“如果將‘奮斗者’號比作一個人，那么智能控制系統就相當于人的大腦，兩套全海深機械手就相當于人的雙手。”這個比喻來自“奮斗者”號副總設計師、潛水器控制系統負責人趙洋。
近日，《中國科學報》采訪了中國科學院沈陽自動化研究所（以下簡稱沈陽自動化所）參與“奮斗者”號研制和執行海試任務的團隊代表，請他們來揭秘“奮斗者”號的超級大腦和雙手。
分秒必爭 使命必達
我國深海科考進入萬米時代，對深海技術裝備提出了更高要求。2020年5月，沈陽自動化所牽頭研制的“海斗一號”全海深自主遙控潛水器在馬里亞納海溝成功完成其首次萬米海試與試驗性應用任務，填補了我國萬米級作業型無人潛水器的空白。
趙洋先后參與了“蛟龍號”“深海勇士”號和“奮斗者”號三代載人潛水器的研制，他也是沈陽自動化所執行本次海試任務的領隊。他說：“從立項到最終完成萬米海試任務，我們用了4年半時間，分秒必爭，使命必達。”
2020年11月10日，趙洋與兩位潛航員執行了首次挑戰萬米最深點的深潛任務，并創下了10909米的中國載人深潛新紀錄。
趙洋介紹，基于數據與模型預測的在線智能故障診斷、在線控制分配的容錯控制以及海底自主避碰等功能，“奮斗者”號控制系統提高了潛水器的智能程度和安全性，并采用基于神經網絡優化的算法實現了大慣量載體貼近海底自動匹配地形巡航、定點航行及懸停定位等高精度控制功能。其中，水平面和垂直面航行控制性能指標達到國際先進水平。
趙兵2014年加入沈陽自動化所后，全程參與了“深海勇士”號和“奮斗者”號兩代載人潛水器的研制，也是這兩代載人潛水器的控制軟件負責人和主駕駛試航員。
如何讓幾十噸重的龐然大物在水下實現高精度控制？推進器與拋載故障能否實現在線診斷？怎么解決定位信息下傳周期長、定位數據稀疏的問題？潛水器坐底組合導航累計誤差如何消除？……在“奮斗者”號潛水器研制階段，趙兵帶領軟件組團隊先后解決了上述難題，完成全部控制軟件的研發工作。
自主研發 打破壟斷
除了控制系統這個超級大腦，沈陽自動化所還為“奮斗者”號潛水器開展萬米作業研發了兩套機械手。
全海深主從伺服液壓機械手副總師、沈陽自動化所副研究員霍良青介紹，由沈陽自動化所自主研制的這兩套主從伺服液壓機械手具有7個關節，可實現六自由度運動控制，持重能力超過60公斤，能夠覆蓋采樣籃及前部作業區域，具有強大的作業能力。
“這兩套機械手很有原則，正確的指令它們會執行，錯誤的指令它們會拒絕執行，下手穩準狠，不錯過取樣目標。”霍良青說。
海試期間，兩套機械手在深淵海底順利完成了巖石、生物抓取及沉積物取樣器操作等精準作業任務，填補了我國應用全海深液壓機械手開展萬米作業的空白。霍良青透露，深海機械手先后為“深海勇士”號、“奮斗者”號提供了核心作業工具，打破國外壟斷，實現了核心器件由依賴進口向出口的逆轉。
此外，沈陽自動化所為“奮斗者”號研制了兩部電動觀測云臺。該云臺突破了超高壓環境下高精度傳動控制、高緊湊度一體化設計等技術瓶頸，能夠搭載多部科考設備實現全向水下觀測，為深淵科學研究提供全場景觀測資料。
“奮斗者”號海試領導小組成員、沈陽自動化所副所長李碩表示，“沈陽自動化所在全海深平臺研制、控制與作業技術研發能力方面的不斷進步，為我國全面進入萬米科考新時代奠定了堅實的技術基礎。”
不畏艱難 勇往直前
10米的海浪到底有多壯觀？沈陽自動化所助理研究員孟兆旭是“奮斗者”號載人潛水器海試期間控制系統維護和保障人員。作為一個北方人，他對所謂10米高的海浪沒什么概念，此前唯一一次出海還是基本風平浪靜的第一階段海試。
當“探索一號”母船剛駛離三亞南山港碼頭，孟兆旭便感受到了臺風的威力，他們遇到的是最大浪高達到10米的十級海況。他說：“無休無止的超重、失重和前后左右各個方向無規則的搖晃，使我整個人陷入了混沌，好像身體里的液體都在隨船搖晃，隨時可能迸發出來。”
海試期間，他主要負責“探索一號”母船艙內顯控軟件以及虛擬環境仿真軟件、水面監控軟件和數據分析軟件等水面軟件設備維護，并隨時觀測“奮斗者”號載人潛水器的設備狀態和運動趨勢，配合各水面崗位人員，保證下潛任務順利完成。
除了惡劣的海況，令孟兆旭印象深刻的是唯一一次夜潛。他介紹道，“由于作業區內即將形成一個臺風，在原定計劃的前一天下午，我們臨時決定進行夜潛以躲避臺風。要知道，‘奮斗者’號載人潛水器進行一次萬米級的下潛任務，整個通電檢查、布放、水下作業、回收過程需要10多個小時，而水面監控崗位需要在潛水器通電檢查之前就位，在潛水器回收至甲板后方可離開。”
這份執著的背后也離不開家人的支持。為了參加海試，“90后”孟兆旭將已經定好的婚期推遲了一年。
2020年初，在疫情最嚴重的時候，趙兵帶隊前往江蘇無錫參加“奮斗者”號為期78天的水池試驗。“早上9點進艙，晚上9點出艙，下潛時艙內溫度最高達到36攝氏度，濕度超過80%。”在這種狹小擁擠的桑拿環境下，趙兵作為主駕駛完成了20次下潛試驗。
白天，趙兵在潛器內進行控制算法調試、參數測定，晚上出艙后還要連夜分析下潛數據，判斷算法調試效果，并進行改進，準備第二天繼續調試。他感嘆道：“功夫不負有心人。水池試驗的結果是，我們的自動航行控制精度全部優于設計指標。”
（原載于《中國科學報》 2021-01-12 第1版 要聞）
