“奋斗者”号“大脑”生成记_风闻

一脉相承，载人潜水器的控制系统家族

“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号载人潜水器（以下简称“奋斗者号”）的“大脑”，即控制系统，都是由中国科学院沈阳自动化研究所负责研制完成的。三套装备的研发历经二十载，凝聚两代人的心血与智慧，终于能够形成谱系化的载人潜水器控制系统家族，完整的展现在众人面前。

“蛟龙”号控制系统，立足于在成熟稳定的工业控制设备基础上，构建以工业以太网控制技术为基础的，具有较好稳定性、可靠性的载人潜水器控制体系，结合严密的控制逻辑、复杂的控制算法，研制出具有较好控制性能、较高控制精度及工程应用可靠性的控制系统，满足了载人深潜工程的应用需求。

“深海勇士”号控制系统，在人机融合的交互设计、系统采集数据的精确校准方面，取得了更大的进展，研制出了基于信息化数据、图形化交互的载人潜水器控制系统，满足了深海科考调查的科学应用需求。

“奋斗者”号控制系统的研制，则汲取了“蛟龙”号精准可靠，“深海勇士”号信息化、人机共融等优点，并根据全海深载人潜水器自身的设计特点、研发的难点以及具体应用需求，结合沈阳自动化所载人控制技术团队掌握突破的最新技术与前期经验积累，开展了更加复杂的系统研制过程。

突破挑战，“奋斗者”号“大脑”再升级

更小！

“奋斗者”号载人舱内空间相比于蛟龙与深海勇士，体积缩小约三分之一，载员仍为3人。乘员占用的空间无法压缩，因此只能压缩系统设备占用的空间。深海勇士号控制系统上选用的工业级信息采集设备产品已经无法满足奋斗者号载人舱内空间压减要求及电气隔离设计需求，倒逼研发团队只能开展自主研制。

应对小型化设计挑战，科研人员突破了可编程大规模逻辑门阵列应用、小型化信号滤波处理与模块化隔离采集设计、嵌入式网络通信开发等瓶颈技术，最终研制出了体积只有原选用产品五分之一，重量为三分之一，并且数据通道间相互电气隔离的信息采集设备，有效解决了多源信息小型化可靠隔离采集的关键技术问题。

载人舱口直径的缩小，使得19寸的显示器都无法放入舱内，经过设计思考，决定使用多台国产10寸工业级触屏电脑构建操控设备群，实现控制计算、触屏操控、综合信息显示等功能分布式应用。为了缩小操作控制板面积，将多数控制开关放在了触控软件界面中，用软开关按钮执行。对于常用和重要功能的开关，设计采用了开关与指示灯集成的一体的操纵扳钮，实现了良好的应用效果。

为了方便潜航员在狭小空间内进行潜水器操纵，在主观察窗下方还设计了快捷信息显示屏，实时显示当前航向、速度、高度、深度等信息，使得潜航员在近底航行操作时，无需抬头即可观察潜水器关键信息。在主观察窗外围还充分利用紧凑空间，设置了告警指示面板，通过双色指示显示预警与报警信号，提醒潜航员及时发现告警信息以进行相应处置。

图1 “奋斗者”号载人舱内控制系统相关设备

更安全！

目前世界上能够抵达万米深渊的载人潜水器屈指可数，能够重复抵达深渊海底并进行科考作业的更是凤毛麟角。由此可见全海深载人潜水器的设计是充满挑战并存在巨大困难的。作为载人潜水器核心控制中枢的控制系统在安全性的设计上更是要细之又细。控制系统如何为提升载人潜水器的安全性作出贡献？如何进一步提升控制系统的安全性与可靠性？是摆在科研人员面前的重要难题。

经过深入分析与论证，“奋斗者”号载人潜水器控制系统的安全性提升主要通过控制硬件冗余、传感器冗余、操纵设备冗余、水面示位通信链路冗余等几个方面来实现，而且相比于之前的载人潜水器控制系统重量仍有减轻。这些冗余设计使得控制系统在各种状况下均有应急处置能力，甚至于在载人舱内隔离供电断电，控制计算机等设备无法正常使用的情况下，仍可使用操纵杆对潜水器进行应急航行操纵。舱外控制系统计算机罐机芯首次采用了基于信号母板与扩展功能子板匹配的设计形式，信号母板采用了电子行业高端制造技术，在2毫米多的厚度上实现了10层的高精密布线设计加工，大幅减少了信号线束的规模。功能子板则体现了模块化设计理念，进行功能改进升级时只需原位替换安装，而无需插拔任何线束。上述设计极大提高了控制系统的可靠性与可维护性。

图2  “奋斗者”号计算机罐控制机芯

在安全功能方面，控制系统还承担了载人潜水器到达海面后，指示出水点位置的水面示位器设备研制。突破了超高环境压力下天线的透波-耐压设计技术、超低功耗通信设计等技术，首次在全海深级载人潜水器上研发实现了基于北斗通信的水面示位器设备。

图3 安装有示位器的应急浮标从海底返回水面

性能更高！

经过“蛟龙”号与“深海勇士”号两台载人潜水器的研究与发展，控制系统功能不断丰富，性能不断提升，智能不断提高。发展到全海深的“奋斗者”号载人潜水器，控制系统已经是功能完备，每秒钟信息吞吐量达到数千条，发出控制指令达到上千条的精密复杂系统。如何科学的对控制系统进行功能划分、组织研制，并将各单元装置协同配合起来，完成这样一个大型载人潜水器的控制作业任务，是一项富有挑战性的工作。

经过反复权衡与论证，最终将控制系统确定为航行控制、导航授时、信息显控、应急控制、计算机罐、舱外设备、水面监控、数据分析、仿真平台，共9个单元装置。实现信息采集、设备控制、运动操纵、水面监控及系统仿真等功能。在控制性能指标实现上，克服了深渊复杂环境下大惯量载体多自由度航行操控等技术难题，突破潜水器高精度稳定航行控制等关键技术，研制出海底地形匹配巡航、定点航行以及悬停控制等功能，其中水平面和垂直面航行控制性能指标达到国际先进水平。

控制性能的提升还体现在智能程度上，“奋斗者”号全流程的下潜时间长达10余个小时，潜航员水下作业时间长，容易产生疲劳或操作失误。如何提高系统的智能化程度，也是一项重要的研究内容。经过科研人员的努力攻关，赋予了它一定的智慧能力。遇到危险工况，它能够自动执行保护机制；遇到传感器故障，它能够启用代用传感数据；遇到操作错误，它还能够语音提醒，指出正确的方式。不仅如此，系统还能够自我诊断，根据多种传感器信息，综合分析潜水器健康状况，实现智能故障诊断与容错控制功能。

为了支撑实现载人潜水器的科学观测能力，控制系统团队还首次在全海深级别的载人潜水器上研制实现了电动观测云台。突破了超高压环境精确传动控制、高紧凑度一体化设计等技术，搭载多部科考设备实现全向水下观测，获取了大量深渊海底科学观测照片、视频。

图4 “奋斗者”号艏部安装的两部电动观测云台

图5 “奋斗者”号控制系统仿真平台的虚拟海洋环境

从2016年7月项目课题立项，至2020年7月奋斗者号启动海试。历经4载春秋，48个月的不舍昼夜，载人控制技术研究团队奋力拼搏，锐意进取，真正践行了用汗水浇灌收获，以实干笃定前行！终于赢得奋斗者号载人潜水器海试的圆满成功！ 

作者系“奋斗者”号载人潜水器副总设计师/控制系统负责人

来源：中国科学院沈阳自动化研究所-水下机器人研究室