韓建達:“科考機器人”是如何考察極地 新浪網 記者陳瑜 2008-05-05 　 在我國剛剛結束的第24次南極科學考察活動中，出現了兩位特殊“考察隊員”的身影───“冰雪面移動機器人”和“低空飛行機器人”。這是我國在南極考察事業中首次運用智能機器人。為什麼引進這兩位特殊的“考察隊員”？“考察隊員”做了哪些考察？特殊成員的引進能為極地考察帶來了什麼？中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室副主任韓建達研究員對此給出了答案。 　　為何引進特殊“考察隊員”？ 　　“開展極地考察，首先面對的挑戰是如何將考察物資、科考設備和重型裝備通過破冰船安全運輸至南極大陸中山站，再由重型雪地車隊將內陸物資運輸一千多公里至冰蓋頂峰冰穹A點。”韓建達介紹，由于南極大陸被海冰緊緊包圍起來，破冰船“雪龍號”也僅具備連續破除冰層厚度1.2米的能力。通常，破冰船無法直接到達南極大陸，因此只能採取海冰卸貨運輸的方式。而在國際上，破冰船被困冰區，雪地車掉進冰縫，特別是直接造成人員傷亡的事故屢屢見諸報道。 　　開展極地考察面臨的第二個問題是如何安全穿越冰裂隙區。目前普遍採用的方法是在重型車隊之前，考察隊員依靠經驗，在可能出現危險區域進行實地探察，親身鑽孔量測，而這存在很大風險。 　　眾所周知，極區環境惡劣，海冰潮汐縫、冰蓋裂隙、高寒低氧、極端天氣等，隨時都可能威脅科考隊員的生命；極區環境複雜，是冰蓋、冰架、海冰、露岩、海洋、大氣、極晝、極夜等交織在一起的原始環境系統，科考作業具有高成本、高危險性和地域局限性；極地是科學觀測極度稀缺地區，技術裝備手段匱乏；在南極 1400萬平方公里冰蓋表面，人類涉足的區域只占極小的一部分。為此，更深層次的極地科學研究需要以高新技術為依托的觀測能力和數據獲取手段。 　　隨著極地科考規模的發展和目標的提升，如何實現在海冰上的安全卸貨運輸，如何安全穿越冰蓋裂隙區，如何在更寬廣的時間、空間領域實現高效率的科學考察，已經成為迫切需要解決的技術難題。而極地探測機器人作為人的“代理”，成為解決這一技術難題的一種思路。 　　“考察隊員”能幹啥？ 　　“極地探測機器人是一個延伸了科學家的眼睛、腿腳、手臂的探測儀器。”韓建達研究員開門見山，“在極地冰雪面、水下、空中等領域進行漫游，集成科學探測儀器，代替科學家在極地區域惡劣的環境下工作(移動、觀測、探測、採樣、分析等)，能夠被科學家得心應手、隨心所欲地操作，是一種極地科考的高技術裝備。” 　　在本次科學考察活動中，韓建達博士和另外3名成員以距中山站約5公里的“內陸隊出發地”為基地開展了試驗。因為在地處冰蓋邊緣，可以找到大多數的南極典型冰雪面地形，機器人可以充分地開展試驗。 　　“冰雪面移動機器人”相當于一個陸上探路員 　　體重達300公斤的“冰雪面移動機器人”，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，同時還可以拖曳100公斤的重量。南極之旅中，它搭載一個高精度的差分全球定位系統(DGPS)和一套常規氣象觀測站，進行科學考察。 　　“‘冰雪面移動機器人’就相當于一個陸上探路員，它能夠開展海冰卸貨運輸路線探察、冰蓋裂隙密集區前置探路、極端惡劣條件下科學考察等工作。”韓建達研究員用了一個簡單的比喻。 　　“低空飛行機器人”則充當了空中探路員的角色 　　而看上去像一架小型飛機的“低空飛行機器人”則充當了空中探路員的角色。它體態輕盈，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”除考驗自身素質外，還攜帶了一台觀測海冰溫度的紅外輻射計和一架航拍照相機，用以開展海冰厚度觀測等工作。 　　“使用機器人，能夠降低極地科考的風險與成本，提高效率、覆蓋範圍與可達區域。能夠對極區頻發的時空小尺度天氣系統以及海冰潮汐縫、冰蓋裂隙、冰雪低溫等提供一定的預測。”韓建達研究員同時表示，將我國機器人用于極地科考，開創了一個新的研究方向，能夠為形成系列化、多功能化科考機器人奠定基礎；而對于極地科考，它將提供一種智能化的高技術裝備，為我國早日成為極地科考的強國奠定基礎。 　　“考察隊員”幹得咋樣？ 　　韓建達告訴記者，這是中國機器人首次登陸南極開展實地實驗研究，這次實驗的主要目的，是檢驗機器人自身的性能，同時驗証兩種類型機器人輔助科考的可行性，也就是對這兩名“考察隊員”進行一次“身體素質”檢查。“冰雪面移動機器人”主要進行了極地冰雪面上的機動、通過能力實驗；對極地氣候條件的適應能力實驗；自主導航方法初步實驗；任務載荷集成實驗，以及模擬冰川移動測量實驗。 　　而“低空飛行機器人”也進行了三個階段的檢查：首先，進行調試飛行器系統在實際極地環境中的使用狀況，以及適應飛行環境的實驗。其次，進行較遠距離航跡自主跟蹤飛行實驗。第三，搭載皮溫測量裝置，按照選定的最優航線，進行實際測試圖像照片和皮溫測量設備的時間同步性能，以及數據的可用性實驗。 “考察隊員”何時實現應用？ 　　極地蘊藏著巨大的科學資源。以南極為例，其面積約1400萬平方公里，是中國陸地面積的1.45倍；南極冰雪儲量占全球總儲量的90%%，是全球淡水總儲量的80%%，對全球氣候變化具有重要影響；南極地區的礦產資源也極為豐富，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。對極地區域進行高效率、大範圍的科學考察，被列為各大國首要的科學工程之一。中國作為一個崛起中的強國，在極地科考中發揮與其經濟地位相稱的作用，是中國應盡的責任與義務。為此，中國已經將極地科考列為中長期持續開展的重大科學工程之一。 　　在初試成功後，我國極地機器人何時能實現實際應用？“總體上講，在整個國際範圍內，極地機器人目前仍處于探索和實驗階段，尚未實現實際應用。”韓建達研究員介紹，2006年以前，我國極地探測機器人是空白。 　　“對于機器人技術而言，極地還是個嶄新的應用領域，還有諸多技術難題有待深入研究，包括面向長時間運行的能源產生技術、混合驅動技術，面向長距離運行的自主定位、導航、環境適應、行為產生技術，面向冬季嚴寒運行的溫度控制技術，惡劣氣候條件如風暴、降風吹雪等情況下的自主生存技術，水下、水面、冰雪面、空中等多領域、多機器人協同探測技術等等。”韓建達研究員表示，這些技術都有待于在後續的科研工作中逐步深入展開並不斷取得突破。 　　-新聞緣起 　　歷經156天驚濤駭浪、冰雪交加的洗禮和考驗，我國第24次南極科學考察隊圓滿完成各項任務凱旋。4月15日，科考隊抵達在上海的中國極地考察國內基地碼頭。 　　我國第24次南極考察緊緊圍繞南極內陸站建設選址、“國際極地年”中國行動計劃、極地考察“十五”能力建設三大目標展開，考察隊共完成了46項科學考察和11項後勤保障任務，取得了豐碩的考察成果。 　　由國家863計劃支持，中國極地研究中心、中國科學院沈陽自動化研究所、北京航空航天大學聯合研制的具有自主知識產權的“冰雪面移動機器人”和“低空飛行機器人”，在我國第24次南極科考中獲得首次試驗成功，這是我國在南極考察事業中首次運用智能機器人技術。(據新華網) 　　-相關鏈接 　　極地機器人在國際上的表現 　　英德：據報道，在2007年10月至12月期間，英國南極考察局和德國不倫瑞克工業大學合作研制的無人駕駛航空器(簡稱無人機)已多次在南極上空飛行，並成功完成了預定的南極考察任務。這種載有高科技觀測設備的無人機共飛行了20架次，每次40分鐘，測量了南極地區威德爾海上空超低空區域的氣溫，收集了南極仍未標明的地區的各種地理和氣象數據。 　　這種無人機重約6公斤、翼展為2米，看上去像一個大的遙控飛機模型。它可根據預先設計的飛行線路自行飛行，途中也可根據情況自行調整路線。無人機返航著陸時需要人工操縱。它的引擎動力來自鋰離子電池，能全天候飛行，續航能力為45公里。 　　研究人員希望這種無人機在未來幾年內能成為人類考察赤道沙漠、極地等條件惡劣地區的常用工具。 　　意大利：2002年意大利對履帶雪地車進行了無人化改造，研制出RobotAntarticodiSuperficie(RAS)機器人，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研制出Dante-I四足步行機器人並在南極Erebus山開展實驗研究，其目的是對火山坑峭壁實施機器人化探測，由于通訊系統出現故障，該次探測未能取得成功，但此舉開闢了人類利用機器人進行極地探測這一新途徑。1997年，美國卡耐基梅隆大學開始將其研制的 Nomad移動機器人用于南極岩石分類與隕石搜索，實驗在南極PatriotHills進行，2000年Nomad使用激光導航成功在南極冰雪面自主行駛了10.3公里，以預定路線覆蓋了2500平方米的區域，自主找到了5塊隕石，成功演示並証明了利用機器人進行自主科學探測是人類將其研究領域延伸到不可達區域的有效、可行方案。