AUV 自主對接回收動力定位控制系統設計與實現

謝爭明，曾慶軍，朱志宇，戴曉強，任申真

（1.江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江 212100；2.中科探海（蘇州）海洋科技有限責任公司，江蘇蘇州 215600）

0 引言

海洋作為多種資源的重要來源，對海洋的探索具有重要意義［1］。自主水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作為探索海洋資源的重要技術裝備，在海洋科學考察［2］、智能水下檢測［3-4］、水下搜救等領域發揮著重要作用。AUV 在這些領域代替人工進行作業的同時，可大大降低作業人員遇到的風險并提高作業效率［5-6］。由于AUV 作業一段時間需要回收以進行能源補給、數據傳輸及指令下達等任務，但頻繁布放及回收AUV 過于繁瑣［7-8］，同時給工作人員及AUV 帶來更多風險［9］，所以國內外科研人員對水下自主對接進行了研究。

自20 世紀90 年代以來，AUV 的對接系統主要包括捕捉式對接、平臺式對接、包容式對接等幾種類型［10］。近年來，國內外研究人員也在自主對接方面取得多項成果［11-12］。如浙江大學于2017 年5 月在深度50m 和105m 條件下成功完成AUV 包容式自主回收對接海試，表明包容式對接在深海具有良好的可靠性及穩定性［13-14］。而動力定位控制作為AUV 自主對接過程中的重要一環，在懸停校準環節起到了重要作用。文獻［15］設計自適應滑模控制器，以克服AUV 模型不準確和未知擾動對動力定位控制的影響，但其僅在定常海流干擾環境下設計控制器，未能很好地結合實際應用環境；文獻［16］設計積分分離模糊PID 航向角控制器，在減小超調方面具有較好效果。

本文以“探海Ⅱ型”全驅動AUV 為基礎，結合超短基線、慣性導航系統、雙目攝像機等設備，設計全驅動AUV 自主對接回收動力定位控制系統，通過動力定位控制器發揮全驅動AUV 的優勢完成推力分配，從而抵抗隨機浪流擾動，實現水下精準對接回收。最終水下自主對接實驗成功率超過90%，驗證所設計系統的有效性及可靠性。

1 自主對接系統設計方案

本文設計的自主對接系統主要針對“探海Ⅱ型”AUV，該AUV 采用魚雷型結構，有利于自主對接工作，同時支持水面無線遙控模式、有纜光纖遙控模式及自主作業模式。對接塢采用包容式結構，與魚雷型AUV 結構能夠較好地配合完成自主對接。

1.1 “探海Ⅱ型”AUV 設計

“探海Ⅱ型”AUV 結構如圖1 所示。

Fig.1 Structure of“T-SEA Ⅱ”type AUV圖1“探海Ⅱ型”AUV 結構

“探海Ⅱ型”AUV 由艏段、電子艙段與艉段組成，艏段搭載雙目視覺攝像機供視覺導航使用，電子艙段為控制系統所在艙段，并裝載光線慣導、多普勒計程儀、深度計、GPS等導航設備，艉段下部裝載超短基線設備作為自主對接的主要工具。整個AUV 共有5 個推進器，分別為2 路側推、2路垂推及1 路主推，其中側推及垂推作為輔助推進器用于控制AUV 姿態。同時，艉部設計“X”型舵以提高AUV 的可操作性，并可調整舵葉角度來調整其附加轉矩。AUV 主要參數如表1 所示。

Table 1 Parameters of“T-SEA Ⅱ”type AUV表1“探海Ⅱ型”AUV 參數

1.2 對接塢設計

對接塢設計結構如圖2 所示。本文AUV 對接塢采用包容式結構，主要由對接器、對接塢控制系統及基座組成。對接塢作為AUV 對接平臺，搭載了GPS、深度傳感器、姿態傳感器、超短基線（USBL）等多個傳感器。其中USBL 作為通信、定位一體機，提供對接塢與AUV 之間的位置關系，并作為AUV 與對接塢的通信工具。

Fig.2 Structure of docking device圖2 對接塢設計結構

為提高對接成功率，對接器采用錐形喇叭口結構，其中軸線離底高度為2.2m，對接器大徑與小徑分別為800mm及250mm。通過對對接器的錐形導向罩進行處理，以使AUV 能更平滑地進入對接器。對接器實物圖如圖3 所示。

Fig.3 Docking device圖3 對接器

2 自主對接方案

AUV 自主對接示意圖如圖4 所示。“探海Ⅱ型”AUV 自主對接過程分為遠距離直線歸位、遠距離直線跟蹤、近距離直線跟蹤及近距離調整階段。在AUV 收到對接任務后，若AUV 未進入USBL 作用區域，則根據對接塢入水前的坐標信息向其靠近，待接收到USBL 信號后得到對接塢確切位置，計算位于對接器中心線上的跟蹤點并進入直線歸位階段；到達指定跟蹤點后開啟AUV 動力定位控制器，同時通過圓弧運動過渡至直線跟蹤階段，并利用控制器完成航向控制；待AUV 進入視覺導引階段，通過視覺導航系統估計AUV 實際位置并計算跟蹤誤差，同時利用動力定位控制器實現懸停校準及近距離直線控制；當在近距離調整階段進入視覺盲區，則依靠控制器所計算的對接器位置完成對接。

（1）直線跟蹤點調整。首先根據定位信息計算得到對接塢初始坐標(x0,y0)及直線跟蹤點初始坐標(xobj,yobj)，在AUV 作業過程中根據USBL 提供的坐標信息計算AUV 與對接塢的相對距離及相對角度，并計算得出對接塢在大地坐標系中的實時坐標進而由式（1）得到目標直線跟蹤點更新坐標

Fig.4 AUV auto docking diagram圖4 AUV 自主對接示意圖

（2）航位推算。大地坐標系下AUV 航速為V，V在地理東向、北向的速度分量分別為VE、VN，推算大地坐標系下的位移增量為［20］：

式中，ΔSE、ΔSN分別為位移增量在地理東向、北向的分量，ψ為航向角，Vx、Vy分別為AUV 相對于大地的前向、左向速度分量，進一步對式（2）左側位移增量進行積分，得出AUV 當前航位推算位置量。

（3）懸停校準。具體公式如下：

式中，ll為AUV 初次視覺導引時的位置在對接器中心延長線上的投影；el是相對喇叭口中心線的偏差；Δθ是AUV 當前航向與喇叭口中心線的偏差，Δθ∈(-25°,25°)；k1、k2是比例系數；sgn(el·Δθ)用于判斷AUV 是趨向還是遠離中心線；lmax是校準點與喇叭口的最大距離；lmin是校準點與喇叭口的最小距離。然后以式（3）估計動力定位目標相對喇叭口中心線的位置，校準與喇叭口中心線的跟蹤偏差。

3 實驗與分析

為驗證本文設計的動力定位控制器及自主對接系統的性能，將“探海Ⅱ型”AUV 及自主對接系統分別于蘇州某湖和校內拖曳水池進行測試。

3.1 蘇州某湖實驗

圖5 為蘇州某湖實驗環境，湖內深度大于5m，湖底無水草等干擾物，湖面有波浪且水流速度小于1m/s。為更直觀地觀察自主對接效果，將對接器置于水下1～2m 處。

Fig.5 Experiment environment of some lake in Suzhou圖5 蘇州某湖實驗環境

圖6 為AUV 水面監控平臺操作界面（彩圖掃OSID 碼可見，下同），可通過上位機下達指令及接收信息等，并通過地圖監控AUV 位置及信息。實驗分為AUV 動力定位控制實驗與連續自主對接實驗兩部分。

Fig.6 Water surface monitoring platform圖6 水面監控平臺

（1）AUV 動力定位控制實驗。為測試AUV 的懸停校準性能，首先進行動力定位深度控制實驗。通過上位機設定AUV 動力定位的目標點坐標為（120.317 329 406 738，31.109 573 364 257 8），期望深度為3m，持續作業時間為1h以上。

實際控制深度及期望深度曲線如圖7 所示，深度誤差曲線如圖8 所示。由圖可知，AUV 動力定位控制器在深度控制上取得了很好的效果，超調較小并能保持穩態深度誤差在±0.04m 范圍之內。在有隨機浪流干擾的情況下，能夠迅速抵抗擾動的影響并回到穩態，能夠滿足精確自主對接對深度控制的要求。

Fig.7 Dynamic positioning depth control curve圖7 動力定位深度控制曲線

Fig.8 Depth error curve圖8 深度誤差曲線

同樣的，為測試AUV 在自主對接過程中直線跟蹤及姿態角控制方面的能力，進行姿態角保持實驗。設定AUV 沿直線行駛，并保持航向角恒定為90°、縱傾角0°、橫滾角0°，維持時間1h 以上。航向角、縱傾角及橫滾角控制曲線分別如圖9-圖11 所示。由圖可知，AUV 所設計的AUV 動力定位控制器在姿態角控制方面具有優越的性能，可控制航向角穩態誤差在目標角度±0.5°以內，且控制縱傾角、橫滾角穩態角度均在±0.3°以內，能夠抵抗外部擾動對角度控制的影響，更好地保障AUV 自主對接過程中對精確控制的要求。

Fig.9 Course angle control curve圖9 航向角控制曲線

Fig.10 Trim angle control curve圖10 縱傾角控制曲線

Fig.11 Roll angle control curve圖11 橫滾角控制曲線

（2）AUV 連續自主對接實驗。為測試AUV 在不同距離及方位下自主對接的成功率，在蘇州某湖分別進行4 段不同距離與不同方位的對接測試。以對接塢為坐標原點（0，0），利用USBL 提供AUV 與對接塢的相對坐標信息，以不同初始角度及距離完成對接。AUV 連續自主對接軌跡如圖12 所示。

Fig.12 AUV continuous autonomous docking trajectory圖12 AUV 連續自主對接軌跡

如圖12 所示，AUV 分別以對接塢位置為初始點完成4次自主對接往返運動，最終均準確返回至對接塢位置，成功率達到100%，能夠準確并以最優路線完成精確對接。具體實驗數據如表2 所示。

Table 2 Experimental data表2 實驗數據 單位：m

3.2 校內拖曳水池實驗

為更好地測試AUV 在不同環境下的自主對接能力，接下來在校內拖曳水池完成對接實驗。拖曳水池環境如圖13 所示，水池深約2m，長約100m。由于室內GPS 信號較弱，故主要根據視覺導引及動力定位控制完成自主對接。

Fig.13 Towing basin environment圖13 拖曳水池環境

拖曳水池動力定位深度控制曲線如圖14 所示，控制AUV 保持在對接塢喇叭口的中心延長線上，并維持深度恒定。AUV 在短暫的超調之后能夠迅速穩定在期望深度，并維持誤差在0.05m 之內。AUV 根據搭載的雙目攝像機獲得對接器上的燈源圖像信息，利用視覺導引完成最終對接。

Fig.14 Towing basin depth control圖14 拖曳水池深度控制

4 結語

本文設計的AUV 自主對接系統經過湖試及水池實驗，結果表明，該系統具有較好的可靠性及穩定性，連續多組實驗均能準確完成對接任務，利用視覺導引及聲學導引保證了AUV 在多場景下的應用，且AUV 動力定位控制器在有隨機浪流干擾的湖泊及拖曳水池中能穩定地將深度、姿態角精確控制在指定范圍內，因此具有較好的應用前景。但目前在對接塢設計方面依然存在水下充電困難等問題，在未來的研究中將對其作進一步改進。