水下機(jī)器人自20世紀(jì)后半葉誕生起，在海洋資源開發(fā)、海洋執(zhí)法取證、科學(xué)研究和軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，近年來，比較典型的例子有2011年伍茲霍爾海洋研究所的水下機(jī)器人尋找法航航班殘骸的任務(wù)，2014年“藍(lán)鰭金槍魚”號(hào)執(zhí)行尋找馬航殘骸的任務(wù)。

 

　　水下機(jī)器人可分為無人水下機(jī)器人（UUV）和載人水下機(jī)器人（HOV），而UUV可分為有纜遙控水下機(jī)器人（ROV）和無纜自治水下機(jī)器人（AUV）2大類。

 

　　由于水下環(huán)境特殊，AUV通常要自身攜帶能源在水下作業(yè)，作業(yè)時(shí)長和續(xù)航力均有研制，需要對(duì)其回收，進(jìn)行維護(hù)保障、能量補(bǔ)充和信息讀取，因此高效的回收作業(yè)是循環(huán)利用水下機(jī)器人的重要保障，回收裝置的控制系統(tǒng)更是亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

 

　　華中科技大學(xué)徐國華教授團(tuán)隊(duì)以腹部作業(yè)型水下遙控機(jī)器人（ROV）為研究對(duì)象，已完成遙控模式下的各項(xiàng)功能開發(fā)、對(duì)接、回收任務(wù)以及一定的自動(dòng)控制試驗(yàn)，水池試驗(yàn)的對(duì)接回收成功率為90%左右。

 

　　為了提高海洋資源的開發(fā)能力，建設(shè)海洋強(qiáng)國，必須大力發(fā)展我國海洋技術(shù)，特別是深海探測(cè)、運(yùn)載及作業(yè)技術(shù)。水下機(jī)器人則是海洋資源的勘探和開發(fā)的重要工具之一。

 

　　近年來，UUV廣泛應(yīng)用于海洋探測(cè)、開發(fā)、搜救等領(lǐng)域。智能水下機(jī)器人作為高效率的水下工作平臺(tái)在海洋開發(fā)和利用中起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)水下復(fù)雜多變的環(huán)境以及無纜型UUV動(dòng)力受限、控制復(fù)雜等現(xiàn)狀，UUV的回收成為必須解決的難題。

 

　　目前，國內(nèi)外用于對(duì)接及回收UUV的腹部作業(yè)水下機(jī)器人的作業(yè)方式主要為多機(jī)械手協(xié)同抓取或液壓U型架夾持，這些方式存在控制難度高、體積大、易造成海洋環(huán)境污染等缺點(diǎn)。

 

　　針對(duì)無人水下機(jī)器人（UUV）的回收任務(wù)要求，研制開發(fā)一臺(tái)新式腹部作業(yè)型水下遙控機(jī)器人（ROV）。腹部作業(yè)型ROV不同于一般的依賴機(jī)械手作業(yè)的傳統(tǒng)ROV，其通過腹部作業(yè)機(jī)構(gòu)完成與UUV的水下對(duì)接與回收，具備體積小、污染低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。而性能可靠的控制系統(tǒng)是腹部作業(yè)型ROV完成指定任務(wù)的前提和保障。

 

　　新研的腹部作業(yè)型ROV由水面監(jiān)控臺(tái)、臍帶纜和ROV本體3個(gè)部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。腹部作業(yè)型ROV在進(jìn)行UUV捕獲回收作業(yè)任務(wù)時(shí)，首先根據(jù)水面監(jiān)控計(jì)算機(jī)顯示的水下視頻信息操作手操盒，驅(qū)動(dòng)ROV本體運(yùn)動(dòng)，尋找并接近UUV；操作ROV使其腹部作業(yè)機(jī)構(gòu)錐形導(dǎo)向筒與UUV的底部對(duì)接桿對(duì)接；操作腹部作業(yè)機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿，鎖緊UUV對(duì)接桿，完成捕獲任務(wù)。

 

　　圖 1 腹部作業(yè)型ROV系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

 

　　腹部作業(yè)型ROV控制系統(tǒng)分為水面集控臺(tái)和水下控制器2大部分，以一體化工業(yè)加固計(jì)算機(jī)為水面監(jiān)控單元，PC104嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為水下主控單元，各驅(qū)動(dòng)板為驅(qū)動(dòng)單元的控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

 

　　圖 2 水面監(jiān)控軟件運(yùn)行界面圖

 

　　通過對(duì)腹部作業(yè)型ROV的六自由度空間運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行簡化，得到水平面自動(dòng)定向控制傳遞函數(shù)，并設(shè)計(jì)了基于混合靈敏度的H∞魯棒自動(dòng)定向控制器。Simulink仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)PID控制器和模糊控制器，H∞魯棒自動(dòng)定向控制器具備更好的靜動(dòng)態(tài)性能，在參數(shù)存在一定攝動(dòng)的情況下仍表現(xiàn)出良好的魯棒性。

 

　　通信單項(xiàng)試驗(yàn)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、對(duì)接及回收任務(wù)水池試驗(yàn)（圖3和圖4）、自動(dòng)定向試驗(yàn)表明，腹部作業(yè)型ROV具有良好的水平面運(yùn)動(dòng)能力，即使初始艏向角偏差較大，對(duì)接回收的成功率仍可達(dá) 90%，其可靠性和實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠滿足UUV回收任務(wù)的要求。

 

　　圖3 對(duì)接過程中

 

　　圖4 對(duì)接成功后起吊出水