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一脈相承，載人潛水器的控制系統(tǒng)家族

　　“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)、“奮斗者”號(hào)載人潛水器（以下簡(jiǎn)稱“奮斗者號(hào)”）的“大腦”，即控制系統(tǒng)，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所負(fù)責(zé)研制完成的。三套裝備的研發(fā)歷經(jīng)二十載，凝聚兩代人的心血與智慧，終于能夠形成譜系化的載人潛水器控制系統(tǒng)家族，完整的展現(xiàn)在眾人面前。

　　“蛟龍”號(hào)控制系統(tǒng)，立足于在成熟穩(wěn)定的工業(yè)控制設(shè)備基礎(chǔ)上，構(gòu)建以工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)的，具有較好穩(wěn)定性、可靠性的載人潛水器控制體系，結(jié)合嚴(yán)密的控制邏輯、復(fù)雜的控制算法，研制出具有較好控制性能、較高控制精度及工程應(yīng)用可靠性的控制系統(tǒng)，滿足了載人深潛工程的應(yīng)用需求。

　　“深海勇士”號(hào)控制系統(tǒng)，在人機(jī)融合的交互設(shè)計(jì)、系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精確校準(zhǔn)方面，取得了更大的進(jìn)展，研制出了基于信息化數(shù)據(jù)、圖形化交互的載人潛水器控制系統(tǒng)，滿足了深海科考調(diào)查的科學(xué)應(yīng)用需求。

　　“奮斗者”號(hào)控制系統(tǒng)的研制，則汲取了“蛟龍”號(hào)精準(zhǔn)可靠，“深海勇士”號(hào)信息化、人機(jī)共融等優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)全海深載人潛水器自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、研發(fā)的難點(diǎn)以及具體應(yīng)用需求，結(jié)合沈陽自動(dòng)化所載人控制技術(shù)團(tuán)隊(duì)掌握突破的最新技術(shù)與前期經(jīng)驗(yàn)積累，開展了更加復(fù)雜的系統(tǒng)研制過程。

　　突破挑戰(zhàn)，“奮斗者”號(hào)“大腦”再升級(jí)

　　更小！

　　“奮斗者”號(hào)載人艙內(nèi)空間相比于蛟龍與深海勇士，體積縮小約三分之一，載員仍為3人。乘員占用的空間無法壓縮，因此只能壓縮系統(tǒng)設(shè)備占用的空間。深海勇士號(hào)控制系統(tǒng)上選用的工業(yè)級(jí)信息采集設(shè)備產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足奮斗者號(hào)載人艙內(nèi)空間壓減要求及電氣隔離設(shè)計(jì)需求，倒逼研發(fā)團(tuán)隊(duì)只能開展自主研制。

　　應(yīng)對(duì)小型化設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，科研人員突破了可編程大規(guī)模邏輯門陣列應(yīng)用、小型化信號(hào)濾波處理與模塊化隔離采集設(shè)計(jì)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)等瓶頸技術(shù)，最終研制出了體積只有原選用產(chǎn)品五分之一，重量為三分之一，并且數(shù)據(jù)通道間相互電氣隔離的信息采集設(shè)備，有效解決了多源信息小型化可靠隔離采集的關(guān)鍵技術(shù)問題。

　　載人艙口直徑的縮小，使得19寸的顯示器都無法放入艙內(nèi)，經(jīng)過設(shè)計(jì)思考，決定使用多臺(tái)國產(chǎn)10寸工業(yè)級(jí)觸屏電腦構(gòu)建操控設(shè)備群，實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算、觸屏操控、綜合信息顯示等功能分布式應(yīng)用。為了縮小操作控制板面積，將多數(shù)控制開關(guān)放在了觸控軟件界面中，用軟開關(guān)按鈕執(zhí)行。對(duì)于常用和重要功能的開關(guān)，設(shè)計(jì)采用了開關(guān)與指示燈集成的一體的操縱扳鈕，實(shí)現(xiàn)了良好的應(yīng)用效果。

　　為了方便潛航員在狹小空間內(nèi)進(jìn)行潛水器操縱，在主觀察窗下方還設(shè)計(jì)了快捷信息顯示屏，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前航向、速度、高度、深度等信息，使得潛航員在近底航行操作時(shí)，無需抬頭即可觀察潛水器關(guān)鍵信息。在主觀察窗外圍還充分利用緊湊空間，設(shè)置了告警指示面板，通過雙色指示顯示預(yù)警與報(bào)警信號(hào)，提醒潛航員及時(shí)發(fā)現(xiàn)告警信息以進(jìn)行相應(yīng)處置。

圖1 “奮斗者”號(hào)載人艙內(nèi)控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備

　　更安全！

　　目前世界上能夠抵達(dá)萬米深淵的載人潛水器屈指可數(shù)，能夠重復(fù)抵達(dá)深淵海底并進(jìn)行科考作業(yè)的更是鳳毛麟角。由此可見全海深載人潛水器的設(shè)計(jì)是充滿挑戰(zhàn)并存在巨大困難的。作為載人潛水器核心控制中樞的控制系統(tǒng)在安全性的設(shè)計(jì)上更是要細(xì)之又細(xì)。控制系統(tǒng)如何為提升載人潛水器的安全性作出貢獻(xiàn)？如何進(jìn)一步提升控制系統(tǒng)的安全性與可靠性？是擺在科研人員面前的重要難題。

　　經(jīng)過深入分析與論證，“奮斗者”號(hào)載人潛水器控制系統(tǒng)的安全性提升主要通過控制硬件冗余、傳感器冗余、操縱設(shè)備冗余、水面示位通信鏈路冗余等幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)，而且相比于之前的載人潛水器控制系統(tǒng)重量仍有減輕。這些冗余設(shè)計(jì)使得控制系統(tǒng)在各種狀況下均有應(yīng)急處置能力，甚至于在載人艙內(nèi)隔離供電斷電，控制計(jì)算機(jī)等設(shè)備無法正常使用的情況下，仍可使用操縱桿對(duì)潛水器進(jìn)行應(yīng)急航行操縱。艙外控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)罐機(jī)芯首次采用了基于信號(hào)母板與擴(kuò)展功能子板匹配的設(shè)計(jì)形式，信號(hào)母板采用了電子行業(yè)高端制造技術(shù)，在2毫米多的厚度上實(shí)現(xiàn)了10層的高精密布線設(shè)計(jì)加工，大幅減少了信號(hào)線束的規(guī)模。功能子板則體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行功能改進(jìn)升級(jí)時(shí)只需原位替換安裝，而無需插拔任何線束。上述設(shè)計(jì)極大提高了控制系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。

圖2  “奮斗者”號(hào)計(jì)算機(jī)罐控制機(jī)芯

　　在安全功能方面，控制系統(tǒng)還承擔(dān)了載人潛水器到達(dá)海面后，指示出水點(diǎn)位置的水面示位器設(shè)備研制。突破了超高環(huán)境壓力下天線的透波-耐壓設(shè)計(jì)技術(shù)、超低功耗通信設(shè)計(jì)等技術(shù)，首次在全海深級(jí)載人潛水器上研發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于北斗通信的水面示位器設(shè)備。

圖3 安裝有示位器的應(yīng)急浮標(biāo)從海底返回水面

　　性能更高！

　　經(jīng)過“蛟龍”號(hào)與“深海勇士”號(hào)兩臺(tái)載人潛水器的研究與發(fā)展，控制系統(tǒng)功能不斷豐富，性能不斷提升，智能不斷提高。發(fā)展到全海深的“奮斗者”號(hào)載人潛水器，控制系統(tǒng)已經(jīng)是功能完備，每秒鐘信息吞吐量達(dá)到數(shù)千條，發(fā)出控制指令達(dá)到上千條的精密復(fù)雜系統(tǒng)。如何科學(xué)的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能劃分、組織研制，并將各單元裝置協(xié)同配合起來，完成這樣一個(gè)大型載人潛水器的控制作業(yè)任務(wù)，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的工作。

　　經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡與論證，最終將控制系統(tǒng)確定為航行控制、導(dǎo)航授時(shí)、信息顯控、應(yīng)急控制、計(jì)算機(jī)罐、艙外設(shè)備、水面監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、仿真平臺(tái)，共9個(gè)單元裝置。實(shí)現(xiàn)信息采集、設(shè)備控制、運(yùn)動(dòng)操縱、水面監(jiān)控及系統(tǒng)仿真等功能。在控制性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)上，克服了深淵復(fù)雜環(huán)境下大慣量載體多自由度航行操控等技術(shù)難題，突破潛水器高精度穩(wěn)定航行控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制出海底地形匹配巡航、定點(diǎn)航行以及懸停控制等功能，其中水平面和垂直面航行控制性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

　　控制性能的提升還體現(xiàn)在智能程度上，“奮斗者”號(hào)全流程的下潛時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10余個(gè)小時(shí)，潛航員水下作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，容易產(chǎn)生疲勞或操作失誤。如何提高系統(tǒng)的智能化程度，也是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。經(jīng)過科研人員的努力攻關(guān)，賦予了它一定的智慧能力。遇到危險(xiǎn)工況，它能夠自動(dòng)執(zhí)行保護(hù)機(jī)制；遇到傳感器故障，它能夠啟用代用傳感數(shù)據(jù)；遇到操作錯(cuò)誤，它還能夠語音提醒，指出正確的方式。不僅如此，系統(tǒng)還能夠自我診斷，根據(jù)多種傳感器信息，綜合分析潛水器健康狀況，實(shí)現(xiàn)智能故障診斷與容錯(cuò)控制功能。

　　為了支撐實(shí)現(xiàn)載人潛水器的科學(xué)觀測(cè)能力，控制系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)還首次在全海深級(jí)別的載人潛水器上研制實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)觀測(cè)云臺(tái)。突破了超高壓環(huán)境精確傳動(dòng)控制、高緊湊度一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)，搭載多部科考設(shè)備實(shí)現(xiàn)全向水下觀測(cè)，獲取了大量深淵海底科學(xué)觀測(cè)照片、視頻。

圖4 “奮斗者”號(hào)艏部安裝的兩部電動(dòng)觀測(cè)云臺(tái)

圖5 “奮斗者”號(hào)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的虛擬海洋環(huán)境

　　從2016年7月項(xiàng)目課題立項(xiàng)，至2020年7月奮斗者號(hào)啟動(dòng)海試。歷經(jīng)4載春秋，48個(gè)月的不舍晝夜，載人控制技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)奮力拼搏，銳意進(jìn)取，真正踐行了用汗水澆灌收獲，以實(shí)干篤定前行！終于贏得奮斗者號(hào)載人潛水器海試的圓滿成功！