專注、前沿、厚積薄發(fā)

——記成長中的“水下機器人與智能系統(tǒng)”實驗室

水下機器人在水下作業(yè)時發(fā)生故障后，如何自我診斷、自主完成指令返回母船？在危險神秘的海底世界，水下機器人能否自動規(guī)劃路徑、安全避障？怎樣發(fā)揮水下機器人的作用，進(jìn)行海底觀察、路徑控制、圖像處理、目標(biāo)識別……這些當(dāng)前國際前沿的“水下機器人關(guān)鍵技術(shù)”難題正困擾著海洋工程技術(shù)的進(jìn)步，一些課題也正在被我校“水下機器人與智能系統(tǒng)實驗室”朱大奇教授科研團(tuán)隊潛心研究。

作為人類探索和開發(fā)海洋的重要工具，水下機器人（又稱無人深海潛水器）將會在此領(lǐng)域發(fā)揮重要而不可替代的作用。上海海事大學(xué)“水下機器人與智能系統(tǒng)”實驗室自成立以來，始終秉承“專注、前沿、厚積薄發(fā)”的科研精神，潛心于“水下機器人可靠性控制理論與關(guān)鍵技術(shù)”這一國際前沿性方向研究，不斷提供創(chuàng)新性研究成果，實現(xiàn)社會服務(wù)。

從弱到強，潛心打造水下機器人研究團(tuán)隊

2007年6月，上海海事大學(xué)“水下機器人與智能系統(tǒng)”實驗室成立。短短幾年間，從當(dāng)年的一人一兵（借來的1名博士生），一間40平米教室（老校教學(xué)樓，學(xué)校特批），發(fā)展到現(xiàn)在教授副教授5人、講師工程師4人、博士生6人、碩士生15人的緊密合作研究團(tuán)隊，擁有3套ROV水下實驗平臺、2套ARV水下搜索系統(tǒng)、1個共用深水試驗水池、2套小型地面移動機器人系統(tǒng)研究平臺、近50臺套其他開發(fā)研究用小型儀器設(shè)備，在臨港校區(qū)信息工程學(xué)院樓315室、330室及水上訓(xùn)練中心215室擁有的實驗室使用面積超過200平米。目前，正以此為基礎(chǔ)整合相關(guān)研究性實驗室，在學(xué)校支持下擬申報上海市“現(xiàn)代海事搜救與智能信息處理”重點實驗室。

六年多來，朱大奇教授科研團(tuán)隊主持國家863計劃項目1項、國家自然科學(xué)基金面上及青年項目5項；參與國家科技支撐計劃、科技部重大科技專項3項；主持上海市科委創(chuàng)新行動計劃及一般項目6項，教育部、交通部項目及上海市教委創(chuàng)新項目9項，上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人等人才計劃項目2項；有關(guān)水下搜救與檢測的企業(yè)委托項目3項。課題組年均經(jīng)費150萬元以上，2012年課題組年合同經(jīng)費超過323萬。

實驗室目前已申請與授權(quán)專利12項（授權(quán)發(fā)明專利3項、實用新型專利5項），軟件著作權(quán)6項；發(fā)表論文100篇以上，其中SCI收錄近30篇、EI收錄近60篇，相關(guān)研究論文被同行專家他引1479篇次；出版專著《水下機器人故障診斷與容錯控制技術(shù)》被“蛟龍?zhí)枴笨傇O(shè)計師徐豈楠研究員評價為國內(nèi)外第一部系統(tǒng)化的水下機器人可靠性控制專著；科研成果“復(fù)雜電子設(shè)備智能綜合故障診斷技術(shù)”與“水下機器人故障診斷與容錯控制關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用”分別獲得2008年和2012年度上海市科技進(jìn)步二等獎，2006-2012科研團(tuán)隊連續(xù)七年獲上海海事大學(xué)課題組科研貢獻(xiàn)獎。

追蹤前沿，專注水下機器人關(guān)鍵技術(shù)研究

科研團(tuán)隊多年來一直專注于水下機器人可靠性控制理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，從未偏離。作為上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人，早在江南大學(xué)工作時朱大奇教授就與中國船舶科學(xué)研究中心（中船702研究所）開展了潛水器故障模擬與仿真技術(shù)研究，初步打下了水下機器人研究基礎(chǔ)。

2006年9月朱大奇教授調(diào)入上海海事大學(xué)后，借助海事大學(xué)的航運特色與海洋工程背景，成功獲得國家863計劃（自治水下機器人故障診斷與容錯控制關(guān)鍵技術(shù)研究-2006）、國家自然科學(xué)基金面上項目（自治水下機器人可靠性控制技術(shù)研究-2007）、上海市自然科學(xué)基金（AUV推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷與容錯控制-2008）和高校博士點基金（數(shù)據(jù)驅(qū)動的自治水下機器人傳感器故障診斷技術(shù)-2009）資助，系統(tǒng)地研究了水下機器人傳感器系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)的故障自診斷技術(shù)，水下機器人的自修復(fù)容錯控制技術(shù)，并將研究范圍從有纜遙控水下機器人ROV推進(jìn)到無纜自治水下機器人AUV系統(tǒng)。

2009年，在國家留學(xué)基金的支持下，朱大奇教授遠(yuǎn)赴加拿大Guelph大學(xué)“高級機器人與智能系統(tǒng)”實驗室訪問研究。在此期間潛心研究了國際上最新的生物啟發(fā)神經(jīng)動力學(xué)模型，該模型已被Guelph大學(xué)Simon Yang教授成功應(yīng)用于空中飛行器與地面移動機器人可靠性控制之中，受此啟發(fā)將生物啟發(fā)神經(jīng)動力學(xué)模型引入水下機器人領(lǐng)域，從而將水下機器人可靠性控制研究從機器人自身的可靠性（水下機器人故障自診斷與自修復(fù)容錯控制）進(jìn)一步拓展到水下機器人外部作業(yè)環(huán)境的可靠性（水下機器人水下路徑規(guī)劃與安全避障技術(shù)）研究。

2010年回國后，朱大奇教授帶領(lǐng)團(tuán)隊在此方向上得到了2項國家自然科學(xué)基金面上項目（自治水下機器人路徑規(guī)劃與安全避障技術(shù)研究-2010，生物啟發(fā)自治水下機器人軌跡跟蹤控制研究-2012）、上海市科委創(chuàng)新行動計劃（新型ARV研制與水下安全航行技術(shù)-2011）、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人計劃（水下機器人可靠性控制技術(shù)研究與應(yīng)用-2011）、交通運輸部科技專項（自治水下機器人水下搜救與路徑規(guī)劃技術(shù)-2012）等系列課題資助。系統(tǒng)地研究了生物啟發(fā)自治水下機器人全覆蓋路徑規(guī)劃與安全避障技術(shù)、生物啟發(fā)AUV自適應(yīng)軌跡跟蹤理論，并將相關(guān)理論從無人潛水器（ROV、AUV）推廣到結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的載人潛水器可靠性控制，從單個水下機器人拓展到多AUV協(xié)作、跟蹤與圍捕控制領(lǐng)域，從而形成一個系統(tǒng)化的深海潛水器可靠性控制理論體系。

厚積薄發(fā)，取得多項創(chuàng)新性研究成果

幾年來，實驗室在水下機器人故障自診斷與自修復(fù)容錯控制、AUV路徑規(guī)劃、安全避障與多AUV系統(tǒng)研究方面，取得了多項創(chuàng)新性研究成果。

針對水下環(huán)境的多干擾、難以預(yù)測及機器人自身模型不確定與海量數(shù)據(jù)特性，提出基于信度分配小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型主元分析模型，解決常規(guī)的狀態(tài)殘差故障檢測方法誤診率高的缺陷，給出水下機器人故障檢測隔離的準(zhǔn)確有效方法；應(yīng)用快速收斂的信度分配小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造多傳感器信息融合模型，提出基于信息融合的水下機器人推進(jìn)系統(tǒng)在線故障辨識技術(shù)，利用信息融合的多維信息處理優(yōu)勢，克服英國學(xué)者E.Omerdic的SOM自組織故障辨識方法只能診斷有限、已知故障模式的缺陷，提高了故障辨識的準(zhǔn)確率和實際容錯控制效果。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國際期刊《Sensors》《International Journal of Advanced Robotic Systems》和《Journal of Intelligent & Robotic Systems》。

將智能優(yōu)化計算方法引入水下機器人與載人潛水器容錯控制之中，首次提出帶約束條件的量子粒子群優(yōu)化水下機器人控制律重構(gòu)方法，成功地解決了T. K. Podder教授的偽逆容錯控制信號超限難題，即推進(jìn)器控制的“驅(qū)動飽和”問題。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《International Journal of Advanced Robotic Systems》和《International Journal of Robotics and Automation》。與“蛟龍?zhí)枴备笨傇O(shè)計師胡震研究員合作，以“蛟龍?zhí)枴倍嗤七M(jìn)器冗余系統(tǒng)模型為研究對象，深入研究了推進(jìn)器可控故障狀況下，“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器狀態(tài)穩(wěn)定的“靜態(tài)”容錯控制與軌跡跟蹤的“動態(tài)”容錯控制策略，其中“靜態(tài)”容錯控制研究成果已發(fā)表于國際控制雜志《International Journal of Control》，軌跡跟蹤的“動態(tài)”容錯控制成果已被工程技術(shù)領(lǐng)域國際頂級期刊《IEEE Transactions on Industrial Electronics》錄用。

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合與DS（Dempster-Shafer）信息融合算法應(yīng)用到自治水下機器人AUV傳感器信息融合處理中，利用信息融合的多維信號處理優(yōu)勢來消除傳感器測試信號的不確定性，從而準(zhǔn)確定位動、靜障礙物，構(gòu)建AUV水下路徑規(guī)劃地圖；將生物啟發(fā)神經(jīng)動力學(xué)模型引入水下機器人全覆蓋路徑規(guī)劃中，在信息融合地圖構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過計算相關(guān)神經(jīng)元的輸出，進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋自適應(yīng)航行。相關(guān)研究成果發(fā)表于《International Journal of Robotics and Automation》《Journal of Maritime Science and Technology》及《International Journal of Distribute Sensor Networks》。在單個水下機器人路徑規(guī)劃與跟蹤控制研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究多AUV系統(tǒng)的協(xié)作、控制與圍捕。考慮各個AUV任務(wù)負(fù)擔(dān)的均衡問題，提出改進(jìn)的自組織映射SOM多AUV多目標(biāo)任務(wù)分配算法，引入時變海流模型，將海流影響與自組織競爭算法集成，使每個機器人在時變海流環(huán)境下按照優(yōu)化的路徑規(guī)則到達(dá)所有分配的目標(biāo)位置。相關(guān)研究成果已在線發(fā)表于《IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Part B》和《Journal of Intelligent & Robotic Systems》。

服務(wù)社會，“水下機器人”走出實驗室?

基礎(chǔ)研究專注前沿，應(yīng)用開發(fā)服務(wù)社會。水下機器人與智能系統(tǒng)實驗室在專注于水下機器人關(guān)鍵技術(shù)研究的同時，也讓這些高端的新科技走出實驗室，為社會提供服務(wù)。

2010年12月，應(yīng)湖北荊門市公安局邀請，朱大奇教授研究團(tuán)隊聯(lián)合華中科技大學(xué)船舶工程學(xué)院，應(yīng)用他們實驗室改進(jìn)的無人纜控水下機器人，扮演了一次聰明勇敢的“水底神探”，在湖北荊門漳河水庫復(fù)雜的水下環(huán)境中，潛水40余米，利用聲納對水下目標(biāo)進(jìn)行大范圍掃測，通過機器人水下視頻對可疑目標(biāo)進(jìn)行辨識與驗證，從面到點成功地搜尋到被害人衣物與尸體。不僅幫警方偵破一樁半年難解的沉尸案，而且創(chuàng)造了水下機器人深水小目標(biāo)點成功搜救的典型案例，在社會上產(chǎn)生了廣泛的影響。