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蛟龙号米级海试
一个人能到达的最远地方是哪里?
刘开周的答案是米下的大洋深处,在被公认为世界最深、最难征服的马里亚纳海沟。
而带他前往的是中国自行设计、自主集成研制的“蛟龙”号载人潜水器,该潜水器成功完成了世界上首次在米深度近海底的自动定向、定深、定高、定速和悬停定位等5种全自动航行控制功能。
这项成果,让国际水下机器人领域为之一振。
事实上,不只是水下机器人,过去数十年,中国科学院沈阳自动化研究所(简称“沈阳自动化所”)创造了中国机器人事业发展史上的20多个“第一”。从这里诞生的机器人上可九天“揽月”,下可五洋“探宝”,也能攀援在高山深涧与悬崖峭壁间。它们“代替”人们踏足环境险恶之地,协助人们完成未竟的梦想。
沈阳自动化所,被誉为“中国机器人的摇篮”。
1、“蛟龙”号的“大脑”
刘开周,沈阳自动化所研究员,是“蛟龙”号载人潜水器控制系统的开发者之一和潜航员,被中共中央、国务院授予“深潜英雄”称号。
读博士期间,刘开周师从中国工程院院士封锡盛,从事机器人半物理仿真平台和水下机器人控制系统的研究与开发工作。刘开周介绍,控制系统相当于载人潜水器的“大脑”,而半物理仿真平台是一套实时仿真系统,它本身就相当于一套虚拟的载人潜水器系统。
刘开周
“我们的责任是,保障潜水器安全可靠运行,尽可能减少试航员远距离航行寻找目标的劳动强度。”刘开周说。
他们所开发的控制系统软件可以在半物理仿真平台进行调试和验证,通过验证后可直接下载到实际的载人潜水器控制系统中,这大大降低了载人潜水器的运行成本和相应的风险。同时还能对试航员进行全真培训,极大提高了试航员的操作水平和熟练程度。
刘开周表示,相对于一般在水下最多十几吨重的水下机器人而言,“蛟龙”号在水下可重达40多吨,“控制系统是一个新的挑战,比如海水密度、水下压缩、机械手操作等易受水流影响而多变,影响航行稳定和潜水器安全。”
为了克服"蛟龙"号参数时变、闭环系统各环节的不确定性问题,刘开周借鉴专家控制经验,研究了基于模糊原理的控制参数在线自动调整的控制策略,以及基于数论的数据处理方法,实现了"蛟龙"号在复杂海洋环境下高精度导航定位、航行控制、载人舱内综合信息显控、水面监控、黑匣子数据分析和控制系统测试等功能。
这些,使得“蛟龙”号在多米深渊中“乖乖听人指挥”,完成任务。
“蛟龙”号首次突破米深度的3位下潜人员出舱
(刘开周、叶聪、杨波)
接手“蛟龙”号时,刘开周刚博士一年级。他坦承,起初还有些胆怯,“不敢接”。项目开始时,整个团队倾尽全力,对系统的每个细节锱铢必较。他们每天都在问自己:“可能会发生什么情况?还可能会发生什么情况?”
海试“10小时”的背后,是水试、湖试的“数年功”。刘开周说,水池实验也十分重要。在博士期间,他们下潜过60多次湖,80%的设计人员都下潜过,只有确认没问题了,才能下海,“实验室做出来的仿真算法跟真正在水里的情况几乎完全不一样,也许可以仿真一部分,但修正的任务才是最艰巨的。”
多年来,刘开周参与并一步步见证了“蛟龙”号从米、米、米到米的每一个里程碑。
在他看来,是使命感驱使着自己,一路向前——“在国家需要的时候,你在哪儿?你在干什么?做有准备的人,在国家真正需要你的时候,就不会出冷汗。”
2、海洋“幽灵”
年4月1日,中国南海,由沈阳自动化所完全自主研发、拥有自主知识产权的“海翼”号水下滑翔机顺利回收。它不负众望,再次创下新纪录:连续工作时间长达天,续航观测距离多公里。
收到这一消息时,远在余公里之外的沈阳,沈阳自动化所研究员、海洋机器人卓越创新中心主任俞建成自豪又激动。
近年来,“海翼”号所向披靡,创造了一个又一个惊人的世界纪录:在马里亚纳海沟创下米的水下滑翔机世界深潜纪录、实现国内最大规模的水下滑翔机集群组网观测、首次在白令海布放的同时,也首次应用于中国北极科考……
作为“海翼”号水下滑翔机的设计师,俞建成十分清楚,16年来,“海翼”号取得光鲜成绩的背后,是团队成员朝乾夕惕的奋斗、日雕月琢的坚守。
“蛟龙”号拍的冷泉区蜘蛛蟹
西南印度洋—热液
年,俞建成刚考入沈阳自动化所攻读博士学位。在一次周六例行讨论会上,导师张艾群(时任沈阳自动化所水下机器人研究中心主任)推荐给他一份国外关于水下滑翔机的最新研究成果。阅读之后,俞建成对这一新事物产生了浓厚兴趣。那时已确定了博士课题方向的他,只是把水下滑翔机当成“业余爱好”。“当时这还是个很小的方向,那时国内包括所里