水下機器人極地顯身手
水下機器人極地顯身手
科考人員在甲板上做布放準備。
“探索4500”自主水下機器人回收過程中。
歷經1.4萬海里、79天的風浪考驗，中國第十二次北極科學考察隊圓滿完成了任務。日前，隨著“雪龍2”號科考船緩緩停靠上海國內基地碼頭，科考隊成員邵剛連日來緊繃著的神經也逐漸放松。
在這次科考中，他和3名同事負責的“探索4500”自主水下機器人（以下簡稱“探索4500”）表現出色，成功完成北極高緯度海冰覆蓋區的科學考察作業。這也是我國首次利用自主水下機器人在北極高緯度地區開展近海底科考應用，其成功下潛獲取的寶貴數據資料，將為北極環境保護提供重要的科學支撐。
首闖北極 進行了一系列技術升級改造
邵剛是中國科學院沈陽自動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。
沈陽自動化研究所主持研制的“探索4500”，外觀酷似一條“大黃魚”。和普通的無人水下機器人相比，“探索4500”的自主能力更強。
沈陽自動化研究所副研究員李陽告訴記者：“相較于遙控水下機器人，‘探索4500’沒有纜線與母船連接，不需要人工干預就能夠實現自主航行和執行探測，續航時間更長，工作范圍也更大。”
盡管“探索4500”本領已足夠強大，但要去極地惡劣環境闖蕩，科研人員還是不太放心。在出發前，他們又對它進行了一系列的技術升級、改造，全面提高了系統的可靠性。
在極地高緯度地區，科考母船會因為風、流等相互作用發生位移，致使水下機器人的布放和回收難以在一個相對固定區域內實現，冰層也會阻礙母船和水下機器人之間的通信。“這些都要求水下機器人擁有自主導引能力，能夠準確接收母船指令，并根據自身設備的狀態調整運行軌跡，在回收過程中逐漸向母船靠攏，從而實現自動、安全回收。”邵剛介紹。
針對北極科考工作區高密集度海冰覆蓋的特點，科研團隊創新性地研發了聲學遙控和自動導引相融合的冰下回收技術，確保“探索4500”連續下潛成功，并能安全回收。邵剛說：“我們還增加了應急信標，用于潛器上浮后卡在冰層下或肉眼無法確定位置時，進行較為準確的方向定位。”
此外，科研團隊還對“探索4500”的故障處理流程進行了優化，讓它自主判斷自身當下的狀態，從而做出決策。“機器人在持續工作一段時間后，就能夠像我們人類一樣感覺自己身體狀態如何。”邵剛說，“如果覺得自己‘精神頭’還不錯，就會繼續干活；如果覺得不太好了，它就會立即向我們發出求救信號，我們馬上會去幫助它。”
經受考驗 在極地惡劣環境下安全回收
雖然已經做好了充分的準備，但極地天氣瞬息萬變，科考隊員們和“探索4500”在北極還是經歷了意想不到的困難和考驗。
在一次作業前，原定的下潛區域氣溫驟降，風雪交加，能見度非常差。“當時，我們母船距離這個工作區有十幾海里，在航行過程中我一直非常忐忑，擔心無法正常完成設備布放。”邵剛回憶。
當母船到達下潛區域時，天氣開始轉晴，但之前的降溫和暴風雪讓海面迅速結冰，水域范圍比之前縮小了很多，給機器人的布放和回收增添了極大的困難和風險。
機器人無處下“腳”，科考任務時間緊迫又不能耽誤，怎么辦？最后，邵剛和同事們決定利用母船進行破冰，人工開辟了一塊可以布放水下機器人的水域環境。邵剛說：“破冰開出的水域范圍非常小，其實不利于我們對水下機器人的回收。幸運的是，最終我們完成了布放與安全回收，也證明了‘探索4500’具備在極地惡劣環境下開展科考應用的能力。”
極地海洋的許多區域長年被海冰覆蓋，對海冰特征和冰下海域進行考察是極地考察的重要組成部分。沈陽自動化研究所副所長李碩介紹，極地科考一直是水下機器人發展的重點方向。近些年來，沈陽自動化研究所先后有4種類型6臺套無人水下機器人參加了8次極地科考，為我國極地科考作出了重要貢獻。
“自主水下機器人在極地科考中主要承擔三方面的任務。”李陽說，“一是對浮冰的觀察和探測，了解其厚度、狀態以及運動情況等；二是測量水體參數，包括水的深度、溫度、鹽度等；三是進行海底地形地貌的精細探測，在此基礎上也可以發現海底的一些礦產資源。”
傳統的海冰考察方法，是在海冰上鉆孔，這種方法效率比較低，而且獲得的數據有限，具有很大的局限性。自主水下機器人則不受海冰的影響，可以到達一些人無法到達的區域，更大范圍、更大深度以及更長時間地進行科學考察。而且，取樣靈活準確，有助于提高采集樣品的質量，增加樣品采集數量。
“科考人員可以通過水下機器人上安裝的攝像機、照相機以及成像聲吶等成像設備，直觀地觀察極地的水下世界。”李陽說。
李碩說：“本次將自主水下機器人應用于北極科考任務，讓我們更加了解科學家對于智能機器人技術的需求。科研團隊將以此為起點，將技術創新與科學需求緊密銜接，不斷優化和升級，為今后開展北極科考更大面積的探測作業提供更加智能的技術手段，助力科學家獲得更多有價值的數據和信息。”
功能先進 實現從水面到水下1.1萬米全覆蓋
早在20世紀70年代，一些國家就開始研發用于極地考察的無人水下機器人，目前已有多種類型，主要包括遙控式（有纜）和自主式（無纜）兩種。
李陽介紹，我國從20世紀80年代開始進行水下機器人的研發，當時沈陽自動化研究所是主要的研發單位之一。“但極地科考水下機器人的飛躍發展主要是在近10多年，這期間我們先后研發出‘海極號ROV’‘北極ARV’和‘探索AUV’等水下機器人，參加了多次極地科考，都實現了成功應用。”
近年來，面向國家重大需求，沈陽自動化研究所一直致力于推動水下機器人的譜系化發展，如今從深度上已經實現了從水面到水下1.1萬米全覆蓋，航程上也實現了幾公里到幾千公里全覆蓋。“我們團隊主要還是側重于無人水下機器人的研發與應用，目前我國無人水下機器人在主要功能和性能指標方面，都已經達到國際先進水平。”李陽說。
隨著水下機器人譜系化發展，其應用領域也越來越廣泛，面臨的作業環境也越來越極端和復雜。李陽告訴記者，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開展科學考察。“這些都是非常極端和復雜的環境，對無人水下機器人的自主控制技術提出了很高的要求。我們需要在有限的空間搭載更多的傳感器，這對總體的布局和電池的兼容性都提出了重大挑戰。”
未來，世界自主水下機器人的發展將朝著更智能化的方向發展，具備更強的環境適應性和更強的協同作業能力。
“我們原來的自主水下機器人大多是屬于預編程式的，在下水之前科研人員已經提前給它預設好程序，告訴它目標和行走的路徑。”李陽表示，將來隨著智能化的發展，人為介入將越來越少，自主水下機器人會變得越來越聰明，發揮的作用越來越大。
