作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2021/1/8 11:27:41
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万米载人深潜的背后
“奋斗者”号上的超级大脑和双手

 

“如果将‘奋斗者’号比作一个人,那么智能控制系统就相当于人的大脑,两套全海深机械手就相当于人的双手。”这个比喻来自“奋斗者”号副总设计师、潜水器控制系统负责人赵洋。

近日,《中国科学报》采访了中国科学院沈阳自动化研究所(以下简称沈阳自动化所)参与“奋斗者”号研制和执行海试任务的团队代表,请他们来揭秘“奋斗者”号上的超级大脑和双手。

分秒必争 使命必达

随着我国深海科考进入万米时代,对深海技术装备提出了更高的要求。2020年5月,沈阳自动化所牵头研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器在马里亚纳海沟成功完成其首次万米海试与试验性应用任务,填补了我国万米级作业型无人潜水器的空白。

1976年出生的赵洋先后参与了“蛟龙号”“深海勇士”号和“奋斗者”号三代载人潜水器的研制。他也是沈阳自动化所本次执行海试任务的领队,他说:“从立项到最终完成万米海试任务,我们用了4年半时间,分秒必争,使命必达。”

2020年11月10日,赵洋与两位潜航员执行了首次挑战万米最深点的深潜任务,并创下了10909米的中国载人深潜新记录。

赵洋介绍,基于数据与模型预测的在线智能故障诊断、在线控制分配的容错控制以及海底自主避碰等功能,“奋斗者”号控制系统提高了潜水器的智能程度和安全性,并采用基于神经网络优化的算法实现了大惯量载体贴近海底自动匹配地形巡航、定点航行及悬停定位等高精度控制功能。其中,水平面和垂直面航行控制性能指标达到国际先进水平。

赵兵于2014年加入沈阳自动化所参加工作,他全程参与了“深海勇士”号和“奋斗者”号两代载人潜水器的研制,也是这两代载人潜水器的控制软件负责人和主驾驶试航员。

如何让几十吨重的庞然大物在水下实现高精度的控制?推进器与抛载故障能否实现在线诊断?怎么解决定位信息下传周期长、定位数据稀疏的问题?潜水器坐底组合导航累计误差如何消除?……在“奋斗者”号潜水器的研制阶段,赵兵带领软件组团队加班加点,先后解决了上述难题,完成全部控制软件的研发工作。

自主研发 打破垄断

除了控制系统这个超级大脑,沈阳自动化所还为“奋斗者”号潜水器开展万米作业研发了两套液压机械手。

全海深主从伺服液压机械手副总师、沈阳自动化所副研究员霍良青介绍,由沈阳自动化所自主研制的这两套主从伺服液压机械手具有7个关节,可实现6自由度运动控制,持重能力超过60公斤,能够覆盖采样篮及前部作业区域,具有强大的作业能力。

“这两套机械手很有原则,正确的指令它们会执行,错误的指令它们会拒绝执行,下手下手稳准狠,不错过取样目标。”霍良青说。

海试期间,这两套液压机械手在深渊海底顺利完成了岩石、生物抓取及沉积物取样器操作等精准作业任务,填补了我国应用全海深液压机械手开展万米作业的空白。

霍良青透露,沈阳自动化所自主研制的深海机械手先后为“深海勇士”号、“奋斗者”号提供了核心作业工具,打破国外垄断,实现了核心器件由依赖进口向出口的逆转。

此外,沈阳自动化所为“奋斗者”号研制了两部电动观测云台,该云台突破了超高压环境下高精度传动控制,高紧凑度一体化设计等技术瓶颈,能够搭载多部科考设备实现全向水下观测,为深渊科学研究提供全场景观测资料。

“奋斗者”号海试领导小组成员、沈阳自动化所副所长李硕表示:“沈阳自动化所在全海深平台研制、控制与作业技术研发能力的不断进步,为我国全面进入万米科考新时代奠定了坚实的技术基础。”

不畏艰难 勇往直前

3米的海浪到底有多壮观?沈阳自动化所助理研究员孟兆旭是“奋斗者”号载人潜水器海试期间控制系统维护和保障人员,作为一个北方人,他对所谓3米高的海浪没什么概念,此前他唯一一次出海还是基本风平浪静的第一阶段海试。

当“探索一号”母船刚驶离三亚南山港码头时,孟兆旭便感受到了台风的威力,他们遇到的是最大浪高达到10米的十级海况。他说:“无休无止的超重、失重和前后左右各个方向无规则的摇晃,我整个人陷入了一种混沌的感觉,好像身体里的液体都在随船摇晃,随时都有可能迸发出来。”

海试期间,孟兆旭的主要工作是负责“探索一号”母船舱内显控软件以及虚拟环境仿真软件、水面监控软件和数据分析软件等水面软件设备的维护,并随时观测“奋斗者”号载人潜水器的设备状态和运动趋势,配合各水面岗位人员,保证下潜任务的顺利完成。

除了恶劣的海况,令孟兆旭印象深刻的是唯一一次夜潜。他介绍道:“由于作业区内即将形成一个台风,在原定计划下潜的前一天下午我们临时决定进行夜潜以躲避台风。然而,“奋斗者”号载人潜水器要进行一次万米级的下潜任务,整个通电检查、布放、水下作业、回收的过程需要10多个小时,而水面监控岗位需要在潜水器通电检查之前就位,在潜水器回收至甲板后方可离开。”

这份执着的背后也离不开家人的支持,为了参加海试,“90后”孟兆旭将已经定好的婚期推迟了一年。

2020年年初,在疫情最严重的时候,赵兵带队前往无锡参加“奋斗者”号为期78天的水池试验。“早上9点进舱,晚上9点出舱,下潜时舱内的温度最高达到36摄氏度,湿度超过80%。”在这种狭小拥挤的桑拿环境下,赵兵作为主驾驶完成了20次下潜试验。

白天赵兵在潜器内进行控制算法调试、参数测定,晚上出舱后他还要连夜分析下潜数据,判断算法调试的效果,并进行改进,准备第二天继续调试。他感叹道:“功夫不负有心人。水池试验的结果是,我们的自动航行控制精度全部优于设计指标。”

 
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