水下機(jī)器人“海龜”誕生記

近日，在南海的晨光中，一臺(tái)直徑約70厘米的水下機(jī)器人以優(yōu)雅的弧線潛入碧波。它緊貼海底，距珊瑚礁盤僅幾厘米，輕巧游動(dòng)，四周沉積物只泛起細(xì)微漣漪。即便魚群突然掠過(guò)，它也能靈巧扭動(dòng)，從縫隙中穿梭而過(guò)，宛如海底飛盤般敏捷。

這是哈爾濱工程大學(xué)船舶與工程學(xué)院王剛教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的敏捷型水下機(jī)器人“海龜”的真實(shí)工作場(chǎng)景。它不僅實(shí)現(xiàn)了近海底環(huán)境觀測(cè)的厘米級(jí)突破，更以靈動(dòng)身姿顛覆了傳統(tǒng)水下機(jī)器人“笨拙”“僵硬”的刻板印象，開啟一個(gè)更加精準(zhǔn)、高效、環(huán)保的水下探測(cè)新時(shí)代。

沉積物干擾降低90%

“我們的深潛器每次抵達(dá)海底，都要先等沉積物散去才能工作，這個(gè)過(guò)程需要很長(zhǎng)時(shí)間?！痹谝淮螌W(xué)術(shù)會(huì)議上，王剛聽到這句抱怨時(shí)，職業(yè)敏感讓他心頭一震。

在水下機(jī)器人領(lǐng)域深耕十余載，王剛深知傳統(tǒng)底棲機(jī)器人地形適應(yīng)能力弱，螺旋槳攪起的泥沙會(huì)破壞海底生態(tài)，更讓觀測(cè)數(shù)據(jù)蒙上“迷霧”。而全球珊瑚礁正以驚人速度退化，受限于暗流與深度，潛水員每年僅有兩次觀測(cè)時(shí)間窗口，且無(wú)法觸及深水區(qū)，然而傳統(tǒng)水下機(jī)器人觀測(cè)效果又不盡如人意。

王剛團(tuán)隊(duì)將目光投向海洋生物，仔細(xì)研究了數(shù)十種海底動(dòng)物后，從海龜?shù)耐七M(jìn)方式中找到了靈感。團(tuán)隊(duì)成員劉開鑫回憶：“我們發(fā)現(xiàn)海龜傾斜拍動(dòng)前肢的推進(jìn)方式，既能減少水體擾動(dòng)，又能保持高效推進(jìn)?！?/p>

將這一生物特性轉(zhuǎn)化為技術(shù)方案并不容易。“在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的形狀和推進(jìn)器布局都會(huì)影響其上升速度，但無(wú)前例可借鑒?！眲㈤_鑫說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)決定利用數(shù)學(xué)方法來(lái)探究其內(nèi)在原理，建立機(jī)器人、推力和速度之間的數(shù)學(xué)模型。“這個(gè)模型不僅為珊瑚觀測(cè)機(jī)器人提供了量化依據(jù)，而且對(duì)于其他有類似需求的水下機(jī)器人也具有參考價(jià)值。”王剛解釋道。

在隨后的半年多時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗后，最終推導(dǎo)出了機(jī)器人低擾動(dòng)航行性能與推進(jìn)器布局以及機(jī)器人外形參數(shù)之間的數(shù)學(xué)公式。當(dāng)電腦屏幕上顯示出性能提升的曲線時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室都為之沸騰。

這一公式為科研人員提供了極大的便利。在研發(fā)初期，他們就可以通過(guò)這一公式預(yù)測(cè)并確定機(jī)器人構(gòu)型的低擾動(dòng)性能，無(wú)須在實(shí)際機(jī)器人上進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證。這極大地提高了研發(fā)效率。

對(duì)比試驗(yàn)中，傳統(tǒng)水下機(jī)器人靠近海底時(shí)激起半米高的泥沙云，而“海龜”機(jī)器人憑借其精準(zhǔn)布局的推進(jìn)器，幾乎在航行時(shí)不泛起漣漪，沉積物干擾降低了90%。

這項(xiàng)成果讓國(guó)際同行驚嘆：原來(lái)水下觀測(cè)可以如此“溫柔”。

穩(wěn)定性提升7.16倍

2022年寒冬，實(shí)驗(yàn)室里回蕩著金屬撞擊聲。劉開鑫手握布滿劃痕的傳感器外殼，盯著屏幕上劇烈波動(dòng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)4公斤配重突然撞擊機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人一邊前行一邊下墜，直到觸底。他調(diào)大了參數(shù)，但機(jī)器人頻繁點(diǎn)頭，波動(dòng)實(shí)驗(yàn)也因觸底而宣告失敗。

傳統(tǒng)水下機(jī)器人在航行過(guò)程中需保持一定高度，以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。然而，“海龜”機(jī)器人需為珊瑚觀測(cè)服務(wù)，必須貼近海底工作，距離珊瑚不超過(guò)1米，以便準(zhǔn)確捕捉顏色細(xì)節(jié)。這要求機(jī)器人必須具備超高靈敏度，能夠瞬時(shí)調(diào)整姿態(tài)。

“就像站在圓球上保持平衡一樣，前傾或后倒仍能保持穩(wěn)定，是因?yàn)槲覀兡芨兄阶兓?。”王剛解釋說(shuō)，團(tuán)隊(duì)需要讓機(jī)器人學(xué)會(huì)這種瞬時(shí)感知，以確保在貼地飛行時(shí)不會(huì)觸底發(fā)生意外。

想要提高機(jī)器人對(duì)外界的感知能力，計(jì)算角加速度是一個(gè)很有效也很直接的手段。但直接獲取角加速度需要進(jìn)行微分，這個(gè)過(guò)程不可避免會(huì)放大傳感器噪聲。在傳感器回傳頻率為200赫茲時(shí)，微分操作會(huì)將噪聲放大200倍。在一次例會(huì)上，王剛用粉筆在黑板上畫出誤差傳遞鏈，團(tuán)隊(duì)意識(shí)到必須徹底顛覆測(cè)量架構(gòu)。

轉(zhuǎn)折發(fā)生在幾天后。劉開鑫突發(fā)靈感：如果將測(cè)試點(diǎn)移至機(jī)器人兩端，并用半徑乘以切向加速度，是否可以直接獲得角加速度？加上中心點(diǎn)的測(cè)量，他稱之為“三點(diǎn)慣性測(cè)量感知方法”。王剛決定：“立即搭建驗(yàn)證平臺(tái)！”

團(tuán)隊(duì)迅速將這一創(chuàng)意付諸實(shí)驗(yàn)。他們將機(jī)器人放在桌面上，輕輕拍動(dòng)桌面。雖然力度很小，但在屏幕上顯示了傳感器傳來(lái)的波動(dòng)數(shù)據(jù)。王剛說(shuō)，搭載了三點(diǎn)慣性測(cè)量感知方法的機(jī)器人相比傳統(tǒng)控制方式，數(shù)據(jù)噪聲降低了約76.2%，響應(yīng)時(shí)間縮短了1.1倍，傾角控制的穩(wěn)定性提升了7.16倍。此外，機(jī)器人還采用了角加速度反饋控制，能夠盡可能靠近海底而不觸底。

在隨后的載荷實(shí)驗(yàn)中，“海龜”機(jī)器人在面對(duì)4公斤的沖擊載荷時(shí)，能夠瞬時(shí)向上傾斜以補(bǔ)償失位情況。無(wú)論是沖擊載荷還是連續(xù)載荷，它都能在0.45秒內(nèi)完成姿態(tài)修正。

姿態(tài)可調(diào)整360度

海底環(huán)境復(fù)雜多變，凹凸不平，障礙物眾多。如何使機(jī)器人持續(xù)貼底并近距離運(yùn)動(dòng)，即使在崎嶇地形中也能靈活穿梭？這一難題困擾團(tuán)隊(duì)許久。

傳統(tǒng)水下導(dǎo)航依賴“定點(diǎn)跟蹤”模式，就像地面車輛按既定路線行駛。“它們只能前進(jìn)、后退、上升、下降，如果我們想讓它在一個(gè)狹小的縫隙間側(cè)身穿過(guò)，就必須在算法上進(jìn)行革命性創(chuàng)新?！蓖鮿傉f(shuō)。

團(tuán)隊(duì)成員提出，將機(jī)器人的姿態(tài)信息融入算法中。這一改變或許能讓機(jī)器人像章魚觸手般靈活，實(shí)現(xiàn)360度自由調(diào)整姿態(tài)。

王剛解釋：“如果說(shuō)傳統(tǒng)水下機(jī)器人的跟蹤算法就像僅靠一根手指指引方向，姿態(tài)信息則如同手腕，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全向旋轉(zhuǎn)。”

經(jīng)過(guò)半年攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)成功在跟蹤算法中引入了姿態(tài)約束算法，使航行器姿態(tài)與環(huán)境碰撞關(guān)系深度融合，從而大大提高了機(jī)器人的敏捷性。這一創(chuàng)新成果被國(guó)際期刊《自然·通訊》雜志贊譽(yù)為“開辟了敏捷型水下機(jī)器人的新方向”，使近海底環(huán)境觀測(cè)距離達(dá)到了厘米級(jí)別。

那么，敏捷型機(jī)器人到底有多敏捷呢？團(tuán)隊(duì)通過(guò)一場(chǎng)“水下雜技”表演為我們揭曉答案。

在實(shí)海測(cè)試中，科研人員在海底設(shè)置了一個(gè)寬度1米、高度0.8米的異形框架，讓懸掛繩索的“海龜”機(jī)器人在該框架上完成打結(jié)任務(wù)。這對(duì)于寬度0.93米的“海龜”來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)極限挑戰(zhàn)。然而，“海龜”機(jī)器人卻從容不迫，迅速完成了一系列動(dòng)作，整個(gè)過(guò)程僅用時(shí)3分鐘。

看到這一幕，行業(yè)專家對(duì)這個(gè)“國(guó)際首臺(tái)敏捷型”水下機(jī)器人交口稱贊?！昂｝敗睓C(jī)器人360度的靈活運(yùn)動(dòng)，成功突破了水下航行器在海底復(fù)雜地形全域機(jī)動(dòng)的技術(shù)瓶頸。專家們認(rèn)為，“海龜”機(jī)器人不僅能用于觀測(cè)珊瑚，還能在水下捕撈、搜救等方面發(fā)揮重要作用。

目前，團(tuán)隊(duì)正在為“海龜”機(jī)器人增添更多功能。他們計(jì)劃為其搭載微距攝像頭，以捕捉珊瑚蟲的呼吸動(dòng)作；并配備機(jī)械臂，使其能定點(diǎn)駐留觀測(cè)，變成一個(gè)“海底監(jiān)控站”。王剛對(duì)“海龜”機(jī)器人的未來(lái)應(yīng)用充滿期待。比如，在深海采礦中，“海龜”機(jī)器人可以多臺(tái)協(xié)同作業(yè)，通過(guò)搭載大模型精準(zhǔn)定位礦源，既提高開采效率，又保護(hù)海底生態(tài)。

(責(zé)編：郭思邈、楊迪)