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歷史性突破——水下6000米無(wú)纜自治機(jī)器人
1997年6月，在煙波浩渺的太平洋，中國(guó)的“大洋1號(hào)”考察船停泊在夏威夷以東1000海里的海面上，5000噸的考察船就像一片樹葉似地，時(shí)而被海浪推上波峰，時(shí)而又拋到波谷�？疾齑系娜藗�?nèi)淌苤鴶z氏40度的高溫，站在搖晃的甲板上俯視著海面，正在焦急地等待著、尋找著什么�！翱�！上來(lái)了”，有人喊道。順著手指的方向人們看到了一個(gè)貌似魚雷的家伙浮出了水面，這正是人們急切盼望的“CR－01” 6000米水下機(jī)器人。
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“探索者號(hào)”水下1000米機(jī)器人 |
科學(xué)家們從機(jī)器人的機(jī)艙里取出一面鮮艷的五星紅旗，是它伴隨著機(jī)器人潛入5179米的太平洋海底。五星紅旗迎著海風(fēng)飄揚(yáng)，它向世人宣告，中國(guó)的6000米自治水下機(jī)器人的工程試驗(yàn)獲得了成功，它是我國(guó)成功發(fā)射的第一顆“返回式海底衛(wèi)星”，標(biāo)志著我國(guó)自治水下機(jī)器人的研制水平已跨入世界領(lǐng)先行列。
世界上第一臺(tái)無(wú)人潛水器"Poodle"誕生于1953年，迄今已有45年的歷史。最初的20多年發(fā)展緩慢。70年代，隨著海上石油開采的興起，水下機(jī)器人的發(fā)展掀起了高潮。這一時(shí)期開發(fā)出一批能在不同深度、可進(jìn)行多種作業(yè)的機(jī)器人。它們可用于石油開采、海底礦藏調(diào)查、打撈作業(yè)、管道鋪設(shè)及檢查、電纜鋪設(shè)及檢查、海上養(yǎng)殖以及江河水庫(kù)大壩的檢查等方面。估計(jì)目前世界上已研制成的遙控水下機(jī)器人（ROV）在1000臺(tái)以上。
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“探索者號(hào)”入海 |
中國(guó)機(jī)器人的發(fā)展起步較晚，它能有今天的成就與蔣新松院士的杰出貢獻(xiàn)是分不開的。1980年他提出“結(jié)合中國(guó)國(guó)情，把特殊環(huán)境下工作的機(jī)器人作為中國(guó)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的突破口”的設(shè)想，并提出把“智能機(jī)器人在海洋中的應(yīng)用”作為研究重點(diǎn)，選擇“海人1號(hào)”作為發(fā)展水下機(jī)器人的具體目標(biāo)�！昂Ｈ�1號(hào)”先后于1985及1986年獲得首航及深潛試驗(yàn)的成功，技術(shù)上達(dá)到80年代世界同類產(chǎn)品的水平。
1986年863計(jì)劃實(shí)施之前，我國(guó)研制的都是有纜遙控水下機(jī)器人，工作深度僅為300米。在863計(jì)劃精心組織下，經(jīng)過(guò)6年的艱苦努力研制出兩臺(tái)先進(jìn)的無(wú)纜水下機(jī)器人。1994年“探索者”號(hào)研制成功，它工作深度達(dá)到1000米，甩掉了與母船間聯(lián)系的電纜，實(shí)現(xiàn)了從有纜向無(wú)纜的飛躍。從1992年6月起，與俄羅斯科學(xué)院海洋技術(shù)研究所合作，以我方為主，開始研制6000米無(wú)纜自治水下機(jī)器人。1995年8月， CR-01 6000米無(wú)纜自治水下機(jī)器人研制成功，使我國(guó)機(jī)器人的總體技術(shù)水平躋身于世界先進(jìn)行列，成為世界上擁有潛深6000米自治水下機(jī)器人的少數(shù)國(guó)家之一。
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水下6000米無(wú)纜自治機(jī)器人 |
在海洋中，每下潛100米就增加10個(gè)大氣壓，這就要求機(jī)器人上的每一個(gè)部件都必須能承受住這么大的壓力而不變形、不破壞。6000米洋底的壓力高達(dá)600個(gè)大氣壓，在這么高的壓力下，幾毫米厚的鋼板容器會(huì)像雞蛋殼一樣被壓碎。而對(duì)于浮力材料，不僅要求它能承受住這么大的壓力，而且要求它的滲水率極低，以保證其密度不變，否則機(jī)器人就會(huì)沉入海底。
在高壓環(huán)境下，耐高水壓的動(dòng)態(tài)密封結(jié)構(gòu)和技術(shù)也是水下機(jī)器人的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人上的任何一個(gè)密封的電氣設(shè)備、連接線纜和插件都不能有絲毫滲漏，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)部件甚至整個(gè)電控系統(tǒng)的毀滅。
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水下6000米機(jī)器人下海 |
另外，由于無(wú)線電波在水中的衰減太快，所以在水中不能使用無(wú)線電通信、無(wú)線電導(dǎo)航及無(wú)線電定位，目前在水中的唯一通信手段是水聲技術(shù)。但是在水中的聲速還不及光速的二十萬(wàn)分之一，在水中聲信號(hào)的傳輸率極低，加上聲波在水中的散射、傳輸?shù)膿p耗以及回波的干擾等，使水聲設(shè)備的研制更加困難。當(dāng)前水聲通信的距離僅有10公里。如何利用新的信息處理技術(shù)研制出精度更高、誤碼率更低、作用距離更大的水聲設(shè)備，是水下機(jī)器人研究的又一關(guān)鍵技術(shù)。隨著通信距離的增大，水下機(jī)器人應(yīng)用的范圍也將擴(kuò)大。
紅外照相、遙感及遠(yuǎn)距離攝影等技術(shù)在陸地和空間已成功地應(yīng)用了，但由于光波在水中的散射、損耗和吸收，它的傳播距離大大縮短。目前最好的微光攝像機(jī)在最佳的水質(zhì)中的視距也不過(guò)十幾米。怎樣把水下機(jī)器人的“近視眼”變成“千里眼”，還有待水聲設(shè)備及光學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。水的密度和粘滯度比空氣高得多，海面的風(fēng)浪涌變幻莫測(cè)，海底又是千山萬(wàn)壑、暗流縱橫的黑暗世界，機(jī)器人在這樣復(fù)雜的環(huán)境中工作真是危機(jī)四伏。這使得機(jī)器人的航行控制、自我保護(hù)、環(huán)境識(shí)別和建模比航天器更困難。
水下機(jī)器人的回收至今仍是一個(gè)沒有完全解決的問題，尤其是在深海區(qū)的回收更加艱難。
水的粘度比空氣高，使得水下機(jī)器人能耗很大。特別是自治水下機(jī)器人（AUV）,它既不能采用太陽(yáng)能電池，也沒有臍帶纜不斷地供電，只能靠自帶的蓄電池，從而限制了它在水下的工作時(shí)間。因此開發(fā)應(yīng)用比能率高的新的能源，將是AUV向遠(yuǎn)程、大范圍作業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
CR-01水下機(jī)器人的本體長(zhǎng)4.374米，寬0.8米，高0.93米，它在空氣中的重量為1305.15公斤，它的最大潛深6000米，最大水下航速2節(jié)，續(xù)航能力10小時(shí)，定位精度10～15米。它是一套能按預(yù)訂航線航行的無(wú)人無(wú)纜水下機(jī)器人系統(tǒng)，它可以在6000米水下進(jìn)行攝像、拍照、海底地勢(shì)與剖面測(cè)量、海底沉物目標(biāo)搜索和觀察、水文物理測(cè)量和海底多金屬結(jié)核豐度測(cè)量，并能自動(dòng)記錄各種數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的坐標(biāo)位置。
CR-01主要由載體系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水聲系統(tǒng)及收放系統(tǒng)四大部分組成。由于它艏部裝有垂直推進(jìn)器和側(cè)移推進(jìn)器，因而機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，自動(dòng)定向定深快、準(zhǔn)、精，為聲光探測(cè)系統(tǒng)在深水中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性創(chuàng)造了極其有利的條件。機(jī)器人裝有長(zhǎng)基線聲學(xué)定位系統(tǒng)和GPS（衛(wèi)星定位系統(tǒng)），因此系統(tǒng)本體在深水中的運(yùn)動(dòng)軌跡清晰，并可通過(guò)長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)對(duì)本體實(shí)施8道控制命令。系統(tǒng)本體所載傳感器和探測(cè)系統(tǒng)齊全，可實(shí)時(shí)記錄下溫度、鹽分、深度等參數(shù)。機(jī)器人具有多CPU、多級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)，能方便地修改及編入程序，可預(yù)編程序航行，還可自動(dòng)記錄各種運(yùn)動(dòng)和功能及圖像參數(shù)（黑匣子）。發(fā)生局部故障或喪失自航能力時(shí)，它能自動(dòng)拋載上浮至水面，且自動(dòng)拋起應(yīng)急無(wú)線電發(fā)射天線和亮起急救閃光燈。機(jī)器人還有獨(dú)特的回收和釋放本體的收放系統(tǒng)。
CR-01系統(tǒng)的研制成功，使我國(guó)具有了對(duì)除海溝以外海域進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)的能力。1991年，中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)被聯(lián)合國(guó)批準(zhǔn)為第五個(gè)深海采礦的先驅(qū)投資者，承擔(dān)30萬(wàn)平方公里洋底的探測(cè)任務(wù)，并最終擁有對(duì)礦產(chǎn)資源最豐富的7.5萬(wàn)平方公里海域的優(yōu)先開采權(quán)。CR-01為此提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。繼1995年8月CR-01在太平洋完成深海功能試驗(yàn)之后，1997年5月20日到6月27日，又進(jìn)行了歷時(shí)39天的工程化試驗(yàn)，對(duì)太平洋底的多金屬結(jié)核礦進(jìn)行了調(diào)查。其中6月10日在水下近10小時(shí)，海底工作時(shí)間6小時(shí)，進(jìn)行了照相、側(cè)掃、淺剖、溫鹽測(cè)量，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了遙控，獲得大量調(diào)查資料，圓滿完成預(yù)定任務(wù)。
試驗(yàn)表明，CR-01水下機(jī)器人的長(zhǎng)基線聲吶定位系統(tǒng)可報(bào)告機(jī)器人的深度、高度和航向；機(jī)器人可根據(jù)水聲信道發(fā)來(lái)的遙控命令上浮、下潛、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和結(jié)束使命等，實(shí)現(xiàn)了自治水下機(jī)器人從預(yù)編程型向監(jiān)控型的轉(zhuǎn)變。
水下6000米無(wú)纜自治機(jī)器人獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，它的主要技術(shù)負(fù)責(zé)人——封錫盛副總師1999年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。
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