水下機(jī)器人“海龜”誕生記

近日，在南海的晨光中，一臺直徑約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，四周沉積物只泛起細(xì)微漣漪。即便魚群突然掠過，它也能靈巧扭動，從縫隙中穿梭而過，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)工作場景。它不僅實(shí)現(xiàn)了近海底環(huán)境觀測的厘米級突破，更以靈動身姿顛覆了傳統(tǒng)水下機(jī)器人“笨拙”“僵硬”的刻板印象，開啟一個更加精準(zhǔn)、高效、環(huán)保的水下探測新時代。

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，這個過程需要很長時間。”在一次學(xué)術(shù)會議上，王剛聽到這句抱怨時，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破壞海底生態(tài)，更讓觀測數(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時間窗口，且無法觸及深水區(qū)，然而傳統(tǒng)水下機(jī)器人觀測效果又不盡如人意。

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)海龜傾斜拍動前肢的推進(jìn)方式，既能減少水體擾動，又能保持高效推進(jìn)。”

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)過程中，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的形狀和推進(jìn)器布局都會影響其上升速度，但無前例可借鑒。”劉開鑫說。

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

在隨后的半年多時間里，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了無數(shù)次失敗后，最終推導(dǎo)出了機(jī)器人低擾動航行性能與推進(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，整個實(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，他們就可以通過這一公式預(yù)測并確定機(jī)器人構(gòu)型的低擾動性能，無須在實(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。

對比試驗(yàn)中，傳統(tǒng)水下機(jī)器人靠近海底時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，幾乎在航行時不泛起漣漪，沉積物干擾降低了90%。

這項(xiàng)成果讓國際同行驚嘆：原來水下觀測可以如此“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的數(shù)據(jù)。當(dāng)4公斤配重突然撞擊機(jī)器人時，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)器人在航行過程中需保持一定高度，以應(yīng)對突發(fā)事件。然而，“海龜”機(jī)器人需為珊瑚觀測服務(wù)，必須貼近海底工作，距離珊瑚不超過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！蓖鮿偨忉屨f，團(tuán)隊(duì)需要讓機(jī)器人學(xué)會這種瞬時感知，以確保在貼地飛行時不會觸底發(fā)生意外。

想要提高機(jī)器人對外界的感知能力，計(jì)算角加速度是一個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，這個過程不可避免會放大傳感器噪聲。在傳感器回傳頻率為200赫茲時，微分操作會將噪聲放大200倍。在一次例會上，王剛用粉筆在黑板上畫出誤差傳遞鏈，團(tuán)隊(duì)意識到必須徹底顛覆測量架構(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)的測量，他稱之為“三點(diǎn)慣性測量感知方法”。王剛決定：“立即搭建驗(yàn)證平臺！”

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，輕輕拍動桌面。雖然力度很小，但在屏幕上顯示了傳感器傳來的波動數(shù)據(jù)。王剛說，搭載了三點(diǎn)慣性測量感知方法的機(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4公斤的沖擊載荷時，能夠瞬時向上傾斜以補(bǔ)償失位情況。無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，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狹小的縫隙間側(cè)身穿過，就必須在算法上進(jìn)行革命性創(chuàng)新。”王剛說。

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)境觀測距離達(dá)到了厘米級別。

那么，敏捷型機(jī)器人到底有多敏捷呢？團(tuán)隊(duì)通過一場“水下雜技”表演為我們揭曉答案。

在實(shí)海測試中，科研人員在海底設(shè)置了一個寬度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)。這對于寬度0.93米的“海龜”來說，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作，整個過程僅用時3分鐘。

看到這一幕，行業(yè)專家對這個“國際首臺敏捷型”水下機(jī)器人交口稱贊。“海龜”機(jī)器人360度的靈活運(yùn)動，成功突破了水下航行器在海底復(fù)雜地形全域機(jī)動的技術(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作；并配備機(jī)械臂，使其能定點(diǎn)駐留觀測，變成一個“海底監(jiān)控站”。王剛對“海龜”機(jī)器人的未來應(yīng)用充滿期待。比如，在深海采礦中，“海龜”機(jī)器人可以多臺協(xié)同作業(yè)，通過搭載大模型精準(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)