我國(guó)研發(fā)的自主水下機(jī)器人首次完成北極科考
來(lái)源：人民日?qǐng)?bào) 發(fā)布時(shí)間：2021-10-25 11:28:44
本報(bào)記者 吳月輝
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(mǎn)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(chēng)“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(kāi)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,。
科考人員在甲板上做布放準(zhǔn)備,。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所供圖
首闖北極
為應(yīng)對(duì)極地惡劣環(huán)境，科技人員對(duì)它進(jìn)行了一系列的技術(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(yú)”,。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(xiàn)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,，科研人員們還是不太放心,。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)此次北極科考工作區(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?lèi)一樣感覺(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)
極地天氣瞬息萬(wàn)變,，“探索4500”布放和回收都很安全
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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lèi)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)家們對(duì)于智能機(jī)器人技術(shù)的需求,。科研團(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(kāi)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。”
“探索4500”自主水下機(jī)器人回收過(guò)程中,。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所供圖
功能先進(jìn)
可達(dá)萬(wàn)米之深,，可到幾千公里之遠(yuǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛
早在20世紀(jì)70年代,，一些國(guó)家就開(kāi)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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,。
責(zé)任編輯：陳曉芳
