快看！機(jī)器人賽帆船

洋洋

即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的水手來(lái)說(shuō)，駕駛帆船橫渡大海，都是個(gè)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。那么，如果這艘帆船是艘無(wú)人駕駛的自動(dòng)帆船呢？

精彩的機(jī)器人帆船比賽

2016年9月，數(shù)艘帆船漂浮在挪威奧斯陸峽灣激烈角逐，奇怪的是，沒(méi)有人類選手駕馭這些帆船，但遇到迎面打來(lái)的洶涌的波濤，它們依然保持著平衡，并沒(méi)有側(cè)翻，更沒(méi)有葬身水底，按照既定路線穩(wěn)定地行駛著，就像自己懂得御風(fēng)御海。這些帆船就是世界上最先進(jìn)的無(wú)人自動(dòng)駕駛帆船！而它們參加的賽事是世界機(jī)器人帆船錦標(biāo)賽。

世界機(jī)器人帆船錦標(biāo)賽每年會(huì)舉行一次，參賽船只不能使用任何儲(chǔ)存好的能量，比如汽油作為驅(qū)動(dòng)螺旋槳的動(dòng)力來(lái)源，只能完全靠風(fēng)能驅(qū)動(dòng)。除了少數(shù)情況下，如船只被漁網(wǎng)捕獲，需要人為的操作外，其余的大部分時(shí)間里，帆船都會(huì)自動(dòng)行駛。

在四天的比賽時(shí)間里，參賽船只將完成五項(xiàng)任務(wù)。第一項(xiàng)為速度航行，所有的船只都會(huì)沿著梯形的航線一起航行，如果它們完成整個(gè)航行，評(píng)委們會(huì)根據(jù)它們的到達(dá)順序排名分?jǐn)?shù)高低。第二項(xiàng)為虛擬錨定，大賽設(shè)計(jì)者們會(huì)設(shè)定一個(gè)航點(diǎn)P，帆船要在一個(gè)限定的時(shí)間里盡可能地靠近這一點(diǎn)。第三項(xiàng)為區(qū)域搜索，在一個(gè)L形的航道內(nèi)，包含著75個(gè)虛擬正方形方塊，船只必須在30分鐘內(nèi)，經(jīng)過(guò)20個(gè)連續(xù)的方塊，它們經(jīng)過(guò)的方塊數(shù)量以及所用的航道數(shù)量將成為評(píng)分依據(jù)。第四項(xiàng)是避障航行，會(huì)考驗(yàn)船只們繞開(kāi)航線過(guò)程中突然出現(xiàn)的障礙物的能力。第五項(xiàng)是位置保持比賽，船只必須在特定位置上保持五分鐘。

如果你小時(shí)候有過(guò)在水邊操控船類玩具的經(jīng)歷，就會(huì)知道這一過(guò)程會(huì)有多難，更別提在海洋中操縱一只最大長(zhǎng)度不超過(guò)4米、重不超過(guò)300千克的自動(dòng)帆船，想想它的動(dòng)力來(lái)源只能是風(fēng)力，而風(fēng)向又經(jīng)常不是確定的，它的航線基本很難去預(yù)先設(shè)定好。

不過(guò)，經(jīng)過(guò)重重比拼，還是有一只參賽隊(duì)伍以精彩的表現(xiàn)，贏得了比賽，他們是來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)。

如何贏得比賽？

早在2013年，這一研究團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)帶著自己制造的自動(dòng)帆船參賽，但并沒(méi)有得到名次。這一次，他們帶來(lái)了“渴望”號(hào)帆船。這艘帆船長(zhǎng)2.4米，船身非常狹窄，其剛性矩形翼帆由瑞典飛機(jī)制造商制造，高2.5米，翼帆兩側(cè)安裝有更小的機(jī)翼。兩個(gè)船桅不是為了比賽而設(shè)計(jì)，而是美國(guó)加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究工具，其攜帶著能測(cè)量pH、溫度、電導(dǎo)率和鹽度的水下傳感器。跟其他自動(dòng)船只一樣，船上有船載計(jì)算機(jī)，研究者們會(huì)提前編程，使得這臺(tái)計(jì)算機(jī)能識(shí)別風(fēng)向、了解自己的位置，從而自動(dòng)調(diào)控船帆和舵，引導(dǎo)船行進(jìn)。

而這個(gè)團(tuán)隊(duì)之所以能打敗其他團(tuán)隊(duì)而勇奪冠軍，是因?yàn)樗麄儚?qiáng)大的軟件設(shè)計(jì)能力和情景分析能力。比如在第三項(xiàng)任務(wù)中，所有的帆船必須在30分鐘內(nèi)盡可能多地覆蓋指定區(qū)域，大多數(shù)船只使用的是傳統(tǒng)的策略來(lái)控制行船路徑，比如用繩子控制帆并調(diào)整帆船角度?！翱释碧?hào)帆船的翼帆繞著中心桅桿旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)化了操作，使得其行走的路線看起來(lái)就像被割草機(jī)割過(guò)的草地那樣整齊劃一，而其他船只的行駛路徑則凌亂得像意大利面。

不過(guò)，這還不是最難的機(jī)器人航海比賽。實(shí)際上，世界機(jī)器人帆船錦標(biāo)賽只是跨大西洋機(jī)器人航海挑戰(zhàn)賽的衍生賽事。作為主賽事，跨大西洋機(jī)器人航海挑戰(zhàn)賽難度更大，因?yàn)檫@些自動(dòng)帆船需要橫跨大西洋，它們有兩條航線選擇，第一條是從大不列顛海岸起航，在美國(guó)巴哈馬群島和佛羅里達(dá)之間結(jié)束航行。第二條航線是以北美東海岸為起點(diǎn)，以愛(ài)爾蘭西海岸為終點(diǎn)。

自2010年這場(chǎng)賽事第一次舉行以來(lái)，迄今為止，只有少數(shù)團(tuán)隊(duì)有能力參加這項(xiàng)賽事，包括“渴望”號(hào)都因資金不夠，而無(wú)緣比賽，而且沒(méi)有一艘自動(dòng)帆船贏得這項(xiàng)比賽，原因包括自動(dòng)帆船被漁網(wǎng)網(wǎng)住、被漁船打撈起來(lái)，或者在海洋上迷失方向。

2017年夏天，人類有了最接近勝利的嘗試。當(dāng)時(shí)美國(guó)離岸傳感公司建造了一艘名為“航行浮標(biāo)”的無(wú)人船，駛出了1500多千米，超過(guò)了全賽事的一半里程，但最終開(kāi)始在海洋中繞圈，以失敗告終。

為什么人們這么熱衷？

那么，人類為什么愿意投入大量資金，樂(lè)此不疲地參加自動(dòng)帆船比賽？

對(duì)許多參與者來(lái)說(shuō)，征服大西洋和參加激烈比賽的樂(lè)趣，倒是其次，他們參加自動(dòng)帆船比賽的主要目的是為了將來(lái)的商業(yè)研發(fā)和科學(xué)研究。

這是因?yàn)樵讷@取海洋中的數(shù)據(jù)上，自動(dòng)帆船具有許多優(yōu)勢(shì)。像漂浮的浮標(biāo)或載人船只，要么移動(dòng)能力不強(qiáng)，要么成本昂貴。傳統(tǒng)的科研船隊(duì)每天花費(fèi)可能高達(dá)2萬(wàn)美元，這筆資金夠造好幾個(gè)自動(dòng)帆船，并讓它們運(yùn)行幾個(gè)月。此外，小型自動(dòng)帆船只有2米長(zhǎng)、重60千克，可以去到載人船只無(wú)法到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域，比如颶風(fēng)附近、火山或冰山區(qū)等。

由于參加各項(xiàng)國(guó)際比賽的自動(dòng)帆船必須滿足的避碰要求與國(guó)際海事組織規(guī)定的相同，而它們使用的用來(lái)發(fā)送和接收其它船只路線和速度的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)也與商業(yè)船只相同，所以，其一些科研成果也可以用于帆船以外的研究，比如用于研究自動(dòng)航運(yùn)貨船。

也正因?yàn)橛芯薮蟮纳虡I(yè)價(jià)值，在自動(dòng)帆船系列國(guó)際賽事中，參與團(tuán)隊(duì)要么是企業(yè)，要么是由企業(yè)或者政府贊助的研究機(jī)構(gòu)。比如在2016年的世界機(jī)器人帆船錦標(biāo)賽中，中國(guó)參賽團(tuán)隊(duì)成員有一半來(lái)自上海大學(xué)，另一半來(lái)自一家科技公司。