陳冰

吃水淺、能自主航行、自主避障、自主作業(yè)的無人測(cè)量艇，是我國300萬平方公里領(lǐng)海中深度5米以內(nèi)，數(shù)十萬平方公里島礁海域測(cè)量不可替代的高技術(shù)裝備。

天上有無人機(jī)，海上有無人艇，地面有機(jī)器人……在全球工業(yè)4.0與“中國制造2025”的大背景下，機(jī)器人市場(chǎng)高速增長。相比成熟的服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人，海洋無人艇的研究一直比較冷門。

無人艇作為一種無人操作的水面艦艇，主要用于執(zhí)行危險(xiǎn)以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。一旦配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行多種民用乃至軍事任務(wù)，如測(cè)繪、搜救、導(dǎo)航和水文地理勘察，反潛作戰(zhàn)、探測(cè)和排雷等。

2017年年初，上海大學(xué)無人艇工程研究院謝少榮教授領(lǐng)銜完成的“復(fù)雜島礁水域無人自主測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及裝備”，榮獲2016年度國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。他們自主研制了吃水淺、能自主航行、自主避障、自主作業(yè)的無人測(cè)量艇，是我國300萬平方公里領(lǐng)海中深度5米以內(nèi)，數(shù)十萬平方公里島礁海域測(cè)量不可替代的高技術(shù)裝備。

島礁測(cè)量顯威力

無人艇也稱“水面機(jī)器人”，是一種吃水淺、機(jī)動(dòng)靈活、雷達(dá)反射面小、行動(dòng)隱蔽，且具有自主導(dǎo)航、自主避障能力，可自主完成環(huán)境信息感知、理解、交互、目標(biāo)探測(cè)及淺海海圖測(cè)量等任務(wù)的水面特種機(jī)器人系統(tǒng)。它是唯一可以整合空中無人機(jī)、海面無人裝備和水下機(jī)器人等“海陸空”三域的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

目前，我國海圖測(cè)繪主要依賴海巡船及漁民的小漁船，但其普遍吃水深度在4米以上，無法靠近島礁和海岸附近。復(fù)雜海域的環(huán)境監(jiān)測(cè)也常因海巡船吃水深而受阻。實(shí)際上，我國近7000個(gè)島礁中，南海約有1700個(gè)，東海約有3500個(gè)，而其間數(shù)十萬平方公里深度在5米內(nèi)的島礁海域，正是無人艇的用武之地。

謝少榮團(tuán)隊(duì)針對(duì)常規(guī)測(cè)量船吃水深，難以在5米以淺島礁區(qū)開展精確測(cè)量，從而導(dǎo)致淺海及島礁海域一線數(shù)據(jù)缺失的問題，研制了吃水僅0.35米的能夠自主航行、自主避障、自主作業(yè)的無人測(cè)量艇。

他們還創(chuàng)新性地研究了高海況涌流沖擊下航跡精準(zhǔn)跟蹤控制、穩(wěn)定大視場(chǎng)聲吶圖像生成方法、復(fù)雜背景下立體組合避障。發(fā)明了流體擾動(dòng)空間和無人艇姿態(tài)空間映射的主動(dòng)抗擾控制方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜島礁海域航跡精準(zhǔn)跟蹤控制;發(fā)明了基于仿生眼球運(yùn)動(dòng)控制模型的水下三維云臺(tái)抗顛簸控制，實(shí)現(xiàn)聲吶云臺(tái)穩(wěn)定控制;構(gòu)建了多層-多采樣率空時(shí)復(fù)合立體組合避障系統(tǒng)，發(fā)明了空域/時(shí)域聯(lián)合概率密度障礙檢測(cè)方法，和附加矢量碰撞錐推演的勢(shì)場(chǎng)蟻群避障規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜島礁群中對(duì)水面/水下動(dòng)靜態(tài)障礙物的安全避障，自主探測(cè)。

通過使用智能控制技術(shù)，無人艇抗涌流控制技術(shù)、無人艇自主航行和控制技術(shù)、水面障礙物識(shí)別和避障技術(shù)、基于仿生眼球運(yùn)動(dòng)控制模型的水下聲吶云臺(tái)抗顛簸控制、高分辨率前視聲吶圖像實(shí)時(shí)拼接技術(shù)和基于機(jī)器人技術(shù)的智能無人高性能系統(tǒng)集成技術(shù)，解決了無人艇的三個(gè)關(guān)鍵問題，即“走得準(zhǔn)”“避得開”“看得清”。

目前，已研制7系列無人艇，成為首艘裝備于中國海事局海巡船，探測(cè)南海島礁海域;首艘裝備于“雪龍?zhí)枴笨瓶即?，探測(cè)南極羅斯海;首艘裝備于國家海洋局海監(jiān)船，探測(cè)東海島礁海域，項(xiàng)目成果顯著推動(dòng)了海洋無人自主測(cè)量艇行業(yè)的科技進(jìn)步。

精海團(tuán)隊(duì)的精衛(wèi)精神

上海大學(xué)無人艇工程研究院聯(lián)合交通運(yùn)輸部東海航海保障中心和中船重工青島北海船舶重工有限責(zé)任公司聯(lián)合研制的精海系列無人艇一直處于國內(nèi)領(lǐng)先行列。其代表性成果有精海無人艇、極地科考機(jī)器人、核電機(jī)器人、水下機(jī)器人、上海世博會(huì)多功能掃測(cè)挺、微納米操作機(jī)器人、小型飛行機(jī)器人以及國慶60周年海寶機(jī)器人等。

精海系列無人艇已經(jīng)在東海、南海、南極羅斯海等海域進(jìn)行了大量應(yīng)用。精海1號(hào)無人艇隨中國海事166海巡船赴南海巡航，承擔(dān)了對(duì)南海諸島礁海域的測(cè)量和檢測(cè)任務(wù)，完成了對(duì)南海西沙及南海諸島礁的水下地形地貌及水文情況的測(cè)量，完成了勘察相關(guān)航路、檢驗(yàn)海圖等航海資料準(zhǔn)確性的工作;精海2號(hào)無人艇搭載在“雪龍?zhí)枴备澳蠘O進(jìn)行第三十一次南極科考任務(wù)，在南極羅斯海發(fā)現(xiàn)了適合“雪龍”號(hào)拋錨的新錨地，并探明了羅斯海12平方公里水域下地形測(cè)繪資料，完成測(cè)線280公里，制作完成該水域墨卡托投影的1：5000大比例尺海圖;精海3號(hào)無人艇搭載在國家海洋局海監(jiān)船上對(duì)島礁和近海淺水域等水下地形地貌、水文進(jìn)行探測(cè)和自主航道測(cè)量;精海4號(hào)無人艇用于內(nèi)河湖泊環(huán)保、水利、生態(tài)監(jiān)測(cè)，擁有獨(dú)特可靠的自主控制技術(shù)算法。精海系列無人艇實(shí)現(xiàn)了中國無人艇在南海巡航和南極科考等關(guān)鍵領(lǐng)域從無到有的應(yīng)用，多次獲得各類獎(jiǎng)項(xiàng)。

精海無人艇的研發(fā)階段，正值水面無人艇方向在國內(nèi)處于萌芽時(shí)期，國外可參考的案例也寥寥無幾。因此，無人艇的設(shè)計(jì)給了無人艇團(tuán)隊(duì)發(fā)揮的空間，也給他們的技術(shù)研發(fā)帶了巨大的困難。

精海1號(hào)研發(fā)過程中，看似條條大路，卻總是在中間就中斷。每次遇到困難，他們就討論改進(jìn)，經(jīng)過多次從零開始，終于熬到了黎明前的黑暗。精海1號(hào)無人艇就是在這些日日夜夜中最終完成了它的雛形。

精海4號(hào)無人艇是該團(tuán)隊(duì)新近研發(fā)的無人艇，適用于內(nèi)河湖泊環(huán)保、水利、生態(tài)監(jiān)測(cè)。精海4號(hào)經(jīng)過70多版，手繪稿和200多次電子改版完成了最終的設(shè)計(jì)，并在2015年8月初開始了船體開模工作，開模過程中，整個(gè)車間的工人都沒有雙休日，每天需要按照工藝給模具刷玻璃鋼，等晾干了再刷下一層。這段時(shí)間，所有的設(shè)計(jì)人員為了保證開模的準(zhǔn)確性，每天全程參與開模過程。在廠房，雖然戴著口罩，但是船體玻璃鋼的纖維仍會(huì)落在皮膚上，一到下午就奇癢無比，癢到恨不得把身上的這層皮給撕掉。工廠里的師傅建議，回到公寓后用熱水洗澡。讓毛孔打開，把玻璃纖維洗掉，大家按照師傅的建議，才能睡個(gè)安穩(wěn)覺。

無人艇是全體研發(fā)人員智慧和汗水的結(jié)晶，這不僅體現(xiàn)在精海系列無人艇上，還在研發(fā)過程中整個(gè)無人艇團(tuán)隊(duì)的合作、團(tuán)結(jié)和堅(jiān)持中。 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院副院長羅均指出，“像我們團(tuán)隊(duì)主攻的無人艇需要在海上做大量的算法試驗(yàn)，而且每次試驗(yàn)都會(huì)遇到意想不到的問題，需要根據(jù)發(fā)生的問題不斷去改進(jìn)性能。這樣長時(shí)間的枯燥的工作是一般人堅(jiān)持不下來的。但他們從來沒有抱怨，快快樂樂地把團(tuán)隊(duì)的事情當(dāng)成自己最大的事情，所以，我作為團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人之一，很多次被深深地感動(dòng)！”

研究生瞿棟和柯俊在項(xiàng)目中負(fù)責(zé)導(dǎo)航和避障算法部分，最初的測(cè)試階段，由于算法不成熟，無人艇無法按照預(yù)定航線行駛。連續(xù)調(diào)試很多天，嘗試各種參數(shù)，仍然達(dá)不到預(yù)期效果。那段時(shí)間他們的壓力特別大，每天的生活節(jié)奏都是白天出海調(diào)試、記錄數(shù)據(jù)，晚上回來分析數(shù)據(jù)、修改程序，一連持續(xù)兩個(gè)禮拜，卻沒有任何突破。團(tuán)隊(duì)的老師和同學(xué)們給予了很大的幫助。盡管那段時(shí)間大家都處于身心疲憊的狀態(tài)，但是仍然每天集合起來進(jìn)行討論，逐字逐句對(duì)代碼進(jìn)行梳理。經(jīng)過共同的努力，終于找到了問題所在，立即對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行修改，并且通過仿真試驗(yàn)平臺(tái)的驗(yàn)證，終于實(shí)現(xiàn)了無人艇在障礙環(huán)境下按照設(shè)定的航跡線筆直行走的狀態(tài)。

由于天氣多變，海上測(cè)試是最艱苦的一個(gè)過程。無人艇的上蓋是個(gè)平面式的平臺(tái)，沒有把手，也沒有可以依靠的地方，而船體上必須要有測(cè)試人員跟隨。測(cè)試人員并沒有因?yàn)闂l件的限制而放棄，他們蹲平臺(tái)或坐在船體上，防止遇到風(fēng)浪船劇烈搖晃時(shí)，被晃到海里。原本看上去蔚藍(lán)遼闊的大海，他們感受到的卻是波濤洶涌。

跟船調(diào)試的是無人艇團(tuán)隊(duì)的柯俊，在上船幾分鐘后，總是出現(xiàn)惡心、嘔吐等暈船癥狀，但是，哪怕吐得只剩酸水，他還是堅(jiān)持完成所有的試驗(yàn)才肯下船。問及他堅(jiān)持不懈的動(dòng)力，他說，想到整個(gè)團(tuán)隊(duì)成員們都在努力，自己就有了堅(jiān)持的勇氣。

調(diào)試是研發(fā)過程中最枯燥的部分，調(diào)試工程通常都是最坎坷、重復(fù)性最高的研發(fā)階段。通常，為了達(dá)到一項(xiàng)功能要求，需要反復(fù)地測(cè)試，不停地修改再測(cè)試，直到達(dá)成最終的目的。因此，參加調(diào)試的人員都必須吃得了苦、挨得了寂寞。

2015年6月，無人艇團(tuán)隊(duì)的李小毛、崔建祥老師帶領(lǐng)瞿棟、祝川、柯俊等十幾名研究生前往青島北船重工廠進(jìn)行調(diào)試。在這里，需要將研發(fā)的試驗(yàn)艇搭載在母船上進(jìn)行海面調(diào)試實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)和調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題，需要實(shí)地進(jìn)行修改并且重新試驗(yàn)。因此，駐扎在青島進(jìn)行研發(fā)常常是幾個(gè)月甚至半年。

外場(chǎng)調(diào)試中，他們借住在北船的員工宿舍，床鋪行李都是小超市中選購的最簡單的配置。調(diào)試期間，為了抓緊時(shí)間，周末基本無休。每天早上天沒亮前往船廠準(zhǔn)備出海調(diào)試，通常在船上一待就是一整天;當(dāng)天調(diào)試發(fā)現(xiàn)的問題，晚上都要進(jìn)行例會(huì)商討方案并修改程序，這樣才能保證第二天更有效地進(jìn)行調(diào)試工作。對(duì)大家來說，經(jīng)常在后半夜入睡再尋常不過。

李小毛是無人艇技術(shù)部分的帶頭人，青島的調(diào)試從今年6月持續(xù)到11月底。這期間，他一直堅(jiān)守在青島現(xiàn)場(chǎng)中，半年沒和家人孩子團(tuán)聚。調(diào)試過程中，只要無法達(dá)到預(yù)想的結(jié)果，他就帶領(lǐng)大家重新修改。在他眼里，無人艇就像他的孩子，必須做到自己能力上達(dá)到的最優(yōu)。他的科研精神，不僅給精海無人艇帶來了更多的色彩，也感動(dòng)著每一名無人艇人的心。

“此前，我們研制的‘精海3號(hào)無人艇，完成了東海復(fù)雜島礁中的危險(xiǎn)水域海底地形地貌測(cè)繪，填補(bǔ)東海島礁區(qū)多處測(cè)繪空白。”上海大學(xué)無人艇工程研究院院長謝少榮說，無人艇在海上作業(yè)“潛力無限”。每一位精海人都稱自己是“精海爸爸”或“精海媽媽”，不光是對(duì)無人艇研發(fā)的堅(jiān)持和熱愛，也是精海團(tuán)隊(duì)每一個(gè)精海人的愛與奉獻(xiàn)造就了精海無人艇。