作壓力為2 MPa，在AUV艏、艉各配置一套。根據圖2所示的外油囊輪廓圖可知，其體積為7.4 L，可為AUV提供總計14 kg左右的正浮力。AUV可以依靠艏、艉2個浮力調節單元來控制姿態，其最大著陸深度可達200 m。

1.2 AUV基本結構

為滿足減小航行阻力的設計原則，AUV一般設計為流線型。采用模塊化設計的AUV由7個艙段組成，其基本組成結構如圖3所示。

AUV基本結構的主要功能如下：

1）艏部段。主要由電磁鐵、無線電、攝像頭和頻閃燈組成。電磁鐵的作用是吸附17.5 kg的壓鐵，以保證AUV在緊急工況下實現拋載上??；無線電主要用于水面校準，便于定位和回收AUV；頻閃燈可用于AUV的任務提示和回收識別。

2）自動駕駛段。主要由仿真平臺、超短基線和多普勒計程儀組成。仿真平臺是AUV水下航行作業的控制中樞，用于下達一切作業指令；超短基線主要用于水下通信、定位和導航；多普勒計程儀的功能是實時測量AUV距地高度，其中慣組單元可以實時記錄縱傾角、航行速度等運動參數。

3）電池艙段。主要由電池和側掃聲吶組成。電池可為AUV的傳感器、電機等提供動力能源；側掃聲吶可用于探測水下地形。

4）校準源段。主要安裝GPS/北斗導航儀，用于保障AUV浮出水面時與母船進行通信。

5）艉部段。主要由電機、舵機、水平舵、垂直舵及螺旋槳組成。電機和舵機主要用于驅動舵和螺旋槳，從而實現AUV的水下航行和姿態調整。

2 水下著陸控制策略

AUV水下著陸的目的是實現固定水域的長時間靜默潛伏和觀測。AUV到達目標點后，在不需要進行主動探測的情況下，可以關閉除觀測設備之外的一切能耗設備以節約能源［10］。

AUV水下著陸面臨的主要問題是著陸時間和速度控制、目標點與實際著陸點的偏移、著陸完成后的離底等。針對上述問題，本文提出了控制浮力垂直下潛著陸和航行下潛控制浮力垂直著陸這2種控制策略。

2.1 控制浮力垂直下潛著陸策略

母船吊放AUV后，AUV將繼續在水面航行并抵達目標點。通過調整艏、艉浮力調節單元的外油囊排油量，AUV將以一定的負浮力下潛，并在某一高度懸浮以調整AUV姿態。由于AUV近底時的安全高度為1倍載體長度，因此選擇定高8 m懸浮并最終實現水下著陸，如圖4所示。

2.1.1 AUV下潛著陸速度分析

為保證AUV及相關觀測設備的安全，應控制AUV的水下著陸速度，以避免較大的速度沖擊使AUV陷入泥沙中并對設備造成損壞。

在垂直下潛過程中，AUV所受的水下阻力為

式中：Ζ為阻力；CD為阻力系數；ρ為水的密度；S為AUV的表面積；V為AUV的下潛速度。

隨著AUV下潛速度的增加，其所受的阻力也將不斷增加以平衡AUV的重力，并最終逐漸達到平衡狀態。平衡方程為

式中：B為AUV的浮力；G為AUV的重力。

根據式（1）和式（2），可得AUV的下潛速度（單位：m/s）為

若AUV以此速度著陸，可能會對AUV或設備造成危害，故應采用著陸控制策略減小AUV的下潛負浮力，從而減小下潛速度。同時，這樣也便于有效控制AUV，以避免水下地形突變帶來的潛在危險。

2.1.2 AUV目標點偏離情況分析

采用該控制策略著陸時，AUV僅依靠有限負浮力進行下潛，所以著陸時間較長。同時，AUV也無法靈活調整姿態以應對水流變化，最終導致實際著陸點與目標點發生較大的偏差。

圖5所示為AUV在下潛過程中的受力情況，圖中：B1為艏浮力單元浮力；B2為艉浮力單元浮力；X為水流作用力。可能有2個原因導致實際著陸點與目標點出現偏移：一是在浮力調節系統作用下，AUV垂直方向的受力近似達到平衡，即B+B1+B2=G，則在水平方向水動力作用下AUV將以較小的縱傾角下潛，故此時偏移距離主要由水流導致；二是當AUV跨越密度變化較大的水域時，其垂直方向的受力沒有達到平衡，即B+B1+B2≠G，則在重力、浮力和水動力的共同作用下AUV將以較大的縱傾角下潛，故此時偏移距離由AUV的滑翔距離和水流導致。

2.1.3 AUV離底分析

AUV的成功著陸并不意味著任務完成，其離底作業也是水下著陸的關鍵一環。水下著陸后，AUV會受到水底泥沙粘著力的影響，由于水下泥沙的強度未知，故AUV受到的粘著力也無法預測。AUV的離底受力分析如圖6所示，其中P為土壤粘著力的均布載荷。

正常情況下，AUV依靠艏、艉浮力調節單元即可成功離底。大量著陸試驗證明，浮力調節系統所提供的浮力完全能夠克服土壤的粘著力。若依靠浮力調節無法離底，則可以選擇2種離底方式：一種是根據縱傾角數值，AUV選擇正轉或反轉主推進器來擺脫土壤粘著力；另一種是拋掉應急壓鐵，減小AUV的重力。

2.2 航行下潛控制浮力垂直著陸策略

母船吊放AUV后，AUV將以一定的航行速度和攻角下潛至一定深度，并通過階躍式定深不斷增加航行深度，最終在著陸點上方8 m處定高懸浮。隨后螺旋槳關閉，同時開啟浮力調節系統，令AUV以良好的姿態實現著陸，如圖7所示。

本試驗選用的AUV較長且質量較大，為避免AUV因慣性太大而發生觸底，宜采用階躍式定深下潛：定深30 m—定深40 m—定高8 m懸浮—著陸，該下潛方式實際上借鑒了飛機的著陸過程：下降—初步接近—最終接近—著陸。在下潛過程中，AUV的速度由推進器提供（定速航行速度可達3 kn），可在很大程度上縮短AUV的著陸時間。為避免實際著陸點與目標點發生較大偏離，可以視情對目標點進行修正。

AUV航行下潛著陸過程主要分為航行下潛階段和定深懸浮階段。在航行下潛階段，AUV可以依靠艏浮力調節系統進行縱傾角調整，當到達指定深度時再依靠水平舵進行調整，由此及時修正目標點，最終在目標點上方8 m處懸浮。在定深懸浮階段，AUV可以依靠艏、艉浮力調節系統調節自身姿態，并基于式（3）調節下潛速度，實現平穩著陸。

除導航系統的微小誤差可能導致目標點偏離之外，在定深懸浮—著陸的垂直下潛階段，受水流作用影響，AUV的實際著陸點與目標點也將發生一定偏離。

3 湖上試驗驗證

2017年6月，在千島湖開展了湖上試驗驗證工作，AUV下潛深度的變化曲線如圖8所示。由此可知，AUV基于上述2種著陸控制策略均可成功實現水下著陸。

AUV水下著陸的目的是長期潛伏和定點觀測，故其著陸后的姿態對觀測設備的影響較大，即AUV著陸后應保持良好的縱傾角和橫傾角度。圖9所示為AUV基于2種控制策略著陸后的縱傾角和橫傾角變化曲線。由圖9可知，AUV著陸后，其縱傾角基本保持不變，橫傾角僅在小幅度范圍內波動，滿足使用需求。

3.1 著陸速度對比驗證

對2種控制策略而言，AUV均在定高8 m后最終著陸，故最終著陸速度在理論上應完全相同。試驗結果如圖10所示。由圖可知2種控制策略下的AUV著陸速度相差無幾。實測的AUV垂向速度存在小幅波動，這是因為AUV的濕表面積較大，故垂直下降時受到的水動力也較大，易與重力、自身浮力、艏艉浮力調節單元提供的浮力達到近似平衡的狀態，但艏艉浮力調節單元提供的浮力一直處于變化狀態，因此AUV的垂向速度也存在一定的波動，不過其波動幅值在合理范圍內，不會對AUV本身和觀測設備造成損壞。

3.2 目標點偏離對比驗證

在2種控制策略下，AUV的目標點與實際著陸點均會發生偏移，試驗結果如圖11所示。

由試驗結果可知，在控制浮力垂直下潛策略下，AUV目標點與實際著陸點的偏離距離為191 m；而航行下潛控制浮力垂直著陸策略下的偏移距離為7 m，可見第2種控制策略的準確度更高，可為后期海上試驗提供一定的參考。

3.3 AUV著陸后的離底驗證

AUV完成水下著陸后，將依靠浮力調節系統進行離底，必須讓AUV獲得最大正浮力以克服土壤粘著力。試驗結果表明，AUV能夠成功離底上浮，AUV離底深度變化曲線如圖12所示。

3.4 著陸能耗對比分析

在2種著陸方式下，著陸所需時間不同、主要工作設備不同、設備的工作電壓和電流各不相同、相同設備在不同工作環境下的電流也不盡相同，綜合各種影響因素，2種著陸方式下的工作能耗必然存在一定的差別。

控制浮力垂直著陸過程中，主要耗能設備為艏、艉浮力調節單元，其電流均值分別為2.23 A和4.75 A，則工作能耗為0.915 kW·h。

航行下潛著陸過程中，航行階段主推進器和舵機的電流均值分別為7.86 A和0.08 A，定高階段艏、艉浮力調節單元的電流均值分別為2.48 A和4.57 A，則工作能耗為0.837 kW·h。

因此，航行下潛控制浮力垂直著陸策略更節省能源，更符合未來海上實際應用需求。

4 結 語

為實現AUV長時間定點觀測，本文設計了一套油囊式浮力調節系統，著重介紹了基于浮力調節系統的2種水下著陸控制策略。通過對比分析2種水下著陸控制策略的著陸速度、目標點偏離距離和能耗等可知，航行下潛控制浮力垂直著陸策略能夠更快、更準確地完成水下著陸，且更節省能源，故該控制策略更符合實際應用需求。

在實際應用中，觀測設備對AUV的姿態有一定的要求。鑒于未知的海底地形狀況，需要研制一套調節裝置，用以在AUV著陸后調整其縱傾角和橫傾角，從而滿足觀測設備要求。同時，應針對水下土壤強度的測量方法開展研究，以便選擇較好的著陸目標點。