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水下机器人15年,从浅海到深渊

发布时间:8/26/2019 10:42:54 AM   发布人:管理员

水下机器人15年,从浅海到深渊

李一平

我国科学院沈阳自动化研讨所研讨员

抬头望星空,浩瀚、安静且充溢奥妙,垂头探海洋,如天空般湛蓝、如国际般深邃。海洋是一片奥秘的范畴,自古以来,有关海洋的传说不计其数,咱们都神往大海,但大多时分只能在岸边欣赏其美,水下的国际仍旧充溢不知道。跟着科技的展开,人类在不断加深对海洋的探究,揭开海洋的奥秘面纱。今日,在SELF讲坛,来自中科院沈阳自动化研讨所的李一平研讨员,带咱们巡游海洋最深处,回到生命的故乡。

来源 | SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks)


以下内容为李一平演讲实录:

咱们下午好。我是来自我国科学院沈阳自动化研讨所的李一平。很快乐有这样的时机跟咱们共享咱们研发水下机器人的阅历。我自己从事的专业是水下机器人研讨,所以咱们或许听起来感觉比较酷,我自己也觉得这是挺有趣的一件作业。

过去的几年中咱们做了一些作业,经过媒体的报导,咱们或许也有所耳闻,今日咱们请水下机器人作为主角,带咱们去看一看水下到底是怎样的美妙国际。

提到水下机器人,咱们或许更多是经过媒体来了解,比方2016年,咱们研发的“海斗”号下潜到了马里亚纳海沟,应战深渊的最深处——海沟的底部,其时咱们都觉得,我国人总算造出了能够抵达海洋最深处的水下机器人。


咱们首要要讲一讲它的特色。通常,咱们说水下机器人的展开有60年的前史,这首要指国际水下机器人的展开前史,关于我国,咱们大约阅历了30多年的水下机器人展开进程。水下机器人首要分成两种:遥控水下机器人和自主水下机器人。

关于遥控水下机器人,需求电缆将它和母船进行连接,母船经过电缆为它供给动力,它经过电缆向母船回传取得的数据。整个进程中由于有母船的支持,所以它不会跑得很远,也正因而,它只能在水下的一个小范围,或许部分范围内做定点观测。

经过这些图,咱们能够看到水下机器人在水中巡游时拍到的一些水中生物的状况。关于大型的遥控水下机器人,有时咱们会给它装上机械手,以便它在水下进行取样作业。

下图显示的是咱们在2017年研发出的我国榜首台6000米级的遥控水下机器人,其时,它在水深5600米的当地布放了一个标志物和一面国旗。那时咱们觉得这个机器人是能够下潜到6000米级深度的仅有一个遥控水下机器人,所以咱们在那个当地布置了一个标志物,表明咱们曾经抵达过这儿。


别的一种是自主水下机器人,也是我加入团队时展开研发的一类水下机器人。咱们从20世纪90年代初期开始研发自主水下机器人,到现在阅历了20多年的时刻。

这类水下机器人最大的特色是没有脐带电缆的束缚,能够在海中走得更深更远,全部的动力经过体内带着的电池供给,所以咱们在规划的时分,要让它的外形呈良好的流线型,确保它在水中走得更深更远。


自主水下机器人还有一个特色,正是由于它没有和母船连接的电缆,所以获取的数据需求等它回来才能导出,也便是说,咱们不能实时取得数据。

做过这两类机器人后,咱们想,能不能做一种新式机器人,替代咱们去更远的不知道海域。遥控水下机器人(ROV)有电缆的束缚,自主水下机器人(AUV)没有电缆的束缚,但数据不能实时传输。

所以咱们想能不能研发一种新式机器人,既能够大范围运动,也能够在部分范围内做精密的观测。这便是咱们开始提出自主遥控水下机器人规划理念的雏形,咱们把这种新式水下机器人叫作ARV,它的英文名字来源于ROV和AUV。


引发咱们这个主意的还有一件事。2003年,我国一台遥控水下机器人去北极进行了一次观测活动,是我国机器人前史上比较重要的一件作业,意味着咱们开辟了新的使用范畴。

机器人从北极返回后,咱们就在想它还有哪些不足、还要做哪些改善。那时咱们想能不能把那根电缆去掉,或许以别的一种电缆的形式出现。基于此,咱们提出了ARV的规划主意,咱们想到用光纤来替代本来很粗的脐带电缆,有限的范围内能够装更长的光纤,确保机器人走得更远。

回想起来,从开始有这样的主意到最后在极点环境下的使用,实践上阅历了15年的时刻,这张图显示了咱们研发水下机器人的时刻线。2001年,咱们在张艾群主任的建议和支持下,请求到了创新基金项目,研发一个遥控水下机器人和自主水下机器人都能用得到的小型操控体系。


水下机器人的核心实践便是计算机的操控体系,所以咱们想做一个能够在刚才提到的两种机器人,甚至未来全新的机器人上都能够用得到的操控体系。咱们用了将近两年的时刻,使用一个旧的遥控水下机器人渠道帮咱们完结了这样的主意。

后来,咱们又请求到了相同的项目,来做新式ARV关键技能验证渠道。关于ARV这种混合式机器人来讲,亟待解决的核心问题有许多,其中最重要的一个便是替代电缆的光纤。

其时,咱们访问了光纤的生产厂家,告知他们想要做什么样的水下机器人,期望能够在水下机器人上搭一根光纤,他们也讲了光纤的生产进程。不过,其时的光纤首要使用在通讯范畴,没有在水下机器人身上使用过。

他们还带着咱们做了一些实验,咱们也测试了光纤的拉力及其他相关参数。经过不断地实验,终究在2005年,咱们把设想的混合式机器人做出来了。紧接着,咱们在水库进行了湖上实验,来验证这种机器人能不能自在飞行,或许说它还有哪些问题需求改善。

在后续的这些年里,咱们不断地探究,不断地失败,不断地寻觅新的解决计划,终究做了五型的机器人,让它在极点环境,比方北极、马里亚纳海沟都得到了实践使用。

现在咱们来谈一谈这种混合水下机器人(ARV)是如何在北极和马里亚纳海沟作业的。

提到北极,咱们或许想到的便是被海冰覆盖着的、白雪茫茫的一片冰雪国际。确实,北极是一个冰的国际,但厚厚的海冰下是一片海洋。

水下机器人在北极得到使用,要面对几个应战。极地是一个高寒区域,水下机器人全部的元器件都要耐得住低温;极地仍是一个高纬度区域,在北极极点,全部的导航设备、磁的设备都会失灵。


还有一个应战,北极的海冰并不是固定在海面不动的,海冰跟着时刻在漂移,所以你今日到的当地,明天假如想再去,没有好的导航体系帮助,你或许就去不了了。

但是,科学家们期望咱们能够让水下机器人在北极看一看海冰的散布状况,由于极地气候是导致全球气候变暖的首要因素,科学家们想经过研讨极地海冰消融的速度来了解它对全球气候的影响。

机器人做出来之后,咱们总共参加了三次北极科考。2008年,榜首型的北极ARV体系完结研发作业。由于9月份“雪龙”号要前往北极,所以春天咱们已经将机器人成功研发出来了。接着,咱们在水库进行了模拟海冰状况的湖上实验。其时在国内咱们找不到有像北极海冰那么厚的冰的海域,所以只能经过湖上实验来测试机器人的体系。

但机器人到了北极具体该怎样用,咱们却拿不太准,究竟连人类都很少去北极。考虑到咱们没有在北极使用水下机器人的实操经历,榜首次用的时分,咱们找了一个相对开阔的海域,经过“雪龙”号搭载的“中山”艇把机器人放下去。经过视频咱们能够看到,机器人在海冰的边缘和底下飞行,那是科学家头一次看到北极海冰下的壮观现象。


还有一件有意思的作业,以往咱们做的水下机器人都是看海底或许水体,但这个机器人却是要向上看海冰,因而全部的传感器、观测设备都要向上装置,这样机器人在行走的时分,咱们才能够清楚地看到冰下的国际。

2010年,这一型机器人又参加了我国的第四次北极科考。有了前次的经历,这次咱们知道要找一个比较开阔的海域投进机器人,可实践上,找到这样的区域是十分困难的。

我的几个搭档花了三天的时刻凿了一个冰洞。冰洞的巨细约是2米×1米,海冰的厚度达1.8米,这个冰洞地点的纬度是北纬87度,而纬度最高便是90度,所以凿冰洞的作业难度也是相当大。

经过这个冰洞,咱们把水下机器人投进下去,待它履行完使命后,再把它从冰洞里收回起来,这就对机器人提出了很高的要求:完结使命后还要能回到原投进地。


经过这次北极科考,我的搭档们都觉得机器人的体积仍是大了些,凿冰洞也比较费时刻,下次再去的时分必定要把机器人做的小点。现在咱们看到的便是体积只要原来一半巨细的改善后的机器人。

2014年,咱们再次去了北极。有了前次的经历,这次咱们花的时刻就少多了。下图这便是机器人从冰洞口被投进下去的进程,经过机器人,咱们能够看到海冰下冰的裂缝以及海冰融池等诸多状况。


刚才跟咱们共享的是水下机器人在北极的使用状况,当初做机器人的时分,咱们想机器人还需求到另一个极点环境——海底深渊去看一看。咱们把深度为1000米的海域界说成深海,深度在6000米以上的海域就叫深渊了。

2014年,咱们的海斗深渊专项项目取得了中科院先导专项的赞助。深渊是一个又细又长的区域,从纵剖面看呈漏斗状,所以咱们把它形象地称为海斗深渊。

马里亚纳海沟是国际上迄今为止咱们所知最深的深渊,国际上许多科学家都想研讨这个海沟,深渊技能的展开和展开深渊科学研讨,都将面对巨大的应战。


关于从事机器人研发作业的咱们而言,规划一款机器人,让它到深渊去看一看,从而取得一些数据供科学家研讨海底深渊的生物、深渊的地质是十分有必要的。

过去的三年中,咱们阅历了许屡次实验,从实验室到湖上,从浅海到深海,实验一步一步走过来。在深渊环境,最大的技能难点便是耐压、抵挡漆黑以及寡营养。马里亚纳海沟是现在已知的国际上最深的当地,大部分水深在8000米以上,最大水深超越10000米,咱们的机器人必须要耐得住海底强壮的压力。


水深10000米的当地大气压大约是100兆帕,这是什么概念?1cm2要接受1吨的压力,而1cm2是多大?也便是咱们拇指指甲盖的巨细。指甲盖大的面积要接受1吨重的压力,恐怕任何物体到了深渊都会被压成饼吧!所以咱们研发水下机器人,最首要的便是要解决它的耐压问题,确保它能顺畅下潜到马里亚纳海沟的底部。

其实早在1995年,咱们就制作出了我国的榜首个6000米级的自主水下机器人,但从6000米到11000米还有5000米的压力难度等着咱们去霸占。经过许屡次的实验,计划推倒了重来,失败了再重新做,总算,咱们把机器人送到了深渊的底部,咱们把这一进程笑称为“走向深渊”。

下图显示的是“海斗”号做浅海实验时在水深几十米当地拍摄到的海参,以及3000米海试时拍摄到的海底生物图片。

下图是2017年水下机器人在马里亚纳海沟底部安全着底时实时传输的海底视频截图。其时,母船上的许多科学家都是榜首次看到深渊的现象,感觉像回到了远古时代,回到了那个以前从来没有人类去过的当地,看过经过光纤传输过来的深渊视频,咱们都十分振奋。图中的轨道便是“海斗”号在海底进行坐底飞行时留下来的,这个轨道也永远地留在了马里亚那海沟的海底。


做了这么多机器人,咱们更多的时分在想:未来的水下机器人会是什么样子?是遥控水下机器人ROV,仍是自主水下机器人AUV,仍是自主遥控水下机器人ARV?是它们三种的结合体,或是一种全新的机器人?全部皆有或许。但不管怎样,咱们能够用一句话归纳未来的机器人的展开方向——更深、更远、更强。

更深和更远咱们很好理解,便是机器人能在水下走得更深,能飞行得更远。咱们现在去了马里亚纳海沟,那里水深10000多米,以后机器人还将去更深的海域。现在机器人能够飞行上千公里,以后必定要飞行得更远才行。

关于更强,我觉得有许多方面的含义,比方,未来的水下机器人能够带着更强的作业东西,能够完结更复杂的海底作业,甚至不用人来遥控,而是自主地完结使命。

还有一种状况,便是彻底自主的机器人带着机械手完结复杂的海底作业。或许是仿生的机器人,跨介质的机器人,能够在水下巡游、在水面飞行、在空中飞行。要达到这样的意图,我觉得最重要的是智能,不是做一个彻底跟人类相同智能的水下机器人,而是赋予机器人更高的智能,这些经过技能的展开是能够完结的。

机器人智能的标志是什么?简单说,便是经过它本身带着的传感器感知水下的国际,经过这些传感器或许计算机操控体系知道自己在哪儿、要到哪儿去,从而做出入情入理的决议计划,到了指定区域,知道该怎样展开作业,这些便是机器人智能的表现。

这种智能或许表现在单个机器人上,也或许表现在一群机器人上,相同的机器人或不同的机器人经过合作完结复杂的水下作业使命。当然,还有或许经过人的意念来操控机器人,让它完结更为复杂的水下使命。

全部这些,我相信跟着技能的展开,在不久的未来都能成为实际,只不过这需求阅历时刻的磨炼,也需求科研作业者不断地进行探究和寻求。

本文由重庆水下作业采集