一種無人水下航行器智能自救系統(tǒng)的研制?

呂志剛

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

大型水下遠程無人自主航行器作為人類在海洋活動，特別是深?；顒又械闹匾娲吆蛨?zhí)行者，已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)考察、深海作業(yè)、打撈救生等領(lǐng)域，其應(yīng)用前景極其廣泛［1］。但因其在惡劣的深海環(huán)境中作業(yè)，時常面臨各種各樣的未知因素，一旦遇到突發(fā)事件發(fā)生故障，自救系統(tǒng)將起到重要的安全保障作用。本文針對復(fù)雜海洋環(huán)境為某一在研大型水下遠程無人自主航行器研制出了一套高可靠性智能自救系統(tǒng)。

2 智能自救系統(tǒng)的工作原理

自救系統(tǒng)其實就是AUV通過某種手段使自身在面臨危險狀況時能夠快速上浮至水面而獲救，該自救系統(tǒng)主要由決策中心、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成。執(zhí)行機構(gòu)分為控制型和獨立型兩種機構(gòu)，控制型機構(gòu)為決策中心做出決策后再通過通信總線控制機構(gòu)動作，而獨立型機構(gòu)與AUV完全獨立，即集決策與動作執(zhí)行于一體的機構(gòu)［3］。獨立型執(zhí)行機構(gòu)通過深度片感知AUV當(dāng)前深度，當(dāng)AUV當(dāng)前深度超出預(yù)先設(shè)定的深度，則該執(zhí)行機構(gòu)丟棄50kg壓載起到一定調(diào)節(jié)作用。

智能自救系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)AUV航行過程中通過傳感器感知到突發(fā)事件時，如漏水、離底高度超限、深度超限、俯仰角超限及過流過壓等，則AUV通過決策中心做出決策控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)動作：浮力水艙排水（最大可提供400kg正浮力）、水平舵機打上浮舵、應(yīng)急壓載釋放壓載（50kg）、超深壓載裝置釋放壓載（50kg）、推進電機停機，并且當(dāng)AUV上浮至水面后可通過頻閃燈、北斗終端裝置和無線電進行示位，否則也可通過水聲通信、水聲定位系統(tǒng)進行搜尋，同時AUV釋放出衛(wèi)星定位裝置發(fā)送北斗短信進行示位［2，4］。

3 智能自救系統(tǒng)的體系架構(gòu)

如圖1所示，AUV自救系統(tǒng)主要由決策中心、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成。決策中心對整個AUV的安全狀況進行故障診斷和智能決策，決策中心根據(jù)傳感器反饋的信息進行實時判斷，如果判斷出故障（漏水、深度超限、離底高度超限、過流等），則決策中心控制各執(zhí)行機構(gòu)（除超深拋載裝置外）進行相應(yīng)的動作（如浮力水艙排水、釋放應(yīng)急壓載、打上浮舵、釋放衛(wèi)星定位裝置和發(fā)送北斗短信等）［5～6，9］。超深拋載裝置是通過自身的深度壓力片進行AUV當(dāng)前航行的深度進行測試，一旦發(fā)現(xiàn)AUV當(dāng)前航行深度超限側(cè)釋放預(yù)先裝好的壓載，為AUV提供一定的正浮力（50kg）。

圖1 自救系統(tǒng)組成框圖

母船上工作人員也可直接通過無限電通信裝置、水聲通信設(shè)備和水聲定位設(shè)備與自救系統(tǒng)進行聯(lián)系，搜尋AUV當(dāng)前所處的位置并可下達相應(yīng)的操作指令，實施自救任務(wù)或進行打撈。

4 自救系統(tǒng)方案設(shè)計

4.1 決策中心

決策中心硬件采用基于CPCI總線接口標(biāo)準(zhǔn)的板卡構(gòu)成高性能、可靠的嵌入式系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)核心板、串口通信擴展板、電源板及底板構(gòu)成。機箱為全封閉結(jié)構(gòu)，采用整鋁訂制安裝，無風(fēng)扇設(shè)計，具有防水功能，支持5路CPCI外圍卡擴展。

決策中心軟件基于VxWorks實時操作系統(tǒng)，采用多任務(wù)程序設(shè)計。采用基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度策略，任務(wù)之間采用信號量和消息隊列來實現(xiàn)通信和同步。為了解決CPU中斷時間過長的問題，外部接口中斷時調(diào)用接口監(jiān)測程序，接收數(shù)據(jù)到接收緩沖區(qū)，然后釋放一個二值信號量來激活相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析及處理程序。

4.2 應(yīng)急拋載裝置

應(yīng)急拋載裝置要求能接受決策中心控制，實現(xiàn)壓載可靠釋放。應(yīng)急拋載裝置由電機驅(qū)動板、釋放裝置及密封殼體等組成。當(dāng)決策中心感知遇到突發(fā)事件時，決策中心通過控制電源管理系統(tǒng)給應(yīng)急拋載裝置供電，應(yīng)急拋載裝置電機驅(qū)動板驅(qū)動電機運動，從而實現(xiàn)壓載的釋放。

圖2 應(yīng)急拋載裝置示意圖

4.3 超深拋載裝置

超深拋載裝置要求獨立于AUV，當(dāng)操用運載平臺超過設(shè)定深度時，能可靠釋放壓載。

圖3 超深拋載裝置示意圖一

超深拋載裝置由壓力片、彈簧、釋放裝置及安裝架等組成。水的靜壓和彈簧的預(yù)緊力作用在釋放軸上，釋放軸由壓桿及壓力片頂住。當(dāng)達到壓力片最大工作水深時，壓力片在釋放軸與壓桿的剪切作用力下被破壞，釋放軸回縮，當(dāng)運動行程達到一定值時，鋼球解除鎖定，壓載在自身重量作用下脫落，達到釋放壓載的目的。通過調(diào)節(jié)彈簧的長度和設(shè)計合適的壓力片來設(shè)定動作水深。釋放軸長度和密封殼體的高度可通過螺紋調(diào)節(jié)，二者配合實現(xiàn)彈簧壓縮量的調(diào)節(jié)，彈簧調(diào)節(jié)量由墊柱的個數(shù)決定。圖3、圖4分別對應(yīng)彈簧最大壓縮量及最小壓縮量工作狀態(tài)。

圖4 超深拋載裝置示意圖二

4.4 水聲定位系統(tǒng)及水聲通信裝置

1）水聲通信裝置

水聲通信裝置主要用于AUV在水下工作時，母船上控制系統(tǒng)對之進行控制和數(shù)據(jù)交換。該自救系統(tǒng)水聲通信裝置主要采用成熟產(chǎn)品：Link Quest公司的水聲通信裝置，型號為UWM4000。

UWM4000主要由水下單元和水面單元組成，水下單元安裝在AUV載體上，與決策中心進行數(shù)據(jù)連接。水面單元安裝在母船上的安裝架上，與信息處理單元連接。工作示意圖見圖5。

圖5 UWM4000水聲通信工作示意圖

UWM4000的主要技術(shù)指標(biāo)：數(shù)據(jù)傳輸速率：RS232波特率；4800 bps有效數(shù)據(jù)傳輸率：3200 bps；聲鏈接：8500 bps；誤碼率：小于 10-9最大工作深度：3000m；工作距離：4000m；電壓：12V～28V；波束寬度：70°；溫度范圍：工作：-5℃～45℃；貯藏：-25℃～75℃；最大運動速度：8kn；最大加速度：20g。

圖6 UWM4000實物

2）水聲定位系統(tǒng)

水聲定位系統(tǒng)主要用來對AUV在水下的運動軌跡和大地坐標(biāo)進行跟蹤。水聲定位系統(tǒng)分水面單元與水下單元兩部分。水面單元主要包括安裝在母船上的定位系統(tǒng)處理器和換能器基陣；水下單元為安裝在運載平臺上的信標(biāo)。

本自救系統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)采用超短基線定位系統(tǒng)（USBL），USBL的定位基線長度小于半波長，可以很精確、很方便地安裝成一個平面測量陣，由船舶或平臺放入水中。工作時，母船的換能器基陣發(fā)射詢問信號，根據(jù)信標(biāo)的應(yīng)答時間測出水下AUV的距離，同時利用到達各陣元的應(yīng)答信號相位差測出水下AUV的方位，從而得到AUV的大地坐標(biāo)。USBL系統(tǒng)只需一個換能器，安裝方便，在其適用的場合表現(xiàn)出很好的靈活性，但相對LBL和SBL，其定位精度較低。

圖7 USBL水面單元處理器

4.5 衛(wèi)星定位裝置

衛(wèi)星定位裝置采用北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有定位、北斗短信和自毀功能。由天線、射頻電纜和主機組成，其中天線采用微帶結(jié)構(gòu)形式，通過射頻電纜與主機連接。

衛(wèi)星定位裝置定位功能是通過天線接收衛(wèi)星信號，獲取導(dǎo)航信息，從而計算得到衛(wèi)星位置，速度和時間（PVT）信息，通過偽碼測距獲得衛(wèi)星與衛(wèi)星定位裝置的偽距，通過載波相位變化率獲得衛(wèi)星與定位設(shè)備的多普勒頻移，從而自主解算出衛(wèi)星定位裝置的位置、速度與時間等信息。

圖8 衛(wèi)星定位裝置功能組成示意圖

4.6 浮力水艙

浮力水艙是自主調(diào)節(jié)AUV浮力的裝置，主要由鹽度傳感器、姿態(tài)傳感器、浮力調(diào)節(jié)裝置、自適應(yīng)控制器等組成。主要用于平衡AUV由于海水密度變化引起的浮力波動、調(diào)節(jié)俯仰姿態(tài)等，以及AUV遇到突發(fā)事件時需要應(yīng)急上浮則決策中心控制浮力水艙排水（最大排水量為430kg），從而實現(xiàn)AUV應(yīng)急上浮。浮力水艙組成框圖如下：

圖9 浮力水艙組成框圖

5 自救系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1）海洋環(huán)境下可靠自救技術(shù)

海洋環(huán)境與陸地不同，其自然條件十分苛刻，除海面上變化莫測的驚濤駭浪之外，隨著海中深度的增加而產(chǎn)生的壓力和溫度的變化也十分劇烈，并且機器人在海底作業(yè)過程中，還可能遇到不可而知狀況，比如不規(guī)則暗流、淤泥、海底地震活動等。這就要求自救系統(tǒng)必須具有可靠性，在惡劣的環(huán)境中也能順利完成自救任務(wù)［7～8］。

2）深?？煽客ㄐ偶皠幼鳈C構(gòu)執(zhí)行技術(shù)

本文自救系統(tǒng)是采用水聲通信和衛(wèi)星定位裝置進行水下和水面通信，采用釋放壓載和浮力水艙排水的方式實現(xiàn)無人自主UUV的自救，因此可靠釋放壓載和可靠進行浮力水艙排水是整個自救系統(tǒng)順利完成任務(wù)的重要保障［10～13］。

3）自救系統(tǒng)小型化、低功耗、工程化技術(shù)

由于自救系統(tǒng)是安裝在水下無人自主航行器上，其體積有一定的限制，并且有時需要其自帶電源，具有相對獨立性，因此需要自救裝置具有小型化、低功耗等特點。

6 結(jié)語

然而，由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，盡管裝備了自救系統(tǒng)，AUV仍然會因發(fā)生意外而丟失，造成了巨大的損失，自救技術(shù)仍待進一步研究。