潜龙AUV专用收放技术研究进展

张洪彬，徐会希*，尹 远，陈 仲

（1.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；2.中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110169；3.辽宁省水下机器人重点实验室，辽宁 沈阳 110169）

在建设海洋强国的战略背景下，加大对海洋的研究探索是人类可持续发展的重要部署。自主水下机器人[1-3]（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）因其自身独特的优势，被广泛应用在大范围近海底深海资源勘察、军事海洋对抗、海底管路巡检、海底沉船打捞、油田勘探、海洋考古等众多工作领域。然而AUV应用流程中安全的布放和回收，往往是保证其水下正常工作关键环节。因布放失败而丢失的日本“海沟号”事故为潜水器的布放回收装置的研制与安全应用敲响了警钟。

国外的AUV专用收放装置研制起步较早，已经形成了成熟的保障装备体系[4-7]，按照工作方式划分可以分为两类，一类是吊放式专用收放装置[6]，这种方式的优点是装置简单，操作灵活，甲板占用空间较小，可借助对船载吊放设备的改造进行研制，节约成本，可用于多型AUV；缺点是需要对母船设备进行改造，移动式搭载能力较弱。另一类是滑道式布放回收装置，这种方式的优点是集成式模块化设计，与母船接口简单，操作便捷，移动搭载能力强，专用化程度高；缺点是占用甲板作业面积较大，装置制造维护成本高[8]，装备体积大且笨重。

国外主要从事相关研究的机构具体见表1，主要代表性研究成果见图1。

表1 国外主要从事相关研究的机构

图1 部分国外有代表性的AUV专用收放装置研制单位

国外相关研究机构率先完成了各种形式的AUV专用收放系统，大大地提高了AUV的收放作业效率和安全性。国内AUV专用收放系统的研究起步较晚[10-14]，主要从事相关研究的机构具体见表2，“十三五”前期的国产AUV所采用的传统收放方法十分复杂。回收过程中，AUV挂钩成功后，在吊放过程中，由于AUV与母船之间相对运动的影响，导致起吊缆绳的张紧与松弛交替变化，可能发生缆绳断裂；同时由于吊放式AUV受风浪的影响产生摇摆，容易造成磕碰，采用人力止荡防摇摆需要人员多、安全性低、可靠性性差。这些都造成传统AUV专用收放方法高海况适应能力不足、安全性不高、自动化程度偏低、收放效率低、海洋科考船时消耗成本较高等现状。显而易见，传统的布放回收方法过于落后，已然成为制约AUV应用水平提升的短板问题。所以AUV专用收放系统的研制工作亟需开展。

表2 国内主要从事相关研究的机构

“十三五”期间，围绕如何解决国内AUV的国产化专用收放系统问题，国内部分相关研究单位开展了研制工作。其中，中国科学院沈阳自动化研究所作为总体技术单位，开展了吊放式和滑道式两型专用收放系统的研制工作。

1 吊放式专用收放系统

吊放式专用收放系统由两部分组成，包括改造后的Palfinger折臂吊和一套自研的缓冲止荡导引头，其组成示意图如图2所示。借助两部分的功能组合实现对AUV的少人化、高自动化程度的布放和回收。

图2 吊放式专用收放系统组成示意图

1.1 缓冲止荡导引头设计

1.1.1 机构设计

缓冲止荡导引头主要包括转接固定支架、防摇摆止荡液压缸、导向缸筒、垂向缓冲液压缸、安全锁与释放销、鞍型架。对缓冲止荡导引头装置进行机构运动分析，主要包括防摇摆止荡功能、垂向缓冲功能、快速释放、安全锁紧与解除。防摇摆止荡液压缸的摆动区间初步设计为-20°～20°；垂向缓冲液压缸的垂向缓冲行程设计为85 mm，机构运动简图如图3所示。

图3 缓冲止荡导引头运动简图

为了提升专用收放系统的安全性，特别增加电机锁机构，机构整体采用螺钉固定连接到缓冲止荡导引头支架上，借助电机锁将抗剪切销轴打入AUV起吊环内，实现对AUV与缓冲止荡导引头的二级安全锁紧，确保折臂吊在摆动过程中AUV能够不完全依赖绞车起吊绳索的张紧与收放系统实现固连。具体工作原理图如图4所示。

图4 电机锁工作原理图

1.1.2 缓冲止荡液压设计

缓冲止荡导引头的防摆调节控制，通过防摆动液压缸（双作用液压缸、双缸）的伸缩实现。借助液压系统蓄能器提供的油液压力，实现防摇摆止荡液压缸的双向阻尼力，当缓冲止荡导引头在海浪的扰动作用下往回摆动时，防摇摆止荡液压缸借助蓄能器提供的油液压力，实现液压缸的往复阻尼作用，消耗摆动能量。当摆动外力消失时，防摇摆止荡液压缸具备驱使缓冲止荡导引头实现中位停摆的能力，回复定位精度±5 mm（指液压缸的中位行程误差），中位行程位置可调节，液压原理图如图5所示。

图5 横滚止荡及直线弹簧液压阻尼缸工作原理图

缓冲止荡导引头的垂荡调节控制，通过垂向缓冲功能液压缸（双作用液压缸、双缸）的伸缩实现。借助液压系统蓄能器提供的油液压力，实现直线弹簧液压缸的持续外伸。

1.1.3 缓冲止荡导引头集成设计

将机构和液压设备进行集成设计后，得到缓冲止荡导引头，具体如图6所示。尺寸：0.8 m×0.94 m×1.61 m；重量：不超过450 kg。

图6 缓冲止荡导引头结构组成图

1.2 强度校核

为确保装置具有4级海况条件下，能够安全地完成对AUV布放回收操作，所以需要根据潜水系统和潜水器入级规范的要求对装置进行有限元强度分析。计算总计分为两个工况，第一个工况为转接固定板起吊工况，第二个工况为导向缸筒承载工况，具体受力及边界条件如图7和图8所示。

图7 工况1静强度计算应力云图

图8 工况2静强度计算应力云图

关键零件最大应力计算结果如表3所示。

表3 关键零件静强度计算表

根据表3计算结果，2倍负载最小安全系数1.75，所有关键零件强度校核安全。

1.3 系统总装与调试

将缓冲止荡导引头集成到改造后的Palfinger折臂吊上，为确保对AUV布放和回收的可靠性，需进行总体技术调试，确保专用收放系统具备以下功能。

导向对接功能，当AUV被凯夫拉绞车卷扬起升时，会被动导入缓冲止荡导引头的鞍型架内，鞍型架的弧形管和架子根部安装有缓冲橡胶，可以实现对AUV第一级的缓冲保护。垂向缓冲功能，当AUV接触到鞍型架底部橡胶时，触发垂向缓冲液压缸，此时垂向缓冲液压缸会输出一个恒定的垂向支撑力。随着海浪的起伏，以及绞车的卷扬力，实现对AUV的垂向保护，避免因为绳索的弹性及海浪的起伏使AUV与鞍型架发生碰撞。摇摆止荡功能，随着吊机的外伸与摆动，鞍型架应尽可能保持铅锤状态，因此在缓冲止荡导引头上设置铰链结构，使导引头下端具有摆动能力，同时为实现收放过程中潜水器的防摇摆，安装一对防摇摆止荡液压缸，实现摆荡运动的抑制。

快速释放功能，当AUV随着吊机外摆到指定入水点，需要缓冲止荡导引头具备与AUV快速分离的功能，快速分离的AUV将按照预编程的使命规划完成水下探测任务。到达行程自动反馈功能，当凯夫拉绞车卷扬AUV上升到指定行程时，缓冲止荡导引头应具备到位反馈功能，及时触发凯夫拉绞车的制动功能。二级安全锁紧与释放功能，回收AUV时，当AUV随凯夫拉绞车卷扬上升到安全锁触发位置时，被动实现安全锁与AUV起吊钩的连接，增加AUV吊放过程中的安全性。

2 滑道式专用收放系统

针对回转体型AUV的布放回收问题，滑道式专用收放系统有着十分突出的技术优势。系统主要包括集成式液压站、底部支撑轨道、移动式大支架、液压绞车、艏捕捉小车、活动梯、横向限位抱紧机构、主推三级液压缸、摆动液压缸、快速释放液压缸等组成。借助滑道式专用收放系统多个自由度动作的有序组合，可以实现对AUV的高自动化、少人化、高效化的布放回收操作。

2.1 系统详细设计

2.1.1 机构设计

根据海上布放回收AUV的动作需求，进行机构运动设计，其具有的运动功能包括两个直线行走运动（活动梯、艏捕捉小车）、3个旋转运动（活动梯、限位抱紧侧臂、绞盘马达）。其中活动梯水平行走实现将AUV伸出、缩回船舷；艏捕捉小车沿活动梯行走，保持与AUV艏部接触相抵，限位和防止碰撞；利用摆动液压缸伸缩将活动梯倾斜和收平，实现将活动梯伸入水中和收回；利用横向限位液压缸伸缩将限位侧臂夹紧和放松，用于对AUV进行限位保护；绞盘马达实现AUV在活动梯上的起升和下降，机构运动见图9所示。

图9 滑道式布放回收系统运动简图

2.1.2 液压系统设计

如图10所示为布放回收系统的液压原理图，主要分为3个部分，分别是液压源、液压阀组、液压执行器。其中液压源部分包括变量液压泵2、三相交流电机3、电磁溢流阀7、单向阀5、压力表6、吸油过滤器1、压油过滤器4、回油过滤器8、冷却器9和10、加热器11、温度传感器13、液位传感器14、空气过滤器15、液位指示器12。液压阀组部分包括电磁阀16—20以及平衡阀21、22、24、25。液压执行器包括活动梯摆动液压缸23、绞盘马达26、限位侧臂夹紧液压缸27、活动梯直线行走液压缸28、艏捕捉小车液压刹车29。

图10 液压系统原理

2.1.3 总体集成设计

将机构设计和液压系统设计进行总体集成设计后，完成详细设计结果，具体如图11所示。总尺寸：不超过7.15 m×1.5 m×1.85 m；重量：不超过6.5 t；干舷高适应能力：不小于4.5 m。

图11 系统详细设计三维图

2.2 强度校核

经过受力分析，滑道式专用收放装置最危险的工况为回收时活动梯整体伸出，下摆至45°，此时AUV作为主要负载，在海浪和海风的作用下，计算载荷为3 t（AUV自重的2倍），结构简化结果及载荷施加如图12所示。

图12 约束及载荷施加图

各关键零部件最大等效应力如表4所示。

表4 关键零件静强度计算表

根据表4计算结果，2倍负载最小安全系数1.51，所有关键零件校核安全。

2.3 系统总装与调试

将所有零部件进行总体装配后，为确保对AUV布放和回收的可靠性，需进行总体技术调试，确保专用收放系统具备以下功能。

存放功能，滑道式布放回收装置平时可作为AUV存放平台，因此活动梯强度应足够支撑AUV的重量，并具有缓冲减震功能；回收时，在绞盘的作用下能将AUV从水中拖上活动梯，活动梯上安装滚动包胶轮，避免拖拽AUV时发生硬摩擦损伤表面，还可兼具支撑和减震功能。活动梯水平行走功能，存放AUV时，活动梯处于完全收回状态，当进行布放回收时，须将整个活动梯伸出舷外，完成布放或回收后须将活动梯收回原始状态。活动梯倾斜和收平功能，布放时，滑道式布放回收系统通过行走机构——主推三级液压缸将活动梯连同AUV伸出装置外侧，此时需要将活动梯斜伸入水中。回收时，当AUV通过绞盘完全被拉上活动梯后，需要将倾斜的活动梯放平。该功能通过摆动液压缸实现。

绞盘功能，绞盘安装于活动梯一端，用于布放时张紧AUV，对其进行固定。当进行回收时，能够将AUV通过活动梯拖上来。活动梯对AUV横向限位保护功能，当活动梯处于伸出状态时，坐落在活动梯上AUV受到艏部的张紧力和底部的支撑力，在风浪的作用下，AUV存在滑出活动梯的风险，因此需在活动梯上增加横向限位保护功能。艏捕捉小车对AUV的保护与捕捉功能，当对AUV进行布放时，艏捕捉小车作为快速释放液压缸的支撑部件，随AUV一同沿滑道下滑，直至艏捕捉小车下滑到活动梯底部时，操作快速释放液压缸完成对AUV的快速释放。当对AUV进行回收时，艏捕捉小车作为对接捕捉与缓冲保护的部件，配合绞车实现对AUV的捕捉回收。

3 专用收放系统试验

吊放式专用收放系统，于2020年9月随“大洋号”母船赴太平洋完成近海底专项航次调查期间，完成了海试验收并交付用户。吊放式专用收放系统性能稳定，表现优异，实现可借助3人完成对“潜龙四号”AUV的布放和回收操作，该系统的成功研制可为后续大洋科考节约宝贵船时，并减少航次保障队伍的人员规模。该系统的成功应用实现了对AUV的自动化、少人化和高效化运维。

滑道式专用收放系统，于2019年11月在千岛湖新安江试验场，完成了只依赖3人对AUV模拟器的布放和回收试验。顺利完成了湖试验收大纲的所有验收项，全面验证了各项功能指标，并择机开展海上验收试验。

图13 吊放式专用收放系统

图14 滑道式专用收放系统

4 结论

针对潜龙AUV人力收放保障的现状，开展两型自动化收放装备的研制工作，目前两型专用收放系统已经完成研制，吊放式专用收放系统已经完成交付并顺利投入大洋科考应用，滑道式布放回收系统已完成湖上试验。成功实现了只依赖3人可完成对AUV的收放工作，显著提升外场保障工作的高效性、安全性与自动化程度。

研究结论如下：（1）吊放式专用收放系统的顺利验收与交付，全面的验证了侧舷布放回收AUV的安全可行，表明潜龙AUV的人力收放时代已经结束，为助力大洋科考与应用，提供了新的辅助保障支撑装备；（2）滑道式专用收放系统的成功研制，为回转体型AUV的布放回收提供了新的解决思路，与吊放式专用收放系统形成互补的收放方案；（3）潜龙AUV自动化专用收放体系初步形成，为高效化潜龙AUV运维提供装备支撑。