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“天行一号”惊艳问世的背后
[ 发布时间:2017-11-21 ]   [ 信息来源: 工学周报 ]  [ 字号: ]

  科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。哈尔滨工程大学承研的国家“863”项目“天行一号”水面无人艇,作为当代中国科技创新的代表之作,在香港举行“创科博览2017”惊艳亮相。


  该校“天行一号”水面无人艇,由该领域首个国家863计划项目支持,具有“高航速、大航程、自主监测”等国内领先的技术,最高航速超过50节,采用表面桨作为推进方式的节能型设计,最大航程1000公里。具有手操、遥控、半自主、全自主四种工作模式,业已通过专家组现场海试验收,受到一致好评。

 

  攻关:中华民族当代科技的代表


  海洋蕴藏着非常丰富的生物、矿物资源和能源,是人类赖以生存的第二空间,有效地利用和开发海洋资源对于人类的可持续发展具有重要意义,同时,近年来海洋环境保护、全球气候变暖、海洋安全等问题也越来越受到人们的高度重视。我国是陆海兼备的大国,海洋是我国实现可持续发展的战略空间和资源保障,关系人民福祉,关乎国家未来。有效地开发、利用和保护海洋,建设海洋强国,是国家重要发展战略。“十二五”期间,国家863计划特别设立了深远海海洋动力环境监测关键技术与系统集成重大项目,明确提出水面无人艇在浅海、油气平台周边及特定海域测绘、海洋环境监测领域的具体应用要求,引导我国水面无人艇技术的示范应用,并推动其工程化和产业化进程。


  获悉863计划指南之后,该校水面无人艇技术研究团队立即组织人手开展课题论证申报工作,同时根据课题申报要求,联合了产品推广单位中船工业公司708所及产品应用单位第四实验场区(仅此2家合作单位),形成了研究-推广-应用为一体的申报团队,最终以第一名的成绩拿下了该课题的研制任务。


  哈工程的船舶与海洋工程学科是国内老牌优势学科,50节航速和1000公里航程的指标要求对于船舶学院的“造船人”来说太平常了。难点在于如何在高航速和恶劣海况下实现艇的无人化和自主化。


  由于根据研究计划,平台本身的建造周期只有一年。因此,团队决定从国内众多的快艇制造厂商中选择一家直接完成平台采购,由哈工程团队自主进行无人技术研发,以保证课题进展速度。


  水面无人艇平台推进系统是双机双桨的形式。平台的航行状态通过两个表面桨的上下、左右调节和主机转速控制的协调配合来实现,特别是高速航行状态。相当有经验的驾驶员才能操纵好这艘艇,这就给自主驾控系统带来了很大的挑战。研究团队一方面通过反复摸索打破了国外技术封锁,实现了机桨有人驾驶与计算机控制的有效,另一方面基于大量实际试验,采集驾驶员操纵船艇的样本数据,通过数据挖掘,设计和构建人工驾控的训练样本数据库,利用神经网络学习人工驾控的经验和方法,在实际应用中取得了令人非常满意的成效。


  针对高航速、大风浪和复杂障碍环境自主避碰的难题,团队反复讨论,从决策系统、认知系统到控制系统,每一个环节都深入剖析,设计出多个解决方案,并逐一进行仿真验证。最终,在前期 973 项目研究成果的基础上,形成一套行之有效的自主控制方法。系统可根据当前环境及艇体实时状态信息,并结合工作条件约束,自主生成避碰策略,具备可变自主性,进一步提升了智能水平。


  由于水面无人艇平台的主尺度相对较小,海上涌浪造成的颠簸特别明显,给水面无人艇视觉系统的正常工作带来了恶劣的影响。团队群策群力,在视觉系统设备因成本限制而功能指标有限的条件下,通过设计多输入深度神经网络,自适应地提取视觉图像数据中最深层、最本质的特征,综合利用多类传感器信息进行环境建模,以更全面准确的获取海面环境的准确信息。


  研发:军民融合的“黑科技”是怎么炼成的


  该校水下机器人重点实验室科研团队是国内在水面无人系统研究方面起步最早的科研团队之一,早在 2005年就开始瞄准这一领域,夯实基础前沿研究。团队在“智水”系列以及中小型、微型水下机器人历经多年发展,积累了大量水下无人系统的技术经验。2008 年,当时该校水下无人系统方向的领军人物徐玉如院士敏锐地察觉到水面无人艇是一个很有前途的发展方向,带领团队将目光锁定这一领域,再次向科研的“无人之地”进军。


  2014年,该校从 16家竞争单位中脱颖而出,成功获得该领域内国家首个 863 项目立项。课题以我国深远海海洋动力环境监测需求为牵引,以迅速、广域、灵活、可靠、长期、高精度、智能化海洋探测为目标,研制一套具有自主知识产权的无人艇自主监测系统。


  课题组集中攻坚,突破了“复杂动态环境中的自主控制技术”“强干扰条件下自主环境认知技术”和“任务驱动的模块化集成技术”等技术难点。构建了控制分系统、环境感知分系统和自主决策分系统,并完成“天行一号”无人系统部分的集成和调试。


  在进行技术集成时,由于采购的进口主机控制接口遭到技术封锁,课题组一方面自己搜集资料努力钻研,反复试验;一方面辗转深圳、珠海、广州、上海、北京等多地与主机代理商、零部件供应商等处调研沟通,历时 2个月,终于成功解决这一问题,实现了“天行一号”的自主驾控功能。


  2016 年底至 2017 年 7 月,“天行一号”顺利完成了总体集成,并完成海上试验,包括测速、加速、惯性、回转、续航力等各项试验以及自主航行、高速自主航行、自主危险规避试验和作业任务验证。


  “天行一号”水面无人艇全长 12.2 米,满载排水量 7.5 吨,配有油电混合动力系统。其先进的控制系统可实现对目标航迹的高精度跟踪,在艇载自主决策系统的指导下可在任意可航行水域高效完成多种任务使命。其环境认知系统采用先进的目标检测识别算法,结合实时建模技术。可针对复杂环境中的静态、动态障碍目标进行自主危险规避。同时,在先进的环境感知系统的引导下,“天行一号”水面无人艇可针对动态可疑目标进行自主跟踪追及。“天行一号”能满足“一个平台,多种用途”的实用需求,采用多功能模块化“即插即用”设计,可自主完成海洋水文气象信息监测、海底地形地貌扫描测绘、首末端观测等多种任务,适用于海洋局、海事局、海警巡逻等多个领域的需求。


  评价:你们是一个踏踏实实做事情的团队


 
 2014 年水面无人艇国家 863课题研究启动,全部研究内容主要由船舶学院四位老师组成的科研团队完成。科研团队的老师们兢兢业业地工作,在这个项目上倾注了大量心血和时间,历时三年,先后在深圳和大连海域开展了大量的海上试验,终于成功研制“天行一号”水面无人艇自主监测系统工程样机。“天行一号”顺利通过专家组的多项测试后,专家送给团队的评语是:“你们是一个踏踏实实做事情的科研队伍。”


  船舶学院院长苏玉民教授是该课题的负责人,项目启动之初,他语重心长地对项目组成员说:“这是水面无人艇领域第一个863 计划,973 也是咱们做的,咱们就是国家队,就应该代表国家水平,不管遇到什么困难,多大的困难,都要不遗余力地攻克它!”


  作为团队的“掌舵人”,苏玉民教授是一位温暖的“精神领袖”。由于无人艇设计的技术领域很广泛,遇到大家不擅长的技术领域问题,苏玉民教授及时联系相关专家为课题组做指导,或者亲力亲为解决问题。有一次,感知系统的受扰时漂问题很久都没能解决,苏玉民教授百忙中赶赴海试现场,提出解决思路,巧妙地攻克了难题。苏玉民教授曾说:“遇到技术上的疑难杂症,一不要回避、二不要妥协、三不要投机。一定要有钉子精神,钻进去,群策群力,大家一起想办法。每解决一个问题就是一次进步,积少成多,时间长了,就是大进步。”鼓舞着课题组的老师们充满信心、勇往直前。张磊老师的孩子伴随着课题的进展降生,但长期海上试验使他无暇顾及年幼的孩子和家庭。家庭压力的重担都由他的妻子承担,禁不住对张磊有所埋怨。苏玉民教授得知此事后对张磊说:“夫妻之间好好沟通,吵架不能解决问题,你总在外面出差,家里照顾的少,遇到事情多多担待一些,要处理好家庭关系。回去跟你爱人说,是我苏玉民对不起她!”


  在这个充满温情又干劲十足的团队中,三位年轻教师都把无人艇的技术攻关放在第一位,而无暇照顾家庭。技术负责人张磊自 2011 年进入水面无人艇项目中以来,水面无人艇技术的科研攻关占据了他大量时间,外场实验是家常便饭,几乎每年的大半年的时间在外做实验,驻守在海试现场的时间超过了在家的时间。他的婚期和孩子的产期,均要为无人艇的实验让路。“天行一号”顺利完成实验后,张磊在朋友圈发了多张“天行一号”的照片以示庆贺。妻子随即转发并评论说:“她”是我老公的另一个情人。


  庄佳园老师与爱人同在该校任教,夫妻二人都很忙,庄老师对爱人说:“我出差多,你就得牺牲点儿工作,不能也总出差,要在家带孩子”。庄老师每次出差,孩子都吵着要找爸爸,一着急就容易发烧,庄老师只能利用晚上的时间和家里视频来安抚孩子。今年做海试时,妻子怀着身孕,只能自己去医院检查,家里还有个两三岁的小孩子,非常辛苦,庄老师故作轻松地表示,二胎了,有经验了,不用管她。但是课题组成员们都知道,庄佳园能做的,只有在晚上给妻子打个电话。


  王博老师的爱人在医院工作,平时也非常忙,王老师外出海试,家里的事情里里外外都靠她。但是王老师比较会做思想工作,出差时间久了,家人难免有些情绪,王老师总是很耐心的劝解,还和大家分享经验。有一次妻子和孩子同时生病住院了,王老师坚持和大家一起把实验的节点做完,过了几天才回家照顾妻子和孩子。


  随着海洋强国战略的实施,国内的水面无人系统研究虽起步晚于国外,但近年来正在奋力追赶,形成了一股研究热潮,具有广阔的发展前景和巨大的市场潜力,该校力争使水面无人艇在军民两用方面获得更大的应用,改变目前海洋监测的相关单位,主要依赖人工的 8 小时监测局限,实现 24 小时全天候的环境监测,还有人力所不能为的极端环境探测与搜救等领域。


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