董權威,田 鋒,岳才謙,王奧博

(中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074)

0 引言

自主水下航行器(AUV,autonomous underwater vehicle,)作為海洋開發(fā)的重要運載平臺，能夠代替人類進行復雜、艱巨的工作。可在無人控制的狀態(tài)下全天候、多航時地自主完成水下任務，成為在民用領域和軍用領域中重要的海洋開發(fā)和安全保障的工具，并且獲得廣泛應用。在民用方面，可應用于海圖繪制、地形勘察和海底設備維護等領域；在軍用方面，可應用于海上預警、海底對抗、水下情報搜索、水下目標搜索與打擊和戰(zhàn)區(qū)探測等。AUV因長期工作在復雜的海洋環(huán)境中，安全性問題一直受到關注，若在工作中出現(xiàn)事故，輕則造成任務失敗，重則造成丟失。因此水下航行安全已經(jīng)成為水下航行器領域的重要研究內(nèi)容及智能化水平的重要體現(xiàn)，研究高可靠性的拋載技術，提高AUV系統(tǒng)的航行的安全性，對AUV的實用化、工程化具有重要的研究價值[1-4]。

隨著智能化發(fā)展與大潛深的需求，AUV在復雜海洋環(huán)境中進行無人無纜作業(yè)時，如何確保能夠執(zhí)行拋載實現(xiàn)安全上浮是研究的重點與難點[5-7]。當前，對于AUV拋載系統(tǒng)的研究，主要采用液壓傳動拋載、拋掉攜帶的電池組等部件、爆炸螺栓拋載等方式。但在實際工程應用中，液壓傳動拋載方式結構復雜，并且需要依靠電來驅動，當AUV出現(xiàn)系統(tǒng)死機、漏水、掉電或能源不足等問題時，則無法實現(xiàn)拋載；拋掉隨身攜帶的電池組實現(xiàn)上浮則會帶來成本問題；而使用爆炸螺栓拋載存在一定的危險[8]。因此必須設計一個安全可靠的拋載系統(tǒng)，保證AUV在水下發(fā)生任何故障時，都能實現(xiàn)安全有效拋載。目前，AUV在水下航行過程中只能對預先估計和實時監(jiān)測的部分故障進行拋載動作，而對一些不可預知的故障則無有效的應對措施，如：AUV系統(tǒng)發(fā)生死機、掉電或漏水等故障[9-10]。

針對上述問題，依靠實體AUV，設計出一套安全拋載系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由主控單元、安保單元、拋載電路及拋載機構組成，通過對設計的安全拋載系統(tǒng)進行岸上模擬測試與水下測試，驗證了該系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性，從而提升了AUV在水下作業(yè)時應對各種故障及危險下的拋載執(zhí)行能力，擴展了AUV的工作范圍，進一步保證AUV水下的航行安全。

1 系統(tǒng)結構及原理

為適應復雜的水下環(huán)境，并能夠根據(jù)不同的作業(yè)要求完成相應的水下任務,對AUV的功能進行劃分，將其分為主控單元與安保單元兩部分，主控單元包括任務控制計算機、導航控制計算機、運動控制計算機，用以接收并處理AUV搭載的各類傳感器的數(shù)據(jù)信息，實時監(jiān)控AUV在水下運行的狀態(tài)，接收并發(fā)送控制指令，并負責AUV的任務規(guī)劃、水面/水下通信、導航控制與航行運動控制。安保單元包括安保計算機、相關的驅動電路及拋載機構，主要負責AUV水下的航行安全，確保當其遇到突發(fā)狀況，如電量不足、系統(tǒng)掉電、超時、超深與系統(tǒng)死機等，能夠安全出水。主控單元與安保單元通過CAN總線進行指令與數(shù)據(jù)交互。AUV系統(tǒng)劃分原理如圖1所示。

圖1 AUV硬件結構框圖

其中，AUV的安全拋載系統(tǒng)所采用的電磁拋載方式是一種比較成熟的技術，具有結構簡單、低功耗、運行可靠的特點，其工作原理主要是將電磁能轉換為機械能，當電源接通，內(nèi)部線圈通電，產(chǎn)生電磁場，從而吸合壓載；當斷開電源，內(nèi)部線圈不通電，電磁場消失，從而釋放壓載。拋載后AUV浮力遠大于重力，從而實現(xiàn)上浮出水。該方式能夠進行實時觸發(fā)且性能可靠，系統(tǒng)結構緊湊、工作穩(wěn)定、可控性強，能夠快速響應，因此適用于水下航行器，通過在特定條件下執(zhí)行拋載，可大大保障水下航行安全，提升環(huán)境適應性。

AUV搭載的安全拋載系統(tǒng)能夠使其在水下發(fā)生故障后，以拋載的形式進行緊急出水，設計原理簡單，拋載正確執(zhí)行率成功高。因此對其安全拋載技術展開相關研究，以進一步提高AUV的拋載執(zhí)行準確率，提升其水下生存能力。同時，為降低安全拋載系統(tǒng)長時間運行對AUV水下續(xù)航能力的影響，對其控制電路、驅動電路等進行完善，進一步降低工作能耗，以滿足總體設計指標。

AUV安全拋載系統(tǒng)主要由安保計算機、驅動電路、光耦隔離電路、繼電器與拋載執(zhí)行機構組成。其中，拋載控制信號由安保計算機發(fā)出，并經(jīng)過繼電器控制電路控制電磁拋載機構的通電與斷電，實現(xiàn)拋載塊的吸合與釋放。為滿足水下不同的任務需求，將拋載控制電路分為兩路，一路作為正常拋載使用，當執(zhí)行拋載指令時，可觸發(fā)安全拋載，適用于在緊急情況下執(zhí)行拋載，保證AUV能夠隨時上浮出水。另一路作為重物壓載使用，同時也可作為二級拋載，適用于大潛深下AUV無動力下潛。當需要AUV進行緊急快速上浮時，可同時觸發(fā)兩路拋載，如圖2所示。

圖2 拋載系統(tǒng)組成框圖

安全拋載系統(tǒng)只在AUV水下航行階段發(fā)揮作用，通過預設指令，保證AUV遇到問題或故障后能夠執(zhí)行拋載動作而上浮出水，因此需要對AUV整個航行過程中可能遇到的問題進行梳理，并將其加入控制流程，所涉及的故障及危險主要包括：

1)系統(tǒng)超時：AUV在水面執(zhí)行下潛指令后，在水下的航行時間超過程序設定的最大航行時間。

2)系統(tǒng)超深：AUV水下航行深度超過程序設定的最大深度。

3)電量不足：AUV電池電量低于程序設定的最低電量。

4)設備故障：AUV內(nèi)部某路設備或載荷在航行過程中工作異?；蛲Ｖ构ぷ?。

5)不可預知故障：如系統(tǒng)掉電、死機、艙體漏水等不同于上述的故障或危險。

2 拋載系統(tǒng)硬件設計

拋載系統(tǒng)的主要工作是實時采集并監(jiān)控AUV的各種狀態(tài)信息，如深度信息、電量信息、設備狀態(tài)信息等，若檢測到AUV出現(xiàn)超時、超深、電量不足、設備異常等故障，安保計算機則發(fā)送拋載指令，通過復位相應引腳的IO口，最終使拋載機構執(zhí)行拋載動作。其中，拋載機構采用電磁鎖控制方式，即拋載機構的工作方式方式為通電上鎖，斷電解鎖，因此可保證當出現(xiàn)系統(tǒng)掉電、安保計算機死機、AUV艙內(nèi)進水等不可預知故障時，安保計算機的IO口不能正常輸出持續(xù)的高電平信號，因此可自動觸發(fā)拋載。

拋載系統(tǒng)的安保計算機采用基于ARM的STM32F407ZGT6芯片作為MCU，該芯片的資源豐富，集成FPU和DSP指令，具有192 KB SRAM，1 024 KB FLASH，內(nèi)部通信可滿足各節(jié)點設備接口的使用要求。光耦隔離電路采用TLP250，其為可控的光電耦合器件，可實現(xiàn)電路之間的信號傳輸，能夠使前端與負載完全隔離，安全性得到進一步加強，并能減小電路干擾，減化電路設計。驅動電路采用ULN2003，該芯片由7路高耐壓與大電流的復合晶體管構成，最大灌電流可達500 mA，可在高負載電流下并行運行。兩路拋載分別通過各自的控制繼電器控制，繼電器型號為G2R-2A4，該繼電器線圈電壓24 V，由一路線圈輸入和兩路開關組成，并將繼電器的兩路輸出共同驅動一路拋載，可進一步提高驅動能力與可靠性。安保計算機控制拋載的兩路信號正常狀態(tài)下為高電平，即拋載系統(tǒng)上電后，拋載機構保持吸合狀態(tài)。當需要執(zhí)行拋載動作時，安保計算機接收到拋載指令，并通過IO口發(fā)送拋載指令，IO口輸出低電平，此時拋載繼電器斷電，拋載機構斷電拋載，其工作原理為：

1)驅動電路接收到來自控制計算機的IO信號為高電平信號時，驅動電路會將電平轉換成低電平并輸出給下一級。

2)光耦隔離電路的地端(GND) 與驅動電路的輸出連接，正極與電源連接，當接收到來自驅動電路輸出的低電平信號時，此時光耦隔離電路導通，觸發(fā)發(fā)光二極管，使得光耦隔離電路的輸出端正負導通，繼電器閉合(常開觸點)，拋載機構上電吸合。

3)當系統(tǒng)遇到故障需要執(zhí)行拋載指令時，安保計算機的數(shù)字IO口輸出低電平，導致驅動電路的電平與上述情況相反，最終使繼電器斷電，執(zhí)行拋載。拋載系統(tǒng)的電路原理如圖3所示。

圖3 拋載系統(tǒng)電路設計原理圖

3 拋載系統(tǒng)軟件設計

拋載系統(tǒng)的拋載指令下發(fā)與反饋通過CAN總線實現(xiàn)，AUV運行過程中，主控單元的任務控制計算機會實時監(jiān)測搭載在CAN總線的上的各路系統(tǒng)及設備，包括導航控制計算機、運動控制計算機及相關載荷設備等。當監(jiān)測到某路出現(xiàn)故障危及AUV正常航行時，則通過CAN總線向安保計算機發(fā)送拋載指令，安保計算機接收到該指令，則對拋載的相關接口進行復位，此時拋載機構斷電拋載。同時當出現(xiàn)非預知故障，如AUV突然掉電、系統(tǒng)關機等情況，導致拋載系統(tǒng)無法工作而斷電拋載。因此為確保AUV在水下遇到任何緊急情況都能安全出水，需要對拋載的控制策略及控制流程進行設計，以保障AUV水下的航行安全。

AUV安全拋載系統(tǒng)的工作流程如下：

1)AUV下水前，裝載拋載塊，并進行水面自檢，確保拋載系統(tǒng)工作狀態(tài)運行正常。

2)下潛任務裝訂并成功下發(fā)后，AUV執(zhí)行下潛，安保計算機內(nèi)置計數(shù)器開始計數(shù)，同時實時采集AUV內(nèi)部深度傳感器的深度信息，當AUV在水下航行時間超過程序設定的水下最大工作時間，計數(shù)器溢出，觸發(fā)拋載；當系統(tǒng)在達到程序設定的最大工作時間前，AUV已出水，則清空計數(shù)器計數(shù)，并停止計數(shù)，直至收到下一次水下航行指令，超時拋載工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)超時拋載工作流程

3)AUV在水下航行過程中，安保計算機實時采集深度傳感器的深度信息，當檢測到AUV航行的深度大于程序設定的最大航行深度，則觸發(fā)拋載指令，啟動應急拋載，超深拋載工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)超深拋載工作流程

4)AUV在水下航行過程中，安保計算機實時采集電池電量信息，若檢測到AUV的剩余電量低于安全閾值，則結束水下任務，上浮出水，若電量低于程序設定的最低值仍未出水，則啟動拋載上浮，低電量拋載工作流程如圖6所示。

圖6 AUV電量不足情況下工作流程

5)AUV在水下航行過程中，安保計算機實時接收來自其他控制系統(tǒng)或設備的狀態(tài)信息，正常情況下，相應的控制系統(tǒng)或設備會向外發(fā)送自身狀態(tài)信息，若出現(xiàn)異常，如系統(tǒng)死機、程序跑飛、掉電等，此時安保計算機檢測到該系統(tǒng)或設備的異常，并發(fā)送斷電重啟指令，從而觸發(fā)繼電器關斷并再次上電，以重啟相關分系統(tǒng)或設備，若仍異常，則執(zhí)行拋載指令，AUV上浮出水。

6)當AUV在水下航行時，若發(fā)生不可預知的故障，如艙體漏水、系統(tǒng)突然掉電等，會導致內(nèi)部電路短路、斷電等現(xiàn)象，此時均會導致拋載繼電器斷電觸發(fā)拋載?；蛴捎诎踩珤佪d系統(tǒng)本身出現(xiàn)問題，如安保計算機故障、驅動電路或光耦電路芯片損毀等，亦會使拋載機構掉電觸發(fā)拋載。

4 實驗結果與分析

AUV安全拋載系統(tǒng)的測試項目分為兩項內(nèi)容：耐壓測試與性能測試。首先對該系統(tǒng)的耐壓防水性進行測試，將安全拋載系統(tǒng)的拋載機構與10 kg的拋載塊置于充滿水的密閉高壓罐，拋載機構的接口與控制電路引出罐體，通過打壓裝置對其進行逐級打壓，直至罐體內(nèi)壓力升高至10 MPa。在打壓過程中，安全拋載系統(tǒng)運行良好，拋載指令收發(fā)正常，并能夠正確執(zhí)行拋載動作，拋載準確率為100%，驗證了在10 MPa壓力范圍內(nèi)，拋載系統(tǒng)仍能穩(wěn)定工作，無漏水滲水現(xiàn)象，且拋載系統(tǒng)的功耗為2.8 W，均滿足設計要求。

拋載系統(tǒng)的耐壓測試完成后，對其進行性能測試，性能測試分為岸上模擬測試與水下測試。岸上模擬測試主要測試整個系統(tǒng)的控制流程，驗證拋載系統(tǒng)設計的可行性與有效性。水下測試則是對AUV進行全流程測試，通過設置相關的參數(shù)，以滿足設定的拋載條件，從而觸發(fā)拋載。

其中，拋載的岸上模擬測試主要包括：主控單元中任務控制系統(tǒng)故障或通信異常、導航控制系統(tǒng)故障或通信異常、運動控制系統(tǒng)故障或通信異常、系統(tǒng)超時、超深、電量不足、意外掉電等，測試效果體現(xiàn)在故障發(fā)生后是否觸發(fā)拋載機構的磁力鎖失鎖導致拋載塊掉落。岸上模擬的測試流程按照上述情況進行相關測試，每種工況各測試5次，如表1所示。下表列出的意外掉電的模擬測試是通過在系統(tǒng)運行過程中人為斷開安全拋載系統(tǒng)的供電電源或AUV的總電源實現(xiàn)。電池電量不足的模擬測試則是通過降低AUV的供電電源實現(xiàn)。最終測試結果顯示，所設定的故障觸發(fā)的拋載執(zhí)行準確率為100%。

表1 安全拋載系統(tǒng)岸上模擬測試內(nèi)容

為進一步全面驗證安全拋載系統(tǒng)的性能，將其集成到實體AUV內(nèi)進行實際的水池測試，并按照上述故障測試流程進行測試，最大程度的還原AUV在水下運行時所面臨的真實環(huán)境與實際工況。最終通過水池試驗證明，AUV在水下測試過程中，通過觸發(fā)相關故障使其拋載系統(tǒng)執(zhí)行拋載動作時，無未拋和誤拋現(xiàn)象發(fā)生，且均能正確執(zhí)行程序設定的拋載指令，可靠性得到有效驗證。不過，其在復雜水況及長時間運行條件下拋載執(zhí)行的穩(wěn)定性與可靠性仍需進行進一步測試及驗證。

5 結束語

AUV航行的安全性是其水下任務能否順利完成的關鍵技術，也是保證其安全返回的重要保障?；诖?，本文設計了一套適用于AUV的安全拋載系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的設計方案，該系統(tǒng)設計原理簡單、工作可靠、功耗低，針對AUV水下發(fā)生的各類故障均能觸發(fā)安全拋載，且拋載執(zhí)行效率達到100%，各項指標滿足總體設計要求，并最終通過了耐壓測試與性能測試， 實用性與可靠性得到有效驗證，進一步提升了AUV自主解決故障或危險的能力，為AUV水下作業(yè)提供了安全保證，因此大大提升了AUV的水下生存能力與環(huán)境適應性。未來，還需對其在復雜水況及長時間運行條件下的穩(wěn)定性及可靠性做進一步測試。