海圖測繪神器：無人艇

陳冰

吃水淺、能自主航行、自主避障、自主作業(yè)的無人測量艇，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量不可替代的高技術(shù)裝備。

天上有無人機，海上有無人艇，地面有機器人……在全球工業(yè)4.0與“中國制造2025”的大背景下，機器人市場高速增長。相比成熟的服務(wù)機器人、工業(yè)機器人，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)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。一旦配備先進的控制系統(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)，如測繪、搜救、導(dǎo)航和水文地理勘察，反潛作戰(zhàn)、探測和排雷等。

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量關(guān)鍵技術(shù)及裝備”，榮獲2016年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。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量不可替代的高技術(shù)裝備。

島礁測量顯威力

無人艇也稱“水面機器人”，是一種吃水淺、機動靈活、雷達反射面小、行動隱蔽，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、目標探測及淺海海圖測量等任務(wù)的水面特種機器人系統(tǒng)。它是唯一可以整合空中無人機、海面無人裝備和水下機器人等“海陸空”三域的關(guān)鍵節(jié)點。

目前，我國海圖測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)測也常因海巡船吃水深而受阻。實際上，我國近7000個島礁中，南海約有1700個，東海約有3500個，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。

謝少榮團隊針對常規(guī)測量船吃水深，難以在5米以淺島礁區(qū)開展精確測量，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跟蹤控制、穩(wěn)定大視場聲吶圖像生成方法、復(fù)雜背景下立體組合避障。發(fā)明了流體擾動空間和無人艇姿態(tài)空間映射的主動抗擾控制方法，實現(xiàn)了復(fù)雜島礁海域航跡精準跟蹤控制;發(fā)明了基于仿生眼球運動控制模型的水下三維云臺抗顛簸控制，實現(xiàn)聲吶云臺穩(wěn)定控制;構(gòu)建了多層-多采樣率空時復(fù)合立體組合避障系統(tǒng)，發(fā)明了空域/時域聯(lián)合概率密度障礙檢測方法，和附加矢量碰撞錐推演的勢場蟻群避障規(guī)劃方法，實現(xiàn)了復(fù)雜島礁群中對水面/水下動靜態(tài)障礙物的安全避障，自主探測。

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)、水面障礙物識別和避障技術(shù)、基于仿生眼球運動控制模型的水下聲吶云臺抗顛簸控制、高分辨率前視聲吶圖像實時拼接技術(shù)和基于機器人技術(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關(guān)鍵問題，即“走得準”“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，探測南海島礁海域;首艘裝備于“雪龍?zhí)枴笨瓶即綔y南極羅斯海;首艘裝備于國家海洋局海監(jiān)船，探測東海島礁海域，項目成果顯著推動了海洋無人自主測量艇行業(yè)的科技進步。

精海團隊的精衛(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、極地科考機器人、核電機器人、水下機器人、上海世博會多功能掃測挺、微納米操作機器人、小型飛行機器人以及國慶60周年海寶機器人等。

精海系列無人艇已經(jīng)在東海、南海、南極羅斯海等海域進行了大量應(yīng)用。精海1號無人艇隨中國海事166海巡船赴南海巡航，承擔了對南海諸島礁海域的測量和檢測任務(wù)，完成了對南海西沙及南海諸島礁的水下地形地貌及水文情況的測量，完成了勘察相關(guān)航路、檢驗海圖等航海資料準確性的工作;精海2號無人艇搭載在“雪龍?zhí)枴备澳蠘O進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”號拋錨的新錨地，并探明了羅斯海12平方公里水域下地形測繪資料，完成測線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號無人艇搭載在國家海洋局海監(jiān)船上對島礁和近海淺水域等水下地形地貌、水文進行探測和自主航道測量;精海4號無人艇用于內(nèi)河湖泊環(huán)保、水利、生態(tài)監(jiān)測，擁有獨特可靠的自主控制技術(shù)算法。精海系列無人艇實現(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，多次獲得各類獎項。

精海無人艇的研發(fā)階段，正值水面無人艇方向在國內(nèi)處于萌芽時期，國外可參考的案例也寥寥無幾。因此，無人艇的設(shè)計給了無人艇團隊發(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，經(jīng)過多次從零開始，終于熬到了黎明前的黑暗。精海1號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號無人艇是該團隊新近研發(fā)的無人艇，適用于內(nèi)河湖泊環(huán)保、水利、生態(tài)監(jiān)測。精海4號經(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，并在2015年8月初開始了船體開模工作，開模過程中，整個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。這段時間，所有的設(shè)計人員為了保證開模的準確性，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)過程中整個無人艇團隊的合作、團結(jié)和堅持中。 上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院副院長羅均指出，“像我們團隊主攻的無人艇需要在海上做大量的算法試驗，而且每次試驗都會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性能。這樣長時間的枯燥的工作是一般人堅持不下來的。但他們從來沒有抱怨，快快樂樂地把團隊的事情當成自己最大的事情，所以，我作為團隊的負責人之一，很多次被深深地感動！”

研究生瞿棟和柯俊在項目中負責導(dǎo)航和避障算法部分，最初的測試階段，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)，仍然達不到預(yù)期效果。那段時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)兩個禮拜，卻沒有任何突破。團隊的老師和同學(xué)們給予了很大的幫助。盡管那段時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行討論，逐字逐句對代碼進行梳理。經(jīng)過共同的努力，終于找到了問題所在，立即對整個程序進行修改，并且通過仿真試驗平臺的驗證，終于實現(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，海上測試是最艱苦的一個過程。無人艇的上蓋是個平面式的平臺，沒有把手，也沒有可以依靠的地方，而船體上必須要有測試人員跟隨。測試人員并沒有因為條件的限制而放棄，他們蹲平臺或坐在船體上，防止遇到風浪船劇烈搖晃時，被晃到海里。原本看上去蔚藍遼闊的大海，他們感受到的卻是波濤洶涌。

跟船調(diào)試的是無人艇團隊的柯俊，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，他還是堅持完成所有的試驗才肯下船。問及他堅持不懈的動力，他說，想到整個團隊成員們都在努力，自己就有了堅持的勇氣。

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，為了達到一項功能要求，需要反復(fù)地測試，不停地修改再測試，直到達成最終的目的。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，無人艇團隊的李小毛、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行調(diào)試。在這里，需要將研發(fā)的試驗艇搭載在母船上進行海面調(diào)試實驗。在實驗和調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題，需要實地進行修改并且重新試驗。因此，駐扎在青島進行研發(fā)常常是幾個月甚至半年。

外場調(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，為了抓緊時間，周末基本無休。每天早上天沒亮前往船廠準備出海調(diào)試，通常在船上一待就是一整天;當天調(diào)試發(fā)現(xiàn)的問題，晚上都要進行例會商討方案并修改程序，這樣才能保證第二天更有效地進行調(diào)試工作。對大家來說，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，他一直堅守在青島現(xiàn)場中，半年沒和家人孩子團聚。調(diào)試過程中，只要無法達到預(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，也感動著每一名無人艇人的心。

“此前，我們研制的‘精海3號無人艇，完成了東海復(fù)雜島礁中的危險水域海底地形地貌測繪，填補東海島礁區(qū)多處測繪空白。”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”，不光是對無人艇研發(fā)的堅持和熱愛，也是精海團隊每一個精海人的愛與奉獻造就了精海無人艇。