沈陽(yáng)自動(dòng)化所水面機(jī)器人平臺(tái)
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的水面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)具備動(dòng)態(tài)水面環(huán)境的感知能力和復(fù)雜水流條件下的機(jī)動(dòng)能力，可以攜帶不同設(shè)備，高效率地完成水質(zhì)采樣、水面巡邏、水上救援等任務(wù)，是名副其實(shí)的水面監(jiān)測(cè)與救援利器。
在中國(guó)960萬(wàn)平方公里的土地上，分布著諸多河流，其中流域面積在100平方公里以上的河流有5000多條，全國(guó)大小河川總長(zhǎng)度超過(guò)42萬(wàn)公里，可繞地球赤道10圈半。面對(duì)如此遼闊的水域，以水資源開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)為目的的江河治理，以及對(duì)可能發(fā)生的洪澇災(zāi)害的預(yù)防和救援，自古以來(lái)就是中國(guó)面臨的重要國(guó)事。近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，機(jī)器人在各種領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，如：深空-深海探測(cè)、地震-火災(zāi)救援等。這是利用機(jī)器人系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境中完成過(guò)去完全由人承擔(dān)的（重復(fù)性、危險(xiǎn)性）任務(wù)，而利用自主水面機(jī)器人系統(tǒng)完成機(jī)器人化的水面監(jiān)測(cè)與救援使命正是這一思路的自然延伸。
水面機(jī)器人是指以水面船（或艦艇）為基本載體，輔以內(nèi)部狀態(tài)傳感器（感知位置、速度、航向）、外部環(huán)境傳感器（激光、視覺(jué)、雷達(dá)）以及不同的任務(wù)載荷（水質(zhì)采樣、水紋監(jiān)測(cè)、救援繩拋送等），由計(jì)算機(jī)自主控制或通過(guò)地面操控平臺(tái)由人在遠(yuǎn)端遙控的一種移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。它可以代替有人駕駛系統(tǒng)的水面船只執(zhí)行繁瑣、復(fù)雜、危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)與救援使命，從而提升任務(wù)執(zhí)行效率，保證救援安全。
提高自主性是機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，自主性是指機(jī)器人在沒(méi)有（或盡量減少）人為干預(yù)的情況下以某種優(yōu)化、智能的方式執(zhí)行使命的能力的表征，人干預(yù)程度的大小標(biāo)志著機(jī)器人自主性的高低。要想讓水面機(jī)器人自主地執(zhí)行任務(wù)，需要讓機(jī)器人具備感知能力（通過(guò)傳感系統(tǒng)對(duì)其本身狀態(tài)及所處水面環(huán)境中的障礙物、水流流速等進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量）、行為機(jī)動(dòng)能力（按照需要以某種軌跡、速度穩(wěn)定運(yùn)行）和任務(wù)執(zhí)行能力（與相應(yīng)的任務(wù)載荷進(jìn)行集成，完成水質(zhì)采樣、水面救援、水面環(huán)境監(jiān)控等典型任務(wù)）。
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所（以下簡(jiǎn)稱沈陽(yáng)自動(dòng)化所）機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的水面機(jī)器人系統(tǒng)很好地滿足了這些方面的要求，主要面向水面環(huán)境監(jiān)測(cè)與救援，具有速度快（最大航速10米/秒）、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)（連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)2小時(shí)）、通用型強(qiáng)（軟硬件模塊化、載荷平臺(tái)即插即用）、控制精度高（2.5米航跡點(diǎn)精準(zhǔn)遍歷）、通信距離遠(yuǎn)（2公里有效通信）等優(yōu)點(diǎn)，是集機(jī)械、電子、通信、儀器、傳感器等于一身的知識(shí)密集型高技術(shù)裝備。
地面操控子系統(tǒng)、環(huán)境感知子系統(tǒng)和任務(wù)載荷子系統(tǒng)是水面移動(dòng)機(jī)器人的幾個(gè)重要組成部分：
面向水面移動(dòng)機(jī)器人的地面控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)
地面操控子系統(tǒng)
地面操控子系統(tǒng)是人與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)交互、信息處理的重要平臺(tái)。它是水面機(jī)器人的指揮控制中心，專門(mén)用于水面機(jī)器人的控制與管理，同時(shí)輔助操作人員對(duì)水面機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便在一些突發(fā)情況下采取相應(yīng)處置，保證水面機(jī)器人的安全。
它可以使遠(yuǎn)程操控人員在必要時(shí)對(duì)水面移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行諸如點(diǎn)火熄火、運(yùn)行航向和航速調(diào)整、任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等操作，同時(shí)可在主面板上實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人傳回的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境信息(包括航向、航速等)，并可對(duì)任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)控與跟蹤。
激光視覺(jué)傳感器
環(huán)境感知子系統(tǒng)
環(huán)境感知子系統(tǒng)是整個(gè)水面機(jī)器感知外部環(huán)境信息的直接來(lái)源，主要由32線激光視覺(jué)傳感器、可見(jiàn)光視覺(jué)傳感器以及水面探測(cè)雷達(dá)中的一個(gè)或多個(gè)組成。其中，激光傳感器可以對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行360度全景三維建模，既可用于指導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，也可用于水面測(cè)繪；可見(jiàn)光視覺(jué)傳感器可對(duì)其周圍環(huán)境的視覺(jué)信息進(jìn)行采集，非常有利于人在遠(yuǎn)端對(duì)機(jī)器人所處環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控；水面探測(cè)雷達(dá)則主要用于探測(cè)水面的動(dòng)態(tài)障礙物，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供依據(jù)。
全自動(dòng)拋投救援
任務(wù)載荷子系統(tǒng)
水面機(jī)器人在完成不同任務(wù)時(shí)，需要攜帶不同的載荷。這里主要介紹兩類，一類是水質(zhì)采樣載荷，另一類是救援繩拋投載荷。其中前者主要用于對(duì)機(jī)器人所處水域進(jìn)行自動(dòng)采集，供后續(xù)相關(guān)人員對(duì)水質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析；而后者則可輔助實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離全自動(dòng)水上救援、消防救援、抗洪救災(zāi)、船舶停靠和拖帶及線路架設(shè)等。
人員救援功能演示
目前，該水面機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，并有針對(duì)性地進(jìn)行了示范應(yīng)用。
2015年6月，研究人員在沈陽(yáng)市棋盤(pán)山秀湖水庫(kù)開(kāi)展了救援繩拋送的實(shí)驗(yàn)演示。
利用一套全自動(dòng)氣動(dòng)救援拋投器，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離全自動(dòng)水上救援、消防救援、抗洪救災(zāi)、船舶停靠和拖帶及線路架設(shè)等。
水面機(jī)器人檢測(cè)到被困人員時(shí)，利用全自動(dòng)氣動(dòng)拋投器拋投繩索及救生圈到被救目標(biāo)，救生圈遇水后5秒鐘即可自動(dòng)充氣；利用水面機(jī)器人配備的救援充氣艇，在地面站發(fā)出指令，由水面移動(dòng)機(jī)器人將被救目標(biāo)拖拽到安全地方，避免救援人員在搶險(xiǎn)中遇到險(xiǎn)情。
水面機(jī)器人模擬水樣采集(左)有毒液體采樣封存（右）2015年末，在遼寧省撫順和河南省南陽(yáng)，沈陽(yáng)自動(dòng)化所和沈陽(yáng)消防研究所，分別聯(lián)合撫順消防支隊(duì)和南陽(yáng)消防總隊(duì)開(kāi)展了水面監(jiān)測(cè)與救援演示，主要演示了利用水面機(jī)器人平臺(tái)搭載水質(zhì)采樣載荷，實(shí)現(xiàn)了自主多點(diǎn)水質(zhì)采樣的示范應(yīng)用。
利用水面機(jī)器人平臺(tái)可搭建多種自主研制的水質(zhì)采樣器，小型化后集成到水面機(jī)器人平臺(tái)之中。在地面站指揮系統(tǒng)上設(shè)置機(jī)器人GPS點(diǎn)跟蹤模式，并選定水質(zhì)采樣的GPS點(diǎn)，便可以實(shí)現(xiàn)由全自動(dòng)水質(zhì)采樣器對(duì)有毒物質(zhì)的2.5米精度GPS定點(diǎn)水質(zhì)抽樣，能夠有效避免有毒物質(zhì)泄漏對(duì)人員造成的二次傷害。
未來(lái)，沈陽(yáng)自動(dòng)化所水面移動(dòng)機(jī)器人組將著眼于兩個(gè)方面繼續(xù)深入開(kāi)展水面移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)工作。
一是新概念水面平臺(tái)，如風(fēng)帆式水面機(jī)器人、空中-水面子母機(jī)器人。
續(xù)航動(dòng)力是束縛水面機(jī)器人發(fā)展的一大技術(shù)難題。未來(lái)風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電動(dòng)力技術(shù)可解決水面機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)巡航的動(dòng)力問(wèn)題。
針對(duì)復(fù)雜的水面救援環(huán)境，通過(guò)飛行機(jī)器人的輔助，可以極大地提高水面機(jī)器人救援的效率，因此在未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，空中-水面子母機(jī)器人會(huì)逐漸得到應(yīng)用。
二是復(fù)雜水面環(huán)境的自主行為規(guī)劃。
在實(shí)際洪災(zāi)救援中，水面環(huán)境高度復(fù)雜，包括搜救目標(biāo)、固定障礙物、水面漂浮物、狹窄溝渠以及風(fēng)浪與水流干擾，傳統(tǒng)自主算法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求。未來(lái)，為提高水面機(jī)器人的實(shí)用性，沈陽(yáng)自動(dòng)化所將著力針對(duì)復(fù)雜水面環(huán)境的自主行為規(guī)劃開(kāi)展研發(fā)工作。
作者：王貞
