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“海马号”遥控水下机器人通过科技部验收
发布时间:2015/05/14 发布者: 资料来源:

2015年5月8日,我国自主研制的首台4500米级无人遥控潜水器作业系统——“海马”号遥控水下机器人通过了科技部组织的验收。科技部中国21世纪议程管理中心副主任柯兵、国土资源部科技与国际合作司副司长高平、广州海洋地质调查局局长温宁出席验收会。验收专家组由中国工程院院士徐芑南、中国科学院院士苏纪兰、中国科学院院士李廷栋等专家组成。

 

该项目由国土资源部作为组织实施部门,广州海洋地质调查局作为业主单位牵头,联合上海交通大学、浙江大学、青岛海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等单位,组成集产学研用于一体的联合研发团队,通过六年的攻关,共同协作完成了系统的研制与海试。

2014年,在南海进行的三个阶段的海试中,“海马号”共完成17次下潜,3次到达南海中央海盆底部进行作业试验,最大下潜深度4502米,完成91项技术指标的现场考核,通过了“863”计划海洋技术领域组织的海上试验验收。在由中国科学院院士和中国工程院院士评选的2014年中国十大科技进展新闻中,“海马”号成功海试入选中国十大科技进展新闻,名列第二位。

2015年3月,“海马”号被首次试验性应用于中国南海天然水合物专项,4月再次随“海洋六号”母船前往西太平洋,进行大洋矿产资源调查和研究。海上试验和地勘应用表明,“海马”号具有实用化海洋设备应具备的可靠性、稳定性和适应性,除了具备强作业型遥控水下机器人 的常规功能和作业能力以外,还具有强大的扩展功能,如海底观测网扩展缆布放、与升降装置协同完成海洋仪器设备的布放以及支持水下液压和电气设备的能力,已达到国外同类遥控水下机器人的技术水平。成为继“蛟龙”号之后,我国深海高技术领域出现的又一标志性成果。

 

“海马号”的研制是863计划支持的重点项目,是我国迄今为止自主研发的下潜深度最大、国产化率最高的无人遥控潜水器系统,并实现了关键核心技术国产化。经过近6年的研发,突破了本体结构、浮力材料、液压动力和推进、作业机械手和工具、观通导航、控制软硬件、升沉补偿装置等关键技术,先后完成了总装联调、水池试验和海上摸底试验等工作,并针对试验中暴露出的问题和故障进行了技术改进。

海马号 海马号

在三个阶段的海试中,“海马号”共完成17次下潜,3次到达南海中央海盆底部进行作业试验,最大下潜深度4480米。完成水下布缆、沉积物取样、热流探针试验、OBS海底布放、海底自拍摄、标志物布放等多项任务,成功实现与水下升降装置(Lander)联合作业,通过了定向、定高、定深航行等91项技术指标的现场考核。此次海试的成功标志着我国全面掌握了大深度无人遥控潜水器的各项关键技术,并在关键技术国产化方面取得实质性的进展,是我国深海高技术领域继“蛟龙号”之后又一标志性成果。

浙江大学作为第三参加单位,主要完成了“海马号”本体中除了最主要的框架、浮力块、观察通讯、供配电、工具以外的其他部分,包括液压动力系统、螺旋桨推进系统、水下机械手作业、水下分布式控制计算机、深海压力补偿系统等,相当于“海马号”的手脚、脊椎和血液循环系统。从系统的总体方案设计,到初步设计和详细设计,到标准制订、到零部件的制造测试、子系统的总装联调测试和水池试验,以及最后的海试,“海马号”液压系统走的是一条完全自主研发、自主制造和安装完全国产化之路。在5年里,在机电所液压前辈们的指导下、在课题牵头单位广州海洋地质调查局陶军首席、课题总监理刘大地工程师的帮助下,先后攻克了耐高压晶振、压力阀控制螺旋桨推进器的低速稳定性、并联双机双泵的自动恒功率控制原理、双螺旋摆动液压缸的轴向力补偿、浮动定子型摆线马达五项核心技术,成功开发了耐高压的水下控制计算机,构成了分布式水下控制系统,为课题组实现集散控制的新理念奠定了基础,将水下机械手的作业盲区缩小到38%、腕部尺寸缩短2/3,横向作业能力提高到3倍,液压油源的最大驱动能力提高了30%。

863海洋领域探测与作业主题专家组组长、浙江大学客座教授丁抗研究员,一直关注浙江大学的这部分工作。多年来丁老师一直用自己的言行感染着浙江大学的课题组,时刻以“非淡薄无以明志,非宁静无以致远。在这个浮华的年代里,常怀一颗平常的心,十年磨一剑,终将试锋芒”这句话鞭策自己,始终坚持“杜绝侥幸心理、做好最坏打算、争取最好结果、无计划不实施、有反馈必回应”这一工作理念。

顾临怡老师和他的团队成员 顾临怡老师和他的团队成员

顾临怡教授和他的科研团队

实验室的全面测试是海试成功的重要保障。在各个子系统的功能实现、精度实现、可靠性实现、耐久性实现、可维性实现五个阶段,都需要大量的测试结果来支撑。然而,国家的投入毕竟是有限的。为此,浙江大学机械工程学系、流体动力与机电系统国家重点实验室、海洋工程装备国家工程实验室、浙大工业技术研究院等部门、浙江省科技厅、杭州市、上城区等各级政府都纷纷慷慨解囊,投入了2倍以上的配套资金,杭州市上城区还提供了1000平方米的实验用房,建立了一套完备的测试系统和试验标准。如果没有这一整套专用的测试系统,海试的周期至少延长一倍。

“海马号”在谱系化和产业化方面也已经取得了丰厚的成果,浙江大学的遥控水下机器人已经拓展了“海螺号”(HELLO)、“海舟号”(HYDRO)和“海王号”(High-Work)三种低吨位的规格,她们分别是以罗高生、周锋等三位在遥控水下机器人的研发和产业化方面作出卓越贡献的功臣来命名的:螺—罗、舟—周。其中以“海螺二号”和进口“老虎”两台观察级遥控水下机器人为核心组建的“浙大宇控水下救捞队”公益组织,曾协助杭州、武汉、德州三地警方,分别从滩坑水库、汉江、岔河中找到了三起杀人沉尸案的受害人遗体。

在产业化的同时,浙江大学的“海马号”团队还特别重视国标的制订和第三方检测能力的建设工作。团队不仅主持了遥控水下机器人液压系统和机械手的国标制订工作、作为副组长单位参加遥控水下机器人整机的国标制订(组长是上海交通大学校方指定的船建学院“海龙号”遥控水下机器人团队),还与浙江省计量科学研究院共建“浙江省海洋产品计量测试中心”,依据国家标准来严格把关遥控水下机器人的质量。

海试验收不是工作的结束,只是工作的开始,“海马号”后面的路还很长。我们将一如既往地团结在以广海局为核心的海马团队周围,做好生产应用的保障,并在浙大的成果转化基地实现遥控水下机器人的谱系化和产业化。我们也看到了,无论是“海马号”日后的操作使用与维护,还是成果的产业化,都需要我们这支队伍坚持不懈地努力。

海马号 海马号

 

课题研究花絮:

5年的开发过程跌宕起伏:放在每一个阀箱里的耐高压水下控制计算机,是“海马号”的“脊椎”,它与水面计算机这个“大脑”一起,构成了一个分布式的控制系统,把控制命令下达到每一个“器官”。而课题组提出的这个“集散型控制”的新理念,必须建立在水下控制计算机具备耐高压能力的基础之上。尽管普通电路耐高压对顾临怡教授来说已经是小菜一碟了,他可以很轻松地把电路板上所有不耐高压的元件替换成相同功能的耐高压元件,并保持原有的精度、可靠性和耐久性,但水下计算机的“心脏起博器”——晶振,却没有一个可以耐压的。电控组一次性买来了十多种不同的晶振,去掉了它的外壳,进行高压环境测试。结果还没有超过2000米,已经没有一个晶振能正常工作了。似乎已经无路可走了。但如果退回到国外水下机器人最常规的集中控制方式,把水下控制计算机也放在耐压的筒里,会降低系统的可靠性,真是一个两难的选择。电控组甚至已经打算用铜壳把晶振给封装起来,让它扛住深海的高压。一个偶然的机会,顾临怡教授在给机械电子工程专业本科生上《微机原理》课的时候,脑子里突然闪过一个念头:“我为什么不能自己搭一个高频振荡电路出来代替这个晶振呢?”上完课马上动手:设计、买元件、焊电路、高压测试。成功啦!1万美元一块的进口电路板,我们的成本还不到1000元人民币!

螺旋桨液压驱动系统是“海马号”的“脚”,课题组希望我们能游得更快一点,于是子课题组决定采用损耗更低的比例压力阀来控制螺旋桨。很少有人这么做,因此,周锋博士带领的液压推进系统研发团队仔细分析了这种系统的静态特性和动态特性,效果都非常好。然而,在实验室里的首次试验结果却让人绝望:螺旋桨总会在某个比较低的转速下发生振动。问题在哪里呢?“肯定有一些不起眼的影响因素被我们忽略掉了”,半个多月来一直在浙大杭州上城区综合试验基地水池边跟着做试验的课题总监理刘大地工程师一语点破,为我们赢得了大量宝贵的时间。为了找到这些因素,周锋博士解剖了四个不同规格的比例压力阀,重新测试了三种规格螺旋桨的特性曲线,以及液压油的弹性。最后终于得出了系统确实会在某一个较低的转速、较低的压力下发生共振的结论。子课题组曾一度打算放弃这种高效的系统,退回到国外水下机器人最常规的伺服阀控制流量的方案去,但实在是心有不甘。就在这时候,一个念头突然闪过周锋的脑海:“如果转速低、但压力不低,会不会就不振了呢?”马上修改参数、理论推导、数学建模、仿真,可以解决啊!只要压力升高到一定的值,振动现象自然消失。这是一个非常令人振奋的结果。然而,这个压力受很多因素的影响,螺旋桨的转速、液压油的粘度和弹性都会对系统带来很大的影响。没有以往经验和数据可以参考,只能靠反复试验来获得这批数据了。周锋博士带领的液压推进系统研发团队将工作地点搬到测试水池旁,现场办公,时刻改进,积累数据和经验;根据试验结果反过来再对液压推进系统的每个环节进行分析改进,分析系统的弹性模量、油液的粘度和温度特性、系统工作点和系统的特性模量耦合模型等等,经过上百次的反复理论计算、试验验证,最终彻底解决液压推进系统的共振问题。

液压机械手是“海马号”的“手”,课题组希望我们的手能更灵巧一些,到不了的盲区小一些,这对机械手肘部和腕部的尺寸提出了非常苛刻的要求,毕竟100公斤举重能力的要求在那里。首先说盲区:现有的液压马达都无法满足腕部的尺寸重量要求,肘部现成能买到的双螺旋摆动液压缸转角只有180度,盲区太大,都只能自己来开发。液压元件不同于普通的机械零件,对“平衡”的要求可以用“苛求”两个字来形容。只要有一点儿面积差,就能产生极大的液压力,液压元件的效率、寿命成倍降低。你千万不要小看了定子上多开的那些个方孔,或是端盖位置多出来的一个圆片,甚至是双螺旋副上面的这些个“麻点”,每一个貌似没有用的细节,都是一次升级换代的产物,都是通过反复地分析、仿真、比对测试最终确定下来的。工艺设计的好坏直接决定了液压元件的成败。罗高生博士带领的作业系统研发团队从第一代机械手样机,到装在“海马号”上的第六代最终定型产品,前前后后花了8年的时间,经历了数不清的失败沮丧和成功的喜悦。

 


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