解密中国无人艇中的黑科技
头图来自：东方IC，本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），作者：造就Talk的编辑们，主讲人：罗均
我是来自上海大学无人艇工程研究院的罗均，今天跟大家分享的题目是《水面之下》。
这是南海岛礁水面之下的地形地貌图，我们叫海图。
中国有300万平方公里的海域面积，在这么广阔的海域之下，海图对船舶航行，甚至对整个国家的海洋经济和国防安全都是至关重要的事情。
对海图的测量，我们一般通过海测船来进行。但是海测船吃水比较深，比如说海巡01，海巡166，以及我们的李四光号和钱学森号海测船。
而中国300多万平方公里海域里面有很多岛礁，据估计，东海有3500多个，南海有1700多个。
可是呢，有多达数十万平方公里的海域深度还不到5米，在这些岛礁周边测绘海图，用海测船显然是不行的，但是岛礁周边的海图对中国的海洋权非常重要，这怎么办？
因为我们团队从事的是机器人的基础研究，所以我们采用了无人艇来解决这个问题。
无人艇吃水很浅，能够实现自主航行、自主避障、自主地进行岛礁测绘。通过无人艇上的声纳发射声波到海底或者暗礁再反射回来，再通过专门的声呐测绘法，海底的地形地貌就出来了。
但是，无人艇对岛礁的测绘，有几个技术上的难点。
其中一个就是岛礁周边的水流紊乱，裂流、涡流都很多，给无人艇带来很大的干扰。因为声纳测绘，要求无人艇必须走直线。但是在岛礁的周边浪又很大，走直线特别困难。需要用抗涌流的控制方法让它走得准。
那么正常情况下怎么抗涌流呢？
比如说无人艇在岛礁周边测绘的时候，一个大浪过来，它会偏离这个航线，但是通过无人艇上的传感器我能测出来它的偏移量，根据偏移量的大小施以一个反作用力，让它回到航线上面来。
但是如果是在海上航行的话，这个浪过来之后造成了一个偏移量，而下一个浪的大小还不知道，所以这个偏移量带有一些盲目性，怎么办呢？
我们发明了一个新的方法，就是通过无人艇上的雷达将它周边的海浪信息收集起来，建成一个动态模型，叫扰动空间。
无人艇上面有很多的传感器，把它的姿态测出来，形成一个姿态空间，姿态空间和扰动空间都是不停变化的，我只要把扰动空间和姿态空间对应起来，找到一个映射关系，我就知道该怎样来控制无人艇的纠偏量，达到走得准的效果。
这个是第一个需要克服的关键问题。
第二个关键问题就是避障问题，我们对静态目标避障是很容易的，通过雷达，激光测定它的位置，用一定的算法就可以避开。
但是在海上的时候，有很多正在航行的船舶，包括无人艇，像这种避障我们怎么办？
我们人在奔跑的时候，遇到另一个人跑过来，我会估计自己的速度、方向，然后还会估计对方的速度和方向，然后通过大脑的判断和反应，就可以避开他。
那么海上的船舶也是利用这个原理，通过无人艇上的传感器和雷达，把对方的信息估算出来。
但是因为无人艇在海上的航行的时候，它的速度和方向都是有误差的，通过误差信息去估计对方的误差信息，会有更大的偏差。
所以还需要将这两方的误差信息搞一个误差锥，在两个锥体没有交集的时候，我们才能实现移动避障。
第三个难点是这样的，因为无人艇的航行距离只有几百公里，如果进行远海航行作业的话，必须要跟母舰配合着使用。
可是在海上，正所谓无风三尺浪，三级四级的海风是很常见的，无人艇作业完成了之后，再回到母船一直是很困难的事情，美国也在研究这方面的问题。
大船晃得很厉害，无人艇也晃得很厉害，让两边的吊钩结合对接，把无人艇吊上来，难度非常大。
我们想了一个新方法，在无人艇上做一个抛射的牵引绳，需要回收的时候，就把牵引绳自动抛到母舰甲板上面来，工作人员就能很容易回收了。在扰动的情况下做回收，这个方法的效果还是比较好的。
以上这些是无人艇遇到的三个难题。
以色列是全世界无人艇发展最快的国家，它有很多型号的无人艇，已经列装了63个型号，还有25个型号正在研制，美国也很重视无人艇的研发。
我们呢，根据前面的三项技术，也研制了7个型号的无人艇。
取名“精海”的意思，一个是发挥“精卫填海”的精神，还有一个是精准执行海上任务。
2013年我们的精海无人艇随着海巡106到南海岛礁测绘，在西沙群岛，永兴岛，南沙群岛赤瓜礁，美济礁和永暑礁，都进行了大量的测绘。
特别是对永暑礁的测绘，后来成为那个填海造岛的数据一个支撑。
这个是我们在南海对一个军港码头的测绘，因为军港码头周边有好多的碍航物，军舰没有办法靠岸，碍航物在什么地方又不知道，我们对周边方圆50米进行了一个扫测，找到9个疑点，通过扫测到的坐标，把这个碍航物给清除掉，就可以停泊大型的军舰。
这是我们的无人艇在长江口找到的一艘沉船，“长江口一号”。大家都知道，沉船的地方，一般都是水域条件比较差的地方，所以船才容易沉。
大船测的时候肯定会遇到很多问题，反倒是无人艇在其周边扫测，找到了这艘沉船。
以前雪龙号科考船在南极罗斯海科考的时候，因为不了解周边的海图信息，没有办法抛锚，不得不采用漂航的方式，船舶无法熄火，需要耗费极大的成本。
2014年我们把周边280公里的海图全部测好，根据这个海图，找了一个比较好的抛锚点，所以2015年雪龙号再去的时候，就可以抛锚了。
我们知道东海的岛礁最多，而且都是岛礁群，以前我们都是通过卫星遥感的方式获取岛礁周边的一些海图数据。
卫星遥感得出来的数据误差特别大，给我们的船舶航行带来很多困难。
所以我们想把东海的一部分岛礁群通过无人艇的方式测绘好。
大黄莽礁的测绘情况。
这两个礁之间，蓝色表示水比较深的地方，这个是卫星遥感的得到的数据。
如果从这个水深的数据来看这里船能过得去的，但是实际无人艇把周边测完之后，显示的全是红色，越是红色的地方，水越浅，最浅的地方只离水面0.85米，如果按照卫星遥感得到的数据航行，会带来很大的危害。
中国有7千多个岛礁，很多地方都是空白的，所以这块的工作量非常大，通过无人艇测绘获得海图，我们把岛礁周边的数据都补充起来，生成一个三维的水深图，能对海洋安全起到很好的促进作用。
然而单个无人艇的作用是有限的，采用蜂群探测，用一群无人艇来对执行任务的话，它的作用就会很大。
比如说我们海里的鲨群，我们空中的蜂群，我们地面上的这种狼群。它们的单体能力都有限，但是群体的作用却非常大。
这里面就涉及到人工智能和群体智能的问题。
比如说，当一群无人艇去攻击对方的无人艇时，就像我们打篮球一样，单对单时如果感觉对方能力比自己强，那么另一个队友就会从旁协防一下，如果一个队友还不够，那就再过来一个包夹一下，打完之后又分散去对付另外的目标。
无人艇也是一样的，我们也是可以用一种云技术，来同时控制三艘无人艇。这里面就涉及到群体智能，和博弈方面的理论。
因为无人艇其实是空、天、地、海无人驾驶系统里面一个典型的代表。我和我的团队想致力于无人驾驶系统的研发，这是我们整个团队的梦想。
本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），作者：造就Talk的编辑们，主讲人：罗均,
上海大学机电工程与自动化学院副院长，上海机器人研究所所长
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