海上無人機控制

不曾想到，短短5天的“海洋觀測實踐課”，不僅讓我了解了海洋科學(xué)的基礎(chǔ)知識，還讓我有機會將所學(xué)的自動化（控制）專業(yè)相關(guān)知識在實際科考中加以應(yīng)用并發(fā)揮了巨大作用。

無人機自動飛行展示

2024年9月8日凌晨5點，我和所有參與此次“海洋觀測實踐課”的同學(xué)一起，從浙江舟山出發(fā)，乘車3小時，來到位于上海的中國極地研究中心。當(dāng)遠遠看見那艘停靠在岸邊的鮮紅色大船，所有人的疲憊瞬間一掃而空，大家知道，那就是我們魂牽夢縈許久的“雪龍”號極地考察船。

登船第一天，每個人都充滿了好奇，船方安排的統(tǒng)一參觀還沒有開始，船上的各個角落早已站滿了心潮澎湃的同學(xué)們。接下來，我們接受了詳細的安全培訓(xùn)，學(xué)習(xí)如何在緊急情況下使用救生設(shè)備，并熟悉了船上的儀器設(shè)施。隨后大家被分配到多個項目組，與其他高校的同學(xué)協(xié)同完成任務(wù)。

我所在的無人機自動飛行展示項目是上海交通大學(xué)負責(zé)的核心環(huán)節(jié)之一，我們主要演示海上固定翼無人機的垂直起降與自主飛行能力。作為自動化專業(yè)的學(xué)生，這項任務(wù)無疑是一次難得的機會，它能讓我將所學(xué)的控制理論與實際應(yīng)用結(jié)合起來。

在“雪龍”號的直升機機庫里，停放著一架垂直起降固定翼無人機，它是直升機和固定翼飛機的結(jié)合體，除了有一對長長的固定翼，機身上還設(shè)有四扇螺旋槳，用于低速時提供升力。它兼具了旋翼無人機和固定翼無人機的優(yōu)勢，不僅能在狹小的船舶甲板上垂直起降，還能在空中切換為固定翼模式，以大大節(jié)省電量，實現(xiàn)長距離飛行。這套無人機系統(tǒng)，除了飛機外，還有甲板上的一系列設(shè)施，包括飛行控制電腦、位置測量基站等儀器。具體操作時，先在飛行控制電腦上規(guī)劃自主飛行的路徑，并依靠固定在甲板上的定位基站，得知船舶的航向角、速度等信息，計算后與飛機通信。飛機依賴于飛控系統(tǒng)中的傳感器模塊（如GPS、陀螺儀、加速度計），實時感知飛行狀態(tài)，并結(jié)合電腦給出的“以什么高度飛，往什么方向飛”等具體指令，保持飛行穩(wěn)定。

老師告訴我們，在無人機自動化系統(tǒng)中，我們所學(xué)的控制算法、狀態(tài)估計方法、信號處理等技術(shù)都能發(fā)揮重要作用。這些技術(shù)不僅確保無人機在飛行中實現(xiàn)自主控制，還能讓它適應(yīng)海上風(fēng)浪等不確定因素。

精準降落

作業(yè)當(dāng)天上午，一個壞消息傳來，東海海面受熱帶擾動影響形成暴雨。當(dāng)時浪高達到了5米。望向甲板外，洶涌的海浪不斷拍打著“雪龍”號的側(cè)舷，再看向我們的船，此時正如同一片樹葉，在水面上隨波搖晃。甲板上狂風(fēng)怒號，裹挾著大雨朝我們襲來。可人一進入直升機庫，又是另外一番體驗：悶熱的空氣讓人瞬間汗如雨下，難耐的濕熱與搖晃的地板一起，為此次作業(yè)增加了難度。即便自然環(huán)境如此惡劣，我們團隊也依然要按計劃作業(yè)。

在機庫內(nèi)規(guī)劃好路徑后，我們將無人機從機庫內(nèi)搬運到直升機甲板上，做下一步的定位定向工作。設(shè)計無人機系統(tǒng)的團隊早就預(yù)料到這種情況，他們使用了“三防電腦”，這樣就算瓢潑大雨打向飛機的定位儀器，也不會破壞整體系統(tǒng)的工作。但天氣因素仍對無人機的飛行性能產(chǎn)生極大影響，尤其是在開放水域的上空，強風(fēng)會使飛行器面臨高度不穩(wěn)定的挑戰(zhàn)，浪涌則會給飛機降落增加難度。

調(diào)試過程中，我們依次檢查了無人機的各項系統(tǒng)工作狀況，如飛控系統(tǒng)與地面站的連接情況、測試船舶定位儀器的穩(wěn)定性，并確保所有傳感器正常工作。

這是我第一次在如此復(fù)雜的環(huán)境中參與設(shè)備調(diào)試，它與我在實驗室中面對理想狀態(tài)的模擬測試完全不同。為了減少外部干擾，我們專門調(diào)試起飛時的速度和各項閾值，以避免無人機在起飛時失控。

調(diào)試完成后，我們便啟動了自動起飛程序，展示無人機在惡劣海況下的穩(wěn)定性。無人機依靠預(yù)設(shè)程序垂直起飛，從甲板騰空而起，在空中緩緩向前加速，達到一定程度后，尾部的推進螺旋槳啟動，切換為固定翼飛行模式，負責(zé)垂直起降的螺旋槳也就停止了轉(zhuǎn)動。在距離科考船數(shù)千米的范圍內(nèi)，無人機自動按軌跡運行，以Z字形的路線掃描起整片海域。通過地面站界面，我們能夠?qū)崟r監(jiān)控?zé)o人機的飛行參數(shù)，包括姿態(tài)角度、GPS位置和速度。

巡航過程結(jié)束，我們觸發(fā)了無人機的自動降落功能。返航過程中，無人機根據(jù)設(shè)定的路徑，疊加上這段時間內(nèi)船所運動的位移，導(dǎo)航返回直升機甲板。依靠高度傳感器和視覺輔助系統(tǒng)，無人機緩緩下降。當(dāng)看到它最終平穩(wěn)降落在搖晃的甲板上時，我對自動化的熱愛更加具象化，對學(xué)以致用的理解更加深刻，也進一步增添了科技報國的動力。

CTD采水與數(shù)據(jù)分析

在‘雪龍’號舯部甲板上進行的CTD（鹽度－溫度－深度測量儀）采水作業(yè)項目中，我們小組負責(zé)操作設(shè)備來采集不同深度的水樣。以前，我只在視頻里看過CTD采水作業(yè)的過程，如今能夠現(xiàn)場觀摩，親身體驗，那種感覺很難用語言形容。

當(dāng)絞車將CTD采水器下放到一定深度后，其搭載的各種傳感器會測量海洋剖面參數(shù)。根據(jù)對剖面參數(shù)的觀察，可以設(shè)定相應(yīng)的取樣深度。在采水器上拉的過程中，每到達一個設(shè)定深度時，我們便可通過控制系統(tǒng)觸發(fā)相應(yīng)的采樣筒，將海水樣品封存在采樣筒中。

由于CTD操作包含自動控制系統(tǒng)的使用，這與我在專業(yè)課中所學(xué)的控制理論高度相關(guān)。于是項目組安排由我參與設(shè)備的復(fù)位與數(shù)據(jù)記錄，體驗控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的實際運行，并幫助分析不同深度的鹽度、溫度和溶解氧數(shù)據(jù)。

我的第一次CTD采水任務(wù)由于傳感器配置錯誤，使得初始測得的數(shù)據(jù)與實驗室測量結(jié)果不一致，鹽度甚至達到了60‰。經(jīng)過多次排查后，我們發(fā)現(xiàn)是配置文件的問題。這次經(jīng)歷讓我深刻體會到，自動化設(shè)備的成功運行不僅依賴于硬件，更依賴于軟件系統(tǒng)的精確配置，而這些問題的發(fā)現(xiàn)與解決正是試航的意義所在。

從無人機控制到CTD操作，課堂上學(xué)到的控制理論在“雪龍”號上有了生動體現(xiàn)。自動化控制不僅是針對硬件設(shè)計相應(yīng)的算法，更需要貼近實際場景靈活應(yīng)變。雖然我的專業(yè)不是海洋科學(xué)，但這次難得的登船實踐，讓我看到了自動化技術(shù)在海洋探索中不可或缺的作用。

責(zé)任編輯：刁雅琴