除了島礁測繪海底勘察,中國無人艇還有哪些鮮為人知的黑科技?

第191位講者：羅均

上海大學機電工程與自動化學院副院長

上海機器人研究所所長

我是來自上海大學無人艇工程研究院的羅均，今天跟大家分享的題目是《水面之下》。

這是南海島礁水面之下的地形地貌圖，我們叫海圖。

中國有300萬平方公裡的海域面積，在這麼廣闊的海域之下，海圖對船舶航行，甚至對整個國家的海洋經濟和國防安全都是至關重要的事情。

對海圖的測量，我們一般通過海測船來進行。但是海測船吃水比較深，比如說海巡01，海巡166，以及我們的李四光號和錢學森號海測船。而中國300多萬平方公里海域裡面有很多島礁，據估計，東海有3500多個，南海有1700多個。

可是呢，有多達數十萬平方公裡的海域深度還不到5米，在這些島礁周邊測繪海圖，用海測船顯然是不行的，但是島礁周邊的海圖對中國的海洋權非常重要，這怎麼辦？

因為我們團隊從事的是機器人的基礎研究，所以我們採用了無人艇來解決這個問題。無人艇吃水很淺，能夠實現自主航行、自主避障、自主地進行島礁測繪。通過無人艇上的聲納發射聲波到海底或者暗礁再反射回來，再通過專門的聲吶測繪法，海底的地形地貌就出來了。

但是，無人艇對島礁的測繪，有幾個技術上的難點。

其中一個就是島礁周邊的水流紊亂，裂流、渦流都很多，給無人艇帶來很大的幹擾。因為聲納測繪，要求無人艇必須走直線。但是在島礁的周邊浪又很大，走直線特別困難。需要用抗湧流的控制方法讓它走得準。

那么正常情況下怎麼抗湧流呢？比如說無人艇在島礁周邊測繪的時候，一個大浪過來，它會偏離這個航線，但是通過無人艇上的傳感器我能測出來它的偏移量，根據偏移量的大小施以一個反作用力，讓它回到航線上面來。

但是如果是在海上航行的話，這個浪過來之後造成了一個偏移量，而下一個浪的大小還不知道，所以這個偏移量帶有一些盲目性，怎麼辦呢？

我們發明了一個新的方法，就是通過無人艇上的雷達將它周邊的海浪信息收集起來，建成一個動態模型，叫擾動空間。

無人艇上面有很多的傳感器，把它的姿態測出來，形成一個姿態空間，姿態空間和擾動空間都是不停變化的，我只要把擾動空間和姿態空間對應起來，找到一個映射關係，我就知道該怎樣來控制無人艇的糾偏量，達到走得準的效果。這個是第一個需要克服的關鍵問題。

第二個關鍵問題就是避障問題，我們對靜態目標避障是很容易的，通過雷達，雷射測定它的位置，用一定的算法就可以避開。但是在海上的時候，有很多正在航行的船舶，包括無人艇，像這種避障我們怎麼辦？

我們人在奔跑的時候，遇到另一個人跑過來，我會估計自己的速度、方向，然後還會估計對方的速度和方向，然後通過大腦的判斷和反應，就可以避開他。那麼海上的船舶也是利用這個原理，通過無人艇上的傳感器和雷達，把對方的信息估算出來。

但是因為無人艇在海上的航行的時候，它的速度和方向都是有誤差的，通過誤差信息去估計對方的誤差信息，會有更大的偏差。所以還需要將這兩方的誤差信息搞一個誤差錐，在兩個錐體沒有交集的時候，我們才能實現移動避障。

第三個難點是這樣的，因為無人艇的航行距離只有幾百公裡，如果進行遠海航行作業的話，必須要跟母艦配合著使用。可是在海上，正所謂無風三尺浪，三級四級的海風是很常見的，無人艇作業完成了之後，再回到母船一直是很困難的事情，美國也在研究這方面的問題。大船晃得很厲害，無人艇也晃得很厲害，讓兩邊的吊鉤結合對接，把無人艇吊上來，難度非常大。

我們想了一個新方法，在無人艇上做一個拋射的牽引繩，需要回收的時候，就把牽引繩自動拋到母艦甲板上面來，工作人員就能很容易回收了。在擾動的情況下做回收，這個方法的效果還是比較好的。

以上這些是無人艇遇到的三個難題。

以色列是全世界無人艇發展最快的國家，它有很多型號的無人艇，已經列裝了63個型號，還有25個型號正在研製，美國也很重視無人艇的研發。

我們呢，根據前面的三項技術，也研製了7個型號的無人艇。取名「精海」的意思，一個是發揮「精衛填海」的精神，還有一個是精準執行海上任務。

2013年我們的精海無人艇隨著海巡106到南海島礁測繪，在西沙群島，永興島，南沙群島赤瓜礁，美濟礁和永暑礁，都進行了大量的測繪。特別是對永暑礁的測繪，後來成為那個填海造島的數據一個支撐。

這個是我們在南海對一個軍港碼頭的測繪，因為軍港碼頭周邊有好多的礙航物，軍艦沒有辦法靠岸，礙航物在什麼地方又不知道，我們對周邊方圓50米進行了一個掃測，找到9個疑點，通過掃測到的坐標，把這個礙航物給清除掉，就可以停泊大型的軍艦。

這是我們的無人艇在長江口找到的一艘沉船，「長江口一號」。大家都知道，沉船的地方，一般都是水域條件比較差的地方，所以船才容易沉。大船測的時候肯定會遇到很多問題，反倒是無人艇在其周邊掃測，找到了這艘沉船。

以前雪龍號科考船在南極羅斯海科考的時候，因為不了解周邊的海圖信息，沒有辦法拋錨，不得不採用漂航的方式，船舶無法熄火，需要耗費極大的成本。2014年我們把周邊280公裡的海圖全部測好，根據這個海圖，找了一個比較好的拋錨點，所以2015年雪龍號再去的時候，就可以拋錨了。

我們知道東海的島礁最多，而且都是島礁群，以前我們都是通過衛星遙感的方式獲取島礁周邊的一些海圖數據。衛星遙感得出來的數據誤差特別大，給我們的船舶航行帶來很多困難。

所以我們想把東海的一部分島礁群通過無人艇的方式測繪好。

這個圖是大黃莽礁的測繪情況。

這兩個礁之間，藍色表示水比較深的地方，這個是衛星遙感的得到的數據。如果從這個水深的數據來看這裡船能過得去的，但是實際無人艇把周邊測完之後，顯示的全是紅色，越是紅色的地方，水越淺，最淺的地方只離水面0.85米，如果按照衛星遙感得到的數據航行，會帶來很大的危害。

中國有7千多個島礁，很多地方都是空白的，所以這塊的工作量非常大，通過無人艇測繪獲得海圖，我們把島礁周邊的數據都補充起來，生成一個三維的水深圖，能對海洋安全起到很好的促進作用。

然而單個無人艇的作用是有限的，採用蜂群探測，用一群無人艇來對執行任務的話，它的作用就會很大。

比如說我們海裡的鯊群，我們空中的蜂群，我們地面上的這種狼群。它們的單體能力都有限，但是群體的作用卻非常大。

這裡面就涉及到人工智慧和群體智能的問題。

比如說，當一群無人艇去攻擊對方的無人艇時，就像我們打籃球一樣，單對單時如果感覺對方能力比自己強，那麼另一個隊友就會從旁協防一下，如果一個隊友還不夠，那就再過來一個包夾一下，打完之後又分散去對付另外的目標。

無人艇也是一樣的，我們也是可以用一種雲技術，來同時控制三艘無人艇。這裡面就涉及到群體智能，和博弈方面的理論。

因為無人艇其實是空、天、地、海無人駕駛系統裡面一個典型的代表。我和我的團隊想致力於無人駕駛系統的研發，這是我們整個團隊的夢想。