沈阳自动化所水面机器人平台
中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研制的水面移动机器人系统具备动态水面环境的感知能力和复杂水流条件下的机动能力，可以携带不同设备，高效率地完成水质采样、水面巡逻、水上救援等任务，是名副其实的水面监测与救援利器。
在中国960万平方公里的土地上，分布着诸多河流，其中流域面积在100平方公里以上的河流有5000多条，全国大小河川总长度超过42万公里，可绕地球赤道10圈半。面对如此辽阔的水域，以水资源开发、利用和保护为目的的江河治理，以及对可能发生的洪涝灾害的预防和救援，自古以来就是中国面临的重要国事。近年来，随着机器人技术日趋成熟，机器人在各种领域的应用越来越多，如：深空-深海探测、地震-火灾救援等。这是利用机器人系统在各种复杂环境中完成过去完全由人承担的（重复性、危险性）任务，而利用自主水面机器人系统完成机器人化的水面监测与救援使命正是这一思路的自然延伸。
水面机器人是指以水面船（或舰艇）为基本载体，辅以内部状态传感器（感知位置、速度、航向）、外部环境传感器（激光、视觉、雷达）以及不同的任务载荷（水质采样、水纹监测、救援绳抛送等），由计算机自主控制或通过地面操控平台由人在远端遥控的一种移动机器人系统。它可以代替有人驾驶系统的水面船只执行繁琐、复杂、危险的监测与救援使命，从而提升任务执行效率，保证救援安全。
提高自主性是机器人的发展趋势，自主性是指机器人在没有（或尽量减少）人为干预的情况下以某种优化、智能的方式执行使命的能力的表征，人干预程度的大小标志着机器人自主性的高低。要想让水面机器人自主地执行任务，需要让机器人具备感知能力（通过传感系统对其本身状态及所处水面环境中的障碍物、水流流速等进行实时测量）、行为机动能力（按照需要以某种轨迹、速度稳定运行）和任务执行能力（与相应的任务载荷进行集成，完成水质采样、水面救援、水面环境监控等典型任务）。
中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称沈阳自动化所）机器人学国家重点实验室自主研制的水面机器人系统很好地满足了这些方面的要求，主要面向水面环境监测与救援，具有速度快（最大航速10米/秒）、续航时间长（连续工作时间可达2小时）、通用型强（软硬件模块化、载荷平台即插即用）、控制精度高（2.5米航迹点精准遍历）、通信距离远（2公里有效通信）等优点，是集机械、电子、通信、仪器、传感器等于一身的知识密集型高技术装备。
地面操控子系统、环境感知子系统和任务载荷子系统是水面移动机器人的几个重要组成部分：
面向水面移动机器人的地面控制系统的框架结构
地面操控子系统
地面操控子系统是人与机器人实现交互、信息处理的重要平台。它是水面机器人的指挥控制中心，专门用于水面机器人的控制与管理，同时辅助操作人员对水面机器人的运行状态进行实时监控，以便在一些突发情况下采取相应处置，保证水面机器人的安全。
它可以使远程操控人员在必要时对水面移动机器人执行诸如点火熄火、运行航向和航速调整、任务执行机构控制等操作，同时可在主面板上实时显示机器人传回的内部状态和外部环境信息(包括航向、航速等)，并可对任务执行情况进行详细监控与跟踪。
激光视觉传感器
环境感知子系统
环境感知子系统是整个水面机器感知外部环境信息的直接来源，主要由32线激光视觉传感器、可见光视觉传感器以及水面探测雷达中的一个或多个组成。其中，激光传感器可以对周围环境进行360度全景三维建模，既可用于指导机器人的运动，也可用于水面测绘；可见光视觉传感器可对其周围环境的视觉信息进行采集，非常有利于人在远端对机器人所处环境进行监控；水面探测雷达则主要用于探测水面的动态障碍物，为机器人运动规划提供依据。
全自动抛投救援
任务载荷子系统
水面机器人在完成不同任务时，需要携带不同的载荷。这里主要介绍两类，一类是水质采样载荷，另一类是救援绳抛投载荷。其中前者主要用于对机器人所处水域进行自动采集，供后续相关人员对水质进行详细分析；而后者则可辅助实现远距离全自动水上救援、消防救援、抗洪救灾、船舶停靠和拖带及线路架设等。
人员救援功能演示
目前，该水面机器人系统已经进行了大量的实验，并有针对性地进行了示范应用。
2015年6月，研究人员在沈阳市棋盘山秀湖水库开展了救援绳抛送的实验演示。
利用一套全自动气动救援抛投器，可以实现远距离全自动水上救援、消防救援、抗洪救灾、船舶停靠和拖带及线路架设等。
水面机器人检测到被困人员时，利用全自动气动抛投器抛投绳索及救生圈到被救目标，救生圈遇水后5秒钟即可自动充气；利用水面机器人配备的救援充气艇，在地面站发出指令，由水面移动机器人将被救目标拖拽到安全地方，避免救援人员在抢险中遇到险情。
水面机器人模拟水样采集(左)有毒液体采样封存（右）2015年末，在辽宁省抚顺和河南省南阳，沈阳自动化所和沈阳消防研究所，分别联合抚顺消防支队和南阳消防总队开展了水面监测与救援演示，主要演示了利用水面机器人平台搭载水质采样载荷，实现了自主多点水质采样的示范应用。
利用水面机器人平台可搭建多种自主研制的水质采样器，小型化后集成到水面机器人平台之中。在地面站指挥系统上设置机器人GPS点跟踪模式，并选定水质采样的GPS点，便可以实现由全自动水质采样器对有毒物质的2.5米精度GPS定点水质抽样，能够有效避免有毒物质泄漏对人员造成的二次伤害。
未来，沈阳自动化所水面移动机器人组将着眼于两个方面继续深入开展水面移动机器人的研发工作。
一是新概念水面平台，如风帆式水面机器人、空中-水面子母机器人。
续航动力是束缚水面机器人发展的一大技术难题。未来风力和太阳能发电动力技术可解决水面机器人长时间持续巡航的动力问题。
针对复杂的水面救援环境，通过飞行机器人的辅助，可以极大地提高水面机器人救援的效率，因此在未来，随着相关技术的发展，空中-水面子母机器人会逐渐得到应用。
二是复杂水面环境的自主行为规划。
在实际洪灾救援中，水面环境高度复杂，包括搜救目标、固定障碍物、水面漂浮物、狭窄沟渠以及风浪与水流干扰，传统自主算法已远远不能满足实际要求。未来，为提高水面机器人的实用性，沈阳自动化所将着力针对复杂水面环境的自主行为规划开展研发工作。
作者：王贞
