專注、前沿、厚積薄發(fā)

——記成長(zhǎng)中的“水下機(jī)器人與智能系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)室

水下機(jī)器人在水下作業(yè)時(shí)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(xiǎn)神秘的海底世界，水下機(jī)器人能否自動(dòng)規(guī)劃路徑、安全避障？怎樣發(fā)揮水下機(jī)器人的作用，進(jìn)行海底觀察、路徑控制、圖像處理、目標(biāo)識(shí)別……這些當(dāng)前國(guó)際前沿的“水下機(jī)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(jī)器人與智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”朱大奇教授科研團(tuán)隊(duì)潛心研究。

作為人類(lèi)探索和開(kāi)發(fā)海洋的重要工具，水下機(jī)器人（又稱無(wú)人深海潛水器）將會(huì)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(jī)器人與智能系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)室自成立以來(lái)，始終秉承“專注、前沿、厚積薄發(fā)”的科研精神，潛心于“水下機(jī)器人可靠性控制理論與關(guān)鍵技術(shù)”這一國(guó)際前沿性方向研究，不斷提供創(chuàng)新性研究成果，實(shí)現(xiàn)社會(huì)服務(wù)。

從弱到強(qiáng)，潛心打造水下機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)

2007年6月，上海海事大學(xué)“水下機(jī)器人與智能系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)室成立。短短幾年間，從當(dāng)年的一人一兵（借來(lái)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(duì)，擁有3套R(shí)OV水下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、2套ARV水下搜索系統(tǒng)、1個(gè)共用深水試驗(yàn)水池、2套小型地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究平臺(tái)、近50臺(tái)套其他開(kāi)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(shí)驗(yàn)室使用面積超過(guò)200平米。目前，正以此為基礎(chǔ)整合相關(guān)研究性實(shí)驗(yàn)室，在學(xué)校支持下擬申報(bào)上海市“現(xiàn)代海事搜救與智能信息處理”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

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

實(shí)驗(yàn)室目前已申請(qǐng)與授權(quán)專利12項(xiàng)（授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)、實(shí)用新型專利5項(xiàng)），軟件著作權(quán)6項(xiàng)；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(jī)器人故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)》被“蛟龍?zhí)枴笨傇O(shè)計(jì)師徐豈楠研究員評(píng)價(jià)為國(guó)內(nèi)外第一部系統(tǒng)化的水下機(jī)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(jī)器人故障診斷與容錯(cuò)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(jiǎng)，2006-2012科研團(tuán)隊(duì)連續(xù)七年獲上海海事大學(xué)課題組科研貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

追蹤前沿，專注水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

科研團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直專注于水下機(jī)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(shí)朱大奇教授就與中國(guó)船舶科學(xué)研究中心（中船702研究所）開(kāi)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(jī)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(yùn)特色與海洋工程背景，成功獲得國(guó)家863計(jì)劃（自治水下機(jī)器人故障診斷與容錯(cuò)控制關(guān)鍵技術(shù)研究-2006）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（自治水下機(jī)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(cuò)控制-2008）和高校博士點(diǎn)基金（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自治水下機(jī)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(jī)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(jī)器人的自修復(fù)容錯(cuò)控制技術(shù)，并將研究范圍從有纜遙控水下機(jī)器人ROV推進(jìn)到無(wú)纜自治水下機(jī)器人AUV系統(tǒng)。

2009年，在國(guó)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(jí)機(jī)器人與智能系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)室訪問(wèn)研究。在此期間潛心研究了國(guó)際上最新的生物啟發(fā)神經(jīng)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人可靠性控制之中，受此啟發(fā)將生物啟發(fā)神經(jīng)動(dòng)力學(xué)模型引入水下機(jī)器人領(lǐng)域，從而將水下機(jī)器人可靠性控制研究從機(jī)器人自身的可靠性（水下機(jī)器人故障自診斷與自修復(fù)容錯(cuò)控制）進(jìn)一步拓展到水下機(jī)器人外部作業(yè)環(huán)境的可靠性（水下機(jī)器人水下路徑規(guī)劃與安全避障技術(shù)）研究。

2010年回國(guó)后，朱大奇教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在此方向上得到了2項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（自治水下機(jī)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(jī)器人軌跡跟蹤控制研究-2012）、上海市科委創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)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(jì)劃（水下機(jī)器人可靠性控制技術(shù)研究與應(yīng)用-2011）、交通運(yùn)輸部科技專項(xiàng)（自治水下機(jī)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(jī)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(wú)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(gè)水下機(jī)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(gè)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(xiàng)創(chuàng)新性研究成果

幾年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室在水下機(jī)器人故障自診斷與自修復(fù)容錯(cuò)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(xiàng)創(chuàng)新性研究成果。

針對(duì)水下環(huán)境的多干擾、難以預(yù)測(cè)及機(jī)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(cè)方法誤診率高的缺陷，給出水下機(jī)器人故障檢測(cè)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(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)在線故障辨識(shí)技術(shù)，利用信息融合的多維信息處理優(yōu)勢(shì)，克服英國(guó)學(xué)者E.Omerdic的SOM自組織故障辨識(shí)方法只能診斷有限、已知故障模式的缺陷，提高了故障辨識(shí)的準(zhǔn)確率和實(shí)際容錯(cuò)控制效果。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國(guó)際期刊《Sensors》《International Journal of Advanced Robotic Systems》和《Journal of Intelligent & Robotic Systems》。

將智能優(yōu)化計(jì)算方法引入水下機(jī)器人與載人潛水器容錯(cuò)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(jī)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(cuò)控制信號(hào)超限難題，即推進(jìn)器控制的“驅(qū)動(dòng)飽和”問(wèn)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(jì)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(duì)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(cuò)控制與軌跡跟蹤的“動(dòng)態(tài)”容錯(cuò)控制策略，其中“靜態(tài)”容錯(cuò)控制研究成果已發(fā)表于國(guó)際控制雜志《International Journal of Control》，軌跡跟蹤的“動(dòng)態(tài)”容錯(cuò)控制成果已被工程技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)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(jī)器人AUV傳感器信息融合處理中，利用信息融合的多維信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)來(lái)消除傳感器測(cè)試信號(hào)的不確定性，從而準(zhǔn)確定位動(dòng)、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(dòng)力學(xué)模型引入水下機(jī)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(guò)計(jì)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(gè)水下機(jī)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(gè)AUV任務(wù)負(fù)擔(dān)的均衡問(wèn)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(shí)變海流模型，將海流影響與自組織競(jìng)爭(zhēng)算法集成，使每個(gè)機(jī)器人在時(shí)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(huì)，“水下機(jī)器人”走出實(shí)驗(yàn)室?

基礎(chǔ)研究專注前沿，應(yīng)用開(kāi)發(fā)服務(wù)社會(huì)。水下機(jī)器人與智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在專注于水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究的同時(shí)，也讓這些高端的新科技走出實(shí)驗(yàn)室，為社會(huì)提供服務(wù)。

2010年12月，應(yīng)湖北荊門(mén)市公安局邀請(qǐng)，朱大奇教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)船舶工程學(xué)院，應(yīng)用他們實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)的無(wú)人纜控水下機(jī)器人，扮演了一次聰明勇敢的“水底神探”，在湖北荊門(mén)漳河水庫(kù)復(fù)雜的水下環(huán)境中，潛水40余米，利用聲納對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行大范圍掃測(cè)，通過(guò)機(jī)器人水下視頻對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行辨識(shí)與驗(yàn)證，從面到點(diǎn)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(jī)器人深水小目標(biāo)點(diǎn)成功搜救的典型案例，在社會(huì)上產(chǎn)生了廣泛的影響。