1、AUV 水下对接形式

包容式对接是指对接装置采用导向罩或者笼箱等结构形式对 AUV 进行导向,使 AUV 进入对接管或者对接箱笼内完成对接。包容式对接中的对接装置本身可以包容 AUV,在对接口附近采用渐缩形的入口装置对 AUV 进行引导,使其进入预定轨道实现两者的对接。这种形式的对接方式较容易受到海流的影响,优点是对接装置本身并不是特别复杂,也不需要对水下航行器进行特别的改造,并且在 AUV 对接后具有保护作用。典型的包容式对接装置有美国的REMUS AUV水下对接系统(图 2)和 MBARI研究所开发的水下对接系统(图 3)。


平台式对接是指 AUV 采用飞机降落的方法降落于对接平台上,锁定对接的形式。该种形式的对接方式与飞机在航空母舰上的降落情形非常相似。该方式对水下航行器的动力系统以及自导系统要求较高,具有代表意义的是日本的 Marine-bird 水下对接系统,对接原理示意图见图4。该对接平台通过短基线引导 AUV 回归,并用 V型拦截装置捕捉 AUV 下方的挂钩,最后通过感应线圈进行充电。

2、接驳传感器
AUV 使用的声学传感器一般指的是超短基线(USBL)。与其他几种传感器相比,声学超短基线的作用距离远(大于2000m),受到的环境影响相对较小,因此国外大多数 AUV 对接技术都采用超短基线(USBL)作为其主要对接导航定位方式。如美军使用最广泛的水下无人航行器-REMUSAUV 就采用了高精度数字式 USBL 作为其对接传感器(图 5)。该型 USBL 模块布置于 AUV 头部,对接引导距离达到 3000 m,分辨力小于 0.5°。美海军多次海试表明,REMUS AUV 在超短基线的引导下能从几海里外,准确地进入直径仅为80cm 的锥形导向罩内,单次对接成功率达到 60%31。

光学传感器在 AUV 对接技术中的使用有其独特的优势与特点,其近距离探测精度能达到厘米级,特别适用于入口较小的对接装置,例如 AUV鱼雷管回收。但是光学传感器受到海水清晰度的影响很大,有效作用距离很近(小于30 m),一般均要与声学传感器(USBL)配合使用。目前基于视觉感知的 AUV 对接技术尚处于研制阶段,例如韩国研究机构正在研究鱼雷型 AUV 与锥形对接装置的视觉导航接驳技术,如图6所示。

整个视觉导引装置包含五盏信标灯(布置于锥形入口处)、CCD 摄像机(AUV 头部)以及信号处理 DSP,作用距离 10~15 m,通过图像处理来识别信标光源,从而计算出对接装置的距离和中心位置,并结合视觉伺服控制算法引导 AUV 进入对接口。
早在 1990 年代中期,美国 MIT Sea GrantProgram Odyssey AUV 就设计了基于电磁场导航的对接装置切。电磁传感器克服了光学传感器的易受干扰的缺点,且对接精度也较高。1996年在Buzzards 湾的试验表明,该电磁导航系统的有效作用距离为 25~30 m,对接精度为小于 20 cm。但是由于技术较复杂、传感器尺寸较大、需要与 USBL配合使用等因素使其与光学传感器一样,在AUV对接导航中的使用较少。
3、接驳控制技术

AUV 自主航行至 USBL 信号覆盖范围以内,采用追踪制导方式接近对接装置,过程中调整AUV,使其始终朝向 USBL 信号方向,以保持可以得到最大信号强度。当 USBL 信号强度足够时,AUV 利用自身罗盘、USBL,测向和测距信息来计算就位点(接驳装置中心轴延长线上的一点),并驶向该就位点。
AUV 到达就位点后,沿接驳装置轴线向接驳装置靠近。此时控制方式不再采用追踪制导方式,而是采用沿固定路线前进的控制方式,并且 AUV 在距接驳装置 200~100 m 远的地方进行减速,为控制层提供足够的时间去消除航向超调量,并降低接驳撞击力。该种控制方式要求 AUV 沿着固定路线接近接驳装置,需要对以下方面展开研究:海流对航向产生的影响;USBL 数据刷新期间的 AUV 航迹推算及误差消除。
此外,对接失误策略也是 AUV 对接控制技术的必要部分。当 AUV 没有对接成功,应根据 AUV与对接目标间的通信来确认,并采取对接失误策略,重新开始接驳。
4、接驳传输技术
AUV 水下对接技术的最终目的就是实现 AUV的能源补充(充电)、任务下载、探测数据上传等功能。要实现这些功能,对接系统必须有可靠、高效的水下能量、信息传输装置。目前,AUV 与对接装置间的传输技术可以分为两大类:接触式插拔传输和非接触式感应传输。
接触式插拔传输方式具有原理结构简单、传输稳定高效的特点。一旦连接成功,传输过程几乎不受任何海洋环境的影响。但是在深海、无人工操纵的条件下能准确、牢固地完成一般的水密连接器插拔十分困难。为此,实现接触式插拔传输技术的关键在于具有特殊功能的水密电连接器与配套的插拔动力装置。该套系统需要具备自动导向对正、便捷锁紧与松开、不受海水压力影响的带水湿插拔能力。图9为REMUS AUV 对接系统采用的插拔机构及其原理图。

4.2 非接触式感应传输

5、总结


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