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海图测绘神器:无人艇

日期:2017-01-12 【 来源 : 新民周刊 】 阅读数:0
阅读提示:吃水浅、能自主航行、自主避障、自主作业的无人测量艇,是我国300万平方公里领海中深度5米以内,数十万平方公里岛礁海域测量不可替代的高技术装备。
记者|陈 冰
 
      天上有无人机,海上有无人艇,地面有机器人……在全球工业4.0与“中国制造2025”的大背景下,机器人市场高速增长。相比成熟的服务机器人、工业机器人,海洋无人艇的研究一直比较冷门。
  无人艇作为一种无人操作的水面舰艇,主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统后,可以执行多种民用乃至军事任务,如测绘、搜救、导航和水文地理勘察,反潜作战、探测和排雷等。
  2017年年初,上海大学无人艇工程研究院谢少荣教授领衔完成的“复杂岛礁水域无人自主测量关键技术及装备”,荣获2016年度国家技术发明奖二等奖。他们自主研制了吃水浅、能自主航行、自主避障、自主作业的无人测量艇,是我国300万平方公里领海中深度5米以内,数十万平方公里岛礁海域测量不可替代的高技术装备。
 
岛礁测量显威力
 
  无人艇也称“水面机器人”,是一种吃水浅、机动灵活、雷达反射面小、行动隐蔽,且具有自主导航、自主避障能力,可自主完成环境信息感知、理解、交互、目标探测及浅海海图测量等任务的水面特种机器人系统。它是唯一可以整合空中无人机、海面无人装备和水下机器人等“海陆空”三域的关键节点。
  目前,我国海图测绘主要依赖海巡船及渔民的小渔船,但其普遍吃水深度在4米以上,无法靠近岛礁和海岸附近。复杂海域的环境监测也常因海巡船吃水深而受阻。实际上,我国近7000个岛礁中,南海约有1700个,东海约有3500个,而其间数十万平方公里深度在5米内的岛礁海域,正是无人艇的用武之地。
  谢少荣团队针对常规测量船吃水深,难以在5米以浅岛礁区开展精确测量,从而导致浅海及岛礁海域一线数据缺失的问题,研制了吃水仅0.35米的能够自主航行、自主避障、自主作业的无人测量艇。
  他们还创新性地研究了高海况涌流冲击下航迹精准跟踪控制、稳定大视场声呐图像生成方法、复杂背景下立体组合避障。发明了流体扰动空间和无人艇姿态空间映射的主动抗扰控制方法,实现了复杂岛礁海域航迹精准跟踪控制;发明了基于仿生眼球运动控制模型的水下三维云台抗颠簸控制,实现声呐云台稳定控制;构建了多层-多采样率空时复合立体组合避障系统,发明了空域/时域联合概率密度障碍检测方法,和附加矢量碰撞锥推演的势场蚁群避障规划方法,实现了复杂岛礁群中对水面/水下动静态障碍物的安全避障,自主探测。
  通过使用智能控制技术,无人艇抗涌流控制技术、无人艇自主航行和控制技术、水面障碍物识别和避障技术、基于仿生眼球运动控制模型的水下声呐云台抗颠簸控制、高分辨率前视声呐图像实时拼接技术和基于机器人技术的智能无人高性能系统集成技术,解决了无人艇的三个关键问题,即“走得准”“避得开”“看得清”。
  目前,已研制7系列无人艇,成为首艘装备于中国海事局海巡船,探测南海岛礁海域;首艘装备于“雪龙号”科考船,探测南极罗斯海;首艘装备于国家海洋局海监船,探测东海岛礁海域,项目成果显著推动了海洋无人自主测量艇行业的科技进步。
 
精海团队的精卫精神
 
  上海大学无人艇工程研究院联合交通运输部东海航海保障中心和中船重工青岛北海船舶重工有限责任公司联合研制的精海系列无人艇一直处于国内领先行列。其代表性成果有精海无人艇、极地科考机器人、核电机器人、水下机器人、上海世博会多功能扫测挺、微纳米操作机器人、小型飞行机器人以及国庆60周年海宝机器人等。
  精海系列无人艇已经在东海、南海、南极罗斯海等海域进行了大量应用。精海1号无人艇随中国海事166海巡船赴南海巡航,承担了对南海诸岛礁海域的测量和检测任务,完成了对南海西沙及南海诸岛礁的水下地形地貌及水文情况的测量,完成了勘察相关航路、检验海图等航海资料准确性的工作;精海2号无人艇搭载在“雪龙号”赴南极进行第三十一次南极科考任务,在南极罗斯海发现了适合“雪龙”号抛锚的新锚地,并探明了罗斯海12平方公里水域下地形测绘资料,完成测线280公里,制作完成该水域墨卡托投影的1:5000大比例尺海图;精海3号无人艇搭载在国家海洋局海监船上对岛礁和近海浅水域等水下地形地貌、水文进行探测和自主航道测量;精海4号无人艇用于内河湖泊环保、水利、生态监测,拥有独特可靠的自主控制技术算法。精海系列无人艇实现了中国无人艇在南海巡航和南极科考等关键领域从无到有的应用,多次获得各类奖项。
  精海无人艇的研发阶段,正值水面无人艇方向在国内处于萌芽时期,国外可参考的案例也寥寥无几。因此,无人艇的设计给了无人艇团队发挥的空间,也给他们的技术研发带了巨大的困难。
  精海1号研发过程中,看似条条大路,却总是在中间就中断。每次遇到困难,他们就讨论改进,经过多次从零开始,终于熬到了黎明前的黑暗。精海1号无人艇就是在这些日日夜夜中最终完成了它的雏形。 
  精海4号无人艇是该团队新近研发的无人艇,适用于内河湖泊环保、水利、生态监测。精海4号经过70多版,手绘稿和200多次电子改版完成了最终的设计,并在2015年8月初开始了船体开模工作,开模过程中,整个车间的工人都没有双休日,每天需要按照工艺给模具刷玻璃钢,等晾干了再刷下一层。这段时间,所有的设计人员为了保证开模的准确性,每天全程参与开模过程。在厂房,虽然戴着口罩,但是船体玻璃钢的纤维仍会落在皮肤上,一到下午就奇痒无比,痒到恨不得把身上的这层皮给撕掉。工厂里的师傅建议,回到公寓后用热水洗澡。让毛孔打开,把玻璃纤维洗掉,大家按照师傅的建议,才能睡个安稳觉。
  无人艇是全体研发人员智慧和汗水的结晶,这不仅体现在精海系列无人艇上,还在研发过程中整个无人艇团队的合作、团结和坚持中。  上海大学机电工程与自动化学院副院长罗均指出,“像我们团队主攻的无人艇需要在海上做大量的算法试验,而且每次试验都会遇到意想不到的问题,需要根据发生的问题不断去改进性能。这样长时间的枯燥的工作是一般人坚持不下来的。但他们从来没有抱怨,快快乐乐地把团队的事情当成自己最大的事情,所以,我作为团队的负责人之一,很多次被深深地感动!”
  研究生瞿栋和柯俊在项目中负责导航和避障算法部分,最初的测试阶段,由于算法不成熟,无人艇无法按照预定航线行驶。连续调试很多天,尝试各种参数,仍然达不到预期效果。那段时间他们的压力特别大,每天的生活节奏都是白天出海调试、记录数据,晚上回来分析数据、修改程序,一连持续两个礼拜,却没有任何突破。团队的老师和同学们给予了很大的帮助。尽管那段时间大家都处于身心疲惫的状态,但是仍然每天集合起来进行讨论,逐字逐句对代码进行梳理。经过共同的努力,终于找到了问题所在,立即对整个程序进行修改,并且通过仿真试验平台的验证,终于实现了无人艇在障碍环境下按照设定的航迹线笔直行走的状态。
  由于天气多变,海上测试是最艰苦的一个过程。无人艇的上盖是个平面式的平台,没有把手,也没有可以依靠的地方,而船体上必须要有测试人员跟随。测试人员并没有因为条件的限制而放弃,他们蹲平台或坐在船体上,防止遇到风浪船剧烈摇晃时,被晃到海里。原本看上去蔚蓝辽阔的大海,他们感受到的却是波涛汹涌。
  跟船调试的是无人艇团队的柯俊,在上船几分钟后,总是出现恶心、呕吐等晕船症状,但是,哪怕吐得只剩酸水,他还是坚持完成所有的试验才肯下船。问及他坚持不懈的动力,他说,想到整个团队成员们都在努力,自己就有了坚持的勇气。
  调试是研发过程中最枯燥的部分,调试工程通常都是最坎坷、重复性最高的研发阶段。通常,为了达到一项功能要求,需要反复地测试,不停地修改再测试,直到达成最终的目的。因此,参加调试的人员都必须吃得了苦、挨得了寂寞。
  2015年6月,无人艇团队的李小毛、崔建祥老师带领瞿栋、祝川、柯俊等十几名研究生前往青岛北船重工厂进行调试。在这里,需要将研发的试验艇搭载在母船上进行海面调试实验。在实验和调试中发现的问题,需要实地进行修改并且重新试验。因此,驻扎在青岛进行研发常常是几个月甚至半年。
  外场调试中,他们借住在北船的员工宿舍,床铺行李都是小超市中选购的最简单的配置。调试期间,为了抓紧时间,周末基本无休。每天早上天没亮前往船厂准备出海调试,通常在船上一待就是一整天;当天调试发现的问题,晚上都要进行例会商讨方案并修改程序,这样才能保证第二天更有效地进行调试工作。对大家来说,经常在后半夜入睡再寻常不过。 
  李小毛是无人艇技术部分的带头人,青岛的调试从今年6月持续到11月底。这期间,他一直坚守在青岛现场中,半年没和家人孩子团聚。调试过程中,只要无法达到预想的结果,他就带领大家重新修改。在他眼里,无人艇就像他的孩子,必须做到自己能力上达到的最优。他的科研精神,不仅给精海无人艇带来了更多的色彩,也感动着每一名无人艇人的心。
  “此前,我们研制的‘精海3号’无人艇,完成了东海复杂岛礁中的危险水域海底地形地貌测绘,填补东海岛礁区多处测绘空白。”上海大学无人艇工程研究院院长谢少荣说,无人艇在海上作业“潜力无限”。每一位精海人都称自己是“精海爸爸”或“精海妈妈”,不光是对无人艇研发的坚持和热爱,也是精海团队每一个精海人的爱与奉献造就了精海无人艇。
 
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