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“三海一核”弄潮人
不忘初心 遨游深蓝
——记我校青年拔尖人才李晔教授
作者:霍萍          文章来源:工学周报     点击数:     更新时间:2016/9/22 23:40:11


编者按:今年是学校“三海一核”办学特色体系化建设年和“十三五”开局之年。兴校之路科技先行,学校上半年召开的科技创新大会拉开科研工作新序幕,全校师生承天时,应地利,谋人和,促转型,凝心聚力,以崭新的姿态,共同奋斗,在科研育人等多个方面取得鼓舞人心的成绩。本报从本期开始开设“三海一核”弄潮人栏目,聚焦那些在“三海一核”特色相关领域里主动承接国家科技发展新形势、主动融入高等教育发展新格局、主动对标科技创新工作新要求的先行者们科研育人中的感人故事,通过记录他们在“三海一核”领域的奋斗经历,展示哈工程弄潮人的科学研究、人才培养成绩,鼓舞师生为学校的“双一流”建设目标、为国家实现科技强国目标不忘初心,执着前进。

 

 

人物名片:李晔教授,博士生导师,2015年入选国家万人计划“青年拔尖人才”。现为水下机器人技术国家级重点实验室副主任、全国潜水器标准化技术委员会委员、教育部新世纪优秀人才、黑龙江省高等学校青年学术骨干、全国优秀博士学位论文提名、中国造船工程学会船舶力学学术委员会委员、黑龙江省机器人产业化联盟理事,《MarineandUnderwaterScienceandTechnology》和《哈尔滨工程大学学报》编委。先后主持国家和省部级科研项目20余项。发表学术论文百余篇。申请发明专利19项,获软件著作权证书13项。获部级技术发明二等奖1项,与他人合作出版著作1部。

 

“水下机器人并不具有人们通常所想象的,类似于变形金刚的那种机器人形象。更确切地说它是一种智能化的潜水器,如此才能更好地适应海洋环境,才能潜得深、游得快,实现人类‘可下五洋捉鳖’的梦想。”李晔教授在2016年中国机器人产业高端论坛所作报告的开头,开宗明义地为听者“扫盲”。

智能水下机器人(AUV)是水中的无人机,无人的“蛟龙”号。大型、中型、小型、微型,有缆的、无缆的,观测用的、作业用的……水下机器人的家族谱系庞大,李晔教授在这个领域耕耘了15年,主攻水下机器人的自主控制,相当于研制和研究水下机器人的“大脑”,指挥机器人航行、下潜、上浮、追踪、避障等一举一动。他所开发的运动控制软件已经可靠运行于我国自主研发的4型水下机器人中;提出的抗扰动运动控制方法写入我国正在起草的第一批水下机器人的行业标准里。循迹李晔教授的科研之路,“高大上、高精尖”的科研成果背后是水下机器人技术重点实验室极具凝聚力、协同力的光荣传统,是李晔教授不忘初心,充满热忱、充满兴趣埋头钻研的无数个日日夜夜,是攻克一个个科研难题、经历一场场恶劣海况海试的千锤百炼……

 

兴趣指引下的埋首钻研

李晔教授原籍山海关,从小就生长在海边,1997年考入我校船舶工程学院,从此开始了“为船为海为国防”的潜心学习、科研及其后的教书育人之路。从本科、硕士、博士到博士后,再到留校任教,一路走来的19年,李晔教授在哈尔滨这个第二故乡生活的时间已经超过了在家乡的时间。他从“生于兹、长于兹”对海洋所怀有的天然情感,升华为“成于兹”对船海事业的浓厚兴趣与人生追求。

20018月,读研一的李晔教授进入水下机器人技术重点实验室,“感觉什么都新奇” 伴随着入门初期“与导师师兄差距很大”的些许焦虑,但更深深地被专业性、应用性、特色突出的科研方向所吸引,他充满兴趣和热忱地开始了科研之路。

当时,李晔教授被分到的组正在做多水下机器人协同控制方向的探索性研究。“在一个方向上要想快速入门,并且作出点成绩,起步阶段必须要非常感兴趣,才能心甘情愿地埋头钻研。”李晔教授当时与同组的高年级博士、硕士等师兄、同学共4人,主要负责多机器人协同控制的系统仿真程序设计,就是先用计算机模拟机器人的水下通讯条件和水动力条件,完成先期技术性验证和技术性突破,为下一步的海试提供依据。这项开国内之先河的工作,程序的代码十分复杂,大约有十几万行,项目历经2年多时间,终于圆满完成。

“软件是模块化的,留好每部分接口,每人承担一部分。如果一个人负责的部分出了问题,那么大家就都得停下来等问题解决了才能进行下一步,无形中压力就很大。”为了不拖团队的后腿,李晔教授不停地学习、查资料,绞尽脑汁寻找解决问题的办法。实验室团队的科研氛围浓厚,教师、不同年级的学生经常在一起研讨学术问题,“新人们”很快就能进入“角色”。

李晔教授具体负责该项目的避碰控制问题的处理,就是水下机器人在航行中,做到自主识别、绕开或跟踪障碍物,并决策、规划航迹继续前行。“那时,我对编程非常痴迷,曾经2夜一天没有离开电脑和正在编制的程序。”困的时候去“偷”点团队“掌门人”徐玉如院士的好茶和咖啡顶一下,或者窝在实验室的沙发睡一会儿。

2003年,重点实验室组织了双机器人的编队航行的海试,这是国内首次进行的多水下机器人协同控制的海中实验,为该方向的后续发展奠定了基础。

 

历经锤炼的“杂家”和通才

硕士阶段的多机器人编队航行,博士期间参与研制我国第一型微小型水下机器人,其后又参与了大、中、小型水下机器人的运动控制、地形匹配导航、光学自主对接……李晔教授笑称自己做得很“杂”,他对此的感悟是,水下机器人的很多技术是相通的,必须先专注地吃透最核心的关键技术,多做积累,万变不离其宗。

无论多大重量、体积的机器人,扔到大海里也像一片树叶一样微小。水下流场对它的扰动是非常大的。让水下机器人像小鸟感知风场一样敏锐、准确地感知所处的海洋流场,判断流场对其运动控制的影响,并作出正确的运动规划,是李晔从攻读博士阶段到至今的重点的研究方向。

相较于中型、大型水下机器人,微小型水下机器人由于体积小,成本低,布放、回收方便,可更灵活、广泛地应用于浅水、近岸作业。但浅水近岸的流和浪都很复杂,对机器人的运动控制、抗环境扰动性的要求都更高,由于微小型水下机器人体积小,不能安装更多的助推装置,只能靠舵翼来控制机器人的潜浮和航行。李晔教授从微小型机器人的研究入手,进行了水下机器人在低速运动情况下用舵和翼来控制运动轨迹的开拓性研究,之后实验室很多大型水下机器人也采用了舵翼的运动推进方式,大大降低了机器人远航的能耗。

科研的道路没有坦途,往往荆棘丛生,李晔教授就是在劈荆斩棘中不断锤炼自己,继续前行。在微小型水下机器人的研制中,多次的水池实验都很成功,然而湖试却遇到了导航失灵、程序锁死的问题。那次失败给李晔教授的警示是细节决定成败,一定要周密地考虑到各种情况,才能做到万无一失。此后,实验室建立了极端测试的样本库,杜绝了类似的问题的发生。

李晔教授参与了我国第一艘水面无人艇的研制。水面无人艇要解决自主控制问题,航速和航向控制是核心和关键。由于是“第一个吃螃蟹”的,怎么通过程序控制无人艇的柴油机的转速,没有现成的经验可以借鉴。当时团队海上试验的时间已定,问题却迟迟解决不了,大家都很焦急。李晔教授就从800多页的柴油机说明书开始,白天晚上都抱着书啃,2个月左右时间自学柴油机相关专业本科到研究生的主要课程,最后终于实现了利用计算机编程来控制航速航向。

逆速是AUV低速航行时,可能会导致“触底身亡”惨烈后果的一种操纵失控现象。而由于其涉及的流体力学难度,国内外一直采用很不准确的估算公式。李晔教授开展了逆速现象的系列水动力学试验,在高水平期刊连续发表多篇论文,揭示了AUV逆速的动力学机理,提出了系列计算方法,是国内外首次专门研究AUV在低速航行作业过程中的反操纵问题,具有重要工程指导意义。

李晔教授还开创性地开展了可独立定位、不需上浮修正、可长期潜航的海底地形匹配导航研究,构建了国内首套海底地形匹配导航实物样机系统,为我国新一代长航时AUV的高精度导航系统提供了技术保障。

 

继承团队的“光荣传统”

2007年留校任教,仅用5年时间,李晔就从讲师晋升为教授。谈起自己的成长经历,他却非常谦虚:“我实际上是老一辈教授提溜小辈提溜起来的”“在我们的团队中,老一辈的教师,徐玉如院士、苏玉民教授、庞永杰教授都非常重视对年轻人的培养,对我都有很大的支持和帮助。” 谈起自己的成才过程,李晔教授对授业恩师以及所在的水下机器人技术重点实验室团队十分感激。

在李晔教授眼中,水下机器人技术重点实验室是一个具有“光荣传统”的团队。“水下机器人领域不是一个能靠一、两个人单打独斗、逞英雄的行业,必须要校内外多个科研团队协同合作。”团队曾经的当家人徐玉如院士非常强调团队精神,这是团队不断发展壮大的宝贵精神养分,一直被很好地继承和发扬。团队成员心中时刻牵挂着整个团队,已经成为一种内在的自觉。

实验室非常重视对研究生的管理和“传帮带”,将学生们按照不同的研究方向分组,每一组里由资深的指导教师、青年教师、博士、高年级硕士、低年级硕士构成的阶梯式结构,有利于各年级学生获得从理论知识、软件使用、科研入门、算法、到工程实验全链条的帮助和指导。

初心难忘。实验室当时在三乙实验楼,“老师学生都在一个大房间里,氛围非常好。”李晔教授回忆学生时代的往事,充满怀念,“从我一进入这个团队,就被团队充满正能量的工作态度和科研热情所感染、吸引,我们这一代也一直在继承发扬这种精神。”

李晔回忆自己第一次参加海试的情景,至今记忆犹深。2003年初冬的葫芦岛,天气异常寒冷,实验船上所有的人——院士、博导、研究生、工人都是一个模样:一身海军蓝的工装棉袄,头上、身上都洒满雪花。但却没人抱怨条件艰苦,因为团队开创人70多岁的邓三瑞先生、60多岁的徐玉如院士都跟大家其乐融融地在一起忙活,谁冻得受不了了,就回到集装箱里烤烤电炉子再出来。

有一次,在大连进行海试时,第二天要出差的李晔自愿开小艇在海上值班,恰遇水下机器人失控。“我是第一次上值班小艇,半小时前才学会怎么开船。”李晔教授开着只能坐两个人的小艇一路狂追,开出了10几公里,对讲机失去信号,与岸上的同伴失联。小艇在23米高的浪里颠簸,连岸都看不到了,李晔教授仍不放弃追踪,终于坚持到救援船到来,将机器人拖回。“这是我们整个团队30多人56年的心血,无论如何都不能丢失”这是李晔教授当时唯一的念头。

重点实验室老一辈教师对事业的执着和奉献精神深深感染、影响着团队的师生,鼓舞着李晔教授更快地成长为专业领域独当一面的行家里手。李晔说:“时光荏苒,从我进入水下机器人技术重点实验室至今,已经15个年头,我也从硕士生、博士生,成长为一名教师和科研骨干。我的每一点进步离不开实验室老一辈教师的培养和教导。只说感谢太过肤浅,我只有不断努力,不辜负先生们的期望才是最好的报答。”

“民用产业化机器人随着海洋油气工业的发展,特别是深海油气工业的发展,海洋调查、海底考察,海底管线探测,各方面的需求都越来越大。传统的水下作业系统对于完成上述作业来讲,成本高、精度低、效率低,采用水下机器人系统进行海洋的深海作业、探测、勘测,已经成为国际海洋石油的重要发展趋势。”紧跟国家和行业需求,关于水下机器人未来的发展,李晔教授充满使命感和责任感:“在海洋强国战略目标的指引下,我们必须利用优势,紧紧抓住发展机遇,为国家和学校的发展作出更大贡献。”

文章录入:B_lijiaheng    责任编辑:赵琳琳 
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