海上無(wú)人機(jī)控制

不曾想到，短短5天的“海洋觀測(cè)實(shí)踐課”，不僅讓我了解了海洋科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，還讓我有機(jī)會(huì)將所學(xué)的自動(dòng)化（控制）專業(yè)相關(guān)知識(shí)在實(shí)際科考中加以應(yīng)用并發(fā)揮了巨大作用。

無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行展示

2024年9月8日凌晨5點(diǎn)，我和所有參與此次“海洋觀測(cè)實(shí)踐課”的同學(xué)一起，從浙江舟山出發(fā)，乘車3小時(shí)，來(lái)到位于上海的中國(guó)極地研究中心。當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)看見(jiàn)那艘?？吭诎哆叺孽r紅色大船，所有人的疲憊瞬間一掃而空，大家知道，那就是我們魂?duì)繅?mèng)縈許久的“雪龍”號(hào)極地考察船。

登船第一天，每個(gè)人都充滿了好奇，船方安排的統(tǒng)一參觀還沒(méi)有開(kāi)始，船上的各個(gè)角落早已站滿了心潮澎湃的同學(xué)們。接下來(lái)，我們接受了詳細(xì)的安全培訓(xùn)，學(xué)習(xí)如何在緊急情況下使用救生設(shè)備，并熟悉了船上的儀器設(shè)施。隨后大家被分配到多個(gè)項(xiàng)目組，與其他高校的同學(xué)協(xié)同完成任務(wù)。

我所在的無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行展示項(xiàng)目是上海交通大學(xué)負(fù)責(zé)的核心環(huán)節(jié)之一，我們主要演示海上固定翼無(wú)人機(jī)的垂直起降與自主飛行能力。作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，這項(xiàng)任務(wù)無(wú)疑是一次難得的機(jī)會(huì)，它能讓我將所學(xué)的控制理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。

在“雪龍”號(hào)的直升機(jī)機(jī)庫(kù)里，停放著一架垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)，它是直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的結(jié)合體，除了有一對(duì)長(zhǎng)長(zhǎng)的固定翼，機(jī)身上還設(shè)有四扇螺旋槳，用于低速時(shí)提供升力。它兼具了旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，不僅能在狹小的船舶甲板上垂直起降，還能在空中切換為固定翼模式，以大大節(jié)省電量，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離飛行。這套無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，除了飛機(jī)外，還有甲板上的一系列設(shè)施，包括飛行控制電腦、位置測(cè)量基站等儀器。具體操作時(shí)，先在飛行控制電腦上規(guī)劃自主飛行的路徑，并依靠固定在甲板上的定位基站，得知船舶的航向角、速度等信息，計(jì)算后與飛機(jī)通信。飛機(jī)依賴于飛控系統(tǒng)中的傳感器模塊（如GPS、陀螺儀、加速度計(jì)），實(shí)時(shí)感知飛行狀態(tài)，并結(jié)合電腦給出的“以什么高度飛，往什么方向飛”等具體指令，保持飛行穩(wěn)定。

老師告訴我們，在無(wú)人機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)中，我們所學(xué)的控制算法、狀態(tài)估計(jì)方法、信號(hào)處理等技術(shù)都能發(fā)揮重要作用。這些技術(shù)不僅確保無(wú)人機(jī)在飛行中實(shí)現(xiàn)自主控制，還能讓它適應(yīng)海上風(fēng)浪等不確定因素。

精準(zhǔn)降落

作業(yè)當(dāng)天上午，一個(gè)壞消息傳來(lái)，東海海面受熱帶擾動(dòng)影響形成暴雨。當(dāng)時(shí)浪高達(dá)到了5米。望向甲板外，洶涌的海浪不斷拍打著“雪龍”號(hào)的側(cè)舷，再看向我們的船，此時(shí)正如同一片樹(shù)葉，在水面上隨波搖晃。甲板上狂風(fēng)怒號(hào)，裹挾著大雨朝我們襲來(lái)?？扇艘贿M(jìn)入直升機(jī)庫(kù)，又是另外一番體驗(yàn)：悶熱的空氣讓人瞬間汗如雨下，難耐的濕熱與搖晃的地板一起，為此次作業(yè)增加了難度。即便自然環(huán)境如此惡劣，我們團(tuán)隊(duì)也依然要按計(jì)劃作業(yè)。

在機(jī)庫(kù)內(nèi)規(guī)劃好路徑后，我們將無(wú)人機(jī)從機(jī)庫(kù)內(nèi)搬運(yùn)到直升機(jī)甲板上，做下一步的定位定向工作。設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)早就預(yù)料到這種情況，他們使用了“三防電腦”，這樣就算瓢潑大雨打向飛機(jī)的定位儀器，也不會(huì)破壞整體系統(tǒng)的工作。但天氣因素仍對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行性能產(chǎn)生極大影響，尤其是在開(kāi)放水域的上空，強(qiáng)風(fēng)會(huì)使飛行器面臨高度不穩(wěn)定的挑戰(zhàn)，浪涌則會(huì)給飛機(jī)降落增加難度。

調(diào)試過(guò)程中，我們依次檢查了無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)系統(tǒng)工作狀況，如飛控系統(tǒng)與地面站的連接情況、測(cè)試船舶定位儀器的穩(wěn)定性，并確保所有傳感器正常工作。

這是我第一次在如此復(fù)雜的環(huán)境中參與設(shè)備調(diào)試，它與我在實(shí)驗(yàn)室中面對(duì)理想狀態(tài)的模擬測(cè)試完全不同。為了減少外部干擾，我們專門調(diào)試起飛時(shí)的速度和各項(xiàng)閾值，以避免無(wú)人機(jī)在起飛時(shí)失控。

調(diào)試完成后，我們便啟動(dòng)了自動(dòng)起飛程序，展示無(wú)人機(jī)在惡劣海況下的穩(wěn)定性。無(wú)人機(jī)依靠預(yù)設(shè)程序垂直起飛，從甲板騰空而起，在空中緩緩向前加速，達(dá)到一定程度后，尾部的推進(jìn)螺旋槳啟動(dòng)，切換為固定翼飛行模式，負(fù)責(zé)垂直起降的螺旋槳也就停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。在距離科考船數(shù)千米的范圍內(nèi)，無(wú)人機(jī)自動(dòng)按軌跡運(yùn)行，以Z字形的路線掃描起整片海域。通過(guò)地面站界面，我們能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行參數(shù)，包括姿態(tài)角度、GPS位置和速度。

巡航過(guò)程結(jié)束，我們觸發(fā)了無(wú)人機(jī)的自動(dòng)降落功能。返航過(guò)程中，無(wú)人機(jī)根據(jù)設(shè)定的路徑，疊加上這段時(shí)間內(nèi)船所運(yùn)動(dòng)的位移，導(dǎo)航返回直升機(jī)甲板。依靠高度傳感器和視覺(jué)輔助系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)緩緩下降。當(dāng)看到它最終平穩(wěn)降落在搖晃的甲板上時(shí)，我對(duì)自動(dòng)化的熱愛(ài)更加具象化，對(duì)學(xué)以致用的理解更加深刻，也進(jìn)一步增添了科技報(bào)國(guó)的動(dòng)力。

CTD采水與數(shù)據(jù)分析

在‘雪龍’號(hào)舯部甲板上進(jìn)行的CTD（鹽度－溫度－深度測(cè)量?jī)x）采水作業(yè)項(xiàng)目中，我們小組負(fù)責(zé)操作設(shè)備來(lái)采集不同深度的水樣。以前，我只在視頻里看過(guò)CTD采水作業(yè)的過(guò)程，如今能夠現(xiàn)場(chǎng)觀摩，親身體驗(yàn)，那種感覺(jué)很難用語(yǔ)言形容。

當(dāng)絞車將CTD采水器下放到一定深度后，其搭載的各種傳感器會(huì)測(cè)量海洋剖面參數(shù)。根據(jù)對(duì)剖面參數(shù)的觀察，可以設(shè)定相應(yīng)的取樣深度。在采水器上拉的過(guò)程中，每到達(dá)一個(gè)設(shè)定深度時(shí)，我們便可通過(guò)控制系統(tǒng)觸發(fā)相應(yīng)的采樣筒，將海水樣品封存在采樣筒中。

由于CTD操作包含自動(dòng)控制系統(tǒng)的使用，這與我在專業(yè)課中所學(xué)的控制理論高度相關(guān)。于是項(xiàng)目組安排由我參與設(shè)備的復(fù)位與數(shù)據(jù)記錄，體驗(yàn)控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的實(shí)際運(yùn)行，并幫助分析不同深度的鹽度、溫度和溶解氧數(shù)據(jù)。

我的第一次CTD采水任務(wù)由于傳感器配置錯(cuò)誤，使得初始測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果不一致，鹽度甚至達(dá)到了60‰。經(jīng)過(guò)多次排查后，我們發(fā)現(xiàn)是配置文件的問(wèn)題。這次經(jīng)歷讓我深刻體會(huì)到，自動(dòng)化設(shè)備的成功運(yùn)行不僅依賴于硬件，更依賴于軟件系統(tǒng)的精確配置，而這些問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)與解決正是試航的意義所在。

從無(wú)人機(jī)控制到CTD操作，課堂上學(xué)到的控制理論在“雪龍”號(hào)上有了生動(dòng)體現(xiàn)。自動(dòng)化控制不僅是針對(duì)硬件設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，更需要貼近實(shí)際場(chǎng)景靈活應(yīng)變。雖然我的專業(yè)不是海洋科學(xué)，但這次難得的登船實(shí)踐，讓我看到了自動(dòng)化技術(shù)在海洋探索中不可或缺的作用。

責(zé)任編輯：刁雅琴