面對惡劣的水下環(huán)境，人類的潛水深度有限，水下機(jī)器人應(yīng)運而生，可在高度危險環(huán)境、被污染環(huán)境以及零可見度區(qū)域代替人工在水下長時間作業(yè)。
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)時長和續(xù)航力均有研制，需要對其回收，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)隊以腹部作業(yè)型水下遙控機(jī)器人（ROV）為研究對象，已完成遙控模式下的各項功能開發(fā)、對接、回收任務(wù)以及一定的自動控制試驗，水池試驗的對接回收成功率為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、運載及作業(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、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在海洋開發(fā)和利用中起著至關(guān)重要的作用。針對水下復(fù)雜多變的環(huán)境以及無纜型UUV動力受限、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。
針對無人水下機(jī)器人（UUV）的回收任務(wù)要求，研制開發(fā)一臺新式腹部作業(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的水下對接與回收，具備體積小、污染低、功耗低等優(yōu)點。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、臍帶纜和ROV本體3個部分組成，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，首先根據(jù)水面監(jiān)控計算機(jī)顯示的水下視頻信息操作手操盒，驅(qū)動ROV本體運動，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的底部對接桿對接；操作腹部作業(yè)機(jī)構(gòu)電動推桿，鎖緊UUV對接桿，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)分為水面集控臺和水下控制器2大部分，以一體化工業(yè)加固計算機(jī)為水面監(jiān)控單元，PC104嵌入式工業(yè)控制計算機(jī)為水下主控單元，各驅(qū)動板為驅(qū)動單元的控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。
圖 2 水面監(jiān)控軟件運行界面圖
通過對腹部作業(yè)型ROV的六自由度空間運動方程進(jìn)行簡化，得到水平面自動定向控制傳遞函數(shù)，并設(shè)計了基于混合靈敏度的H∞魯棒自動定向控制器。Simulink仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)PID控制器和模糊控制器，H∞魯棒自動定向控制器具備更好的靜動態(tài)性能，在參數(shù)存在一定攝動的情況下仍表現(xiàn)出良好的魯棒性。
通信單項試驗、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗、對接及回收任務(wù)水池試驗（圖3和圖4）、自動定向試驗表明，腹部作業(yè)型ROV具有良好的水平面運動能力，即使初始艏向角偏差較大，對接回收的成功率仍可達(dá) 90%，其可靠性和實時性強(qiáng)，能夠滿足UUV回收任務(wù)的要求。
圖3 對接過程中
圖4 對接成功后起吊出水
