AUV水下对接装置控制系统设计

文章编号：1005-
9865（2019）02-0127-11AUV 水下对接装置控制系统设计
李默竹1
，郑
荣1，魏奥博1，2，梁洪光1，国婧倩1，2，吕厚权
1，2
（1．中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳
110016；2．中国科学院大学，北京100049）
摘
要：自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle ，简称AUV ）在航行使命结束后需要回收至甲板或陆地进行补给和
维护。

为避免重复布放回收所带来的不便，
根据锥形导向式回收原理，针对水下对接装置及其控制系统进行了设计。

水下对接装置控制系统由水面控制终端，水下控制系统和水下外部设备等部分组成，使用超短基线引导AUV 进入指定区域，在对接过程中依靠行程开关和无线电反馈的信息判断AUV 的相对位置及状态，并通过驱动相应的液压机构对AUV 姿态进行校正和固定，
进而完成对接过程。

水下对接装置在千岛湖进行了试验，在吊装水下7m 的情况下实现了AUV 的水下对接，并利用湿插拔电连接器完成了对AUV 的有线充电和数据上传。

试验验证了对接方案的可行性以及控制系统的稳定性，为将来AUV 能够进行长时间、不间断航行提供了可能。

关键词：自主式水下机器人；水下对接装置；控制系统；水下充电；对接控制流程中图分类号：TP23
文献标志码：A
DOI ：10．16483/j．issn．1005-9865．2019．02．015
收稿日期：2018-07-23基金项目：中国科学院先导科技专项（XDA13030294）
作者简介：李默竹（1985-），男，辽宁沈阳人，助理研究员，主要从事AUV 及水下观测系统的设计和研究。

E-mail ：limozhu@sia．cn Design of a control system for AUV docking device
LI Mozhu 1，ZHENG Ｒong 1，WEI Aobo 1，2，LIANG Hongguang 1，GUO Jingqian 1，2，LYU Houquan 1，2
（1．Shenyang Institute of Automation ，Chinese Academy of Sciences ，Shenyang 110016，China ；2．University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ）
Abstract ：Autonomous underwater vehicle （AUV ）needs to be recovered for battery recharging and data downloads when the mission is completed．In order to reduce project cost during the repeated deployment and recovery process ，
a funnel-type AUV docking device with control system is studied and designed．The control system is composed of land-based control terminal ，underwater control system and external equipments．The docking device can estimate AUV ’
s position and state by feedback signal from limit switches and wireless ，and then drives the hydraulic mechanism to complete the docking process automatically．A lake trial is carried out in Hangzhou．At 7meters depth of the water ，the docking device accomplishes the task such as ultra-short baseline navigation ，wireless command control ，recharging the lead-acid batteries of the AUV ，and communicating with AUV by ＲS485protocol．The lake trial proves the reasonability and validity of the control system and lays the groundwork for the long-term ，uninterrupted and long-distance navigation of the AUV in the future．
Keywords ：AUV ；docking device ；control system ；underwater charging ；docking control flow
随着“建设海洋强国”宏伟目标的提出，我国对海洋资源探测和海洋权益维护等方面的关注日益增加。

自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle ，简称AUV ）作为一种重要的水下作业工具，因其具有机动性强、
隐蔽性好、智能化高等优点得到了广泛的应用［1］。

由于AUV 所搭载的电池是其唯一的能量来源，因此在使命结束后就需要对其回收进行电能补给，
同时由于AUV 探测时记录了大量的科学数据，也需要在回收后及时上传保存。

传统甲板或陆地的布放和回收需要借助大型吊放设备并由专业施工人员进行操作，
增第37卷第2期2019年3月
海洋工程
THE OCEAN ENGINEEＲING Vol．37No．2Mar．2019
加了AUV 在使用过程中的成本和复杂性。

尤其是在海况恶劣的情况下，会给布放和回收过程带来极大的困
难。

因此，考虑在水下对AUV 进行回收并进行电能补给和数据传输，这样就可以简化使用流程，提高使用效率
［2］。

从20世纪90年代开始，国内外诸多科研单位针对不同的对接回收方式进行了研究和试验。

国外方面，
根据捕捉式对接方法，
Woods Hole 海洋研究所和MIT 在2001年研制了Odyssey Ⅱ捕捉式对接装置［3］。

如图1（a ）所示，在进行对接时，AUV 通过艏部的“V ”形机构对定位杆进行捕捉，再通过对接装置的锁紧机构完成
AUV 位置的调整和固定，最终实现对接目的。

根据平台式对接方法，2003年日本川崎造船和川崎重工通过预置在海底的平台式对接装置，借助“Marine bird ”号AUV 在日本和歌山附近海域进行了对接试验［4］。

如图1（b ）所示，对接过程模仿舰载机降落的原理，使用拦阻索配合AUV 底部的尾钩进行拦截，再通过平台前部的锁紧机构将AUV 进行固定。

还有一种近些年使用较多的方法是利用锥形导向罩及配套结构对AUV 进行
引导和控制完成对接回收
［5-7］。

如图1（c ）、图1（d ）所示，Woods Hole 海洋研究所和Monterey Bay 水下研究所采用这一方法分别在2006年和2008年完成了对直径为19cm 和54cm AUV 的对接回收。

另外，
针对作战的需要，
美国军方提出了多种利用潜艇布放回收AUV 的方法，其中包括潜艇鱼雷发射管式、弹道导弹发射管式、
背驮式和坞载式等［8-12］。

图1
各类对接装置
Fig．1
Various kinds of docking devices
国内方面，中国科学院沈阳自动化研究所早在1994年就完成了使用ＲOV 式潜水平台系统在南海回收“探索者”号AUV 的试验［13-14］。

回收系统构成如图2（a ）所示，在进行回收时，母船通过水声通信指令纠正AUV 航向使其进入搜索区。

当AUV 搜寻到收放器并下落就位后，收放器会收起两侧的浮力臂，合拢U 形
架，
夹紧AUV 完成回收。

近几年，中国科学院沈阳自动化研究所又针对回转形AUV ，设计了一款通过灯光导引，
采用丝杠滑台装置实现夹持固定AUV 的水下通用对接装置，装置成功地完成了水池环境下的对接试验，
其结构组成如图2（b ）所示［15］。

此外，哈尔滨工程大学将水下对接技术应用在援潜救生作业中，其定位、锁紧等技术可为AUV 的水下对接方法提供借鉴
［16-20］。

浙江大学将水下图像处理技术应用于水下对接过程，对摄像头拍摄到的图像进行处理，并作为方位计算的数据来源，进而控制AUV 的航行轨迹完成对接
过程
［21-22］。

图2
两种对接系统
Fig．2
Two kinds of docking devices
8
21海洋工程第37卷
通过对不同对接方式的比较和分析可以看出，为了在水下实现更好的对接效果，需要着重考虑以下
几点：
1）减小对AUV 原有外形的改变。

避免在AUV 上加装复杂的机械装置或结构，否则势必会对AUV 原有
的航行性能造成影响，
降低航行效率和控制精度。

2）增加对接装置的适应性。

只要AUV 航行到相对准确范围内就可以在对接装置的辅助下实现对接，这
样可以降低对AUV 航行的控制难度，
提高对接成功的概率。

3）提高对接装置的工作效率。

由于AUV 在水下的工作时间十分宝贵，因此需要提高电能补给和数据传
输的速率，
以提高AUV 在水中的有效作业时间，降低使用成本。

基于以上分析，采用锥形导向原理对装置进行设计。

在对接过程中，除了锥形导向罩的引导作用外，控
制系统还通过收发无线电控制指令和检测传感器反馈状态，
辅助AUV 到达指定位置并完成对接。

在充电和通信方式上，
水下对接装置利用湿插拔电连接器，实现了与AUV 之间的有线连接，为快速电能补给和稳定的数据传输提供了保证。

1水下对接装置工作原理
水下对接装置结构组成如图3所示。

在装置框架结构的前端连接有锥形导向罩。

导向罩的前端入口直
径为1．98m ，
后端直径为0．64m 。

锥形导向罩上固定有用于远程定位导引的超短基线信标和用于对接过程中指令收发的无线电天线。

在框架结构的两侧、
后端和上端分别安装有限位夹紧机构、艏部推行机构和水下插拔机构。

当AUV 航行至框架结构最里端时，
到位行程开关受力闭合，限位夹紧机构从两侧向内收紧，如图4所示，弧板逐渐贴近AUV 艏部，根据AUV 艏部三角槽的开口角度，只要AUV 横滚角度小于±24ʎ定位销就会落入三角槽内。

接着在AUV 关停主推进器的情况下通过首部推行机构产生的轴向推力使AUV 向后移
动，
使定位销沿边缘逐渐滑到三角槽的顶端，进而实现对AUV 横滚角度的校正和前后位置的固定。

最终通过水下插拔机构带动湿插拔电连接器完成对接，
实现AUV 的水下有线充电和数据传输过程。

图3水下对接装置结构组成Fig．3
Structure of docking
device
图4限位夹紧机构工作原理Fig．4
Principle of gripper mechanism
2控制系统硬件设计
控制系统的硬件组成主要分为三个部分，其连接关系如图5所示。

系统中，水面控制终端负责系统状态
的显示、
控制指令的下达以及数据的采集和存储，同时为水下设备提供电能。

水下控制系统安装在密封舱内，
是水下对接装置的控制核心，负责执行和实现对接过程。

外部设备则由无线电、电子罗盘模块、超短基线信标、
行程开关以及液压装置等组成。

另外，水下对接装置通过湿插拔电连接器，为AUV 提供了4芯的有线接口，
可用于电能补给和双向的数据传输。

9
21第2期李默竹，等：AUV 水下对接装置控制系统设计
图5
控制系统硬件组成
Fig．5
Hardware structure of the control system
2．1电源转换单元
电源转换单元将高压直流电转换为低压，并根据不同类型的负载进行隔离供电，这样可以降低各类用电
设备在工作过程中所产生的干扰，
提高系统供电的稳定性。

单元构成原理如图6所示。

图6
电源转换单元构成
Fig．6
Structure of power conversion unit
控制设备供电采用双电源模块备份的供电方式。

当发生故障时自动进行切换，输出端接有二极管用于
隔离故障。

液压系统和充电装置在工作时启动电流较大，
因此设计启动电路以减小浪涌电流对线路中设备造成的冲击。

负载启动时，
场效应管Q 处于截止状态，电流流经限流电阻Ｒ，电流稳定后，场效应管受控导通实现过渡［23］。

各电源模块型号及参数如表1所示。

表1
电源模块型号及参数
Tab．1
Model and parameters of power modules
编号型号输入电压范围/V
输出电压/V
最大输出功率/W
1#V375A24H300BL 225 425243002#V375A24H300BL 225 425243003#V375A24H600BL 225 425246004#
V375A28H600BL
225 425
28
600
2．2处理器及控制管理单元
处理器单元是水下对接装置的控制核心，一方面负责对外部设备进行控制，完成水下对接任务，另一方
面通过水密电缆与水面控制终端完成指令和数据的交互。

处理器单元符合PC /104标准，采用VxWorks 操作系统，
具有较好的稳定性和实时性，能够完成水下特殊环境的作业要求。

0
31海洋工程第37卷
图7
控制管理单元功能组成
Fig．7
Function composition of control manager circuit
控制管理单元功能组成如图7所示，主要包括继电控制、采样调理、状态监控。

继电控制功能主要是指通过接收处理器单元的控制信号，
驱动相应的继电器，实时对用电设备及装置进行操作。

采样调理功能是将系统各个节点的用电情况、
开关状态进行测量，并将信号调整到合适的电平区间反馈给处理器用于计算和存储。

另外，
由于对接装置工作在水下，其控制系统安装在密封舱内，因此需要对舱内的温度以及密封状态进行监测，
在出现异常时，系统会报警并起动保护程序，减小故障带来的危害。

2．3水下充电单元
在水下对AUV 进行电能补给是水下对接装置最重要的功能之一。

由于充电过程是在水下进行的，所以要充分考虑到水下对接装置和AUV 电池组的安全。

在设计上着重考虑以下几点：
1）电连接器是否插接到位，线路绝缘是否正常。

2）充电过程中避免出现过流或者由于电连接器漏水造成的短路。

3）在出现故障时，充电单元可以快速响应启动保护措施。

基于以上分析，水下充电单元电路设计原理如图8所示。

当水下插拔机构正向运行到位电连接器接插完成时，
控制器会采集到液压缸到位信号，随之测试继电器闭合，测试电路接通。

系统会检测充电回路中的电流，
若电流超过设定值则认为端口状态不满足绝缘要求，停止通电过程；若满足要求，则测试继电器断开，主继电器闭合，开始充电过程。

充电过程中，硬件保护电路和软件保护程序会实时监控电压、电流状态。

如
果出现故障驱动信号会被封锁，
充电回路断开以确保设备的安全。

AUV 侧充电及通信电路是水下充电电路的组成部分，其构成原理如图9所示。

由于连接器的插针暴露
在水中，
所以充电回路使用二极管模块进行隔离，只有当充电电压高于电池组电压时，线路才能够导通。

另一方面，
由于485总线上挂接有其它设备，与水下对接装置通信的两针是同样不可以直接与水发生接触的，因此使用继电器进行隔离，采用充电电压作为控制信号，只有完成绝缘检测开始充电时，通信线路才能够接通，
实现数据的传输。

图8
水下充电单元电路原理
Fig．8
Circuit principles of underwater charging
unit
图9AUV 侧充电及通信电路
Fig．9
Charging and communication circuit in AUV
1
31第2期李默竹，等：AUV 水下对接装置控制系统设计
3
控制系统软件设计
3．1
水面终端控制软件
水面终端控制软件存储在控制计算机中，操作界面如图10所示。

控制计算机通过ＲS485串口与水下控制系统进行通信。

软件程序可以在自动模式下使水下对接装置自主进行对接过程并通过控制计算机实时显示和存储水下对接装置的状态信息。

另外，
程序也可以被设置为手动模式，人为对装置进行远程操作。

图10
水面终端操作界面
Fig．10
Land-based control terminal operating interface
3．2
水下对接控制流程
要实现AUV 的对接过程就必须将水下对接装置的经纬度、
深度以及开口方向等绝对位置信息预先保存在AUV 的控制程序中。

另外，
随着航行过程中位置的变化，AUV 还需要了解水下对接装置的水平方位角、水平距离、垂直方向角以及垂直距离等相对位置信息［24-25］。

为提高对接的成功率，将AUV 的对接过程分为
回归就位点、
直线航行和装置执行对接动作三个阶段。

如图11所示，AUV 准备进行对接任务时，首先要进入超短基线的作用范围并向位于水下对接装置导向
罩平面中心的法向延长线上的就位点靠近。

当AUV 到达就位点后，通过调整航向沿直线向水下对接装置航行，
并最终进入导向罩。

图11AUV 对接过程Fig．11
AUV docking process
当AUV 通过导向罩开始进入到框架结构时，水下对接装置可以通过一系列控制流程完成对接。

如图
12所示，入位行程开关受力闭合后，水下对接装置向AUV 发送无线电指令，使其控制在0．5节的航速下通过框架结构，
这样既可以避免因阻力变大而导致的AUV 前向速度不足又不会因碰撞力过大对机构造成伤害。

AUV 在框架结构内航行到指定位置后，到位行程开关受力闭合，之后限位夹紧和艏部推行机构顺次动作，使AUV 的姿态得到矫正并固定到指定位置。

设定各机构动作的等待时间为正常情况下到位时间的2倍，各机
构液压缸正反向行程的到位时间如表2所示，
如果因为机构故障而无法运行到位则停止对接过程。

当机构动作到位并且通过绝缘测试时，
则可以进行AUV 的水下充电和通信。

完成任务后，各机构顺次打开，无线电指令控制AUV 退出装置，
结束一次对接过程。

2
31海洋工程第37卷
图12自主对接控制流程
Fig．12
Automatic docking control flow
表2
液压缸行程到位时间
s Tab．2
Ｒunning time of the hydraulic cylinder
s
试验次数
限位夹紧机构艏部推行机构水下插拔机构正向反向正向反向正向反向115．2119．847．878．808．287．91215．3419．748．017．988．177．77315．7819．718．348．408．747．25415．0519．877．788．417．807．84515．4419．847．818．578．187．21615．1319．648．248．048．187．31平均时间
15．33
19．77
8．01
8．37
8．23
7．55
4湖试验证
为了验证设计的有效性，系统在杭州千岛湖水域进行了试验。

水下对接装置通过脚手架固定吊装在水
下，
在7m 水深的条件下完成了与AUV 的对接过程。

图13（a ）为测试中的水下控制系统，图13（b ）为布放中的水下对接装置。

图13试验现场Fig．13
Test site
3
31第2期李默竹，等：AUV 水下对接装置控制系统设计
为了更好地记录对接过程，在水下对接装置的前部和上部安装了摄像机。

图14为不同角度摄像机拍摄的从AUV 进入导向罩到完成对接的全过程。

图14AUV 对接过程
Fig．14
Docking process of AUV
4．1液压系统工作参数
液压电机的运行状态会因为机构工作状态的不同而产生变化，如图15、图16所示为限位夹紧机构动作
时液压电机电压电流的状态曲线。

当机构正向夹紧时，
由于受装置本身的重力影响，液压缸出力相对较小，电流曲线处于波谷；当机构反向收起时，液压缸出力较大，电流曲线处于波峰。

图15
液压系统工作电压
Fig．15
Working voltage of the hydraulic
system 图16液压系统工作电流
Fig．16
Working current of the hydraulic system
4．2水下对接装置姿态数据
由于水下对接装置长期吊放于水中，所以在开始水下对接之前需要对其姿态进行确认。

姿态信息是通
过电子罗盘提供的。

由于电子罗盘需要通过地磁场来计算方向角，为了避免附加磁场的干扰，在设计和使用过程中考虑了以下几点：
1）使用独立铝制密封舱安装电子罗盘，并尽量远离框架的铁磁材料；
2）电子罗盘安装位置远离大电流、大功率设备，避免设备起停带来磁场变化的影响；3）电子罗盘安装完毕后，在使用前随对接装置进行整机校准，纠正附加磁场的影响。

使用时，电子罗盘每一组反馈的角度数据都由4个字节组成，每组数据格式都符合IEEE754单精度浮
点数的编码标准。

以方向角Heading 为例，
其数据格式如图17所示。

图17方向角数据格式
Fig．17
Data format of direction angle
4
31海洋工程第37卷
方向角度值解算值为：
Heading =（－1）S ·2（E －127）·（1．M ）
（1）
图18是经过解算后水下对接装置三个角度的姿态曲线。

图中箭头所指向的位置为AUV 撞击导向罩的
时刻。

从曲线中可以看出撞击对水下对接装置姿态造成的影响。

数据曲线可以用于导向罩结构的优化，使AUV 进入更加顺畅，并减小对装置的冲击。

图18水下对接装置姿态角曲线
Fig．18
Attitude curve of the docking device
4．3
水下充电及数据通信过程
图19、图20为通过湿插拔电连接器进行充电时电压、电流的状态曲线。

充电过程分为两个阶段，第一
阶段为线路的绝缘测试，
端口输出12V 的测试电压，由于接入的AUV 电池组电压大于测试电压，充电电路的二极管反向截止，
回路中没有电流流过；第二阶段为充电过程，通过绝缘测试后，端口输出28V 的电压，此时电路中开始出现充电电流。

当电流小于设定值时自动停止充电过程。

图19
水下充电端口电压
Fig．19
Voltage of the underwater charging
port 图20水下充电端口电流
Fig．20
Current of the underwater charging port
在进行充电的过程中，控制ＲS485通信的继电器同时上电闭合，
AUV 的自动驾驶单元可以通过串口将数据上传到水下对接装置的控制器单元，
再通过水密电缆将数据回传至水面控制计算机。

如图21所示为控制计算机接收到的水下对接装置回传的状态信息，
其中虚线内的部分数据是AUV 自动驾驶单元上传的信息。

5
31第2期李默竹，等：AUV 水下对接装置控制系统设计
图21AUV 串口通信数据
Fig．21
AUV serial communication data
5结语
针对锥形导向回收原理设计了一种AUV 水下对接装置，并对其控制系统进行了研究。

在千岛湖水域，通过使用水下对接装置，在7米水深的情况下完成了对AUV 的对接回收并通过湿插拔电连接器实现了与AUV 之间有线的能源供给和数据交互，为AUV 扩展航行范围、提高使用效能提供了可能性。

今后将根据已有设计，
针对以下两种应用方式开展更深入的研究和试验：1）具备深海坐底工作能力。

提高对接装置结构及其外部设备的耐压和防腐能力，使其能够适应长期的深海工作环境；增加可调基座使水下对接装置可以根据所在位置的地貌特征和水流情况自动调整姿态，
这样装置主体就可以始终保持合适的方向和俯仰角度，
以降低AUV 在对接过程中对航行姿态控制的难度。

2）具备动态对接能力。

对原有水下对接装置进行改造，使其以合适的形式搭载在舰艇或潜水器上，通
过改进控制方式，动态配合目标AUV 进行对接过程，使水下对接具有更强的灵活性。

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