居全國第二“科考機(jī)器人”是怎么考察極地的？月廈工

在我國剛剛結(jié)束的第24次南極科學(xué)考察活動(dòng)中，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上復(fù)蘇。 但是，出現(xiàn)了兩位特殊“考察隊(duì)員”的身影―――“冰雪面移動(dòng)機(jī)器人”和“低空飛行機(jī)器人”。這是我國在南極考察事業(yè)中首次運(yùn)用智能機(jī)器人。為什么引進(jìn)這兩位特殊的“考察隊(duì)員”？“考察隊(duì)員”做了哪些考察？特殊成員的引進(jìn)能為極地考察帶來了什么？科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副韓建達(dá)研究員對此給出了答案。
　　為何引進(jìn)特殊“考察隊(duì)員”？ 
　　“開展極地考察，慘淡之中仍有亮點(diǎn)，首先面對的挑戰(zhàn)是如何將考察物資、科考設(shè)備和重型裝備通過破冰船安全運(yùn)輸至南極中山站，以旋挖鉆機(jī)和履帶起重機(jī)為代表的產(chǎn)品工程機(jī)械業(yè)需求復(fù)蘇速度之快、力度之猛，再由重型雪地車隊(duì)將內(nèi)陸物資運(yùn)輸一千多公里至冰蓋頂峰冰穹A點(diǎn)?！表n建達(dá)介紹，遠(yuǎn)超市場預(yù)期。 據(jù)中投顧問數(shù)據(jù)分析顯示，由于南極被海冰緊緊包圍起來，2009年1月，破冰船“雪龍?zhí)枴币矁H具備連續(xù)破除冰層厚度1.2米的能力。通常，中聯(lián)重科泵車銷售超過40臺(tái)，破冰船無法直接到達(dá)南極，起重機(jī)銷量超過300臺(tái)，因此只能采取海冰卸貨運(yùn)輸?shù)姆绞健６趪H上，環(huán)比和同比都有所提升；山河智能2009年1月小型挖掘機(jī)銷售160余臺(tái)(內(nèi)銷70-80臺(tái)，破冰船被困冰區(qū)，外銷80-90臺(tái))，雪地車掉進(jìn)冰縫，而2008年1月小型挖掘機(jī)銷量只有100余臺(tái)。山推股份1月銷售推土機(jī)240余臺(tái)，特別是直接造成人員傷亡的事故屢屢見諸報(bào)道。
　　開展極地考察面臨的第二個(gè)問題是如何安全穿越冰裂隙區(qū)。目前普遍采用的方法是在重型車隊(duì)之前，超過2008年12月的211臺(tái)銷量；徐工集團(tuán)下屬的徐州重型1月銷售400余臺(tái)起重機(jī)，考察隊(duì)員依靠經(jīng)驗(yàn)，按照同等天數(shù)計(jì)算超過2008年1月水平。 而同屬工程機(jī)械行業(yè)的裝載機(jī)的形勢就不是那么樂觀，在可能出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地探察，據(jù)2009年1月份，親身鉆孔量測，全國主要裝載機(jī)生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售3839臺(tái)，而這存在很大風(fēng)險(xiǎn)。
　　眾所周知，同比下降56.8%；其中出口478臺(tái)，極區(qū)環(huán)境惡劣，同比下降53.7%；國內(nèi)裝載機(jī)銷量3361臺(tái)，海冰潮汐縫、冰蓋裂隙、高寒低氧、極端天氣等，同比下降57.2%。和挖掘機(jī)、推土機(jī)相比，隨時(shí)都可能威脅科考隊(duì)員的生命；極區(qū)環(huán)境復(fù)雜，裝載機(jī)1月份的銷量、出口下滑速度都是最快的。 行業(yè)的整體下滑，是冰蓋、冰架、海冰、露巖、海洋、大氣、極晝、極夜等交織在一起的原始環(huán)境系統(tǒng)，使得企業(yè)的市場占有率也出現(xiàn)了變化，科考作業(yè)具有高成本、高危險(xiǎn)性和地域限性；極地是科學(xué)觀測極度稀缺地區(qū)，雖然銷量也出現(xiàn)了下滑，技術(shù)裝備手段匱乏；在南極1400萬平方公里冰蓋表面，人類涉足的區(qū)域只占極小的一分。為此，更深層次的極地科學(xué)研究需要以高新技術(shù)為依托的觀測能力和數(shù)據(jù)獲取手段。
　　隨著極地科考規(guī)模的發(fā)展和目標(biāo)的提升，如何實(shí)現(xiàn)在海冰上的安全卸貨運(yùn)輸，如何安全穿越冰蓋裂隙區(qū)，如何在更寬廣的時(shí)間、空間領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效率的科學(xué)考察，已經(jīng)成為迫切需要解決的技術(shù)難題。而極地探測機(jī)器人作為人的“代理”，成為解決這一技術(shù)難題的一種思路。
　　“考察隊(duì)員”能干啥？
　　“極地探測機(jī)器人是一個(gè)延伸了科學(xué)家的眼睛、腿腳、手臂的探測儀器。”韓建達(dá)研究員開門見山，“在極地冰雪面、水下、空中等領(lǐng)域進(jìn)行漫游，集成科學(xué)探測儀器，代替科學(xué)家在極地區(qū)域惡劣的環(huán)境下工作（移動(dòng)、觀測、探測、采樣、分析等），能夠被科學(xué)家得心應(yīng)手、隨心所欲地操作，是一種極地科考的高技術(shù)裝備?！?BR>　　在本次科學(xué)考察活動(dòng)中，韓建達(dá)博士和另外3名成員以距中山站約5公里的“內(nèi)陸隊(duì)出發(fā)地”為基地開展了試驗(yàn)。因?yàn)樵诘靥幈w邊緣，可以找到大多數(shù)的南極典型冰雪面地形，機(jī)器人可以充分地開展試驗(yàn)。
　　“冰雪面移動(dòng)機(jī)器人”相當(dāng)于一個(gè)陸上探路員 
　　體重達(dá)300公斤的“冰雪面移動(dòng)機(jī)器人”，外形看上去像一架帶有升降桅桿的坦克，可自主跨越冰裂縫，翻越雪坡和雪丘，最大作業(yè)半徑為25公里。它還是一位“大力士”，身上可搭載40公斤的重量，同時(shí)還可以拖曳100公斤的重量。南極之旅中，它搭載一個(gè)高精度的差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）和一套常規(guī)氣象觀測站，進(jìn)行科學(xué)考察。
　　“‘冰雪面移動(dòng)機(jī)器人’就相當(dāng)于一個(gè)陸上探路員，它能夠開展海冰卸貨運(yùn)輸路線探察、冰蓋裂隙密集區(qū)前置探路、極端惡劣條件下科學(xué)考察等工作?！表n建達(dá)研究員用了一個(gè)簡單的比喻。
　　“低空飛行機(jī)器人”則充當(dāng)了空中探路員的角色 
　　而看上去像一架小型飛機(jī)的“低空飛行機(jī)器人”則充當(dāng)了空中探路員的角色。它體態(tài)輕盈，約有20公斤，力氣也較小，只能搭載約5公斤的有效載荷。此次赴南極考察，這位“小蜻蜓”除考驗(yàn)自身素質(zhì)外，還攜帶了一臺(tái)觀測海冰溫度的紅外輻射計(jì)和一架照相機(jī)，用以開展海冰厚度觀測等工作。
　　“使用機(jī)器人，能夠降低極地科考的風(fēng)險(xiǎn)與成本，提高效率、覆蓋范圍與可達(dá)區(qū)域。能夠?qū)O區(qū)頻發(fā)的時(shí)空小尺度天氣系統(tǒng)以及海冰潮汐縫、冰蓋裂隙、冰雪低溫等提供一定的預(yù)測。”韓建達(dá)研究員同時(shí)表示，將我國機(jī)器人用于極地科考，開創(chuàng)了一個(gè)新的研究方向，能夠?yàn)樾纬上盗谢?、多功能化科考機(jī)器人奠定基礎(chǔ)；而對于極地科考，它將提供一種智能化的高技術(shù)裝備，為我國早日成為極地科考的強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)。
　　“考察隊(duì)員”干得咋樣？ 
　　韓建達(dá)告訴記者，這是機(jī)器人首次登陸南極開展實(shí)地實(shí)驗(yàn)研究，這次實(shí)驗(yàn)的主要目的，是檢驗(yàn)機(jī)器人自身的性能，同時(shí)驗(yàn)證兩種類型機(jī)器人輔助科考的可行性，也就是對這兩名“考察隊(duì)員”進(jìn)行一次“身體素質(zhì)”檢查?！氨┟嬉苿?dòng)機(jī)器人”主要進(jìn)行了極地冰雪面上的機(jī)動(dòng)、通過能力實(shí)驗(yàn)；對極地氣候條件的適應(yīng)能力實(shí)驗(yàn)；自主導(dǎo)航方法初步實(shí)驗(yàn)；任務(wù)載荷集成實(shí)驗(yàn)，以及模擬冰川移動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)。
　　而“低空飛行機(jī)器人”也進(jìn)行了三個(gè)階段的檢查：首先，進(jìn)行調(diào)試飛行器系統(tǒng)在實(shí)際極地環(huán)境中的使用狀況，以及適應(yīng)飛行環(huán)境的實(shí)驗(yàn)。其次，進(jìn)行較遠(yuǎn)距離航跡自主飛行實(shí)驗(yàn)。第三，搭載皮溫測量裝置，按照選定的最優(yōu)航線，進(jìn)行實(shí)際測試圖像照片和皮溫測量設(shè)備的時(shí)間同步性能，以及數(shù)據(jù)的可用性實(shí)驗(yàn)。
　　“考察隊(duì)員”何時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用？ 
　　極地蘊(yùn)藏著巨大的科學(xué)資源。以南極為例，其面積約1400萬平方公里，是陸地面積的1.45倍；南極冰雪儲(chǔ)量占全球總儲(chǔ)量的90%%，是全球淡水總儲(chǔ)量的80%%，對全球氣候變化具有重要影響；南極地區(qū)的礦產(chǎn)資源也極為豐富，煤炭、石油、天然氣、鐵礦等等都是南極富有的資源，對全球能源安全具有重要意義。對極地區(qū)域進(jìn)行高效率、大范圍的科學(xué)考察，被列為各大國首要的科學(xué)工程之一。作為一個(gè)崛起中的強(qiáng)國，在極地科考中發(fā)揮與其經(jīng)濟(jì)地位相稱的作用，是應(yīng)盡的責(zé)任與義務(wù)。為此，已經(jīng)將極地科考列為中長期持續(xù)開展的重大科學(xué)工程之一。
　　在初試成功后，我國極地機(jī)器人何時(shí)能實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用？“總體上講，在整個(gè)國際范圍內(nèi)，極地機(jī)器人目前仍處于探索和實(shí)驗(yàn)階段，尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用?！表n建達(dá)研究員介紹，2006年以前，我國極地探測機(jī)器人是空白。
　　“對于機(jī)器人技術(shù)而言，極地還是個(gè)嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，還有諸多技術(shù)難題有待深入研究，包括面向長時(shí)間運(yùn)行的能源產(chǎn)生技術(shù)、混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，面向長距離運(yùn)行的自主定位、導(dǎo)航、環(huán)境適應(yīng)、行為產(chǎn)生技術(shù)，面向冬季嚴(yán)寒運(yùn)行的溫度控制技術(shù)，惡劣氣候條件如風(fēng)暴、降風(fēng)吹雪等情況下的自主生存技術(shù)，水下、水面、冰雪面、空中等多領(lǐng)域、多機(jī)器人協(xié)同探測技術(shù)等等?！表n建達(dá)研究員表示，這些技術(shù)都有待于在后續(xù)的科研工作中逐步深入展開并不斷取得突破。

■新聞緣起 
　　歷經(jīng)156天驚濤駭浪、冰雪交加的洗禮和考驗(yàn)，我國第24次南極科學(xué)考察隊(duì)圓滿完成各項(xiàng)任務(wù)凱旋。4月15日，科考隊(duì)抵達(dá)在上海的極地考察國內(nèi)基地碼頭。
　　我國第24次南極考察緊緊圍繞南極內(nèi)陸站選址、“國際極地年”行動(dòng)計(jì)劃、極地考察“十五”能力目標(biāo)展開，考察隊(duì)共完成了46項(xiàng)科學(xué)考察和11項(xiàng)后勤保障任務(wù)，取得了豐碩的考察成果。
　　由863計(jì)劃支持，極地研究中心、科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、北京航空航天大學(xué)聯(lián)合研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“冰雪面移動(dòng)機(jī)器人”和“低空飛行機(jī)器人”，在我國第24次南極科考中獲得首次試驗(yàn)成功，這是我國在南極考察事業(yè)中首次運(yùn)用智能機(jī)器人技術(shù)。（據(jù)新華網(wǎng)）
　　■相關(guān)鏈接
　　極地機(jī)器人在國際上的表現(xiàn) 
　　英德：據(jù)報(bào)道，在2007年10月至12月期間，英國南極考察和德國不倫瑞克工業(yè)大學(xué)合作研制的無人駕駛航空器（簡稱無人機(jī)）已多次在南極上空飛行，并成功完成了預(yù)定的南極考察任務(wù)。這種載有高科技觀測設(shè)備的無人機(jī)共飛行了20架次，每次40分鐘，測量了南極地區(qū)威德爾海上空超低空區(qū)域的氣溫，收集了南極仍未標(biāo)明的地區(qū)的各種地理和氣象數(shù)據(jù)。
　　這種無人機(jī)重約6公斤、翼展為2米，看上去像一個(gè)大的遙控飛機(jī)模型。它可根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的飛行線路自行飛行，途中也可根據(jù)情況自行調(diào)整路線。無人機(jī)返航著陸時(shí)需要人工操縱。它的引擎動(dòng)力來自鋰離子電池，能全天候飛行，續(xù)航能力為45公里。
　　研究人員希望這種無人機(jī)在未來幾年內(nèi)能成為人類考察赤道沙漠、極地等條件惡劣地區(qū)的常用工具。
　　意大利：2002年意大利對履帶雪地車進(jìn)行了無人化改造，研制出RobotAntarticodiSuperficie（RAS）機(jī)器人，使其可以在營地之間沿固定路線自主行駛。
　　美國：1992年美國卡耐基梅隆大學(xué)研制出Dante-I四足步行機(jī)器人并在南極Erebus山開展實(shí)驗(yàn)研究，其目的是對火山坑峭壁實(shí)施機(jī)器人化探測，由于通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障，該次探測未能取得成功，但此舉開辟了人類利用機(jī)器人進(jìn)行極地探測這一新途徑。1997年，美國卡耐基梅隆大學(xué)開始將其研制的Nomad移動(dòng)機(jī)器人用于南極巖石分類與隕石搜索，實(shí)驗(yàn)在南極PatriotHills進(jìn)行，2000年Nomad使用激光導(dǎo)航成功在南極冰雪面自主行駛了10.3公里，以預(yù)定路線覆蓋了2500平方米的區(qū)域，自主找到了5塊隕石，成功演示并證明了利用機(jī)器人進(jìn)行自主科學(xué)探測是人類將其研究領(lǐng)域延伸到不可達(dá)區(qū)域的有效、可行方案。 （記者陳瑜）

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