Chinese Journal of Ship Research
基于浮力调节系统的AUV水底着陆策略研究
1，2，郑荣1，2，杨斌1，2，李默竹1，2孙庆刚 1 110016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2 100049中国科学院大学，北京
0引言
随着海洋资源的不断开发，应用日益频繁的AUV自主式水下机器人（ ）已成为当前的研究热点［1］。海洋资源的开发和利用离不开海洋监测技术，一般海洋监测需要较长的时间，但动力受限的AUV无法满足长时间定点观测的要求。为解决AUV这一问题，研究者提出让 水下着陆并关闭除AUV测量设备以外的耗能设备从而节省 能源，以实现对某一水域的长期定点观测。此外，水下着AUV的隐身性能。1992陆还可以提高 年，美国海Healey AUV等［2］首次提出了军研究生院的 水下着1998 Stewart陆的概念； 年，美国亚特兰大大学的Ocean Explorer II AUV，并成功进行了等［3］开发了海底着陆—测量—返航试验；天津大学的王晓鸣等［4］、张宏伟［5］和杜兵［ 6 ］实现了基于压载水舱的AUV AUV水底着陆；宋保维等［7］针对 提出了液压2支撑式和锚链式这 种水下着陆方式。目前，有AUV关作业型 依靠浮力调节系统进行水下着陆方面的研究在国内尚属空白。2因此，本文拟提出 种基于油囊式浮力调节AUV系统的作业型 水下着陆方法：一种是控制浮力垂直下潜着陆；另一种是航行下潜控制浮力垂2直着陆，并针对这 种着陆方式开展湖上试验验证工作。
1 AUV系统介绍 1.1 油囊式浮力调节系统
油囊式浮力调节系统是一种可重复使用的双向浮力调节系统，其使用寿命长且可靠性高。该系统的工作原理是通过液压系统实现内、外油囊AUV之间的油量传输，以此来改变 的排水体积，从而调节浮力大小［8-9］。油囊式浮力调节系统主要由油囊、电磁换向阀、锥阀、节流阀、溢流阀、阀组、流量计、压力传感1器、齿轮泵、电机和减速器等组成，如图 所示。2 MPa，在AUV该系统的最大工作压力为 艏、艉各2配置一套。根据图 所示的外油囊轮廓图可知， 7.4 L，可为AUV 14 kg其体积为 提供总计 左右的正浮力。AUV 2可以依靠艏、艉 个浮力调节单元200 m。来控制姿态，其最大着陆深度可达
1.2 AUV基本结构
为满足减小航行阻力的设计原则，AUV一般 AUV 7设计为流线型。采用模块化设计的 由 个舱3段组成，其基本组成结构如图 所示。 AUV基本结构的主要功能如下： 1）艏部段。主要由电磁铁、无线电、摄像头17.5 kg和频闪灯组成。电磁铁的作用是吸附 的压AUV铁，以保证 在紧急工况下实现抛载上浮；无AUV；线电主要用于水面校准，便于定位和回收AUV频闪灯可用于 的任务提示和回收识别。2）自动驾驶段。主要由仿真平台、超短基线AUV和多普勒计程仪组成。仿真平台是 水下航
行作业的控制中枢，用于下达一切作业指令；超短
基线主要用于水下通信、定位和导航；多普勒计程AUV仪的功能是实时测量 距地高度，其中惯组单元可以实时记录纵倾角、航行速度等运动参数。3 ）电池舱段。主要由电池和侧扫声呐组AUV成。电池可为 的传感器、电机等提供动力能源；侧扫声呐可用于探测水下地形。4）校准源段。主要安装GPS/北斗导航仪，用AUV于保障 浮出水面时与母船进行通信。5）艉部段。主要由电机、舵机、水平舵、垂直舵及螺旋桨组成。电机和舵机主要用于驱动舵和AUV螺旋桨，从而实现 的水下航行和姿态调整。
2 水下着陆控制策略
AUV水下着陆的目的是实现固定水域的长时间静默潜伏和观测。AUV到达目标点后，在不需要进行主动探测的情况下，可以关闭除观测设备之外的一切能耗设备以节约能源［10］。AUV水下着陆面临的主要问题是着陆时间和速度控制、目标点与实际着陆点的偏移、着陆完
成后的离底等。针对上述问题，本文提出了控制
浮力垂直下潜着陆和航行下潜控制浮力垂直着陆2这 种控制策略。
2.1 控制浮力垂直下潜着陆策略
AUV后，AUV母船吊放 将继续在水面航行并抵达目标点。通过调整艏、艉浮力调节单元的外AUV油囊排油量， 将以一定的负浮力下潜，并在AUV AUV某一高度悬浮以调整 姿态。由于 近底1 8m时的安全高度为 倍载体长度，因此选择定高4悬浮并最终实现水下着陆，如图 所示。
2.1.1 AUV下潜着陆速度分析
AUV为保证 及相关观测设备的安全，应控制AUV的水下着陆速度，以避免较大的速度冲击使AUV陷入泥沙中并对设备造成损坏。在垂直下潜过程中，AUV所受的水下阻力为 Ζ = 1 C ρSV （1） 2 D 2式中：Ζ为阻力；C为阻力系数；ρ为水的密度； D AUV AUV S 为 的表面积；V 为 的下潜速度。AUV随着 下潜速度的增加，其所受的阻力也AUV将不断增加以平衡 的重力，并最终逐渐达到平衡状态。平衡方程为（2） B + Ζ - G =0 AUV AUV式中：B 为 的浮力；G 为 的重力。1）和式（2），可 AUV根据式（ 得 的下潜速度m/s （单位： ）为
2.1.3 AUV离底分析
2(G - B)
（3）
V = = 0.598 max C ρS D
AUV AUV若 以此速度着陆，可能会对 或设备AUV造成危害，故应采用着陆控制策略减小 的下潜负浮力，从而减小下潜速度。同时，这样也便于AUV，以有效控制 避免水下地形突变带来的潜在危险。
2.1.2 AUV目标点偏离情况分析
采用该控制策略着陆时，AUV仅依靠有限负AUV浮力进行下潜，所以着陆时间较长。同时，也无法灵活调整姿态以应对水流变化，最终导致实际着陆点与目标点发生较大的偏差。5 AUV图 所示为 在下潜过程中的受力情况，图中：B1为艏浮力单元浮力；B 为艉浮力单元浮2 2力；X为水流作用力。可能有 个原因导致实际着陆点与目标点出现偏移：一是在浮力调节系统作AUV用下， 垂直方向的受力近似达到平衡，即AUV B + B1 + B = G ，则在水平方向水动力作用下2将以较小的纵倾角下潜，故此时偏移距离主要由AUV水流导致；二是当 跨越密度变化较大的水域时 ，其 垂 直 方 向 的 受 力 没 有 达 到 平 衡 ，即B + B1 + B ¹ G ，则在重力、浮力和水动力的共同2 AUV作用下 将以较大的纵倾角下潜，故此时偏移AUV距离由 的滑翔距离和水流导致。 AUV的成功着陆并不意味着任务完成，其离底作业也是水下着陆的关键一环。水下着陆后， AUV会受到水底泥沙粘着力的影响，由于水下泥