提起水下機(jī)器人，大多數(shù)人可能并不熟悉。但無論是潛入大洋的“蛟龍?zhí)枴边€是在深海中勘探資源的“海龍三號”，或是搜索馬航MH370的水下智能機(jī)器人，它們的工作原理都可以追溯到小小的水下機(jī)器人。近期，我校本科生在水下機(jī)器人研制方面取得了重大突破，信息工程學(xué)院智能機(jī)器人創(chuàng)新基地學(xué)生團(tuán)隊(duì)的王凱甬、楊軒軒、吳東、邢蘇陽和應(yīng)前進(jìn)等5位同學(xué)組成的鄭州大學(xué)水下機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，在八月份四川省宜賓市舉辦的2018年中國機(jī)器人大賽水下機(jī)器人巡游項(xiàng)目中奪得冠軍。
　　中國機(jī)器人大賽是中國最權(quán)威、最具影響力的機(jī)器人學(xué)科競賽，也是國際頂尖人才匯集的活動之一。此次我校水下機(jī)器人團(tuán)隊(duì)以打破賽會記錄的成績奪得水下機(jī)器人水中巡游項(xiàng)目的冠軍，標(biāo)志著我校在此領(lǐng)域達(dá)到了全國高校領(lǐng)先水平。
　　從大一入學(xué)開始，對水下機(jī)器人懷著強(qiáng)烈興趣的5位同學(xué)就報(bào)名加入了信息工程學(xué)院智能機(jī)器人創(chuàng)新基地。從加入創(chuàng)新基地開始，王凱甬、楊軒軒等人就已經(jīng)將目光瞄向了2018年的中國機(jī)器人大賽。他們幾乎把除了上課之外的所有時(shí)間都花在了實(shí)驗(yàn)室里，白天正常學(xué)習(xí)的他們，晚上要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和分析?！懊ζ饋淼臅r(shí)候，中午經(jīng)常是吃幾口飯就趕回實(shí)驗(yàn)室了。”楊軒軒說。
　　經(jīng)過大一一年的實(shí)驗(yàn)和構(gòu)思，5個人在大二上學(xué)期開始將構(gòu)思付諸實(shí)踐來打磨水下機(jī)器人。在整個機(jī)型的設(shè)置上，團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)流體力學(xué)理論，設(shè)計(jì)了一個類似于“大黃蜂跑車”的機(jī)型。機(jī)器人整體呈流線型，但頭部為類似鯨魚頭的圓弧形。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這個機(jī)型在水中前進(jìn)時(shí)受到的阻力極小。
　　在設(shè)計(jì)機(jī)器的過程中，隊(duì)員們也有過爭議。機(jī)身前面設(shè)置了一個放置攝像頭的透明圓筒，當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)成員就這個圓筒的放置方向產(chǎn)生了很大分歧?！柏Q著放，圓筒周圍漏出的空隙很少，理論上防水性能相對較好；橫向放置則可以使用雙目攝像頭，能有效擴(kuò)大機(jī)器人的視野?！蓖鮿P甬說。相持不下的雙方只能在實(shí)驗(yàn)室的小水池進(jìn)行測試，最后發(fā)現(xiàn)兩種方法的防水性能差不多，于是便采用了能擴(kuò)大視野的第二種方案。
　　由于3D打印機(jī)的打印尺寸有限，團(tuán)隊(duì)成員只能將整個機(jī)型外殼分為32個部分，對每一部分編號，一塊一塊地打印制作，最后利用計(jì)算機(jī)模擬拼裝后進(jìn)行機(jī)器人組裝：用丙酮將32個部分拼接縫合，用原子灰填補(bǔ)縫隙，最后噴漆。在參賽時(shí)，看到這樣漂亮的水下機(jī)器人，許多其他高校的老師甚至認(rèn)為這是他們違規(guī)從商業(yè)公司購買的成品，也有老師連連贊嘆：“從來沒見過這么漂亮的機(jī)器！”
　　浮心是物體受浮力的作用點(diǎn)，而水下機(jī)器人要想在水底保持平衡，重心和浮心必須在同一個位置上，不能有一絲一毫的偏差。為了節(jié)約成本、一次成型，團(tuán)隊(duì)成員用精密的電子秤，測出32個部分中每一部分的質(zhì)量，然后用軟件建模，求出重心的位置，再用流體力學(xué)軟件來求浮心的位置。如果兩者不在同一個位置，就需要做出調(diào)整。“比如說重心偏前，我們只能把機(jī)身倉庫里的傳感器、微型電腦等往后調(diào)整。如果浮心偏后，我們機(jī)身的頭部需要做大一些。”就這樣經(jīng)過十余次的更改，水下巡游機(jī)器人的兩個“心”完全重合在了一起。
　　水下巡游機(jī)器人在水下自主運(yùn)行，不僅要自行判斷平面位置，更需要精確定位自己所處的深度。負(fù)責(zé)電子模塊調(diào)試的邢蘇陽和應(yīng)前進(jìn)在機(jī)器中添加了液位變送器，可以精確定深，完成水下信息采集、處理。除此之外，兩位成員在陀螺儀的工作程序中添加了卡爾曼綠波算法等數(shù)種新算法，使傳輸數(shù)據(jù)的精度大大提高。
　　制作水下機(jī)器人最后也是最重要的一步是做防水，是用防水螺絲、墊圈、卡夫特膠等材料對機(jī)身的各個部分做防水處理，工作量巨大。距比賽還有一個月時(shí)，一個控制機(jī)器人姿態(tài)的電子芯片模塊突然失靈了。為了節(jié)約時(shí)間和材料，團(tuán)隊(duì)成員只能把白天把機(jī)器人送下水調(diào)試，晚上拆機(jī)維修電子模塊，然后裝機(jī)做防水處理。經(jīng)過三天三夜的奮戰(zhàn)，這個電子芯片模塊才恢復(fù)正常。
　　2018年的全國機(jī)器人大賽在四川省宜賓市舉行。因?yàn)椴贿m應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?，王凱甬和吳東都患上了熱感冒，但在正式比賽開始前，兩人還是堅(jiān)持輪班調(diào)試機(jī)器，熟悉比賽場地。
　　“我們目前的水平，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過去年的比賽冠軍了?！睂ψ约旱臋C(jī)器人充滿信心的王凱甬在入場時(shí)這樣鼓勵其他隊(duì)員。比賽中每支隊(duì)伍共有25分鐘的比賽時(shí)間，1.5米深的水池中共設(shè)置 8個目標(biāo)框和2個目標(biāo)球。機(jī)器人需要通過 8個目標(biāo)框然后撞擊目標(biāo)球，每次嘗試失敗后都必須從終點(diǎn)重新開始，比賽結(jié)果取25分鐘內(nèi)的最好成績。在我校代表隊(duì)上場之前，集美大學(xué)代表隊(duì)?wèi){借優(yōu)秀的表現(xiàn)打破了賽會紀(jì)錄。加之出場次序靠后，原本清澈的比賽場地變得渾濁，這讓原本充滿信心的團(tuán)隊(duì)成員變得緊張起來。
　　正式上場時(shí)，應(yīng)前進(jìn)運(yùn)用出色的編程技術(shù)，在機(jī)器人圖像處理程序中添加了一個新的算法，從而大大提高了接收圖像的清晰度。但在前兩次的嘗試中，機(jī)器人仍“發(fā)揮失?！?，得分較低。第三次嘗試開始之前，邢蘇陽為機(jī)器人控制系統(tǒng)臨時(shí)編寫了一個算法，對傳統(tǒng)的邊尋找目標(biāo)邊調(diào)整姿態(tài)的運(yùn)行模式做出了很大調(diào)整。機(jī)器人下水后，先是自動后退擴(kuò)大視野，頭部擺動尋找目標(biāo)框，然后調(diào)整姿態(tài)一次性通過了8個目標(biāo)框，最后向目標(biāo)球撞擊過去。
　　“1200分！冠軍！”隊(duì)長王凱甬大聲喊道。裁判和觀眾也被他們出色的比賽表現(xiàn)所折服，爆發(fā)出一陣陣熱烈的掌聲。重慶交通大學(xué)的指導(dǎo)老師贊嘆道：“看，這才是真正的水下巡游機(jī)器人！”最終，鄭州大學(xué)代表隊(duì)以高出第二名600分的成績打破賽會紀(jì)錄獲得冠軍。
　　賽后，本屆水下機(jī)器人大賽的賽事負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)的劉文智老師如是評價(jià)我校代表隊(duì)：“鄭州大學(xué)水下機(jī)器人代表隊(duì)是有史以來唯一一個能完成巡游項(xiàng)目所有規(guī)定動作的團(tuán)隊(duì)，他們的參賽機(jī)器設(shè)計(jì)精美、性能優(yōu)良，在各個方面都是目前各隊(duì)中最好的?！?br>　　獲得冠軍之后，團(tuán)隊(duì)5人現(xiàn)在有了更遠(yuǎn)大的發(fā)展計(jì)劃。“比賽奪冠只是對我們本科生研究的激勵，我們并不想讓它只存在于實(shí)驗(yàn)室，而是真正應(yīng)用到社會中去，產(chǎn)生一定的效益，讓我們的科研創(chuàng)新在海底搜救、資源開發(fā)、海底考古、水質(zhì)檢測、泄露治理等方面成功運(yùn)用，對社會有所貢獻(xiàn)?！标?duì)長王凱甬說。