基于 USV的 AUV布放回收系统设计与实现

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.070

基于 USV的 AUV布放回收系统设计与实现

李明烁^,¹^,²^,³, 孟令帅^,^,²^,³, 谷海涛²^,³, 曹新星²^,³^,⁴, 张明远²^,³^,⁵

1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870

2.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳 110016

3.中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁沈阳 110169

4.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 110819

5.中国科学院大学，北京 100049

Design and implementation of launch and recovery system for AUV based on USV

LI Mingshuo^,¹^,²^,³, MENG Lingshuai^,^,²^,³, GU Haitao²^,³, CAO Xinxing²^,³^,⁴, ZHANG Mingyuan²^,³^,⁵

1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China

2.State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

3.Institutes for Robotics and Intelligent Manufacturing, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110169, China

4.School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China

5.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: 孟令帅（1989—），男，山东滨州人，副研究员，硕士生导师，博士，从事水下机器人结构设计、水动力分析等研究，E-mail: menglingshuai@sia.cn, https://orcid.org/0000-0001-6990-249X

收稿日期: 2023-01-26 修回日期: 2023-02-17

基金资助:

中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室资助项目. E11Z0902
辽宁省自然科学基金资助项目. E1310901

Received: 2023-01-26 Revised: 2023-02-17

作者简介 About authors

李明烁（1999—），男，辽宁辽阳人，硕士生，从事水下机器人设计研究，E-mail:1520607043@qq.com , E-mail：1520607043@qq.com

摘要

为了解决目前布放回收自主水下机器人（autonomous underwater vehicle，AUV）自动化水平低、工作效率低、危险性高等问题，研制了一款基于无人水面船（unmanned surface vessel，USV）的AUV自主布放回收系统。首先，通过分析国内外常用AUV布放回收方式和布放回收系统，设计了AUV布放回收系统，并对其工作原理进行分析；其次，分别从力学分析、数值仿真等角度研究了布放回收系统的动力学、静力学及接触碰撞问题；最后，搭建了系统原理样机并进行了陆上实验和湖上实验，通过实验验证了所设计的布放回收系统稳定可靠、操作简单、通用性好，可以有效提高AUV自主布放回收的效率。所设计的基于USV的AUV布放回收系统具有良好的应用前景。

关键词： 自主水下机器人 ; 布放回收系统 ; 结构设计 ; 力学分析 ; 湖上测试

Abstract

In order to solve the problems of low automation level, low work efficiency and high risk when launching and recovering autonomous underwater vehicle (AUV), an launch and recovery system (LARS) for AUV based on unmanned surface vessel (USV) was developed. Firstly, by analyzing commonly used AUV launch and recovery modes and LARS at home and aboard, an AUV LARS was designed, and its working principle was analyzed; secondly, the dynamics, statics and contact collision issues of the LARS were studied from the perspectives of mechanical analysis and numerical simulation; finally, a principle prototype of the system was built and land and lake experiments were conducted. The experiments verified that the designed LARS was stable, reliable, easy to operate, and had good universality, which could effectively improve the efficiency of autonomous launch and recovery of AUV. The designed AUV LARS based on USV has good application prospects.

Keywords： autonomous underwater vehicle （AUV) ; launch and recovery system (LARS) ; structural design ; mechanical analysis ; lake testing

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本文引用格式

李明烁, 孟令帅, 谷海涛, 曹新星, 张明远. 基于 USV的 AUV布放回收系统设计与实现. 工程设计学报[J], 2023, 30(5): 650-656 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.070

LI Mingshuo, MENG Lingshuai, GU Haitao, CAO Xinxing, ZHANG Mingyuan. Design and implementation of launch and recovery system for AUV based on USV. Chinese Journal of Engineering Design[J], 2023, 30(5): 650-656 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.070

地球表面积的2/3是海洋面积。我国海洋国土面积为300万 km ²，约为我国陆地面积的1/3。探索未知海洋要用到多种技术手段，而自主水下机器人（autonomous underwater vehicle，AUV）以其独特的优越性，被频繁应用于海洋勘探工作 ^{[ 1]}。近几年来，AUV的应用领域不断拓宽，其被广泛应用于海洋探测、油田勘探、海底打捞及海底信息情报获取等。随着人们对AUV作业任务及功能需求的不断增加，AUV逐渐向自主化、长期化、无人化方向发展。由于AUV须频繁地回收以补充能源，传统基于人工的布放回收方式已经不能满足未来作业的需求 ^{[ 2]}。当AUV在深海作业时，其回收需花费较长时间，若海况较差，则回收过程具有一定的风险 ^{[ 3]}。无人水面船（unmanned surface vessel，USV）作为水面航行的无人自主机器人，具有很强的载荷搭载能力和续航能力，且航行速度较快。AUV与USV协同作业，可以取长补短、优势互补 ^{[ 4]}，极大地提高海上无人系统的作业效率，为最终实现海上无人作业提供技术支撑。利用USV自主回收AUV，首先须实现USV与AUV的水下对接捕获。为此，国内外学者已对USV布放回收AUV过程中的对接技术开展了研究。如：Page等 ^{[ 5]}提出了一种集成导航算法，采用该算法可促进AUV可靠水下对接；Meng等 ^{[ 6]}设计了一种由钢杆、缆绳和稳定翼组成的水下牵引系统，提高了AUV水下回收的成功率；Sarda等 ^{[ 7]}制作了基于双体USV的拖曳对接装置的原理样机，测试了对接装置的可行性与有效性；Mcewen等 ^{[ 8]}开发了一套AUV对接站，其具有下载数据、上传作业计划、为电池充电等功能。

结合目前大多数AUV的自身特点及其回收系统所采用的对接捕获形式，作者设计了一种适用于双体USV的AUV自主布放回收系统。该布放回收系统结构简单可靠，可用于布放回收不同外径尺寸的AUV，通用性较好，在未来海洋探测中具有广阔的应用前景。

1 常用 AUV布放回收方式和布放回收系统

布放回收是AUV作业中必不可少的一环 ^{[ 9- 10]}。目前有3种较为成熟的AUV布放回收方式 ^{[ 11]}：基于水面船对AUV进行回收，这是最常用的水面部署方式；利用潜艇布放回收AUV，包括采用鱼雷管方式、坞舱搭载等 ^{[ 12- 13]}；在海洋底部，采用深海常驻系统布放回收AUV。多样化的AUV布放回收方式使得各海洋平台间的互联互通更加高效，促进了智慧透明海洋网络系统的建设 ^{[ 14]}。智慧透明海洋网络系统如图1所示。

图1

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图1 智慧透明海洋网络系统

Fig.1 Intelligent and transparent ocean network system

目前使用率较高、通用性较好的AUV布放回收系统主要有3种，如图2至图4所示。佛罗里达大西洋大学研制的布放回收系统通过AUV捕捉绳索或杆类目标，实现AUV回收。对AUV导航定位精度要求较低，可实现360°全方位捕获，回收成功率高，缺点是须对AUV进行改造。Hydroid公司研制的布放回收系统的特点是系统有导向功能，可使AUV更易进入对接管道而完成对接 ^{[ 15]}。“探索者”号布放回收系统的特点是通过捕捉臂捕捉AUV来进行回收，回收成功率高，但是回收系统须有适合AUV坐落的平台 ^{[ 16- 17]}，且对AUV导向精度要求很高。

图2

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图2 佛罗里达大西洋大学研制的AUV布放回收系统

Fig.2 LARS developed by Florida Atlantic University

图3

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图3 Hydroid公司研制的AUV布放回收系统

Fig.3 LARS developed by Hydroid company

图4

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图4 “探索者”号AUV布放回收系统

Fig.4 "Explorer" AUV LARS

2 AUV布放回收系统设计及工作原理

2.1　系统设计

借鉴佛罗里达大西洋大学研制的布放回收系统的对接捕获方法，作者设计了基于USV的AUV布放回收系统。该布放回收系统结构简单，易于对接，适用于不同尺寸的光滑圆柱形AUV。其结构如图5所示，主要由对接框架、转接板、刚性杆、折合板、电动推杆、转接件和连接杆等组成。对接框架长为3 176 mm，宽为1 200 mm，高为1 352 mm，质量为80 kg。对接框架通过安装在其两侧的4个转接板安装在USV中间位置。刚性杆布置在对接框架前端，用于完成与AUV的对接任务。对接杆不采用以往的柔性缆绳，而采用可伸缩的刚性杆，其受海水扰动较小，且没有轴向自由度，只能横向摆动。折合板布置在对接框架两侧，通过转动轴承与对接框架连接，是布放回收的关键部件。电动推杆固定在对接框架顶部，其底部连接转接件，转接件连接2个连接杆，连接杆与折合板上的轴承基座进行连接。刚性杆和电动推杆的运动需要外部能源，能源模块布置在USV舱体内。电缆线路的布置通过穿舱件完成。

图5

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图5 基于USV的AUV布放回收系统结构

Fig.5 Structure of AUV LARS based on USV

2.2　工作原理

USV自主回收AUV是一个AUV由远及近逐渐驶向USV的过程，回收流程如图6所示。流程为：第1步，AUV通过水声通信在水下对USV进行定位，获取定位信息后航行至USV附近，并浮出水面进行水面航行；第2步，AUV驶向USV，并通过网桥通信调整姿态而进入回收系统；第3步，当AUV接近USV时，回收系统刚性杆上电，向水下延伸，同时折合板打开，AUV前端捕获机构与刚性杆进行对接，待AUV前端卡舌与刚性杆咬合后，AUV轴向移动被限制；第4步，检测到AUV捕获完成信号后，刚性杆和电动推杆收缩，折合板闭合并将AUV抱离水面，完成回收。

图6

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图6 自主回收AUV流程

Fig.6 Process of autonomous recycling AUV

在AUV回收流程的前2步，对AUV自身导航精度要求不高，而第3步是实现水面对接捕获，是回收AUV的关键，因此下面重点介绍对接捕获过程。

在第3步中，AUV与USV的距离较近，通常小于30 m，且两者定向逆流航行。AUV通过北斗卫星导航系统完成定位，并且以快于USV的航速驶向USV，逐渐缩短与USV的距离。当两者距离小于5 m时，AUV再次确定与USV的位置及姿态信息，并加速驶向刚性杆，直至其前端卡舌与刚性杆咬合。当AUV的航向与回收系统的航向平行时，便可进行后续回收步骤。若AUV被捕获后因受外界影响未与回收系统的航向保持平行，则由USV拖带AUV航行而逐步改变其航线，以尽可能保持AUV与回收系统的航向一致。待AUV整体处于折合板开角范围内时，刚性杆上移，同时电动推杆带动折合板闭合，将AUV抱出水面，完成回收。

3 AUV布放回收仿真

3.1　受力分析

在布放回收AUV的过程中，折合板与AUV存在动态接触，折合板会对AUV施加一个实时变化的支撑力。在这个过程中，折合板因受力而发生形变。为了保证回收系统的安全性，须对折合板进行受力分析。回收系统的材料选用45号钢。45号钢的性能参数如表1所示，其具有较好的强度和耐磨性。

表1 45号钢性能参数

Table 1 Performance parameters of 45 # steel

参数	量值
条件强度极限	355 MPa
抗拉极限	600 MPa
伸长率	16%
泊松比	0.31
材料密度	7 850 kg/m ³

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折合板受力如图7所示。图中：圆表示AUV横截面， AB表示折合板截面， A点表示转轴截面。当折合板与AUV接触时，会在折合板与AUV的接触点 $O$ 处产生指向AUV轴心方向的支撑力 $F$ 。 $F$ 与水平方向（ $x$ 向）的夹角为 $α$ ， $F$ 随着 $α$ 的变化而变化； $F_{y}$ 为 $F$ 在垂直方向（ $y$ 向）的分力； $f$ 为折合板与AUV间的摩擦力；转轴处承受着折合板重力与AUV重力的合力 $F_{A}$ 。一侧折合板承受的重力为AUV重力 G的一半。在布放时， $α$ 的最大值为85°，最小值为0°。 $β$ 为折合板的转动角度， $α$ 与 $β$ 互为余角。若受力后折合板不会发生形变或者损坏，则折合板满足工作强度要求。

图7

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图7 折合板受力

Fig.7 Folded plate loading

通过受力分析可知：

\{\begin{array}{l} F_{y} + f_{y} = \frac{G}{2} \\ F_{y} = F s i n α \\ f_{y} = f c o s α \\ f = μ F \\ α + β = \frac{π}{2} \end{array}

(1)

式中： $μ$ 为折合板与AUV间的摩擦因数。

求解式(1)，可得：

F = \frac{G}{2 \sqrt[]{1 + μ^{2}} s i n (α + θ)}

(2)

式中： $θ$ =arctan $μ$ 。由于 $μ$ =0.3，可得 $θ$ =0.29。

由式(2)可知， $μ$ 、 $G$ 、 $θ$ 皆为常数，因此 $F$ 的大小取决于 $s i n (α + θ)$ 。在布放过程中， $α$ 逐渐减小，由正弦图像可知， $s i n (α + θ)$ 先增大后减小， $F$ 在布放初始时数值较大，随后逐渐减小。

回收系统两侧的4个转轴基座承受折合板和AUV的重力，单个转轴基座承受折合板重力 G_折的1/2和AUV总重力 G的1/4，即：

F_{A} = \frac{G_{折}}{2} + \frac{G}{4}

(3)

实际测得一个折合板的重力 $G_{折}$ =300 N，AUV重力 $G$ =1 500 N，计算可得 $F_{A}$ =525 N。

3.2　 ADAMS动力学仿真

利用Solidworks软件建立回收系统的三维模型，并保存为x_t文件，导入ADAMS软件，进行AUV布放过程仿真。所建立的AUV布放模型如图8所示。设置AUV布放时电动推杆的初速度为5 mm/s，在AUV与折合板的接触点设置表面接触碰撞，获得接触力变化曲线，如图9所示。

图8

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图8 AUV布放模型

Fig.8 AUV launch model

图9

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图9 接触力变化曲线

Fig.9 Contact force variation curve

由图9可知：接触力整体呈先增大后减小的趋势，与受力分析得出的结果一致；接触力最大值为 1 700 N。

3.3　折合板和轴承基座的应力及位移仿真

采用Solidworks软件中的Simulation功能模块对折合板和轴承基座进行静应力分析。

将折合板与AUV接触位置的受力设置为1 700 N，折合板的材料设置为45号钢，折合板上转轴位置设置为固定，划分网格，进行仿真运算。在承受最大力时，折合板应力及位移的仿真结果如图10所示。由图可知，折合板的最大应力为13 MPa，最大位移为0.45 mm，满足了强度和稳定性的要求。在对接过程中AUV与对接杆存在瞬时碰撞作用力，为了避免对AUV造成损坏，在折合板表面包裹一层缓冲泡沫。

图10

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图10 折合板应力及位移仿真结果

Fig.10 Simulation results of stress and displacement of folded plate

在布放回收过程中，AUV和折合板的重量由安装在两侧的转轴基座承受，因此，轴承基座的可靠性至关重要。在Simulation功能模块中，将轴承基座的材料设置为45号钢，轴承基座底面设置为固定，在轴承基座内侧施加525 N的力，进行仿真运算。轴承基座应力及位移的仿真结果如图11所示。由图可知，轴承基座所受最大应力为2.78 MPa，最大位移为0.000 07 mm，也符合强度和稳定性要求。

图11

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图11 轴承基座应力及位移仿真结果

Fig.11 Simulation results of stress and displacement of bearing housing

4 实验验证

为了验证所设计的布放回收系统的可行性，搭建了系统的原理样机，进行AUV布放回收实验。实验分为陆上实验和湖上实验两阶段。陆上实验验证机构的运动能力和稳定性，湖上实验验证系统整体的工作能力。AUV布放回收实验如图12所示。

图12

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图12 AUV布放回收实验

Fig.12 AUV launch and recovery experiment

湖上实验：AUV通过水声通信对USV进行定位，获取与USV的相对位置后驶向USV，航行至USV附近后打开其前端的捕获机构，继续向安装在USV中的回收系统靠近，直至捕获机构与刚性杆咬合；当AUV姿态稳定且处在正确位置时，回收系统的折合板闭合，将AUV抱离水面，完成回收。可以通过以下2种方法调整AUV姿态：1）调整AUV艉舵，通过其自身操纵能力调整姿态；2）USV拖曳AUV向前航行，依靠水流改变AUV姿态。实验表明，布放回收系统能够实现与AUV的对接，并通过执行机构带动折合板将AUV从水中进行回收。

5 结论

本文首先介绍了几种国内外常用的AUV布放回收方式和布放回收系统。结合目前大多数AUV的自身特点及回收系统所采用的对接捕获形式，设计了一种基于USV的AUV布放回收系统，并对该系统进行了总体结构设计、受力分析和强度分析，同时介绍了系统的工作原理和流程。为了验证所设计布放回收系统的可行性，搭建了系统原理样机，进行了其陆上实验和湖上实验。陆上实验验证了系统的运动性能，各机构运动正常，不存在干涉；湖上实验验证了系统的整体操控流程及功能，布放回收系统在正常工况下能完成对AUV的布放回收任务。实验表明，所设计的布放回收系统具备AUV自主布放回收功能，可实现无人自主作业，功能稳定可靠，且结构相对简单。后续将继续开展自主布放回收测试，对系统的整体结构进行优化，为其应用的普适性提供支撑。

参考文献

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被引期刊影响因子

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BIAN

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Mission management and control of BSA-AUV for ocean survey

［J］. Ocean Engineering， 2012， 55（ 6）： 161- 174.