无人水下航行器探测技术

无人水下航行器探测技术

0海底定点停驻uuvuuv最初出现于20世纪60年代，主要用于代替潜水员进行水下勘探、沉积物开挖、水下电缆铺设和维护。但随着计算机技术、导航技术、通信技术、新材料技术等的飞速发展,以及UUV体积小、重量轻、噪音小、隐蔽性好、操作安全、活动范围大、造价低等优点,近年来已在全球范围内掀起了一股研发UUV的热潮。随着人类对海洋探测的深入,人们需要了解某一海域的环境随时间的变化情况,这就需要对某一海域的环境进行长期的定点调查探测。通过海洋探测船以及水下机器人固然可以达到这样的要求,但需要消耗大量的人力、物力和财力,成本较高。若能研究一种可以对某一海域进行长期调查探测的UUV,便可以节省大量成本。近期所研制的悬停式UUV可以达到对某一特定区域进行定点探测的目的。但无论是辅助推进器控制式悬停UUV还是浮力调节式悬停UUV其平衡均为动态平衡过程,均要时刻对航行器进行控制以保持航行器原来的位置和姿态,这样就要消耗大量能量,达不到长期探测的目的。为了解决这一问题,需要研制一种能够保持静态平衡的定点停驻方式。通过分析发现,着陆停驻在海底是一种良好的解决方式。海底定点停驻UUV能够经过低速航行之后到达需要探测的港口、海峡,之后在不需要时刻调节航行器姿态的条件下长期停驻在海底对周围环境进行探测。在工作过程中,为保持隐蔽性,海底定点停驻UUV可以通过中继平台将其探测到的信息传回基地,以便基地及时了解目标海域的情况。完成任务后,海底定点停驻UUV可以自主返回基地。1-vbs试验UUV的出现已有半个世纪,但对具有海底停驻功能的UUV的研究还少之甚少。通过查阅国内外的相关文献,发现只有一种用于探测且具有海底停驻功能的UUV,就是天津大学开发的具有变浮力系统、可以着陆坐底的新型水下自主航行器(AutonomousUnderwaterVehiclewithVariableBuoyancySystem,AUV-VBS),国外并没有相关UUV的研制。下文将对AUV-VBS进行简单介绍。AUV-VBS于2005年9月进行了宽水域湖试,实现了无缆自主航行(见图1)。该UUV实现了定点停驻在海底并对周围海域进行长期侦察探测的目的,其主要工作原理:UUV经布放后,自主航行到位,注水着陆坐底,控制部件停止工作,任务测量传感器单元启动工作,实现在位测量。该UUV主要分为主体和压载水舱两部分,主体和压载水舱均呈圆柱状,如图2所示。压载水舱连接在主体外下部,其功能是通过注水实现主体下沉,在完成任务后脱离主体,使主体自由上浮进行通信。压载舱的注水是通过液压系统完成的,安装在主舱中部的电机推动油缸,液压油将压载舱两端的油阀打开,实现注水。当系统航行时,重力与浮力相等,呈中性;当系统着陆坐底时,重力大于浮力;当系统上浮时,重力小于浮力。压载水舱通过一个悬挂机构与主舱体相连悬挂机构使用熔断丝锁紧。坐底潜伏观测结束后控制系统给熔断丝加24V电压,通过电化学腐蚀作用将熔断丝熔断,之后在主舱体浮力和压载舱重力的共同作用下,压载舱的悬挂机构弹开,压载水舱脱离主舱,主舱体上浮,并以竖直向上的姿态浮于水面,将头部的卫星通信部分露出水面。其主要组成系统设计为:控制系统采用基于CAN总线的分布式总线型拓扑结构;中央控制单元由P87C591单片机和CMX实时内核组成;电源采用一次性专用封装锂电池组;电机使用MAXON公司EC60直流无刷伺服电机,电机工作电压为48V,功率为400W;螺旋桨设计直径为400mm,最大转速500r/min,可使航行器速度达到2m/s。2uuv的特点注水着陆策略海底定点停驻的AUV-VBS填补了海底定点停驻UUV的空白,但它还存在许多不足:1)海底姿态不固定。海底环境是凸凹不平、极其复杂的,而AUV-VBS坐底着陆时整体直接接触海底,不能调节UUV器的姿态,进而无法保证UUV处于所需要的姿态;2)无抗掩埋能力。海底环境复杂,有大量的泥沙,整个UUV可能会被泥沙掩埋,达不到长时间探测的目的;3)有进水装置,结构复杂,且UUV注水时对其姿态没有调节控制,使得其姿态很难保持稳定,极有可能出现颠覆的情况。鉴于现有UUV海底停驻策略存在的缺陷,本文提出了2种简单的海底定点停驻UUV策略——液压支撑式和锚链式。这2种海底停驻策略的UUV的设计思想是采用模块化设计,设计一个着陆停驻控制段,可通过改装应用到现有的UUV上,实现UUV海底定点停驻,以达到长期定点探测的目的。该UUV由避碰声纳段、搭载功能段、前着陆停驻控制段、前辅助推进段、仪表电池舱段、导航控制段、动力电池舱段、后辅助推进段、后着陆停驻控制段和尾段组成。下面对这2种停驻策略的UUV作一简单介绍,为后续研究提供借鉴。2.1uuv的正常工作过程液压支撑策略海底停驻UUV总体设计成负浮力,它在负浮力和液压支撑杆支撑力的共同作用下实现海底停驻功能,其海底停驻时工作示意图如图3所示。其工作原理:在负浮力的作用下,UUV能在无推力的条件下长时间停驻在海底;在姿态传感器和控制系统的作用下,通过调节4个液压支撑杆的长度来实现UUV的姿态调节功能;通过辅助推进器实现UUV的上浮和下潜。其工作过程:1)当UUV到达着陆停驻目的地后,通过声纳在目标区域寻找一个较平坦的着陆坐底地点;2)UUV在辅助推进器的作用下暂时处于悬停状态,着陆停驻控制系统控制液压系统动作,使4个支撑杆从UUV内部伸出,直至伸长到某一设定长度;3)UUV在辅助推进器的作用下完成定点着陆海底;4)通过调节4个支撑杆的长度调节UUV的姿态;5)开始执行任务;6)UUV在两垂推的作用下上浮,控制系统控制液压支撑杆收回,之后主推进器启动,UUV自主返航。2.2uuv的主体部分锚链策略海底停驻UUV主要是受锚雷的启发提出的,设计时将UUV整体设计成负浮力,主体设计成正浮力。它由2个重物块将UUV主体系留在海底,实现停驻功能,其工作示意图见图4。其工作原理:整个UUV设计成负浮力,能够使整个UUV在无推力的条件下长时间停驻在海底;UUV的主体部分设计成正浮力的,当重物块和主体分离后,主体部分能够在浮力的作用下上浮,从而不接触海底;重物块的重力远远大于自身的浮力,能够稳定地停驻在海底,并通过锚链将UUV的主体部分系留在海底;在姿态传感器和控制系统的作用下,通过调节2个锚链的长度来实现UUV的姿态调节功能;通过辅助推进器实现UUV的上浮和下潜。其工作过程:1)当在目标区域找到较平坦的停驻着陆地点后,UUV在辅助推进器的作用下暂时处于悬停状态,着陆停驻控制系统控制重物块下落直至锚链释放到一定长度;2)UUV在辅助推进器的作用下完成定点着陆海底;3)重物块接触海底,UUV主体在正浮力的作用下上浮直至锚链拉直;4)通过调节锚链长调节UUV至预定姿态;5)开始执行任务;6)UUV在两垂推的作用下上浮,控制系统控制重物块收回,之后主推进器启动,航行器自主返航。3关键技术海底定点停驻UUV具有许多新增功能,存在一些新的关键技术需要突破和解决。(1)精确定位技术海底定点停驻UUV主要经远程航行后在特定海域执行调查探测等任务,为了安全可靠地完成任务,工作过程和环境对UUV的隐蔽性提出了更高的要求。目前UUV主要使用惯性导航系统,累积误差较大。尽管可以采用卡尔曼滤波进行误差预测,或用GPS进行误差修正,但这样需要浮出水面,会降低UUV的隐蔽性能。这使得精确导航技术显得尤为重要。利用声波定位及水下环境地形辅助导航的声学导航技术将是海底定点停驻UUV精确导航的发展方向。(2)控制uuv的数值研究为了保证UUV着陆位置的精确性以及着陆的安全性,需要对UUV的控制方式、下潜弹道、速度、着陆时周围的流场及受力进行分析研究。对于欠驱动UUV来说,文献中提出的双向规划定点着陆策略值得借鉴。(3)海底环境的复杂性海底环境比较复杂,有大量由泥、砂等无机物和生物残骸等有机物组成的海洋沉积物,使得海底环境凸凹不平,同时又有海流的影响,使得UUV受力较复杂。如何使UUV在这样的环境下定点停驻在海底并保持水平姿态是一个急需解决的问题。(4)预防合并和长期停止海底有大量的泥沙,又有海流的作用,通过何种策略保证UUV长期定点停驻在海底时不被泥沙掩埋需要作深入的研究。(5)uv的uv-v除了一般UUV的功能模块之外,海底定点停驻UUV还要有坐底着陆装置,结构较复杂。而且停驻在海底时航行器的密封是静密封,在海底巨大的水压条件下需要考虑UUV的密封性问题。(6)浮航器的应用控制UUV定点停驻在海底之后,必然有一部分与海底接触,使浮力减小,在海底巨大的压强下,会有很大的向下的力。如何使航行器完成任务后上浮返航需要重点研究。当需要的上浮力很大时,不排除添加浮力调节模块的可能性。(7)执行任务的特征海底定点停驻UUV承担的任务是长期调查探测,必然有大量的数据,为了及时了解目标区域的情况,UUV在执行任务过程中需要将数据传回基地进行分析,这就对水下高速隐蔽通信技术提出了较高的要求。对于自主式UUV来说,水声通信是最为适宜的通信手段。许多国家都在探索新的水声通信技术,如自适应通道平衡法、空间分散法、频率分散法、多普勒跟踪法等,以完成各种海洋环境下的中远距离高速通信。(8)高效的海洋调查单个海底定点停驻UUV在某一段时间内只能探测一个地点的海洋环境等的时间变化,无法探测海洋环境的空间变化。与之相比,多UUV可以在长期无人值守的情况下自主进行海洋调查工作,通过搭载不同的传感器,研究海洋各区域的温度、盐度、生物分布等参数随时间、空间的变化规律,对海洋进行全面、立体、连续的调查,通过多台UUV之间的协作能够拓宽调查区域、缩短