一种水面无人艇拖线阵自主收放系统设计

林 婕，朱文武，王俊雷，江梦洁

(中国船舶集团有限公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

0 引 言

近年来，随着信息技术、自动控制技术、导航技术、能源技术及材料科学的不断发展，水面无人艇（Unmanned Surface vehicle，USV）在海洋探测领域的应用越来越丰富。USV 搭载任务载荷，如拖曳声呐、线列阵声呐、扫雷声呐、合成孔径声呐等开展探测任务，任务载荷的自主收放是该应用场景下面临的重要挑战之一[1]。

从20 世纪90 年代开始，美国、以色列、法国等国家对USV 开展了持续研究[2 – 3]，其任务载荷的收放技术也相对成熟。美国是早期开始研究USV 的国家之一，掌握了USV 领域先进的设计和制造技术，并积累了丰富的实践经验，代表性企业雷神技术公司，其USV任务载荷的收放技术成熟度较高；以色列是世界第二大USV 研制技术的先行者，其Elbit 系统有限公司研制的侧扫声呐收放系统已经在装备中使用；法国ECA 集团在USV 上搭载了电驱式收放系统，在UUV自主布放回收场景下已得到了实际应用。

我国对USV 的研制起步较晚，对任务载荷收放系统的投入相对较少。但随着海军用装要求的提升，许多科研院所和高校已在大力研发USV 任务载荷的收放设备[4 – 5]。

本文介绍的自主收放系统是一款水面无人艇拖线阵自主收放系统，并在2022 年底成功完成海上试验，验证了自主收放系统的稳定性和可靠性，为我国水面无人艇开展声学探测任务奠定了技术基础。

2 系统总体设计

水面无人艇拖线阵自主收放系统是一套集机、电、液耦合复杂机电设备，可在水面无人艇海上机动时，高效可靠地完成拖线阵释放和回收任务。水面无人艇拖线阵自主收放系统总体设计除采用已有成熟（有人收放）技术外，重点从水面无人艇的特点出发，特别是全流程自动化、自主管理、感知和决策等方面进行设计和规划，从而达到有人/无人协同作业下的安全可靠连续作业。

2.1 系统组成与工作原理

自主收放系统由岸基端控制台和水面无人艇载收放设备组成。岸基端控制台接收到任务指令后向船载收放设备下发操作指令，并对船载收放设备的各种数据进行监控，必要时远程遥控。水面无人艇载收放设备包括收放存储装置、控制设备、液压装置和传感器等，负责实现各种动作感知和执行，完成声呐载荷的收放、拖曳和存储。岸基端控制台和水面无人艇载收放设备之间通过卫星通讯传输控制指令和状态信息等数据。

水面无人艇载收放设备根据操作指令自动执行拖线阵释放和回收动作，在过程中的对指令信息、环境信息、设备状态信息等进行识别，通过控制柜进行处理，确定控制模式，执行自主收放任务，如图1 所示。

图1 自主收系统总体布置图Fig. 1 General layout of autonomous harvesting system

水面无人艇供电平台提供220 V、380 V 电压用于驱动液压油源和收放控制柜。岸基端的操控台通过通讯链路将任务指令发给综合信号处理平台。综合信号处理平台通过网口形式与液压油源和收放控制柜进行通讯和数据传输。收放控制柜根据接收到的指令，按照预先设计的动作流程执行各种动作，同时将设备状态信息传送给收放控制柜进行任务控制并记录，其中重要关键信息通过收放控制柜传给综合信号处理平台。最后通过通讯链路将关键信息发送到岸基端的操控台。自主收放系统体系架构如图2 所示。

图2 自主收放系统体系架构图Fig. 2 Architecture diagram of autonomous retrieval and playback system

2.2 关键技术分析

拖线阵自主收放系统是水面无人艇用于拖线阵探测应用场景的关键支持系统，除了需要解决有人收放系统面临的高效安全等突出问题外，还需突破智能感知、决策、控制等自主性问题[6 –7]。本文在综合分析基础上，总结关键技术如下：

1） 大缆长变直径拖线阵无人收放技术

大缆长变直径拖线阵受流体阻力影响，其物理形态会发生不同程度的变化，如长度变长、直径变小等。这些变化与缆阵自身的弹性模量、承载力和缆长有关。此外，拖线阵声呐是充满弹性介质的柔性体，卷绕上卷筒时往往会出现局部左右翻滚现象，其翻滚的规律更复杂，具有极大不确定性。故缆阵回收存储时呈现不规律性，在未进行有效控制和干预的情况下，较易出现叠缆和陷缆现象，影响后续任务。

自主收放拖线阵声呐，与有人平台收放系统不同，水面无人艇自主收放系统需考虑全流程自动化，即执行任务过程中，以往通过人工观察和干预的行为，如抛投拖线阵、缆阵切换、排缆不齐、到位停车等操作，都需通过简便有效的方法实现无人化作业。

2） 环境感知和智能决策技术

水面无人艇自主收放系统在海上作业时，具有无人动态作业、环境耦合度高、作业状态不透明等特点[8]，若在不适宜的环境场或健康状态（例如高冲击、高海况、拖体挂网）下进行作业，容易对设备造成不可逆的损伤并影响平台安全。因此，需开展基于信息感知和智能决策为一体的自主收放管理系统的研究，如图3 所示。通过传感器收集收放系统自身和周围环境态势信息数据，识别和处理相关信息并形成设备状态是否良好、作业环境是否安全、任务执行是否可靠等基本判断，为收放设备采用的自主收放等级和操控模式作出正确合理的选择。此外，基于收放作业的历史数据开展数据库的智能演进，不断提升设备使用效能，逐步提高自主等级。

图3 基于感知的自主管理系统Fig. 3 Perception based autonomous management system

3 系统方案实施

3.1 机械结构设计

水面无人艇拖线阵自主收放系统的机械结构由拖线阵绞车、释放装置、阻尼器组成，实现拖线阵的自主释放、回收、存储及拖曳等功能，如图4 所示。

图4 拖线阵收放装置Fig. 4 Drag line array receiving and releasing device

拖线阵绞车采用零度排缆角高位排缆方式，主要由绞车基座、卷筒、排缆纠偏机构、轴承座等组成，如图5 所示。卷筒采用一侧固定，另一侧浮动的支撑方式，可承受温度变化引起的热膨胀和收缩，避免产生内部载荷。浮动端由剖分式轴承座（内装调心滚子轴承）支撑，可有效避免卷筒轴线不对中产生的运行卡滞等现象。另一侧由减速机支撑，通过高速马达加减速机的形式驱动卷筒运转。排缆纠偏机构上装有编码器和接近开关、角度传感器等，可以实现排缆位移控制、排缆换向和排缆角度检测，如果出现叠缆或换向不正常时可自主控制，从而有效提高排缆自主性。

图5 拖线阵绞车Fig. 5 Drag line winch

释放装置由固定座、摆臂、喇叭口、限位座、扭簧及转轴等组成，如图6 所示。释放装置安装在水面无人艇甲板尾部。喇叭口壁上开有通孔，通过摆臂支撑并旋转。摆臂绕固定座上转轴旋转，转轴上的扭簧提供初始扭矩，为翻转架向水中翻转提供初始力。释放装置上装有到位传感器，回收拖线阵时，阻尼器进入喇叭口，从而带动摆臂旋转到位并自动进行停车。

图6 释放装置Fig. 6 Release device

阻尼器连接在拖线阵的尾部，可以提供水中的流体阻力。初始释放时，通过自身重量及摆臂重力/扭力矩可靠牵引拖线阵入水，阻尼器入水中后通过母船的运动和水流将尾部阻尼器冲出喇叭口并提供一定流体阻力，实现阵段安全可靠的释放。阻尼器由金属壳体和浮体材料组成，采用流线形外形，尾端呈4 个等间距稳定翼的中空结构，空气中重量8.5 kg，海水中零浮力。

利用Star-CCM＋数值模拟软件对阻尼器进行受力分析，分别计算阻尼器以6 kn、8 kn、10 kn 的速度在海水中运动时受到的阻力，表1 为计算得到的阻力值。图7 为6 kn 速度下拖体周围压力分布云图。经仿真计算，6 kn 航速下，阻尼器可提供8 kg 阻力。

表1 阻尼器在不同速度下的阻力Tab. 1 Resistance of the release device damper at different speeds

图7 6 kn 时拖体周围压力分布云图Fig. 7 Cloud map of pressure distribution around the towed body at 6 kn

3.2 液压驱动方案设计

液压系统设计了双动力液压油源，能兼容多种收放湿端声呐的需求。液压油源采用封闭式设计，有效提升了其在露天环境下的环境适应性（淋雨等）。

液压油源配置了2 组电机-泵组、1 个400 L 液压油箱、油温调节装置、2 组高压过滤器、1 组回油过滤器、1 个控制阀组、电控系统等。

基于无人化考虑，液压油源配备了丰富的传感器用于监测油箱液位、油温、出口油压、出口流量、回油流量、油液污染度、油液品质、油液含水量、过滤器的滤芯状态、蝶阀开关状态等参数，并将状态信息反馈给控制系统处理。

基于系统任务可靠性考虑，液压油源中2 组电机-泵组独立控制、互为备份。每组电机-泵组不仅可根据工况需提供高压油，还可以用作油温调节循环泵。液压油源工作压力具备比例调节的功能，配合恒功率电机-泵组，给整个液压系统留出了足够的动力余量。针对可能出现的比例溢流阀失效故障，专门设计了应急切换回路，一旦出现故障，可通过远程切换至开关阀，保证系统有效度。

拖线阵绞车由1 台高速马达配合1 台减速机进行驱动，高速马达具备动力换挡的功能，从而有效降低不同工况下拖线阵绞车对油源的流量需求，使之与各种不同的工况有效匹配。

拖线阵绞车液压单元配备电磁换向阀和比例调速阀对液压绞车的动作方向及收放速度进行控制，并且还配备了被动解刹车功能、防失速功能、回路补油功能、安全保护功能以及比例排缆功能，满足拖线阵绞车的各种功能需求。

基于无人化考虑，液压单元配备了相应的传感器监测绞车马达的转速、排缆马达的转速、释放装置马达转速、供油压力、回油压力、泄漏口压力等主要工作油口的压力，适合对整个系统进行远程监控。

3.3 自主控制方案设计

自主控制系统主要由收放控制柜（内含各单元）、接线盒、装置传感器、机/液配置、移动控制终端、视频处理单元等组成，如图8 所示。本系统的自主控制等级为准中级，除实现“一键收放”的全自主动作流程功能外，具有人机交互的能力，可进行远程监控和应急处理。

图8 控制系统组成关系Fig. 8 Control system composition relationship

收放控制柜的硬件主要包含控制单元、视频处理单元、开关电源及接口单元。其中，控制单元实现机械/液压系统的传感器信号采集、逻辑运算、网络通讯、执行控制任务以及控制输出等功能。

收放柜控制单元通过网线与移动控制终端进行通讯，从而可实现对自主收放系统的调试、维修等工作。

岸基端控制台可对自主控制系统进行远程遥控，下发控制任务。

自主控制系统软件采用模块化设计，具有自检功能、数据记录功能、数据标定功能、自主控制功能、收放功能集成、信息安全功能、通讯功能、报警功能等。软件各功能块组成如图9 所示。

图9 控制系统软件架构示意图Fig. 9 Schematic diagram of control system software architecture

4 湖海试验

2022 年，该拖线阵自主收放系统通过湖试对设备的功能及性能进行调试，通过海试对该收放系统自主收放能力和拖曳性能进行了验证，实现多次无干预自主收放动作，实现千米级拖线阵无人干预下连续可靠自主的释放、拖曳、回收和存储，具有高可靠完成收放任务的能力。通过这次海试也证明了该收放系统具有良好的自主性、平稳性、以及自主诊断能力。

5 结 语

本文介绍了一种水面无人艇拖线阵自主收放系统，从收放系统的总体设计、机械结构、液压驱动、自主控制等方面做了全面阐述。海上试验证明，该收放系统能够安全可靠的实现大长缆变直径缆的收放、存储、拖曳等功能，在无人干预下可自主实现拖线阵的可靠释放和回收，为水面无人艇拖线阵装备的形成奠定了基础。后续将进一步开展收放系统-湿端-水面无人艇的高度融合匹配设计和一体化设计研究，通过构建基于环境感知和智能决策为一体的自主管理系统，进一步提升收放系统的可靠性和自主能力。