共融機器人與深海航行器前沿技術

隨著人工智能技術飛速發(fā)展，人工智能技術將與機器人產業(yè)深度融合。共融機器人是人類未來幾十年技術進步與經濟發(fā)展的重要方向與領域。

共融機器人是指能夠與作業(yè)環(huán)境、人和其他機器人自然交互、自主適應復雜動態(tài)環(huán)境并協同作業(yè)的機器人。共融機器人是繼工業(yè)機器人、智能機器人之后機器人技術的重要發(fā)展方向。深海航行器是典型的水下共融機器人系統，也稱水下機器人。由于水下環(huán)境的復雜多變，以及受深海水壓的影響，與其他工業(yè)機器人相比，深海航行器系統研究更加復雜，更具挑戰(zhàn)性。

國內外共融機器人與深海航行器發(fā)展現狀

機器人技術經歷了半個多世紀的發(fā)展，已經深入到人類生產、生活的各個方面，給人類社會發(fā)展帶來重大變革。美國于2011年啟動了先進制造伙伴計劃 （AMP），明確指出“下一代機器人將與人類操作者緊密合作，為產業(yè)工人、健康服務者、士兵、手術醫(yī)生以及宇航員等完成復雜任務提供新的能力”，這是迄今為止國家級計劃中對下一代機器人功能內涵最清晰的描述。歐盟早在2006年就成立了專門機構，對歐洲機器人技術的發(fā)展進行了長期、細致的研究，并于2014年1月頒布了機器人發(fā)展路線圖，歸納出下一代機器人的核心特征：安全、自主的“人-機器人-物理世界”的交互。德國于2013年4月推出“工業(yè)4.0計劃”，指出智能工廠、智能生產是第四次工業(yè)革命的主題，通過智能機器人、機器設備以及人之間的相互合作，提高生產過程的智能性。日本機械學會將機器人作為其10個重點發(fā)展方向之一。新的社會發(fā)展趨勢表明，未來新一代機器人系統表現為更全面模仿人類，機器人與人之間更多的是一種和諧共存、優(yōu)勢互補的合作伙伴關系，與人共融成為新一代機器人系統的最本質特征。

由于共融機器人關鍵技術及其應用領域的特殊性，掌握其先進技術的發(fā)達國家長期對我國實行技術封鎖，我國的相關研究以自力更生為主。2016年8月，國家自然科學基金委啟動了“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃，瞄準國際機器人研究前沿，圍繞人-機-環(huán)境共融的機器人基礎理論和設計方法，通過機械、信息、力學等多學科交叉，在剛-柔-軟耦合柔順結構設計與動力學、多模態(tài)環(huán)境感知與人體行為意圖理解、群體智能與分布式機器人操作系統等方面取得創(chuàng)新性研究成果，有望占領共融機器人技術制高點，培養(yǎng)一批具有國際影響力的中青年學術骨干和帶頭人，提升我國機器人研究的整體創(chuàng)新能力和國際地位。

未來，世界各國將加速機器人技術的研發(fā)，特別是隨著人工智能技術飛速發(fā)展，人工智能技術將與機器人產業(yè)深度融合。共融機器人被視為人類未來幾十年技術進步與經濟發(fā)展的重要方向與領域，各國紛紛出臺各類中長期推進計劃，如美國的國家機器人計劃、歐盟的Robotics系列計劃、日本的《機器人白皮書》等。共融機器人的發(fā)展浪潮對我國科技工作者來說，既是機遇，也是挑戰(zhàn)。

深海航行器是共融機器人的重要應用與發(fā)展領域，深海環(huán)境的特點是高壓、黑暗、低溫、缺氧等，人體和普通設備都很難在這種條件下完成工作，深海航行器成為開發(fā)海洋的核心工具。當前，以美國為代表的西方發(fā)達國家在深海航行器研究領域處于領先地位，其成果也在各類應用場景中嶄露頭角。2014年初，在馬來西亞航空公司MH370失聯客機水下搜救行動中，美國動用了多臺“藍鰭金槍魚”號無人無纜水下機器人（AUV）進行4500米的深海大規(guī)模水下協作搜索。雖然未找到失聯客機，但AUV成為深海跟蹤搜索的首選工具，甚至是唯一選擇，表明了美國等西方國家在這一領域的領先地位。最近，美國國防部高級研究計劃局正在開展的“深海行動計劃”（Deep Sea Operation Project，DSOP）是典型的多AUV共融跟蹤系統，它涉及AUV與AUV之間、AUV與深海環(huán)境的融合，跟蹤AUV能在水下6 000米潛航，并秘密潛伏于敵對潛艇下方實現動態(tài)追蹤監(jiān)控。同時，它能夠利用AUV之間的水聲通信系統，當某個AUV出現故障時，通過系統之間的協調共融，由其他AUV代替故障AUV進行工作，從而提升系統容錯搜索能力。

深海航行器是共融機器人的重要應用與發(fā)展領域，深海環(huán)境的特點是高壓、黑暗、低溫、缺氧等，人體和普通設備都很難在這種條件下完成工作，深海航行器成為開發(fā)海洋的核心工具。

我國深海航行器基礎理論前沿研究方向

深海航行器基礎理論創(chuàng)新研究是其產業(yè)發(fā)展的基石。近年來，深海航行器領域在諸多方面取得了重要進展，如深海航行器水下仿生控制理論與技術、水下軟體機器人的抓取技術、多航行器水下協作作業(yè)技術等。但是，真正實現有效可靠的應用與產業(yè)化，還有不少關鍵共性技術有待突破。當前，深海航行器基礎理論研究前沿主要集中在以下幾個方面。

● 深海航行器水下環(huán)境自主感知技術

水下圖像處理是航行器水下環(huán)境感知的前提要件。與水上環(huán)境相比，無論是光視覺傳感器還是聲吶傳感器，都存在水下成像效果差的缺陷。目前，無論是對聲吶圖像還是水下光學圖像來說，均沒有通用的處理模型和方法來適應所有水下環(huán)境，而且相關處理算法還存在實時性與準確性的矛盾。因此，針對水下特殊環(huán)境，急需研究出計算量小、既能滿足實時性又能較準確提取環(huán)境信息的模型和方法，實現水下光視覺和聲學圖像的快速、準確處理。

● 深海航行器自主路徑規(guī)劃避障方法

航行器水下作業(yè)大多是在海底條件極其惡劣的情況下展開的，水下環(huán)境分布著大量的障礙物，包括礁石、海底火山、沉船和移動的冰山等，航行過程中必須安全避開這些障礙物，這是開展水下作業(yè)的必要前提。傳統的路徑規(guī)劃方法主要包括可視圖法、柵格地圖法、自由空間法、拓撲法、模板匹配法等，大多只能用于解決靜態(tài)障礙物環(huán)境下的路徑規(guī)劃與安全避障問題。水下環(huán)境是動態(tài)的，環(huán)境信息具有多變性和不確定性，因此，傳統路徑規(guī)劃技術無法滿足實際的水下路徑規(guī)劃需要。隨著現代路徑規(guī)劃研究的不斷發(fā)展，一些新的、適用于不確定動態(tài)水下環(huán)境的路徑規(guī)劃方法需要深入研究，如仿生智能路徑規(guī)劃方法、啟發(fā)式搜索路徑規(guī)劃方法等。

● 深海航行器軌跡跟蹤控制技術

水下跟蹤控制是深海航行器最基本的水下運行狀態(tài)。但是，目前幾乎所有跟蹤圍捕研究報道均是跟蹤圍捕算法頂層設計與仿真，少見跟蹤圍捕算法的航行器底層動力學控制設計。實際上，任何跟蹤圍捕算法最終都要通過水下航行器的動力學控制實現，而且航行器驅動能力都存在一定的上下限限制，常規(guī)控制方法常常會出現跟蹤控制律驅動飽和問題。因此，針對水下航行器有限驅動能力的軌跡跟蹤動力學控制律設計是深海航行器軌跡跟蹤控制亟待解決的核心技術之一。

我國深海航行器的研制進展

創(chuàng)新的歷史性跨越，也為正在研制的全海深載人作業(yè)潛水器奠定堅實基礎。2017年9月，深?？瓶夹蚏OV系統的成功研制，填補了我國6000米級深海ROV空白，使我國跨入美國、日本、法國等世界上少數擁有6000米級ROV的國家行列。2017年12月，國家“十三五”重點研發(fā)計劃“全海深無人潛水器AUV關鍵技術研究”正式啟動，將研制能夠探訪位于海底11000多米馬里亞納海溝的AUV集成驗證系統，向全球海洋最深處發(fā)起沖擊。

我國的深海航行器設計與研制可分為載人水下機器人（Human Occupied Vehicle，HOV）， 遙控機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）和無人無纜水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）三大領域。經過幾十年自主研發(fā)的艱辛歷程，我國的深海航行器從少量研制到成熟運行，在提高技術性能與國產化率等方面不斷突破，部分單機性能與國外相齊，已逐漸成為探索海洋的一支生力軍。

2017年，“深海勇士”號HOV在南海陸續(xù)完成全部海上試驗任務，標志繼“蛟龍”號HOV后，我國深海裝備又添重器。4500米級“深海勇士”號HOV是在7000米級“蛟龍”號HOV基礎上設計的，它最大的特點是國產化率遠高于“蛟龍”號，主要體現在深海載人艙設計與建造、深海浮力材料、深海推進器系統、深海機械手這些大型核心部件均實現了國產化，實現了我國深海裝備由集成創(chuàng)新向自主

關于我國深海航行器行業(yè)發(fā)展的建議

隨著人類對海洋探索的不斷深入，深海航行器已得到世界各國的高度重視，雖然我國起步相對較晚，但目前已經歷了從“追趕”“跟跑”到“并跑”的過程。如今，伴隨國家海洋強國戰(zhàn)略的實施、人工智能技術的飛速發(fā)展和計算機技術的進步，作為人類深海探測與開發(fā)的重要工具，深海航行器的基礎理論研究、關鍵技術攻關、相關應用系統的研發(fā)都迎來了巨大的機遇。在當前形勢下，需要政府、高校科研院所及企業(yè)形成合力，通過政府的大力引導、高?？蒲性核募夹g攻關、企業(yè)的應用示范等方面來推動深海潛水器行業(yè)快速發(fā)展。

● 加強基礎理論與關鍵技術研究

抓住人工智能技術發(fā)展機遇，推進人工智能技術與共融機器人技術結合，在深海航行器技術系統中大量應用人工智能技術，如基于深度學習算法在水下聲吶圖像學習與水下環(huán)境感知方面應用、生物啟發(fā)神經網絡方法在深海航行器水下路徑規(guī)劃與軌跡跟蹤控制方面應用等。

● 增強資金投入與應用推廣力度

增強對深海航行器研發(fā)的投資力度，合理分配研究資源及經費，以具有實用意義的技術、產品、專利為導向，加大深海航行器系統的研發(fā)，特別是有廣泛需求的無人航行器系統研發(fā)。進一步推進深海航行器系統在民用與國防軍事領域應用推廣，如水下搜救、深海搜索、深?？碧降阮I域。

● 重視復合型人才培養(yǎng)與搭建學術交流平臺

人才培養(yǎng)是深海航行器行業(yè)發(fā)展的原動力。一方面，建議注重加強理論與研發(fā)兼顧的復合型人才培養(yǎng)。我國科研院校一般以發(fā)表研究論文作為人才評價標準，為了培養(yǎng)深海航行器行業(yè)優(yōu)秀人才，建議調整培養(yǎng)方案，讓學生在學習過程中直接面對研發(fā)實際問題，理論學習和實踐操作并重。另一方面，鑒于深海航行器領域國際間及國內學術交流較少的特殊情況，建議搭建專門的學術交流平臺與組織，如在中國海洋學會中增設水下航行器專業(yè)委員會等。