海底作業AUV回收方式的研究

崔正

摘 要：隨著時代和經濟的發展，人類的探索不斷向外擴大，人類不斷擴大自己活動空間，同時海底資源的豐富以及人們對資源的需求，人們對海底世界的探索也不斷深入。由于自治式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle）的高效、安全、工作時間長、可靠等優勢，無論在軍事領域，還是在民用領域，AUV在對海底的探索、海底科學考察、海底勘探、水下建造輔助作業中，發揮著關鍵的作用。在回收過程中，目前回收的方法也是多樣性的，而深水回收也是當今研究的重點方向，其中關鍵回收的技術也達到了瓶頸處，合理、有效的回收方法將大大提高海底作業的AUV的隱蔽性、安全性、自主性，這也是未來船舶自動化技術的需要。

本文基于目前AUV發展背景，在以國內外AUV回收技術現狀的背景下，分析了目前承載AUV的船舶以及AUV回收的方式，結合當下自主回收技術，提出了一種自主回收方式，并分析了作業方式，并且從多個方面分析了此種方法的優越性。文章中歷數了方案實施過程中將遇到的技術難點，并指出回收過程中AUV的導航運動方向問題是水下回收過程中的關鍵問題。

關鍵詞：海底作業；AUV；回收方式

1 AUV的發展背景

中國管轄沿海海域總面積達473平方公里，并且有18000公里的大陸海岸線和14000公里的島嶼海岸線。我國近海大陸架石油資源量約為240余億噸，天然氣資源量約為13萬億立方米，我國濱海砂礦的種類達60種以上，進入海洋時代，必定會有各式各樣的海洋問題亟待解決。在2009年的一份報告中，蘭德公司為AUV推薦了以下七個任務類別：地雷對策、部署遺留監視傳感器或傳感器陣列的任務、近海和港口監視任務、海洋學任務、監測海底基礎設施、螞蟻潛艇作戰跟蹤任務和檢查/識別任務。裝有AUV的大型潛水器能夠在更廣的范圍內進行科學高效的檢測作業，對未知危險源的檢測具有重要意義。

2 承載AUV的船舶

從船舶之間工作的關系來看，可以將承載AUV的船舶稱為母船。以AUV科學探索的方向出發，母船需要滿足AUV的基本需求，由于水下再循環平臺的隱蔽性和安全性要求，在再循環過程中不能使用起重機、中繼站等輔助設備，再循環過程必須控制AUV自主導航返回再循環平臺。AUV通常有其自身的水下工作能量，其工作時間和距離有限。這需要恢復來補充能量、閱讀信息和維護安全。因此，水下航行器完成任務后，需要及時回收再循環到船的儲存箱內提供信息。

3 AUV的回收方式

3.1 國內外回收現狀

根據目前回收技術的現狀來看，通常有兩種回收AUV的方式：第一種在水面上用母船起吊回收，該作業方式受風浪影響較大，主要應用于大型AUV回收；第二種是采用浮船塢型和升降平臺進行水下對接回收作業，雖然避免了風浪的影響，但在活動范圍上仍受到較大限制。從上世紀90年代初至今，西方各國逐漸采用潛艇馱帶回收和魚雷發射管回收等水下回收方式，其優點是續航能力強，不受空間限制。

目前的AUV回收方式具體歸納為四類：水面起吊回收方式、水下對接回收方式、水下馱帶回收方式、魚雷管回收方式。

根據目前AUV回收技術的現狀，通常有兩種回收方式：第一種是利用母船上的起吊裝置升降回收，該作業方式受風浪影響較大；第二種是采用浮船塢型和升降平臺進行水下對接回收作業，雖然避免了風浪的影響，但活動范圍仍然有限。20世紀90年代初以來，西方國家逐漸采用海底回收、魚雷發射裝置回收等水下回收方法，具有耐用性強、不受空間限制等優點。

3.2 AUV回收技術中的問題

AUV回收技術涉及廣泛的科學領域，其核心問題可以從力學、控制和導航三個關鍵技術領域進行探討。問題包括流體干擾、機動性和控制、導航和定位。

AUV在水下回收過程中，AUV與母船作非定常相對運動，會受到母船運動的干擾作用，干擾力會由于AUV與母船的幾何尺寸差異而對AUV的影響較大，并且干擾力的大小與AUV狀態相關，其中包括運動流場邊界的形狀、自身的運動姿態、相對于回收平臺的方位和距離；另外，考慮到復雜海洋環境的影響，AUV運動流場中普遍存在波浪、海洋和水流，它們對AUV運動的干擾是非線性的。

常見的AUV導航定位方法包括水聲導航、慣性導航、衛星導航、電磁導航、光學導航、視覺導航和組合導航。其中，水聲導航、慣性導航和衛星導航的定位精度不高，僅適用于遠程導航和定位。在AUV的恢復過程中，關鍵在于近程導航和定位，它必須滿足較高的定位精度，否則不能保證恢復操作的成功完成。

4 新型AUV自主回收方式

將回收艙設計成雙閘式回收裝置，可以根據閘門的不同時閉合，且母船底部裝有機械臂，以此來進行回收AUV，這樣的裝置可以大大提高回收的工作效率以及其他優點。

針對AUV的回收控制問題，由于AUV運動數學模型具有高度非線性、時變、強耦合的特點，流體動力參數的不確定性，回收平臺上水下航行器干擾流場的非線性干擾以及復雜海洋環境的隨機非線性干擾。采用最優化模變結構控制理論對AUV進行控制。在恢復過程中設計了動態定位系統的控制器。此外，還有幾種典型的控制理論，基于模糊控制理論對AUV回收控制方法進行了研究。在導航中，為了獲得自主式水下航行器在慣性坐標系下的位置，提出了一種獲取載人航行器坐標的猜測方法。為了減少自主式水下航行器導航的誤差積累，提出了一種單步航位推算定位方法。

船上的操作人員設定海上作業地點，船通過GPS導航系統以及船自身的自動駕駛功能，在船的兩翼艙室前部存放著的充能AUV，以及中間艙室的前部存放著工作AUV。到達指定地域后，由機械臂抓取通過底部釋放工作AUV，工作AUV將自動編隊，協同作業，以提高探測效率，發現目標時，工作AUV將前往工作位置進行取樣。當工作AUV進行作業過程中，達到電量預警時，充能AUV到達工作AUV上方，對其進行充電，以及數據之間的傳輸。如此反復進行幾次工作，探索完這片區域。AUV返程時，工作AUV根據現代導航技術尋找載體船的位置，首先返回到主倉回收艙的底部。在船的底部，回收艙注水后，外艙門開啟，AUV進入，在AUV進入后，關閉外艙門，并開啟內艙門，由艙內機械臂至AUV空余倉位，在空余倉位中，進行充能以及數據的傳輸。

5 結語

隨著海洋時代的到來，對AUV及AUV載體的研究，將變得意義重大，以三體船為載體的AUV，更符合現代人們思想，其在安全、可靠、環保、實用等方面的優勢，更利于對淺海區域的探索，將更容易被接受。

這種方法的優點是不受時間和空間的限制，可以節省大量的輔助設備成本和人力，水下自主回收可有效節約回收成本，減輕作業負擔。為了完成對接任務，自主水下航行器（AUV）應該具有以戰略方式引導、導航和控制自己進入對接站的能力，操作者可以不必冒險下小艇，并且水下回收所使用的設備完全可以利用現有的技術儲備。水下回收不僅可以幫助AUV實現安全回收，而且還具有其他潛在用途。如它可以為AUV在水下補充能量和交換數據，以及為物資流動提供安全路徑。

參考文獻

[1]潘光，黃明明，宋保維，胡海豹，杜曉旭.AUV回收技術現狀及發展趨勢[J].魚雷技術，2008，16（06）：10-14.

[2]王智學.AUV回收時的運動控制方法研究[D].哈爾濱工程大學，2006.