海底作业AUV回收方式的研究

崔正

摘 要：随着时代和经济的发展，人类的探索不断向外扩大，人类不断扩大自己活动空间，同时海底资源的丰富以及人们对资源的需求，人们对海底世界的探索也不断深入。由于自治式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle）的高效、安全、工作时间长、可靠等优势，无论在军事领域，还是在民用领域，AUV在对海底的探索、海底科学考察、海底勘探、水下建造辅助作业中，发挥着关键的作用。在回收过程中，目前回收的方法也是多样性的，而深水回收也是当今研究的重点方向，其中关键回收的技术也达到了瓶颈处，合理、有效的回收方法将大大提高海底作业的AUV的隐蔽性、安全性、自主性，这也是未来船舶自动化技术的需要。

本文基于目前AUV发展背景，在以国内外AUV回收技术现状的背景下，分析了目前承载AUV的船舶以及AUV回收的方式，结合当下自主回收技术，提出了一种自主回收方式，并分析了作业方式，并且从多个方面分析了此種方法的优越性。文章中历数了方案实施过程中将遇到的技术难点，并指出回收过程中AUV的导航运动方向问题是水下回收过程中的关键问题。

关键词：海底作业；AUV；回收方式

1 AUV的发展背景

中国管辖沿海海域总面积达473平方公里，并且有18000公里的大陆海岸线和14000公里的岛屿海岸线。我国近海大陆架石油资源量约为240余亿吨，天然气资源量约为13万亿立方米，我国滨海砂矿的种类达60种以上，进入海洋时代，必定会有各式各样的海洋问题亟待解决。在2009年的一份报告中，兰德公司为AUV推荐了以下七个任务类别：地雷对策、部署遗留监视传感器或传感器阵列的任务、近海和港口监视任务、海洋学任务、监测海底基础设施、蚂蚁潜艇作战跟踪任务和检查/识别任务。装有AUV的大型潜水器能够在更广的范围内进行科学高效的检测作业，对未知危险源的检测具有重要意义。

2 承载AUV的船舶

从船舶之间工作的关系来看，可以将承载AUV的船舶称为母船。以AUV科学探索的方向出发，母船需要满足AUV的基本需求，由于水下再循环平台的隐蔽性和安全性要求，在再循环过程中不能使用起重机、中继站等辅助设备，再循环过程必须控制AUV自主导航返回再循环平台。AUV通常有其自身的水下工作能量，其工作时间和距离有限。这需要恢复来补充能量、阅读信息和维护安全。因此，水下航行器完成任务后，需要及时回收再循环到船的储存箱内提供信息。

3 AUV的回收方式

3.1 国内外回收现状

根据目前回收技术的现状来看，通常有两种回收AUV的方式：第一种在水面上用母船起吊回收，该作业方式受风浪影响较大，主要应用于大型AUV回收；第二种是采用浮船坞型和升降平台进行水下对接回收作业，虽然避免了风浪的影响，但在活动范围上仍受到较大限制。从上世纪90年代初至今，西方各国逐渐采用潜艇驮带回收和鱼雷发射管回收等水下回收方式，其优点是续航能力强，不受空间限制。

目前的AUV回收方式具体归纳为四类：水面起吊回收方式、水下对接回收方式、水下驮带回收方式、鱼雷管回收方式。

根据目前AUV回收技术的现状，通常有两种回收方式：第一种是利用母船上的起吊装置升降回收，该作业方式受风浪影响较大；第二种是采用浮船坞型和升降平台进行水下对接回收作业，虽然避免了风浪的影响，但活动范围仍然有限。20世纪90年代初以来，西方国家逐渐采用海底回收、鱼雷发射装置回收等水下回收方法，具有耐用性强、不受空间限制等优点。

3.2 AUV回收技术中的问题

AUV回收技术涉及广泛的科学领域，其核心问题可以从力学、控制和导航三个关键技术领域进行探讨。问题包括流体干扰、机动性和控制、导航和定位。

AUV在水下回收过程中，AUV与母船作非定常相对运动，会受到母船运动的干扰作用，干扰力会由于AUV与母船的几何尺寸差异而对AUV的影响较大，并且干扰力的大小与AUV状态相关，其中包括运动流场边界的形状、自身的运动姿态、相对于回收平台的方位和距离；另外，考虑到复杂海洋环境的影响，AUV运动流场中普遍存在波浪、海洋和水流，它们对AUV运动的干扰是非线性的。

常见的AUV导航定位方法包括水声导航、惯性导航、卫星导航、电磁导航、光学导航、视觉导航和组合导航。其中，水声导航、惯性导航和卫星导航的定位精度不高，仅适用于远程导航和定位。在AUV的恢复过程中，关键在于近程导航和定位，它必须满足较高的定位精度，否则不能保证恢复操作的成功完成。

4 新型AUV自主回收方式

将回收舱设计成双闸式回收装置，可以根据闸门的不同时闭合，且母船底部装有机械臂，以此来进行回收AUV，这样的装置可以大大提高回收的工作效率以及其他优点。

针对AUV的回收控制问题，由于AUV运动数学模型具有高度非线性、时变、强耦合的特点，流体动力参数的不确定性，回收平台上水下航行器干扰流场的非线性干扰以及复杂海洋环境的随机非线性干扰。采用最优化模变结构控制理论对AUV进行控制。在恢复过程中设计了动态定位系统的控制器。此外，还有几种典型的控制理论，基于模糊控制理论对AUV回收控制方法进行了研究。在导航中，为了获得自主式水下航行器在惯性坐标系下的位置，提出了一种获取载人航行器坐标的猜测方法。为了减少自主式水下航行器导航的误差积累，提出了一种单步航位推算定位方法。

船上的操作人员设定海上作业地点，船通过GPS导航系统以及船自身的自动驾驶功能，在船的两翼舱室前部存放着的充能AUV，以及中间舱室的前部存放着工作AUV。到达指定地域后，由机械臂抓取通过底部释放工作AUV，工作AUV将自动编队，协同作业，以提高探测效率，发现目标时，工作AUV将前往工作位置进行取样。当工作AUV进行作业过程中，达到电量预警时，充能AUV到达工作AUV上方，对其进行充电，以及数据之间的传输。如此反复进行几次工作，探索完这片区域。AUV返程时，工作AUV根据现代导航技术寻找载体船的位置，首先返回到主仓回收舱的底部。在船的底部，回收舱注水后，外舱门开启，AUV进入，在AUV进入后，关闭外舱门，并开启内舱门，由舱内机械臂至AUV空余仓位，在空余仓位中，进行充能以及数据的传输。

5 结语

随着海洋时代的到来，对AUV及AUV载体的研究，将变得意义重大，以三体船为载体的AUV，更符合现代人们思想，其在安全、可靠、环保、实用等方面的优势，更利于对浅海区域的探索，将更容易被接受。

这种方法的优点是不受时间和空间的限制，可以节省大量的辅助设备成本和人力，水下自主回收可有效节约回收成本，减轻作业负担。为了完成对接任务，自主水下航行器（AUV）应该具有以战略方式引导、导航和控制自己进入对接站的能力，操作者可以不必冒险下小艇，并且水下回收所使用的设备完全可以利用现有的技术储备。水下回收不仅可以帮助AUV实现安全回收，而且还具有其他潜在用途。如它可以为AUV在水下补充能量和交换数据，以及为物资流动提供安全路径。

参考文献

[1]潘光，黄明明，宋保维，胡海豹，杜晓旭.AUV回收技术现状及发展趋势[J].鱼雷技术，2008，16（06）：10-14.

[2]王智学.AUV回收时的运动控制方法研究[D].哈尔滨工程大学，2006.