无人水下机器人，腹部作业型ROV带你回家啦

水下机器人自20世纪后半叶诞生起，在海洋资源开发、海洋执法取证、科学研究和军事等领域得到广泛的应用，近年来，比较典型的例子有2011年伍兹霍尔海洋研究所的水下机器人寻找法航航班残骸的任务，2014年“蓝鳍金枪鱼”号执行寻找马航残骸的任务。

水下机器人可分为无人水下机器人（UUV）和载人水下机器人（HOV），而UUV可分为有缆遥控水下机器人（ROV）和无缆自治水下机器人（AUV）2大类。

由于水下环境特殊，AUV通常要自身携带能源在水下作业，作业时长和续航力均有研制，需要对其回收，进行维护保障、能量补充和信息读取，因此高效的回收作业是循环利用水下机器人的重要保障，回收装置的控制系统更是亟待突破的关键技术。

华中科技大学徐国华教授团队以腹部作业型水下遥控机器人（ROV）为研究对象，已完成遥控模式下的各项功能开发、对接、回收任务以及一定的自动控制试验，水池试验的对接回收成功率为90%左右。

为了提高海洋资源的开发能力，建设海洋强国，必须大力发展我国海洋技术，特别是深海探测、运载及作业技术。水下机器人则是海洋资源的勘探和开发的重要工具之一。

近年来，UUV广泛应用于海洋探测、开发、搜救等领域。智能水下机器人作为高效率的水下工作平台在海洋开发和利用中起着至关重要的作用。针对水下复杂多变的环境以及无缆型UUV动力受限、控制复杂等现状，UUV的回收成为必须解决的难题。

目前，国内外用于对接及回收UUV的腹部作业水下机器人的作业方式主要为多机械手协同抓取或液压U型架夹持，这些方式存在控制难度高、体积大、易造成海洋环境污染等缺点。

针对无人水下机器人（UUV）的回收任务要求，研制开发一台新式腹部作业型水下遥控机器人（ROV）。腹部作业型ROV不同于一般的依赖机械手作业的传统ROV，其通过腹部作业机构完成与UUV的水下对接与回收，具备体积小、污染低、功耗低等优点。而性能可靠的控制系统是腹部作业型ROV完成指定任务的前提和保障。

新研的腹部作业型ROV由水面监控台、脐带缆和ROV本体3个部分组成，总体结构如图1所示。腹部作业型ROV在进行UUV捕获回收作业任务时，首先根据水面监控计算机显示的水下视频信息操作手操盒，驱动ROV本体运动，寻找并接近UUV；操作ROV使其腹部作业机构锥形导向筒与UUV的底部对接杆对接；操作腹部作业机构电动推杆，锁紧UUV对接杆，完成捕获任务。

图 1 腹部作业型ROV系统总体结构

腹部作业型ROV控制系统分为水面集控台和水下控制器2大部分，以一体化工业加固计算机为水面监控单元，PC104嵌入式工业控制计算机为水下主控单元，各驱动板为驱动单元的控制系统架构，如图2所示。

图 2 水面监控软件运行界面图

通过对腹部作业型ROV的六自由度空间运动方程进行简化，得到水平面自动定向控制传递函数，并设计了基于混合灵敏度的H∞鲁棒自动定向控制器。Simulink仿真结果表明，相比传统PID控制器和模糊控制器，H∞鲁棒自动定向控制器具备更好的静动态性能，在参数存在一定摄动的情况下仍表现出良好的鲁棒性。

通信单项试验、系统联调试验、对接及回收任务水池试验（图3和图4）、自动定向试验表明，腹部作业型ROV具有良好的水平面运动能力，即使初始艏向角偏差较大，对接回收的成功率仍可达 90%，其可靠性和实时性强，能够满足UUV回收任务的要求。

图3 对接过程中

图4 对接成功后起吊出水