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自治式潜器海下对接“驯化”记
——探寻国家863计划项目海试成功的背后
作者
霍萍
来源
工学周报
点击数
更新时间
2015-11-12

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10月17日,烟台港深水码头一条浮吊船的餐厅里,驻守在此的我校科研团队20多位老师围成半圆,目不转睛地盯着水下监控系统传回的监控视频,当画面终于出现我校自主研制的自治式潜器(AUV)钻入基站的图像时,兴奋的欢呼声让这个狭小的空间瞬间沸腾起来,海试半个多月来横在他们心头的阴霾消散了大半。近4年,几经波折与艰难、焦虑与期盼,终于等到成功的这一刻。在来自学校3个学院4支团队和中船重工702所科研人员的共同努力下,这只橘色、状如海豚的AUV,终于在海况条件较差的21米水深海域被“驯服”,“聪明”地钻进喇叭形状的基站,在国内首次实现了堪比“天宫一号”对接的海下搭载对接,为哈工程的“共和国第一”名录再添精彩的一笔。现在,就让我们将镜头聚焦到海试的那些日子,探寻成功背后的故事。

堪比天宫一号的对接:大家都拼了

AUV海下搭载对接技术是建设深海空间站的一项基础性关键技术,其完成的难度堪比天宫一号对接。通俗讲,就是让AUV可以远距离地在海下运行,自己找到要钻入的搭载对接基站,并顺利进入其中,从而实现非接触式能源补给和信息传输。这项技术对于人类充分认识海洋、经略海洋、开发海洋具有重要的现实意义。由于涉及到极其复杂的AUV智能控制技术和水声定位引导技术,并且需要两种技术高度集成,长期以来,国内没有成功的先例。

我们知道,让海豚、海狮等高智商动物听话地钻圈、顶球,驯兽师只需要通晓它的性情、摸清它的脾性再加以利诱就可以了。可是要想驯化AUV,让它像有生命的动物一样会思考、做判断,自主完成海下智能操作,帮助人类完成对未知世界的认识和改造,考验的就是科研人员是否有过硬的整体技术水平、复杂环境应变能力和超强的技术集成、联合攻关能力。

我校集合船舶设计与制造技术研究所、水下机器人技术重点实验室、水声技术重点实验室、水下机器人智能控制技术研究所的“精兵强将”决心啃下这块硬骨头。

经过前期技术方案充分的准备、不断地完善和探索,AUV海下对接在理论上已经“通了”。我校科研团队通过缜密地分析,为AUV量身设计了最优的航线,采用国内领先的位姿测量技术、AUV精确导航、自主规划与运动控制技术以确保AUV向着目标“畅游”。反复的技术演算和仿真究竟能不能真正行得通,最后还要靠海试的检验。

从8月到10月的三个法定假日,团队的老师们无暇与家人团聚,全部在海试中度过的。李岳明老师的第二个孩子出生不到10天,他就“出征”海试了。

长期搞科研、做海试的团队负责人王庆老师对此的心得是“我们经常做海试,但也最怕做海试。”如果将完成项目的整个过程比喻为一场马拉松比赛,那么海试就相当于最后的冲刺。考验的是技术理论的积累,也考验科研人员闯的劲头和拼的能力,这是“真刀真枪的真功夫”。这次国家863计划项目海试的成功,让王庆老师最为“终生难忘”,因为“大家都拼了”。

10月15日,课题组进行了一整天的海试联调,共进行了5次试验,这个“桀骜不驯”的AUV就是不肯进靶。大家的情绪有些低落,焦急的心情却是心照不宣:“大后天就要正式验收了,辛苦了这么久,如果无功而返那就太遗憾了。”

回到宾馆,在每天例行的工作总结会上,心直口快的郑翠娥老师拍案而起:“我就不信了!必须要把问题找出来、解决掉。不能辜负我们超短基线定位系统领跑国内的地位。”老师们已经把这次海试定义为一次“为荣誉而进行的战役”。

临时“司令”的感叹:戮力同心,其利断金

其实在一开始,受命做课题负责任人的临时“司令”王庆老师有些犯难。团队合作,说起来容易做起来难。不同的老师有不同的科研习惯,不同的团队有不同的利益诉求。自己只是个副教授,却要带领来自“校内响当当的大团队,团队负责人不是院长就是大教授”的老师们搞联合攻关,“让近30人拧成一股绳去完成一个如此棘手的任务真的不容易。”但实际工作中,他发现,来自“大宅门”的老师们全无“门派”之别的芥蒂,大家在一起紧密合作,就像一个团队。

“这次项目担纲技术骨干的都是年龄在35岁以下的年轻老师,他们之间的精诚合作让人刮目相看”王庆老师由衷地感叹。为了完成好任务,也有激烈的争论,但只限于技术层面,大家始终紧密团结互助,出主意、想对策,竭尽全力打好配合。“没有私心、不计较”这是哈工程老师身上普遍所有的最为闪光的特质。

“我们长年为他们‘打工’”郑翠娥老师笑着说,“做通用、基础技术就是为整体服务的嘛。”李岳明老师则表示:“水下潜器离不开水声技术。我们是多年的合作伙伴,彼此都很了解,合作起来特别顺畅,大家都不藏着掖着,有啥说啥,发现问题,处理起来就很高效。”

戮力同心,其利断金。大家都尽力从自己承担的部分想办法去解决问题,善于给自己“揽事儿”,而不是抓对方的“小辫子”,推脱责任。

超短基线定位系统相当于AUV在水下运行时的眼睛和耳朵,为AUV进行目标的精准导航和定位。郑翠娥、李想等老师带着这套系统在6月份已经通过湖试的“小考”,证明技术完全可靠。可是由于噪声的干扰,一装载在AUV上就处于瘫痪状态,眼耳都不灵了。

问题到底出在哪里呢?“改造AUV这个大家伙那就太麻烦了,还是改我们承担的部分。”郑翠娥和李想采用了李岳明的建议,对超短基线定位系统与AUV的控制系统之间做了信号隔离,大大降低了电机噪声的干扰。另一方面,李岳明与张国成勇挑重担,连续熬了两宿,主动承担了水声定位信息的时空对准偏差修正与补偿,改进AUV自主控制策略,极大地提高了水声引导定位精度,问题从而迎刃而解。

“联袂”出演:双第一催新第一

10月18日,专家海试验收“大日子”正式到来。副校长韩端锋赶来“坐镇”,他下令“来个‘全套’的。”即AUV不仅要在海下自主完成“钻进”的任务,还要进行15分钟的海下无线充电和信息传输,最后自动退出并返回。

对于AUV能不能在这一天的海试验收中成功对接,大多数老师心里并没有十足的把握。海试试验不比水池与湖试试验,后两者水底情况相对简单、稳定,一旦成功完成对接,则后续试验基本上能够保持很高的成功率。而海试是在实际环境中来完成,情况复杂,不可预见的影响因素很多,特别是针对“对接”这样精度要求很高的情况,具有较大的随机性。公开资料显示,目前国外类似海试试验的成功率也仅为50%左右。还有个“真金不怕火炼”的插曲,在第一次布放搭载对接装置的时候,存在着浮吊船的锚链与对接装置可能刮碰的危险。不得已,课题组只好将浮吊船前移,最终布放位置比原布放点延伸了一百米左右。更为不利的是,当天海上刮起了9级大风,波涌浪急,海底流流速较大,使难度系数就又提高了几成。

虽然海况条件恶劣,难度重重加码,但“艺高人胆大”,再加上前一天成功所铺垫的信心,我校团队稳稳地操控着AUV的运行,让它十分驯顺、近乎完美地完成了两次“全套”任务,充分验证了该技术的正确性与可靠性。

成功来得有点超人意料,但又在情理之中。“我就知道肯定能行”李想老师后来说,“因为之前的海试即使是失败,也是一次次越来越接近目标。”“最根本还是在于我们所拥有的雄厚的科研实力。自治式潜器和超短基线定位系统都是学校的‘王牌’产品,所以能取得厚积薄发的效果”王庆老师说。

我校对自治式潜器(AUV)的研究有长达25年的积累,2005年研制出国内第一台堤坝安全检测水下机器人;对超短基线定位系统的研究也有10余年,2006年研制出国内第一套深水高精度超短基线定位系统,目前这一系统的系列产品正效力于科学考察船大洋一号、科学号和蛟龙号母船向阳红9号。

这次项目,是我校AUV首次实现海底“漫步”、完成自主搭载对接作业任务。由于AUV只能进行进退、俯仰、转首三个自由度的控制,无法直接进行横移和升沉控制,要靠不断调整AUV的俯仰和转首来实现与基站的精确对准,同时在海洋浪和流的复杂影响下,AUV完全独立自主的实现与基站的搭载对接,技术的难度和挑战性都很大。

超短基线定位系统也是首次装备在水下设备上。由于声波在水下传播速度慢,受来自上、下、左、右全方位的海流噪声干扰大,对于信号纠错功能和检测技术提出更高的要求。

分别负责这两项技术的我校科研团队对技术难题进行全力攻关,并最终实现了“王牌对王牌”的完美集成,由此诞生了学校处于国内领先的又一项新技术。

文章录入:B_lijiaheng  编辑:coast
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