AUV 自主对接回收动力定位控制系统设计与实现

谢争明，曾庆军，朱志宇，戴晓强，任申真

（1.江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江 212100；2.中科探海（苏州）海洋科技有限责任公司，江苏苏州 215600）

0 引言

海洋作为多种资源的重要来源，对海洋的探索具有重要意义［1］。自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作为探索海洋资源的重要技术装备，在海洋科学考察［2］、智能水下检测［3-4］、水下搜救等领域发挥着重要作用。AUV 在这些领域代替人工进行作业的同时，可大大降低作业人员遇到的风险并提高作业效率［5-6］。由于AUV 作业一段时间需要回收以进行能源补给、数据传输及指令下达等任务，但频繁布放及回收AUV 过于繁琐［7-8］，同时给工作人员及AUV 带来更多风险［9］，所以国内外科研人员对水下自主对接进行了研究。

自20 世纪90 年代以来，AUV 的对接系统主要包括捕捉式对接、平台式对接、包容式对接等几种类型［10］。近年来，国内外研究人员也在自主对接方面取得多项成果［11-12］。如浙江大学于2017 年5 月在深度50m 和105m 条件下成功完成AUV 包容式自主回收对接海试，表明包容式对接在深海具有良好的可靠性及稳定性［13-14］。而动力定位控制作为AUV 自主对接过程中的重要一环，在悬停校准环节起到了重要作用。文献［15］设计自适应滑模控制器，以克服AUV 模型不准确和未知扰动对动力定位控制的影响，但其仅在定常海流干扰环境下设计控制器，未能很好地结合实际应用环境；文献［16］设计积分分离模糊PID 航向角控制器，在减小超调方面具有较好效果。

本文以“探海Ⅱ型”全驱动AUV 为基础，结合超短基线、惯性导航系统、双目摄像机等设备，设计全驱动AUV 自主对接回收动力定位控制系统，通过动力定位控制器发挥全驱动AUV 的优势完成推力分配，从而抵抗随机浪流扰动，实现水下精准对接回收。最终水下自主对接实验成功率超过90%，验证所设计系统的有效性及可靠性。

1 自主对接系统设计方案

本文设计的自主对接系统主要针对“探海Ⅱ型”AUV，该AUV 采用鱼雷型结构，有利于自主对接工作，同时支持水面无线遥控模式、有缆光纤遥控模式及自主作业模式。对接坞采用包容式结构，与鱼雷型AUV 结构能够较好地配合完成自主对接。

1.1 “探海Ⅱ型”AUV 设计

“探海Ⅱ型”AUV 结构如图1 所示。

Fig.1 Structure of“T-SEA Ⅱ”type AUV图1“探海Ⅱ型”AUV 结构

“探海Ⅱ型”AUV 由艏段、电子舱段与艉段组成，艏段搭载双目视觉摄像机供视觉导航使用，电子舱段为控制系统所在舱段，并装载光线惯导、多普勒计程仪、深度计、GPS等导航设备，艉段下部装载超短基线设备作为自主对接的主要工具。整个AUV 共有5 个推进器，分别为2 路侧推、2路垂推及1 路主推，其中侧推及垂推作为辅助推进器用于控制AUV 姿态。同时，艉部设计“X”型舵以提高AUV 的可操作性，并可调整舵叶角度来调整其附加转矩。AUV 主要参数如表1 所示。

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

1.2 对接坞设计

对接坞设计结构如图2 所示。本文AUV 对接坞采用包容式结构，主要由对接器、对接坞控制系统及基座组成。对接坞作为AUV 对接平台，搭载了GPS、深度传感器、姿态传感器、超短基线（USBL）等多个传感器。其中USBL 作为通信、定位一体机，提供对接坞与AUV 之间的位置关系，并作为AUV 与对接坞的通信工具。

Fig.2 Structure of docking device图2 对接坞设计结构

为提高对接成功率，对接器采用锥形喇叭口结构，其中轴线离底高度为2.2m，对接器大径与小径分别为800mm及250mm。通过对对接器的锥形导向罩进行处理，以使AUV 能更平滑地进入对接器。对接器实物图如图3 所示。

Fig.3 Docking device图3 对接器

2 自主对接方案

AUV 自主对接示意图如图4 所示。“探海Ⅱ型”AUV 自主对接过程分为远距离直线归位、远距离直线跟踪、近距离直线跟踪及近距离调整阶段。在AUV 收到对接任务后，若AUV 未进入USBL 作用区域，则根据对接坞入水前的坐标信息向其靠近，待接收到USBL 信号后得到对接坞确切位置，计算位于对接器中心线上的跟踪点并进入直线归位阶段；到达指定跟踪点后开启AUV 动力定位控制器，同时通过圆弧运动过渡至直线跟踪阶段，并利用控制器完成航向控制；待AUV 进入视觉导引阶段，通过视觉导航系统估计AUV 实际位置并计算跟踪误差，同时利用动力定位控制器实现悬停校准及近距离直线控制；当在近距离调整阶段进入视觉盲区，则依靠控制器所计算的对接器位置完成对接。

（1）直线跟踪点调整。首先根据定位信息计算得到对接坞初始坐标(x0,y0)及直线跟踪点初始坐标(xobj,yobj)，在AUV 作业过程中根据USBL 提供的坐标信息计算AUV 与对接坞的相对距离及相对角度，并计算得出对接坞在大地坐标系中的实时坐标进而由式（1）得到目标直线跟踪点更新坐标

Fig.4 AUV auto docking diagram图4 AUV 自主对接示意图

（2）航位推算。大地坐标系下AUV 航速为V，V在地理东向、北向的速度分量分别为VE、VN，推算大地坐标系下的位移增量为［20］：

式中，ΔSE、ΔSN分别为位移增量在地理东向、北向的分量，ψ为航向角，Vx、Vy分别为AUV 相对于大地的前向、左向速度分量，进一步对式（2）左侧位移增量进行积分，得出AUV 当前航位推算位置量。

（3）悬停校准。具体公式如下：

式中，ll为AUV 初次视觉导引时的位置在对接器中心延长线上的投影；el是相对喇叭口中心线的偏差；Δθ是AUV 当前航向与喇叭口中心线的偏差，Δθ∈(-25°,25°)；k1、k2是比例系数；sgn(el·Δθ)用于判断AUV 是趋向还是远离中心线；lmax是校准点与喇叭口的最大距离；lmin是校准点与喇叭口的最小距离。然后以式（3）估计动力定位目标相对喇叭口中心线的位置，校准与喇叭口中心线的跟踪偏差。

3 实验与分析

为验证本文设计的动力定位控制器及自主对接系统的性能，将“探海Ⅱ型”AUV 及自主对接系统分别于苏州某湖和校内拖曳水池进行测试。

3.1 苏州某湖实验

图5 为苏州某湖实验环境，湖内深度大于5m，湖底无水草等干扰物，湖面有波浪且水流速度小于1m/s。为更直观地观察自主对接效果，将对接器置于水下1～2m 处。

Fig.5 Experiment environment of some lake in Suzhou图5 苏州某湖实验环境

图6 为AUV 水面监控平台操作界面（彩图扫OSID 码可见，下同），可通过上位机下达指令及接收信息等，并通过地图监控AUV 位置及信息。实验分为AUV 动力定位控制实验与连续自主对接实验两部分。

Fig.6 Water surface monitoring platform图6 水面监控平台

（1）AUV 动力定位控制实验。为测试AUV 的悬停校准性能，首先进行动力定位深度控制实验。通过上位机设定AUV 动力定位的目标点坐标为（120.317 329 406 738，31.109 573 364 257 8），期望深度为3m，持续作业时间为1h以上。

实际控制深度及期望深度曲线如图7 所示，深度误差曲线如图8 所示。由图可知，AUV 动力定位控制器在深度控制上取得了很好的效果，超调较小并能保持稳态深度误差在±0.04m 范围之内。在有随机浪流干扰的情况下，能够迅速抵抗扰动的影响并回到稳态，能够满足精确自主对接对深度控制的要求。

Fig.7 Dynamic positioning depth control curve图7 动力定位深度控制曲线

Fig.8 Depth error curve图8 深度误差曲线

同样的，为测试AUV 在自主对接过程中直线跟踪及姿态角控制方面的能力，进行姿态角保持实验。设定AUV 沿直线行驶，并保持航向角恒定为90°、纵倾角0°、横滚角0°，维持时间1h 以上。航向角、纵倾角及横滚角控制曲线分别如图9-图11 所示。由图可知，AUV 所设计的AUV 动力定位控制器在姿态角控制方面具有优越的性能，可控制航向角稳态误差在目标角度±0.5°以内，且控制纵倾角、横滚角稳态角度均在±0.3°以内，能够抵抗外部扰动对角度控制的影响，更好地保障AUV 自主对接过程中对精确控制的要求。

Fig.9 Course angle control curve图9 航向角控制曲线

Fig.10 Trim angle control curve图10 纵倾角控制曲线

Fig.11 Roll angle control curve图11 横滚角控制曲线

（2）AUV 连续自主对接实验。为测试AUV 在不同距离及方位下自主对接的成功率，在苏州某湖分别进行4 段不同距离与不同方位的对接测试。以对接坞为坐标原点（0，0），利用USBL 提供AUV 与对接坞的相对坐标信息，以不同初始角度及距离完成对接。AUV 连续自主对接轨迹如图12 所示。

Fig.12 AUV continuous autonomous docking trajectory图12 AUV 连续自主对接轨迹

如图12 所示，AUV 分别以对接坞位置为初始点完成4次自主对接往返运动，最终均准确返回至对接坞位置，成功率达到100%，能够准确并以最优路线完成精确对接。具体实验数据如表2 所示。

Table 2 Experimental data表2 实验数据 单位：m

3.2 校内拖曳水池实验

为更好地测试AUV 在不同环境下的自主对接能力，接下来在校内拖曳水池完成对接实验。拖曳水池环境如图13 所示，水池深约2m，长约100m。由于室内GPS 信号较弱，故主要根据视觉导引及动力定位控制完成自主对接。

Fig.13 Towing basin environment图13 拖曳水池环境

拖曳水池动力定位深度控制曲线如图14 所示，控制AUV 保持在对接坞喇叭口的中心延长线上，并维持深度恒定。AUV 在短暂的超调之后能够迅速稳定在期望深度，并维持误差在0.05m 之内。AUV 根据搭载的双目摄像机获得对接器上的灯源图像信息，利用视觉导引完成最终对接。

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

4 结语

本文设计的AUV 自主对接系统经过湖试及水池实验，结果表明，该系统具有较好的可靠性及稳定性，连续多组实验均能准确完成对接任务，利用视觉导引及声学导引保证了AUV 在多场景下的应用，且AUV 动力定位控制器在有随机浪流干扰的湖泊及拖曳水池中能稳定地将深度、姿态角精确控制在指定范围内，因此具有较好的应用前景。但目前在对接坞设计方面依然存在水下充电困难等问题，在未来的研究中将对其作进一步改进。