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“蛟龙”号的控制系统“龙脑”诞生记

行业聚焦点中国仪表网2012年11月20日 13:54人气:19706

  什么让“蛟龙”号在7000米海底想游就游,还能稳稳“定位”?
  
  答案就在被喻为“龙脑”的控制系统。
  
  这颗睿智的“龙脑”流着纯正的“中国血统”——由中科院沈阳自动化研究所自主研制,它的创造者既有院士,也有工人,既有70后,也有50后老教授。
  
  前不久,全程参与“蛟龙”号海试的研究员张艾群、郭威、副研究员刘开周和高级工程师祝普强载誉归来,笔者走进中科院沈阳自动化研究所,听他们解密控制系统,讲述“龙脑”诞生的故事。
  
  五大技术“亮点”让“蛟龙”畅游海底
  
  控制系统相当于“蛟龙”号的神经系统,每条神经末梢都连着其他的系统,“蛟龙”号在海底的每一个动作都必须得到“大脑”的“命令”。
  
  航行控制系统是“龙脑”的核心,具备自动定向、定深、定高以及悬停定位功能,使“蛟龙”号能全自动航行,免去潜航员长时间驾驶之累。
  
  综合显控系统相当于“仪表盘”,能够分析水面母船传来的信息,显示出“蛟龙”和母船的位置以及潜水器各系统的运行状态,实现母船与“蛟龙”间的互动。
  
  水面监控系统显示母船信息与“蛟龙”信息的集合,使指挥员能对母船的位置和“蛟龙”的位置进行正确判断,进而做出相应调整,保证“蛟龙”安全回家。
  
  数据分析平台可以对综合显控系统所采集的数据如深度、温度及报警信息等进行分析,使之自动生成图形。这一平台还可查看历次下潜的时间、地点以及潜航员的操作流程。
  
  半物理仿真平台的主要用途是验证“蛟龙”控制系统设计的准确性。科研人员通过输入相关参数,模拟水下环境,测试控制系统运行状况,可以节约人力、物力,降低风险缩短研制周期,提高系统可靠性和安全性,还能为潜航员训练提供“虚拟环境”。
  
  十年自主创新年轻人挑大梁
  
  2002年,“蛟龙”号7000米载人潜水器正式立项,中科院沈阳自动化研究所承担控制系统的研制工作。一个涵盖老中青的工作组逐渐形成:50后的张艾群是总体组成员,60后的研究室主任王晓辉任组长,刘开周和祝普强当时还是20出头的小伙。
  
  “蛟龙”号是我国首台深海载人潜水器,7000米深度的指标在世界同类型的潜水器中也是首例。
  
  “尽管此前研究所积累了丰富的水下机器人控制系统研制经验,但7000米仍然给我们提出了挑战,很多硬件和软件都是第一次应用,控制方法、控制技术全部要自己摸索。”王晓辉说。
  
  “控制系统跟其他系统都密切耦合,哪怕只是传感器变一点,控制系统都需要做出相应的调整。”工作组“大管家”郭威说,他负责收集其他系统的控制需求信息,统筹分工。
  
  10年间,这个团队有人加入,也有人离开,但中坚力量——王晓辉、张艾群、郭威、刘开周、祝普强一直没变动。
  
  “我们最初想了6种控制方法,为了选出最佳,需要在水池试验、海试中反复比较,不断改进和优化。”刘开周说,他完成了航行控制和导航定位的大部分设计,也是参与首破7000米深潜,与“神九”航天员对话的3位试航员之一。
  
  综合显控、数据分析平台、水面监控系统,所有“对外露脸”的部分都出自祝普强之手。其中数据分析平台由小祝为查找一个数据设计了一个私用小软件发展而来。随着海试进展,需要分析的数据越来越庞大,小软件逐步完善成数据分析平台。
  
  一丝不苟为深潜原班人马再出发
  
  沈阳不靠海,每次海试,研究者都需要离家很久。“在船上的时候,长期接不到地气,心里总觉得不踏实。”郭威说,他们不仅要承受离家的孤独,还要应对可能出现的晕船反应和甲板上的暴晒。
  
  “90%的时间都在承受压力。”从立项之初,郭威很少轻松过,“理论上好用,实践中可能不行;单个部分好用,组合起来又出问题;水池调试没问题,海试时环境一变,控制系统可能又需要做出相应的变化。”直到7000米海试结束,他才松了一口气。正是这种责任意识和一丝不苟的工作态度,保证了4年海试中,“龙脑”从无故障。
  
  “蛟龙”号7000米海试结束,相关技术的研究之路却刚刚铺开,在延长坐底作业时间、提高潜水器定位精度等方面还有很多值得探索。
  
  王晓辉说:“7000米海试成功说明我们具备一种手段去探查、取样,具备了解这个深度海底世界的能力,而海洋里任何一个未知的地方都可能隐藏着巨大的科学意义。”
  
  为保持我国载人深潜技术领先地位,这个团队不会因任务完成而解散。“蛟龙”号的姊妹——一个4500米载人潜水器关键技术研究项目已于3年前立项,研制人员仍是原班人马。
  
  资料:蛟龙号载人潜水器
  
  为推动中国深海运载技术发展,为中国大洋国际海底资源调查和科学研究提供重要高技术装备,同时为中国深海勘探、海底作业研发共性技术,中国科技部于2002年将深海载人潜水器研制列为国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项,启动“蛟龙号”载人深潜器的自行设计、自主集成研制工作。“蛟龙号”载人潜水器设计最大下潜深度为7000米,工作范围可覆盖全球海洋区域的99.8%。2012年6月27日,中国载人深潜器“蛟龙”号7000米级海试最大下潜深度达7062米,再创中国载人深潜记录。
(本文来源:科技日报转载请注明出处
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