面對惡劣的水下環(huán)境，人類的潛水深度有限，水下機器人應運而生，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)。
水下機器人自20世紀后半葉誕生起，在海洋資源開發(fā)、海洋執(zhí)法取證、科學研究和軍事等領域得到廣泛的應用，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器人尋找法航航班殘骸的任務，2014年“藍鰭金槍魚”號執(zhí)行尋找馬航殘骸的任務。
水下機器人可分為無人水下機器人（UUV）和載人水下機器人（HOV），而UUV可分為有纜遙控水下機器人（ROV）和無纜自治水下機器人（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，進行維護保障、能量補充和信息讀取，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)更是亟待突破的關鍵技術。
華中科技大學徐國華教授團隊以腹部作業(yè)型水下遙控機器人（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，建設海洋強國，必須大力發(fā)展我國海洋技術，特別是深海探測、運載及作業(yè)技術。水下機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廣泛應用于海洋探測、開發(fā)、搜救等領域。智能水下機器人作為高效率的水下工作平臺在海洋開發(fā)和利用中起著至關重要的作用。針對水下復雜多變的環(huán)境以及無纜型UUV動力受限、控制復雜等現狀，UUV的回收成為必須解決的難題。
目前，國內外用于對接及回收UUV的腹部作業(yè)水下機器人的作業(yè)方式主要為多機械手協同抓取或液壓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。
針對無人水下機器人（UUV）的回收任務要求，研制開發(fā)一臺新式腹部作業(yè)型水下遙控機器人（ROV）。腹部作業(yè)型ROV不同于一般的依賴機械手作業(yè)的傳統(tǒng)ROV，其通過腹部作業(yè)機構完成與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，總體結構如圖1所示。腹部作業(yè)型ROV在進行UUV捕獲回收作業(yè)任務時，首先根據水面監(jiān)控計算機顯示的水下視頻信息操作手操盒，驅動ROV本體運動，尋找并接近UUV；操作ROV使其腹部作業(yè)機構錐形導向筒與UUV的底部對接桿對接；操作腹部作業(yè)機構電動推桿，鎖緊UUV對接桿，完成捕獲任務。
圖 1 腹部作業(yè)型ROV系統(tǒng)總體結構
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)加固計算機為水面監(jiān)控單元，PC104嵌入式工業(yè)控制計算機為水下主控單元，各驅動板為驅動單元的控制系統(tǒng)架構，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行簡化，得到水平面自動定向控制傳遞函數，并設計了基于混合靈敏度的H∞魯棒自動定向控制器。Simulink仿真結果表明，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，在參數存在一定攝動的情況下仍表現出良好的魯棒性。
通信單項試驗、系統(tǒng)聯調試驗、對接及回收任務水池試驗（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 90%，其可靠性和實時性強，能夠滿足UUV回收任務的要求。
圖3 對接過程中
圖4 對接成功后起吊出水
