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康守权:水下机器人技术创新发展之路
发布时间:2018-10-26 来源: 【字号:  

  随着改革开放的全面启动和深入发展,科学春天的来临,以蒋新松院士为代表的科学家们凭着对事业的执著追求,以高瞻远属的科学眼光,坚信在我国海洋发展战略中广泛采用水下机器人技术是必然选择,必赢贵宾会率先确定并开展水下机器人技术的研究。从此,在波澜壮阔且充满艰辛的水下机器人技术创新发展道路上,许多科技工作者呕心沥血、负重前行。目前,我所水下机器人技术已经实现了跨越式发展,跻身于世界先进行列。作为水下机器人研发队伍中的一员老兵,我见证了中国水下机器人技术的纵横发展。

  水下机器人刚诞生时,并没有受到人们的普遍重视。直到上世纪八十年代初,由于军事和海底石油开发的需要,国外水下机器人技术才飞速发展起来,当时我国在水下机器人方面几乎是一片空白。我所瞄准这一前沿技术,组织了全国最大规模的水下机器人研究队伍,开展“智能机器在海洋中的应用”的可行性研究,确定以“海人一号”水下机器人样机作为主攻目标。

  通过科学家们的勤奋工作和全国几个单位跨行业的大协作,攻克了水下机器人的多项尖端技术难关。1986年12月,“海人一号”在南海试验获得成功,这是我国第一台水下机器人样机。国内有关专家学者认为,“海人一号”的立项有科学战略远见,在技术上达到八十年代同类产品的国际水平。这一成果为我国的水下机器人事业奠定了基础。

  根据当时的技术水平,蒋新松等科学家们敏锐地认识到,只有站在巨人的肩上才能看得更远、摸得更高、发展得更快!充分借鉴国外的先进技术,可使我国水下机器人技术迅速提升。于是,确定了走“以国内技术成果为基础、以国际合作为高起点、以自主创新为主体”的发展战略。

  首先是与美国派瑞公司的合作。1986年,所里先后派遣12名具有多个专业背景的技术人员赴美,历时近6个月。在这次技术合作中,主要针对当时技术先进、性能可靠、应用记录非常可观的中型水下机器人,即RECON-IV系统的技术引进。

  功夫不负有心人,不到半年的时间,成功引进了RECON-IV系统,使我国水下机器人的发展实现了一次飞跃。在此后的研发过程中,我们更加深刻地体会到,就当时的世界技术水平来说,该系统在对外部约束条件、规范的应用、功能的确定、参数的选择、机械和控制的设计,以及维护的要求等方面都科学合理,基本可以做到无懈可击。对目前的水下机器人开发,至今仍有借鉴和参考价值。

  随着世界工业的飞速发展,人类对矿产资源的需求日益增长。为完成这一使命,从1992年开始,在国家“863计划”支持下,协同院内外科技人员与俄罗斯海洋技术问题研究所开展技术合作,成功联合研发了CR-01和CR-02两型6000米自治式水下机器人。为了适应海底通信业发展的需要,又于上世纪九十年代末期,与意大利Sonsub公司进行技术合作,联合开发了海底行走式水下机器人,既“海星”号自走式海缆埋设机。

  为保证持续创新发展,我所于1988年正式组建了“水下机器人研究与开发工程部”,集中了三十余位优秀的科学家和工程技术人员,专门从事水下机器人的研究、设计、生产和实际应用。在全世界水下机器人技术飞速发展的年代里,为国内水下机器人技术的发展,也写下了浓墨重彩的篇章。

  有缆遥控式水下机器人,常称之为遥控潜水器(简称ROV),著名的RECON-IV系统就是典型的有缆遥控式水下机器人。这种水下机器人能够在水下环境中长时间作业,尤其是在潜水员无法承担的高强度水下作业和潜水员不能到达的深度以及危险条件下作业,更显现其优势。操作手在水上控制室内,能够通过摄像机观察海底世界,宛如亲临其境,能够通过机械手和其它水下工具完成繁重的、精确的、复杂的、长时间的水下作业任务。

  在几年时间内,我所共研制成功包括有RECON-SIA-300、“金鱼号”、“海潜I号”、海潜II号”、“海极号”等多种级别的有缆遥控式水下机器人。它们有的销往国外,有的用于海洋综合调查,有的用于石油钻井平台技术服务,有的用于水电站大坝和港口码头的监察,有的用于沉船沉物的打捞,有的用于援潜救生。

  在此期间,具有典型意义的是2001年12月完成的“海潜II号”有缆遥控式水下机器人,这是一台作业型水下机器人。相对RECON-IV系统来说,在技术上实现全方位、大踏步提升,如驱动功率(水下载体功率)由4HP提高到20HP;功能由观察型发展为多功能作业型;驱动方式由电机直接驱动改为电机-液压驱动;控制也有模拟控制发展为数字控制,等等。这是一台根据多年技术积累和设计经验研发的具有全部自主知识产权的有缆遥控式水下机器人。“海潜II号”的研制成功,使得国内外同行和相关领导确信,我所已经从仿造到制造,从制造到创造,成长并具备创新开发新型任何有缆遥控式水下机器人实力。自此,诸多创新技术成果和新装备相继研发成功。

  “海星号”自走式海缆埋设机是海底爬行式水下机器人,属于有缆遥控式水下机器人,与意大利Sonsub公司联合研制,专门用于海底光缆埋设,是国家急需的高技术设备。该项目起点高、难度大、技术复杂,涉及计算机综合控制、自动跟踪与驾驶、海底爬行机理、水下载体结构、水下挖掘及其工具和水动力等高新技术,具有大功率、大深度、强作业能力的特点。“海星号”的研制过程是一个自主创新过程,不仅填补了国内空白,而且在技术上达到了国际先进并部分达到了国际领先水平,是水下机器人发展过程中又一项具有标志性意义的重大成果,也为后续研制重型遥控水下机器人打下了基础。

  自治式水下机器人,又称无缆水下机器人(简称AUV),由于没有脐带缆的约束,对母船的依赖性较小,且作业范围大,灵活性强。由于海洋的特殊环境,人们对于自治式水下机器人更希望或更需要其有强大的自主能力,如对环境认知、推理、决策、规划、学习和合作能力。随着人类对矿产资源需求的日益增长,许多发达国家对海洋极其关注,特别是公海资源的勘察和占领更是热点。针对这一使命,研制自治式水下机器人是明智的选择。

  在国家“863计划”支持下,集国内近百名科技人员开展了我国第一台无缆自治式水下机器人——“探索者”号的研究开发工作。1994年10月28日,经过四年的艰苦拼搏,“探索者”号在西沙群岛海域成功下潜到1000米深处,成为我国水下机器人挺进深海的先驱者。有关专家一致认为,“探索者”号无缆自治式水下机器人整机功能、主要技术性能指标,均达到国际同类水下机器人九十年代最先进水平,填补了国内空白,标志着我国自治式水下机器人技术已走向成熟。

  开拓者们当然不会满足于水下机器人下潜1000米的目标,而是瞄准了更大深度。与俄罗斯专家密切合作,顺利完成“CR-01”6000米自治式水下机器人的设计、制造、装调、模拟试验、水池试验、浅海和深海试验与应用工作。

  “CR-01”6000米自治式水下机器人,曾于1995年8月和1997年5月先后两次赴太平洋5300米深的我国开辟区,圆满完成了海底多金属结核资源丰度调查任务,获得了清晰的海底录像、照片和声呐浅地层剖面图。1999年3月22日,《科技日报》头版头条报道“中国已具备全面研究开发海洋的实力”,对该水下机器人作了恰如其分的评价。6000米自治式水下机器人太平洋调查的成功,使我国能够对除海沟以外占世界海洋面积97%的大洋海底进行精确、高效和全覆盖地观察、测量、储存以及进行实时信息传输,同时还建成了由资源库、环境库和文件库组成的“大洋矿产资源研究开发数据库”,为中国成为“先驱投资者”和在新世纪开拓大洋资源,提供了强有力的技术手段。“CR-02”6000米自治式水下机器人是基于“CR-01”的新一代6000米自治式水下机器人,其性能大幅度提高,可用于在国际深海山区经济价值更高的钴结壳资源丰度调查。

  在全面掌握了深水自治式水下机器人技术基础上,必赢贵宾会联合国内多家单位,历经近十年时间,研究并突破了智能控制、精确导航、高效能源应用、海洋环境观测、海底地形地貌探测等关键技术,历经上百次湖上和海上试验,于2010年研制成功我国首型长航程自治式水下机器人,创造并多次刷新了我国AUV一次下水连续航行距离和航行时间的纪录,标志着我国已全面掌握长航程自治式水下机器人技术,迈入国际先进水平。

  在水下机器人技术发展历程中,必赢贵宾会实践了从概念到研究、从研究到开发、从开发到产品、从产品到市场应用的技术创新全过程,同时也造就了一支以献身、求实、协作、创新为价值观的科研队伍。他们坐下来能写(搞科研开发)、站起来能讲、挽起袖子能干,一直被誉为一支勇于创新的“敢死队”!

  水下机器人的研制离不开海试,每次海试都是一次考验。对于海试,必须精心策划,准确实施;既要保证试验成功,同时也要确保人员与设备安全。浩瀚的汪洋大海,时而风急浪高,时而骄阳似火,时而大雨倾盆。海上的波涛汹涌,海试队员胃内也倒海翻江,其条件恶劣难以想象,每次海试都是如此。在如同蒸汽桑拿房的甲板上,参试人员不但要克服晕船的痛苦,还必须完成各项试验任务,其中不乏繁重体的体力劳动和有生命危险的工作。皮肤晒掉了一层又一层,汗水出了一身又一身,一个信念就是要将试验做好!如果没有必胜的信念、顽强的拼搏精神和群体的凝聚力,就没有一次又一次的圆满成功,就没有科研工作的屡战屡胜,就不可能获得一项项开创性的科技成果。

  在短短的三十几年里,我所创造了水下机器人多项中国第一,已先后研制成功了从几十千克到百余吨,工作深度从几十米到六千米的数十台、多种型号的水下机器人。在海洋科学考察、海洋资源调查、海底石油开发、水下设备安装与维护等诸多领域获得成功应用,为探索海洋、开发利用海洋、维护国家海洋权益和加强国防现代化建设,做出了突出贡献!

  我作为亲历者,在水下机器人技术创新发展历程中,或是某项目的总师、副总师,或是某项目的主要参加者,一直勤勤恳恳、兢兢业业地工作,为祖国的科研事业奉献了几乎全部精力,无怨无悔!如今,虽已年近古稀,但仍坚持工作,认真总结归纳自己多年在科研工作中的技术积累、成功经验和失败教训,供新一代水下人借鉴。

  面对充满神秘、浩瀚无垠的大海,人们一直有强烈地探索愿望,但是没有技术的支撑,只能是望洋兴叹!而如今,由于水下机器人技术的出现和发展,已将人类的视觉和行为能力延伸进了海洋空间。在不久的将来,水下机器人将承载着人类的寄托和梦想,携带或代替人们巡游海洋的各个角落,去研究、开发和利用海洋。

  (注:因篇幅所限,原文有删减)

作者:

  康守权,男,1950年12月出生。1975年12月至2010年12月在沈阳自动化研究所工作,研究员。现已退休。

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