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对话|我国获国际水下机器人大赛冠军,带队教师:技术获肯定

“半夜起来看了直播,当全场观众讨论China、Harbin时,内心特别振奋,从来没想过个人会与国家荣誉联系得这么紧密。”9日,哈尔滨工程大学学生王宪彬告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)。

7月30日至8月5日在美国举行的第21届国际水下机器人大赛(RoboSub)中,该校E·唯代表队携机器人“敖明2号”夺得冠军,打破北美高校20年来对冠军的垄断,成为继麻省理工学院、康奈尔大学等世界顶尖高校后第9个获得这项殊荣的队伍。

哈尔滨工程大学创造了该项赛事我国乃至亚洲的最好参赛成绩。

蛰伏7年后夺冠

国际水下机器人竞赛(RoboSub)由国际无人系统联合会(AUVSI)和美国海军装备研究院(ONR)共同主办,是业界公认的水下机器人领域最高级别赛事,被誉为水下机器人领域的“世界杯”。历届比赛汇集了美国伍兹霍尔研究所(WHOI)、麻省理工学院(MIT)、康奈尔大学、马里兰大学、杜克大学、新加坡国立大学等世界顶级研究机构及高校参与。该项赛事从1998年举办21年间,冠军都被美国和加拿大垄断。

自2011年起,哈尔滨工程大学E·唯团队每年参与这项赛事,取得了两次第四、一次第五、一次第六的成绩。2018年,该代表队由哈尔滨工程大学刘文智、李海波、叶秀芬3位教师带队指导,与来自船舶学院等七个院系的35名学生共同参与机器人“敖明2号”的研发。哈尔滨工程大学也是今年中国唯一参赛队伍。

最终,E·唯团队半决赛以高出第二名10000分的成绩晋级;决赛中,以三球优势力压新加坡国立大学获得冠军。

从前两年国外参赛队都不清楚哈尔滨的地理位置到成为公认的强队,再到最终战胜加州理工、康奈尔大学等国际顶尖高校夺得该项赛事的冠军,王宪彬说,“当全场观众都在议论China、Harbin,内心特别鼓舞、特别自豪,第一次感受到为国争光。”

哈工程E·唯代表队前往美国参赛师生合照。

“杀手锏”是机械手

本届比赛的主题是“水下赌城”,要求机器人能够在水下自主完成投币出发、自主巡线、识别骰子、发射鱼雷、投掷标记物、抓取目标物等任务。例如,识别骰子,机器人必须识别指定骰子的点数,并依次撞击相应点数的骰子;抓取目标物,机器人要观察、确定小球的位置,计算大小和抓取的位置,然后进行抓取。

“需要识别的项目较往年变多了,骰子的大小、小球的颜色、需要被投射的漏斗等等。”队员陈尚泽说,在水下,机器人会受各种因素影响,所以一般来讲“走”不到指定的位置,有可能在骰子的侧面,或是斜上方斜下方。

并且,一旦机器人下水,就不能有任何人为干预,需要机器人对周围发生的问题自行判断,再“想”出解决办法。“我们会把各种可能出现的情况,输入到机器人的程序里,实现机器学习,在遇到不同情况时能准确识别。”陈尚泽说。

E·唯团队队长周翰文介绍,经过多年的积累,团队各项技术都得到了突破,而今年在软件上花得功夫比较多,使用了多目视觉算法,还引入了这两年特别火的人工智能深度学习算法。

“最难的地方在于如何将高尔夫球投入水面的漏斗,这个任务所有学校只有我们拿到分了。”周翰文说,其他队伍不是放弃了这项任务就是算法设计不过关,机器人在复杂环境中无法达到预想的性能。“因为太阳光线变化、水下亮度以及曝光会对机器人的图像识别功能产生很大影响,机器人经常就找不到球了。”

对此,哈尔滨工程大学E·唯团队在比赛中使用了’杀手锏’——机械手。“在‘敖明2号’底部,由几十根细金属棍组成的类似针板的部件,向下插,高尔夫球就会被夹住。”王宪彬解释道。

“我们是唯一一个能够一次性抓取4个球的队伍,机械手能同时将水下指定位置上的所有小球’抓住’。”王宪彬说,机械手是针对比赛任务设计的,钢丝的粗细、间距的大小、钢丝长短、整个机械手圆盘的大小,都经过多次实验反复修改,直到5、6月才最终确定。

在备战的10个月中,队员们经常面对繁重的改装和实验任务。“为了方便调试,也怕太晚回去打扰室友,大家经常忙到凌晨1点直接睡在实验室了,早上8点起床再继续研究。”队长周翰文说,后来队员们就自己准备了折叠床、木板床,甚至干脆把洗漱用品和衣物搬到了实验室。

对“敖明2号”的调试也占据了队员们大半的假期。周翰文寒暑假回家的日子,加起来不超过一周。“回重庆陪家人过了一个年后,就急匆匆地赶回校了。”他说,没有付出就没有收获,“我是队长,想要给大家做个表率。”

“撞”骰子环节。

投掷高尔夫球环节。

对话E·唯协会指导李海波:

澎湃新闻:这是你第一次参与这项赛事吗?

李海波:不是,往年都是我和刘文智老师指导,有八九年了。

澎湃新闻:今年团队大概筹备了多久?

李海波:我们准备的时间很早,年前就开始调试。比赛主题每年都在二月左右发布,此前,队员们主要参照往年的任务来准备。今年的难度相比于往年提高了一个层次,毕竟比赛的目的是鼓励参赛团队提高技术。

澎湃新闻:这次提前了多久到达比赛场地开始调试的?

李海波:提前了三天,时间非常紧张。虽然10个月的备赛过程中,“敖明2号”已经在室外水池做过调试并采集了各个时间点的光照条件,但是实际比赛场地让我们有点措手不及,环境条件和我们在学校的场地差距非常大,光照特别强。为适应比赛场地的光照条件,队员们每天早上5点就去场地排队,抽取现场调试机会。因为只有出水之后才能排下一次时间,第一天运气比较好,抽到了早上7点,一天就能下水调试三次;后两天运气不太好,第一次下水就排到了中午11、12点,一天就只能调试两次了。

澎湃新闻:这次半决赛团队优势明显,而决赛过程悬念比较大?

李海波:最后决赛的成绩,这两支队伍也就是相差2000分左右吧。扔球进漏斗的环节,在半决赛的时候我们抓起7个球,扔进漏斗里7个,在决赛,我们只抓起了6个,扔进漏斗里1个。机器人状态一直都很稳定,但大赛突发情况太多,主要还是设备有些老化,用的传感器已经将近十年了,性能有所降低。我们在决赛中只发挥了半决赛80%的实力,但是对手基本上发挥了200%。

澎湃新闻:拿下冠军之后,是什么样的心情?

李海波:本次夺冠是对中国科研成果的肯定,也让参赛队员们找到了自信,水下机器人领域,我们不比任何国家差!

澎湃新闻:在你看来,中国的水下机器人技术在世界上处于什么水平?

李海波:在整个技术上,我们跟欧美国家应该在一个技术层面上,但在具体应用上,比如从产业化的角度,我们还有进步的空间,他们起步更早。

澎湃新闻:目前,水下机器人技术的应用有哪些方向?

李海波:主要有水下救援、资源勘探等。海底有很多未知之处,以飞机失事为例,机器人的作用是根据声学信号自动在海中寻找黑匣子,甚至将它打捞起来,带回分析。往届参加国际水下机器人大赛的很多学生,毕业后就仍选择了从事相关工作,包括做无人机和做通信结构。