水下機(jī)器人極地顯身手
水下機(jī)器人極地顯身手
科考人員在甲板上做布放準(zhǔn)備。
“探索4500”自主水下機(jī)器人回收過(guò)程中。
歷經(jīng)1.4萬(wàn)海里、79天的風(fēng)浪考驗(yàn)，中國(guó)第十二次北極科學(xué)考察隊(duì)圓滿完成了任務(wù)。日前，隨著“雪龍2”號(hào)科考船緩緩?fù)？可虾?guó)內(nèi)基地碼頭，科考隊(duì)成員邵剛連日來(lái)緊繃著的神經(jīng)也逐漸放松。
在這次科考中，他和3名同事負(fù)責(zé)的“探索4500”自主水下機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱“探索4500”）表現(xiàn)出色，成功完成北極高緯度海冰覆蓋區(qū)的科學(xué)考察作業(yè)。這也是我國(guó)首次利用自主水下機(jī)器人在北極高緯度地區(qū)開展近海底科考應(yīng)用，其成功下潛獲取的寶貴數(shù)據(jù)資料，將為北極環(huán)境保護(hù)提供重要的科學(xué)支撐。
首闖北極 進(jìn)行了一系列技術(shù)升級(jí)改造
邵剛是中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的副研究員，這是他第一次參加極地科考。和他一樣，“探索4500”也是第一次出征極地。
沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所主持研制的“探索4500”，外觀酷似一條“大黃魚”。和普通的無(wú)人水下機(jī)器人相比，“探索4500”的自主能力更強(qiáng)。
沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所副研究員李陽(yáng)告訴記者：“相較于遙控水下機(jī)器人，‘探索4500’沒(méi)有纜線與母船連接，不需要人工干預(yù)就能夠?qū)崿F(xiàn)自主航行和執(zhí)行探測(cè)，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，工作范圍也更大。”
盡管“探索4500”本領(lǐng)已足夠強(qiáng)大，但要去極地惡劣環(huán)境闖蕩，科研人員還是不太放心。在出發(fā)前，他們又對(duì)它進(jìn)行了一系列的技術(shù)升級(jí)、改造，全面提高了系統(tǒng)的可靠性。
在極地高緯度地區(qū)，科考母船會(huì)因?yàn)轱L(fēng)、流等相互作用發(fā)生位移，致使水下機(jī)器人的布放和回收難以在一個(gè)相對(duì)固定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，冰層也會(huì)阻礙母船和水下機(jī)器人之間的通信。“這些都要求水下機(jī)器人擁有自主導(dǎo)引能力，能夠準(zhǔn)確接收母船指令，并根據(jù)自身設(shè)備的狀態(tài)調(diào)整運(yùn)行軌跡，在回收過(guò)程中逐漸向母船靠攏，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、安全回收。”邵剛介紹。
針對(duì)北極科考工作區(qū)高密集度海冰覆蓋的特點(diǎn)，科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地研發(fā)了聲學(xué)遙控和自動(dòng)導(dǎo)引相融合的冰下回收技術(shù)，確保“探索4500”連續(xù)下潛成功，并能安全回收。邵剛說(shuō)：“我們還增加了應(yīng)急信標(biāo)，用于潛器上浮后卡在冰層下或肉眼無(wú)法確定位置時(shí)，進(jìn)行較為準(zhǔn)確的方向定位。”
此外，科研團(tuán)隊(duì)還對(duì)“探索4500”的故障處理流程進(jìn)行了優(yōu)化，讓它自主判斷自身當(dāng)下的狀態(tài)，從而做出決策。“機(jī)器人在持續(xù)工作一段時(shí)間后，就能夠像我們?nèi)祟愐粯痈杏X(jué)自己身體狀態(tài)如何。”邵剛說(shuō)，“如果覺(jué)得自己‘精神頭’還不錯(cuò)，就會(huì)繼續(xù)干活；如果覺(jué)得不太好了，它就會(huì)立即向我們發(fā)出求救信號(hào)，我們馬上會(huì)去幫助它。”
經(jīng)受考驗(yàn) 在極地惡劣環(huán)境下安全回收
雖然已經(jīng)做好了充分的準(zhǔn)備，但極地天氣瞬息萬(wàn)變，科考隊(duì)員們和“探索4500”在北極還是經(jīng)歷了意想不到的困難和考驗(yàn)。
在一次作業(yè)前，原定的下潛區(qū)域氣溫驟降，風(fēng)雪交加，能見(jiàn)度非常差。“當(dāng)時(shí)，我們母船距離這個(gè)工作區(qū)有十幾海里，在航行過(guò)程中我一直非常忐忑，擔(dān)心無(wú)法正常完成設(shè)備布放。”邵剛回憶。
當(dāng)母船到達(dá)下潛區(qū)域時(shí)，天氣開始轉(zhuǎn)晴，但之前的降溫和暴風(fēng)雪讓海面迅速結(jié)冰，水域范圍比之前縮小了很多，給機(jī)器人的布放和回收增添了極大的困難和風(fēng)險(xiǎn)。
機(jī)器人無(wú)處下“腳”，科考任務(wù)時(shí)間緊迫又不能耽誤，怎么辦？最后，邵剛和同事們決定利用母船進(jìn)行破冰，人工開辟了一塊可以布放水下機(jī)器人的水域環(huán)境。邵剛說(shuō)：“破冰開出的水域范圍非常小，其實(shí)不利于我們對(duì)水下機(jī)器人的回收。幸運(yùn)的是，最終我們完成了布放與安全回收，也證明了‘探索4500’具備在極地惡劣環(huán)境下開展科考應(yīng)用的能力。”
極地海洋的許多區(qū)域長(zhǎng)年被海冰覆蓋，對(duì)海冰特征和冰下海域進(jìn)行考察是極地考察的重要組成部分。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所副所長(zhǎng)李碩介紹，極地科考一直是水下機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)方向。近些年來(lái)，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所先后有4種類型6臺(tái)套無(wú)人水下機(jī)器人參加了8次極地科考，為我國(guó)極地科考作出了重要貢獻(xiàn)。
“自主水下機(jī)器人在極地科考中主要承擔(dān)三方面的任務(wù)。”李陽(yáng)說(shuō)，“一是對(duì)浮冰的觀察和探測(cè)，了解其厚度、狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)情況等；二是測(cè)量水體參數(shù)，包括水的深度、溫度、鹽度等；三是進(jìn)行海底地形地貌的精細(xì)探測(cè)，在此基礎(chǔ)上也可以發(fā)現(xiàn)海底的一些礦產(chǎn)資源。”
傳統(tǒng)的海冰考察方法，是在海冰上鉆孔，這種方法效率比較低，而且獲得的數(shù)據(jù)有限，具有很大的局限性。自主水下機(jī)器人則不受海冰的影響，可以到達(dá)一些人無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，更大范圍、更大深度以及更長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行科學(xué)考察。而且，取樣靈活準(zhǔn)確，有助于提高采集樣品的質(zhì)量，增加樣品采集數(shù)量。
“科考人員可以通過(guò)水下機(jī)器人上安裝的攝像機(jī)、照相機(jī)以及成像聲吶等成像設(shè)備，直觀地觀察極地的水下世界。”李陽(yáng)說(shuō)。
李碩說(shuō)：“本次將自主水下機(jī)器人應(yīng)用于北極科考任務(wù)，讓我們更加了解科學(xué)家對(duì)于智能機(jī)器人技術(shù)的需求?？蒲袌F(tuán)隊(duì)將以此為起點(diǎn)，將技術(shù)創(chuàng)新與科學(xué)需求緊密銜接，不斷優(yōu)化和升級(jí)，為今后開展北極科考更大面積的探測(cè)作業(yè)提供更加智能的技術(shù)手段，助力科學(xué)家獲得更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)和信息。”
功能先進(jìn) 實(shí)現(xiàn)從水面到水下1.1萬(wàn)米全覆蓋
早在20世紀(jì)70年代，一些國(guó)家就開始研發(fā)用于極地考察的無(wú)人水下機(jī)器人，目前已有多種類型，主要包括遙控式（有纜）和自主式（無(wú)纜）兩種。
李陽(yáng)介紹，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行水下機(jī)器人的研發(fā)，當(dāng)時(shí)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所是主要的研發(fā)單位之一。“但極地科考水下機(jī)器人的飛躍發(fā)展主要是在近10多年，這期間我們先后研發(fā)出‘海極號(hào)ROV’‘北極ARV’和‘探索AUV’等水下機(jī)器人，參加了多次極地科考，都實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。”
近年來(lái)，面向國(guó)家重大需求，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所一直致力于推動(dòng)水下機(jī)器人的譜系化發(fā)展，如今從深度上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從水面到水下1.1萬(wàn)米全覆蓋，航程上也實(shí)現(xiàn)了幾公里到幾千公里全覆蓋。“我們團(tuán)隊(duì)主要還是側(cè)重于無(wú)人水下機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用，目前我國(guó)無(wú)人水下機(jī)器人在主要功能和性能指標(biāo)方面，都已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”李陽(yáng)說(shuō)。
隨著水下機(jī)器人譜系化發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，面臨的作業(yè)環(huán)境也越來(lái)越極端和復(fù)雜。李陽(yáng)告訴記者，除了極地外，目前他們還在青藏高原的高原湖、太平洋的馬里亞納海溝持續(xù)開展科學(xué)考察。“這些都是非常極端和復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)無(wú)人水下機(jī)器人的自主控制技術(shù)提出了很高的要求。我們需要在有限的空間搭載更多的傳感器，這對(duì)總體的布局和電池的兼容性都提出了重大挑戰(zhàn)。”
未來(lái)，世界自主水下機(jī)器人的發(fā)展將朝著更智能化的方向發(fā)展，具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和更強(qiáng)的協(xié)同作業(yè)能力。
“我們?cè)瓉?lái)的自主水下機(jī)器人大多是屬于預(yù)編程式的，在下水之前科研人員已經(jīng)提前給它預(yù)設(shè)好程序，告訴它目標(biāo)和行走的路徑。”李陽(yáng)表示，將來(lái)隨著智能化的發(fā)展，人為介入將越來(lái)越少，自主水下機(jī)器人會(huì)變得越來(lái)越聰明，發(fā)揮的作用越來(lái)越大。
