2015年及以前

中国网(2016.02.25):专访“潜龙二号”控制软件负责人徐春晖:航向精度能达1度

撰稿: 沈阳自动化研究所 发布时间:2016-02-26

  中国网225日讯(记者 孙洁 葛蕾 舒珺)“把机械载体和电器集成后赋予它生命,给它灵魂,相关软件也像神经系统或者血液一样提供感知能力,让它能够真正的成为一个人。”来自中科院沈阳自动化研究所的徐春晖这样向记者描述水下机器人的智能化,作为4500米级深海资源自主勘查系统(以下统称潜龙二号)控制软件负责人,徐春晖有着技术人员的严谨和平易近人,并用形象的比喻介绍了“潜龙二号”包括高智能控制、避碰控制、故障检测与应急处理等方面的内容。 

  “潜龙二号”软件的智能化水平体现在哪些方面? 

  潜器所有的功能最后都是软件赋予它,而电器和机械装置则是软件运行的平台。 

  作为水下机器人,“潜龙二号”的软件是按照人的架构,进行分层设计,共分为智能层、行为层和设备驱动层。每一层都有很多模块,智能层发挥使命规划、智能监控等作用。行为层就是航行控制,包括数据采集、记录、故障处理,驱动层是传感器、数据的采集和执行机构的指令的执行, 

  这三个层与层之间的协作在徐春晖的口中有了更为清晰的比喻:如果一个人去超市,会预先设想该怎么前往,制定路线计划,那么“潜龙二号”作为自主勘查系统在进行探测时也会进行任务规划,分为在线和离线两种情况,离线时有人来参与,把规则输入进去,在线时潜器会根据环境情况自动决策,一旦潜器遇到突发情况就会触发相应规则,并自动作出反应,这就体现了它的智能化。 

  决策出一个线路后就是行为层的任务了,选择如何去,回到上边去超市的比喻中,行为层就是选择步行这种方式前往,对于潜器来说,就是在勘查过程中要用什么样的探测设备、采用什么样的航行控制方式。 

  第三步就是设备驱动层去驱动电机运转执行实际动作,也就是去购物,人要迈开双腿一步一步的走到超市。 

  “目前潜龙二号在南海试验时各方面比较稳定,能够按照规划的航迹把探测任务很好的完成”徐春晖告诉记者:“在南海第一次下潜试验时海况变差,布放回收时对潜器跟海水之间的冲击预估不足,造成舵机输出轴折断,后来及时调整布放方法和软件,在每次下潜之前,把舵自动打到跟海水垂直的角度以免受到冲击。” 

  正是在徐春晖跟其他同事的耐心调整和不断努力,发现问题在现场第一时间解决,目前“潜龙二号”航行的定深、定高都能达到±0.2米,航向精度能达到±1度,导航精度能达到0.5%,已满足各项指标,达到预期。 

  大洋40航次上徐春晖在专注工作(摄影舒珺) 

  避碰控制系统大胆创新 

  为应对水下复杂的地形地貌,“潜龙二号”大胆创新,在国内首次采用前视声呐作为避碰控制设备,这是一种成像声呐,即把数据采集进来后,通过图像处理方式来识别障碍和周围环境,结合避碰策略,下达紧急转向、紧急变深或变高以及跟踪策略,在解除危机后,会通过在线路径规划引导潜器回到正确的轨迹上,使其继续正常的执行任务。 

  据徐春晖介绍,之前在湖试的时候对潜器的避碰算法进行过考核,在复杂地形上航行时能够保证自身安全的情况下,达到拍摄水下图像的目的。 

  随着跟海洋科学家们的沟通,徐春晖和他的同事对避碰系统也有了更为深入的认识。以前做避碰时,一旦遇到障碍会让潜器在水平方向上绕行,但是针对这台“潜龙二号”AUV,因为它以勘查为目的,所以会在垂直方向上争取先能达到绕开障碍的目的,从这一点上能够感受到徐春晖认识的创新和转变。 

  对于即将奔赴的西南印度洋热液硫化物区,也将要对潜器的这个功能进行测试、考核,因为潜器首次进入该区域,面对复杂的地形,系统功能的发挥会面临很大挑战,徐春晖告诉记者:“最大的困难是避碰,我们的潜器是近底航行,相当于飞机的超低空飞行,避碰的目的就是确保潜器的安全,对潜器的避碰决策、航行机动性以及故障检测与处理都有很大考验,希望这次出海潜器在安全的前提下把任务完成好。” 

  故障检测划分优先级 潜龙二号“突发生病”仍能坚持完成任务 

  AUV集成了大量的传感器和执行机构,每个设备都有自己的数据状态和通讯系统,潜器会对它们进行周期性巡检,按照问题的紧急程度划分优先级。“还是以去超市为例,在去超市的过程中,不小心把脚崴了,如果不是很严重,并且要买的东西对我还很重要,那就可能继续把购物完成。针对潜器来说,如果某些设备发生了故障,但不影响计划,而且还能继续执行任务,就会继续完成它的工作。但如果一些故障比较严重,比如去超市的途中发现钱包忘带了,直接导致采购计划泡汤,那就没法继续进行,换言之,潜器在做近底微地貌探测时,假如声学微地貌传感器坏了,那这个任务可能没法进行,就只能把潜器回收回来”徐春晖以超市为例形象的给记者描述了故障检测系统的工作状况。 

  在早期实验的时候,一般来说只要出现故障的话,为了保险就让潜器停止水下工作,先把故障解决掉,但如果要是在实际探测任务中出现一点无关紧要的故障,则能让它带病工作,就尽量先把勘查工作任务完成,回来后再解决问题。 

  在控制软件的设计开发中离不开一个“秘密武器”——半物理仿真平台,他相当于一个模拟器,改正的功能会在模拟器上进行验证,如果功能完全正确才会在实航中把它下载到潜器上,让它执行任务。徐春晖通过手势给记者形容道:“这模拟器像飞行员使用飞行模拟器一样,是自动驾驶平台,我们给它提供了虚拟的海洋环境和虚拟的传感器,然后用一台与潜器上完全一样的自动驾驶单元,让程序在这上面运行。” 

  此外,“潜龙二号”的四个舵板和推进器是可以回转的,这样潜器操控起来余度非常大,因此徐春晖告诉记者,在执行不同任务时,会用不同推力分配的原则,这样即便某些推进机构发生故障,算法也会根据这种冗余设计自动适应,可以很好的完成任务。 

  “希望潜器能安全可靠,在平安的基础上把调查任务完成的越多越好!”徐春晖笑着向记者坦露内心对“潜龙二号”的期盼和希望。 

  “潜器的工作状态决定我们的工作、生活和时间。”作为先后参加五次海试的“硬汉”徐春晖坦言,在海上的时间很长,曾全程参与了6000米级AUV“潜龙一号”的所有试验,包括大洋29航次、大洋32航次的科考,也参加了去年“潜龙二号”的南海海试。在分享以往难忘的经历时,他告诉记者:“当初做潜龙一号时遇到过不少困难,经常是把潜器准备好了投放水里,没过半小时就因为故障上来了。我们在海上都是高湿高热的气候,有时刚想冲个澡,潜器就上来需要马上排查故障,这时候,潜器的工作状态决定了我们的工作、生活和时间。” 

  工作之余徐春晖与同事会一起放松一下,但是实施海上作业时就会非常忙,常常24小时连轴转,如果不是下水作业也都是在做技术准备,包括潜器的故障排查,海上的工作效率要求高,时间也非常宝贵,“我们一起去做试验的同事都是同吃同住,有时候大家在一起的时间比跟家人相处的时间都长,常年漂泊在外。跟潜龙二号的副总设计师赵宏宇一起做试验时,他的小孩非常小,家人问小孩他的爸爸呢,小孩就指着墙上的婚纱照,说那是爸爸,其实想想都挺不容易的”徐春晖跟记者分享说,在海上做试验还经历过一次中秋节,船上组织文艺活动,丰富了大家的海上生活,当时虽然很想家,但是跟同事一起过节,像一家人一样非常难忘。 

  在采访接近尾声时,徐春晖告诉记者,这次奔赴西南印度洋遇到恶劣海况,对自身身心和潜器都是一种考验,希望潜器能表现出色,圆满完成任务。