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自主抓取考試開始了!9月中下旬的獐子島，海面水流湍急，搖搖晃晃的科考船上，科研人員在顯示器前監(jiān)控著“海鮮”捕撈機器人的一舉一動，不做任何操作。一會工夫，這個被稱為“海底法拉利”的機器人上岸了，載著滿滿一筐在海底自主識別捕撈的扇貝，考試成績接近滿分!這是哈爾濱工程大學(xué)科研人員獻給國慶的最好禮物。

“海底法拉利”是哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院黃海教授和團隊研究人員立足于國家自然科學(xué)基金委員會重點項目“水下機器人自主環(huán)境感知與生物目標(biāo)無損抓取研究”研制的，項目起步于2016年。

黃海教授介紹，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模不斷擴大，潛水員人工捕撈的作業(yè)模式已經(jīng)越來越不能滿足海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求。潛水員捕撈人力成本高，受到客觀因素的影響，每次只能作業(yè)20-30分鐘，而且水下工作環(huán)境危險，冬季天氣寒冷、海況惡劣。因此，團隊致力于研發(fā)一款智能的海底生物捕撈水下機器人來代替潛水員的工作，不僅能降低捕撈成本，還能提高捕撈效率及安全性。

出海試驗選擇在獐子島附近的自然養(yǎng)殖海域進行，然而測試當(dāng)天，單方向海流速度已經(jīng)達到了0.6米/秒，海況比較惡劣。“如果在這種天氣下海捕撈，人肯定被吹走了。”哈工程船舶工程學(xué)院科研團隊博士姜濤說。然而，風(fēng)浪越大，水流越湍急，越能展現(xiàn)“海底法拉利”的實力。

“法拉利”身高1.15米，四肢矯健，長達1.2米的三關(guān)節(jié)機械臂是抓取海鮮的殺手锏。它有三只眼睛，可以根據(jù)海鮮的不同位置和海況，智能選擇兩種抓取模式。

為實現(xiàn)精確識別，捕撈機器人在下海的第一天進行了樣本采集和訓(xùn)練，正常情況下，海洋生物識別訓(xùn)練需要在兩天內(nèi)進行20000步的迭代，但是黃海教授和研究團隊考慮到海試的時間和天氣等客觀因素影響，在機器人訓(xùn)練一天完成了10000步的迭代后，決定停止訓(xùn)練，開展自主抓取試驗。雖然機器人此時只能達到70%的識別效果，但實踐結(jié)果證明，這個決定是完全正確的。

在光纜的引導(dǎo)下，“法拉利”被護送到海面。經(jīng)過逐步分解的單目自主抓取和雙目自主抓取訓(xùn)練測試后，需要“法拉利”在沒有任何人員的操作下，獨立完成從下潛到自主尋找、智能識別、定位跟隨、自主抓取、收集等一系列全自主操作。

科研人員捏著一把汗，他們靜靜盯著顯示屏中“法拉利”的一舉一動，卻不作任何操作。在湍急的水流中，加足馬力的“法拉利”沒有受到水流的影響，雖然視野十分模糊，科研人員在監(jiān)控里都難以辨別目標(biāo)物的位置，但“法拉利”還是憑借著強大的雙目模式精準(zhǔn)識別目標(biāo)，從距離海底1.5米的高度緩緩降落，逐步趨近目標(biāo)，四條腿牢牢罩在目標(biāo)物的周圍，機械臂果斷出擊。看到一只只扇貝被機械臂裝進背簍，科研人員連連叫好，“今天有海鮮吃了”。

視力好、抓得準(zhǔn)，捕撈機器人的目標(biāo)是超越人類

“法拉利”出海試驗圓滿成功，為了這一天，研究團隊先后20余人可是下了4年多的功夫。“海底作業(yè)不同于陸地，海水混濁能見度差，大風(fēng)浪與海流嚴(yán)重影響機器人穩(wěn)定性，機器人要克服正常人類作業(yè)都難以應(yīng)付的水下環(huán)境，挑戰(zhàn)性超乎想象。”黃海教授表示，此次參加海試的第二代“海底法拉利”，經(jīng)過團隊多年的迭代改進升級，已經(jīng)逐個突破了對海底生物的遠距離探測、水下生物的視覺柔性感知、目標(biāo)生物快速檢測、識別與跟蹤和自主抓取等技術(shù)難題。

首先，機器人在水下智能識別海底生物是一大挑戰(zhàn)，“水下光照有特殊的光學(xué)特性，這些光學(xué)特性導(dǎo)致水下圖像成像質(zhì)量較差。而且，不同于陸地一些車輛識別等任務(wù)，機器人面對的是水下小生物，不但個頭小，還有可變形的問題，這都對識別提出了挑戰(zhàn)。”對此，團隊成員先后建立了一系列視覺識別定位方法，提升機器人的感知能力，實現(xiàn)了水下小目標(biāo)的準(zhǔn)確識別。

在機器人發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，趨近目標(biāo)物的過程中，海流的方向和流速都是不可控的，這也給機器人的精準(zhǔn)抓取帶來很大的難度。“我們通過對機器人的運動軌跡規(guī)劃并調(diào)整機器人的運動控制，來實現(xiàn)機器人精準(zhǔn)趨近目標(biāo)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物后，機器人的手眼配合非常重要，團隊特別開發(fā)了手眼協(xié)調(diào)控制模型，克服了攝像機和模型參數(shù)的不確定性，實現(xiàn)了手眼融合自主作業(yè)。”黃海教授表示。

機器人不僅能抓取扇貝，鮑魚、螃蟹、海參等任何海洋生物在它學(xué)習(xí)之后都能識別抓取。黃海教授表示，水下抓取機器人不但提高了工作效率，還減少了對海底生態(tài)環(huán)境的破壞，有利于海生物養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展。團隊還將繼續(xù)改良機器人的各方面性能，通過環(huán)境感知和智能決策，實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中對復(fù)雜組合體、軟體動物甚至生命活體的操作和作業(yè)，推動我國水下機器人自主環(huán)境感知與作業(yè)技術(shù)研究應(yīng)用取得重大突破。(通訊員 朱虹 科技日報記者 李麗云)