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“蛟龍”號的控制系統(tǒng)“龍腦”誕生記

http://bfqmb.cn 2012-11-21 13:52 來源:科技日報

  什么讓“蛟龍”號在7000米海底想游就游,還能穩(wěn)穩(wěn)“定位”?

  答案就在被喻為“龍腦”的控制系統(tǒng)。

  這顆睿智的“龍腦”流著純正的“中國血統(tǒng)”——由中科院沈陽自動化研究所自主研制,它的創(chuàng)造者既有院士,也有工人,既有70后,也有50后老教授。

  前不久,全程參與“蛟龍”號海試的研究員張艾群、郭威、副研究員劉開周和高級工程師祝普強載譽歸來,筆者走進(jìn)中科院沈陽自動化研究所,聽他們解密控制系統(tǒng),講述“龍腦”誕生的故事。

  五大技術(shù)“亮點”讓“蛟龍”暢游海底

  控制系統(tǒng)相當(dāng)于“蛟龍”號的神經(jīng)系統(tǒng),每條神經(jīng)末梢都連著其他的系統(tǒng),“蛟龍”號在海底的每一個動作都必須得到“大腦”的“命令”。

  航行控制系統(tǒng)是“龍腦”的核心,具備自動定向、定深、定高以及懸停定位功能,使“蛟龍”號能全自動航行,免去潛航員長時間駕駛之累。

  綜合顯控系統(tǒng)相當(dāng)于“儀表盤”,能夠分析水面母船傳來的信息,顯示出“蛟龍”和母船的位置以及潛水器各系統(tǒng)的運行狀態(tài),實現(xiàn)母船與“蛟龍”間的互動。

  水面監(jiān)控系統(tǒng)顯示母船信息與“蛟龍”信息的集合,使指揮員能對母船的位置和“蛟龍”的位置進(jìn)行正確判斷,進(jìn)而做出相應(yīng)調(diào)整,保證“蛟龍”安全回家。

  數(shù)據(jù)分析平臺可以對綜合顯控系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)如深度、溫度及報警信息等進(jìn)行分析,使之自動生成圖形。這一平臺還可查看歷次下潛的時間、地點以及潛航員的操作流程。

  半物理仿真平臺的主要用途是驗證“蛟龍”控制系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)確性??蒲腥藛T通過輸入相關(guān)參數(shù),模擬水下環(huán)境,測試控制系統(tǒng)運行狀況,可以節(jié)約人力、物力,降低風(fēng)險縮短研制周期,提高系統(tǒng)可靠性和安全性,還能為潛航員訓(xùn)練提供“虛擬環(huán)境”。

  十年自主創(chuàng)新年輕人挑大梁

  2002年,“蛟龍”號7000米載人潛水器正式立項,中科院沈陽自動化研究所承擔(dān)控制系統(tǒng)的研制工作。一個涵蓋老中青的工作組逐漸形成:50后的張艾群是總體組成員,60后的研究室主任王曉輝任組長,劉開周和祝普強當(dāng)時還是20出頭的小伙。

  “蛟龍”號是我國首臺深海載人潛水器,7000米深度的指標(biāo)在世界同類型的潛水器中也是首例。

  “盡管此前研究所積累了豐富的水下機器人控制系統(tǒng)研制經(jīng)驗,但7000米仍然給我們提出了挑戰(zhàn),很多硬件和軟件都是第一次應(yīng)用,控制方法、控制技術(shù)全部要自己摸索。”王曉輝說。

  “控制系統(tǒng)跟其他系統(tǒng)都密切耦合,哪怕只是傳感器變一點,控制系統(tǒng)都需要做出相應(yīng)的調(diào)整。”工作組“大管家”郭威說,他負(fù)責(zé)收集其他系統(tǒng)的控制需求信息,統(tǒng)籌分工。

  10年間,這個團(tuán)隊有人加入,也有人離開,但中堅力量——王曉輝、張艾群、郭威、劉開周、祝普強一直沒變動。

  “我們最初想了6種控制方法,為了選出最佳,需要在水池試驗、海試中反復(fù)比較,不斷改進(jìn)和優(yōu)化。”劉開周說,他完成了航行控制和導(dǎo)航定位的大部分設(shè)計,也是參與首破7000米深潛,與“神九”航天員對話的3位試航員之一。

  綜合顯控、數(shù)據(jù)分析平臺、水面監(jiān)控系統(tǒng),所有“對外露臉”的部分都出自祝普強之手。其中數(shù)據(jù)分析平臺由小祝為查找一個數(shù)據(jù)設(shè)計了一個私用小軟件發(fā)展而來。隨著海試進(jìn)展,需要分析的數(shù)據(jù)越來越龐大,小軟件逐步完善成數(shù)據(jù)分析平臺。

  一絲不茍為深潛原班人馬再出發(fā)

  沈陽不靠海,每次海試,研究者都需要離家很久。“在船上的時候,長期接不到地氣,心里總覺得不踏實。”郭威說,他們不僅要承受離家的孤獨,還要應(yīng)對可能出現(xiàn)的暈船反應(yīng)和甲板上的暴曬。

  “90%的時間都在承受壓力。”從立項之初,郭威很少輕松過,“理論上好用,實踐中可能不行;單個部分好用,組合起來又出問題;水池調(diào)試沒問題,海試時環(huán)境一變,控制系統(tǒng)可能又需要做出相應(yīng)的變化。”直到7000米海試結(jié)束,他才松了一口氣。正是這種責(zé)任意識和一絲不茍的工作態(tài)度,保證了4年海試中,“龍腦”從無故障。

  “蛟龍”號7000米海試結(jié)束,相關(guān)技術(shù)的研究之路卻剛剛鋪開,在延長坐底作業(yè)時間、提高潛水器定位精度等方面還有很多值得探索。

  王曉輝說:“7000米海試成功說明我們具備一種手段去探查、取樣,具備了解這個深度海底世界的能力,而海洋里任何一個未知的地方都可能隱藏著巨大的科學(xué)意義。”

  為保持我國載人深潛技術(shù)領(lǐng)先地位,這個團(tuán)隊不會因任務(wù)完成而解散。“蛟龍”號的姊妹——一個4500米載人潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究項目已于3年前立項,研制人員仍是原班人馬。

  資料:蛟龍?zhí)栞d人潛水器

  為推動中國深海運載技術(shù)發(fā)展,為中國大洋國際海底資源調(diào)查和科學(xué)研究提供重要高技術(shù)裝備,同時為中國深海勘探、海底作業(yè)研發(fā)共性技術(shù),中國科技部于2002年將深海載人潛水器研制列為國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)重大專項,啟動“蛟龍?zhí)?rdquo;載人深潛器的自行設(shè)計、自主集成研制工作。“蛟龍?zhí)?rdquo;載人潛水器設(shè)計最大下潛深度為7000米,工作范圍可覆蓋全球海洋區(qū)域的99.8%。2012年6月27日,中國載人深潛器“蛟龍”號7000米級海試最大下潛深度達(dá)7062米,再創(chuàng)中國載人深潛記錄。

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