论文专区▏无人水面测量艇技术研究(三)：自动导引挂接起吊回收系统

【编者按】在利用无人水面测量艇进行水深测量作业过程中，如何提高测量艇在回收过程中的效率，保证在测量海域回收无人遥控测量艇的安全性成为当前亟待突破的关键技术问题。结合无人水面测量艇三体结构特点，研制出自动导引挂接起吊回收系统，该系统利用吊臂缆卡锁结构件实现对无人遥控测量艇的自动回收，整个回收过程可以在岸边或母船通过遥控实现，从而保证了测量作业人员的人身安全。本文发表在《海洋测绘》2016年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。孙昊，男，1980年出生，辽宁北票人，工程师，硕士，主要从事海洋测绘装备与仪器应用研究。

文/孙昊 黄贤源 赵祥鸿 马越原 汪振华

一、引言

通过在无人水面测量艇上加装高精度GNSS定位设备、双频测深仪等测量设备，即可实现浅水区域的水深测量，该测量模式的机动性和高效性，必将极大提高测量部门在浅水区域水深数据的快速获取能力^[1-2]。然而在实际的水深测量作业过程中，如何提高无人测量艇在回收过程中的效率，保证安全性成为当前亟待突破的关键技术问题。无人水面测量艇的布放回收是测量艇能否得到广泛应用的瓶颈问题。当前使用的无人水面艇大多是以搭载在大型舰艇上的刚性充气艇为基础发展而来，其布放和回收利用了母舰上现成的吊艇架或坡道进行^[3]。目前无人水面艇的布放回收系统主要有起重机式、A形框架式和倾斜滑道拖绞式^[4-5]。起重机式布放回收系统的关键技术是遥控抓捕装置技术、新颖的机械设计技术，系统具有随母船运动功能，不需要人员或小艇下水就能将缆绳系到无人水面艇上；Brooke海洋技术公司研发的MBARI LARS系统，该系统由一个独特的两段A形框架构成，A形框架用于船舷外的抓捕装置，该系统主要用于AUV的布放与回收^[6]；倾斜滑道拖绞式布放回收系统，布放时液压机驱动带有航行器的架子，被从集装箱中推出并倾斜划入水里，航行器通过一个脱开连接装置被释放；回收时钩住由航行器抛出的前部连接回收绳，并被连接到布放回收系统的绞盘上^[7-8]。

二、自动导引挂接起吊回收系统

无人水面测量艇的布放回收面临的挑战包括布放回收作业的安全和可操作性，系统的通用、自主与可移植性，无人水面艇与母平台接口间潜在的冲突等^[9-11]。MBARI LARS系统侧重于AUV的布放回收，其技术手段并不适合无人水面测量艇。起重机式布放回收系统通常由一个带绞盘的可折叠关节吊臂船用起重机、伸出船舷外的抓捕装置或滑轮挂钩、带有冗余泵/电机的电动液压装置构成，其在回收过程中面临如何在保证安全的情况下有效的捕获回收缆绳的问题。为了解决起重机式布放回收与倾斜滑道拖绞式布放回收系统在回收方面存在的问题，提出无人水面测量艇自动导引挂接起吊回收系统，该系统的技术创新点就是利用吊臂缆卡锁结构件实现对无人遥控测量艇的回收。⒈ 技术方案实现吊臂缆卡锁结构件包括回收吊环、回收锲型卡销、导引槽和吊放回收联系缆绳。吊放回收联系缆绳穿过回收吊环，联系缆绳在吊环内处于自由活动的状态，回收吊环通过螺钉与锲型卡销固定连接，同时被固定在卡扣中，避免无人水面测量艇在航行过程中出现碰撞损坏。在锲型卡销的前端固定安装导引槽，通过导引槽的牵引，可以有效的将母船的吊臂缆绳引导至回收锲型卡销内。吊臂缆卡锁结构件示意图见图1。

图1 吊臂缆卡锁结构件示意图

吊臂缆卡锁结构件固定安装于主船体与辅助船体的连接杆上，左右两侧各安装一套。布放于无人水面测量艇的吊放回收缆绳（绿色）通过联系缆绳（红色）与回收吊环实现连接，回收缆绳和联系缆绳通过U型扣连接，联系缆绳必须布放于船体，并保持一定的松弛度，避免挂住锁扣等船体结构件，卡锁结构件具体的安装示意图，见图2。

图2 卡锁结构件位置安装示意图

位于岸台或母船的测量人员将吊臂缆绳下放至水中，由于受到吊臂缆绳底部锲型销子自身重量的影响，保证吊臂缆绳向下垂直没入水中。遥控无人测量艇使岸台或母船的吊臂缆绳进入到卡锁结构件的导引槽，在导引槽的作用下，吊臂缆绳进入回收锲型卡销中，而回收锲型卡销由于受到向上的作用力，脱离布设在船体的卡扣慢慢升高，在联系缆绳牵引力的作用下，吊放回收缆绳在重心平稳的情况下实现对无人测量艇的回收。⒉ 回收结构设计岸台或母船的吊臂缆绳始终保持向下垂直没入水中，因此吊臂缆绳及锲型销子受海水涌浪的影响较小。回收过程中面临的主要问题即操控无人水面测量艇，使吊臂缆绳受到导引槽的作用，进入到回收锲型卡销中。整个无人水面测量艇的回收过程，作业人员可以在岸边或母船通过遥控实现，从而保证了作业人员的人身安全，无人水面测量艇的回收示意图，见图3。

图3 无人水面测量艇的回收示意图

回收系统起关键作用的结构件包括：锲型销子和回收锲型卡销。锲型销子为圆锥体，岸台或母船的吊臂缆绳穿过中间镂空的锥体，并固定于锥体的底部。回收锲型卡销前端开设豁口，并在豁口两边设置加装弹簧弹片的导引槽，吊臂缆绳在导引槽的作用下，挤开弹簧弹片滑进豁口内，由于弹簧弹片不可反向弹开，因此吊臂缆绳不会受到涌浪影响脱离无人水面测量艇，锲型销子和回收锲型卡销结构件示意图见图4，左边为锲型销子，右边为回收锲型卡销。

 图4 锲型销子和回收锲型卡销

三、无人水面测量艇吊放回收试验

为验证自动导引挂接起吊回收系统的可行性与有效性，选择在天津海景游艇俱乐部码头的水域进行吊放回收试验，码头测试试验区交通便利，试验码头方便无人水深测量艇吊放回收。⒈ 试验过程无人水面测量艇重约500Kg，为了试验吊装方便，在双排卡车上固定安装可360°自由旋转的车载小吊机，吊机工作电压24V，起吊重量500  Kg。小吊机的底座采用螺丝固定安装于双排卡车底板，并加可自由伸缩调节的钢管，钢管用U型扣固定安装于双排卡车底板，起到增加吊机稳定性的作用。回收过程测量人员仅需在岸边安全区域进行操作即可，手工控制车载小吊机吊臂缆绳，使悬挂有锲型销子的缆绳没入水中，并始终保持缆绳位置的稳定性。遥控无人水面测量艇使得左侧或右侧的吊臂缆卡锁结构件向吊臂缆绳靠近，借助导引槽的牵引和缓冲作用，吊臂缆绳挤开导引槽前端的弹簧弹片进入回收锲型卡销中，过程示意图见图5。

图5 吊臂缆绳进入回收锲型卡销示意图

操控电机绞盘缓慢回收吊臂缆绳，回收锲型卡销由于受到向上的作用力，脱离布设在船体的卡扣慢慢升高，在联系缆绳牵引力的作用下，吊放回收缆在重心平稳的情况下实现对无人测量艇的回收，过程示意图见图6。

图6 无人水面艇现场实际回收过程

⒉ 试验结论在前期自动导引挂接起吊回收系统设计的基础上，对无人水面测量艇进行了实际的水上吊放回收试验，结论如下：⑴吊臂缆绳由于受到锲型锥子自身重量的影响，向下垂直没入水中，因此吊臂缆绳受到海水涌浪的影响较小；⑵由于受到导引槽前端弹簧弹片的保护作用，吊臂缆绳在进入回收锲型卡销之后，将不轻易脱离卡锁结构件；⑶回收吊环与无人测量艇的回收缆绳通过联系缆绳实现连接，随着吊臂缆绳的不断升高，带动回收缆绳实现无人水面测量艇的回收。

四、结束语

无人水面测量艇能否快速高效的回收决定了基于该模式的水深测量技术手段能否得到充分的应用。文章结合无人水面测量艇三体结构特点，研制了无人水面测量艇自动导引挂接起吊回收系统，该系统主要借助于吊臂缆卡锁结构件实现对无人遥控测量艇的回收，该回收过程可以在岸边或母船通过遥控实现，从而保证了测量作业人员的人身安全，实际的水上吊放回收试验验证了该系统的合理性和有效性。

参考文献：

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[2]黄贤源,陆秀平,邓凯亮,吴太旗,暴景阳.无人水面测量艇技术研究（二）:测量设备加装及无线数据传输技术[J].海洋测绘,2016,36(3):32-36.

[3]周洪光,马爱民,夏朗.无人水面航行器发展[J].国防科技,2009,(6):142-145.

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