海上无人机控制

不曾想到，短短5天的“海洋观测实践课”，不仅让我了解了海洋科学的基础知识，还让我有机会将所学的自动化（控制）专业相关知识在实际科考中加以应用并发挥了巨大作用。

无人机自动飞行展示

2024年9月8日凌晨5点，我和所有参与此次“海洋观测实践课”的同学一起，从浙江舟山出发，乘车3小时，来到位于上海的中国极地研究中心。当远远看见那艘停靠在岸边的鲜红色大船，所有人的疲惫瞬间一扫而空，大家知道，那就是我们魂牵梦萦许久的“雪龙”号极地考察船。

登船第一天，每个人都充满了好奇，船方安排的统一参观还没有开始，船上的各个角落早已站满了心潮澎湃的同学们。接下来，我们接受了详细的安全培训，学习如何在紧急情况下使用救生设备，并熟悉了船上的仪器设施。随后大家被分配到多个项目组，与其他高校的同学协同完成任务。

我所在的无人机自动飞行展示项目是上海交通大学负责的核心环节之一，我们主要演示海上固定翼无人机的垂直起降与自主飞行能力。作为自动化专业的学生，这项任务无疑是一次难得的机会，它能让我将所学的控制理论与实际应用结合起来。

在“雪龙”号的直升机机库里，停放着一架垂直起降固定翼无人机，它是直升机和固定翼飞机的结合体，除了有一对长长的固定翼，机身上还设有四扇螺旋桨，用于低速时提供升力。它兼具了旋翼无人机和固定翼无人机的优势，不仅能在狭小的船舶甲板上垂直起降，还能在空中切换为固定翼模式，以大大节省电量，实现长距离飞行。这套无人机系统，除了飞机外，还有甲板上的一系列设施，包括飞行控制电脑、位置测量基站等仪器。具体操作时，先在飞行控制电脑上规划自主飞行的路径，并依靠固定在甲板上的定位基站，得知船舶的航向角、速度等信息，计算后与飞机通信。飞机依赖于飞控系统中的传感器模块（如GPS、陀螺仪、加速度计），实时感知飞行状态，并结合电脑给出的“以什么高度飞，往什么方向飞”等具体指令，保持飞行稳定。

老师告诉我们，在无人机自动化系统中，我们所学的控制算法、状态估计方法、信号处理等技术都能发挥重要作用。这些技术不仅确保无人机在飞行中实现自主控制，还能让它适应海上风浪等不确定因素。

精准降落

作业当天上午，一个坏消息传来，东海海面受热带扰动影响形成暴雨。当时浪高达到了5米。望向甲板外，汹涌的海浪不断拍打着“雪龙”号的侧舷，再看向我们的船，此时正如同一片树叶，在水面上随波摇晃。甲板上狂风怒号，裹挟着大雨朝我们袭来。可人一进入直升机库，又是另外一番体验：闷热的空气让人瞬间汗如雨下，难耐的湿热与摇晃的地板一起，为此次作业增加了难度。即便自然环境如此恶劣，我们团队也依然要按计划作业。

在机库内规划好路径后，我们将无人机从机库内搬运到直升机甲板上，做下一步的定位定向工作。设计无人机系统的团队早就预料到这种情况，他们使用了“三防电脑”，这样就算瓢泼大雨打向飞机的定位仪器，也不会破坏整体系统的工作。但天气因素仍对无人机的飞行性能产生极大影响，尤其是在开放水域的上空，强风会使飞行器面临高度不稳定的挑战，浪涌则会给飞机降落增加难度。

调试过程中，我们依次检查了无人机的各项系统工作状况，如飞控系统与地面站的连接情况、测试船舶定位仪器的稳定性，并确保所有传感器正常工作。

这是我第一次在如此复杂的环境中参与设备调试，它与我在实验室中面对理想状态的模拟测试完全不同。为了减少外部干扰，我们专门调试起飞时的速度和各项阈值，以避免无人机在起飞时失控。

调试完成后，我们便启动了自动起飞程序，展示无人机在恶劣海况下的稳定性。无人机依靠预设程序垂直起飞，从甲板腾空而起，在空中缓缓向前加速，达到一定程度后，尾部的推进螺旋桨启动，切换为固定翼飞行模式，负责垂直起降的螺旋桨也就停止了转动。在距离科考船数千米的范围内，无人机自动按轨迹运行，以Z字形的路线扫描起整片海域。通过地面站界面，我们能够实时监控无人机的飞行参数，包括姿态角度、GPS位置和速度。

巡航过程结束，我们触发了无人机的自动降落功能。返航过程中，无人机根据设定的路径，叠加上这段时间内船所运动的位移，导航返回直升机甲板。依靠高度传感器和视觉辅助系统，无人机缓缓下降。当看到它最终平稳降落在摇晃的甲板上时，我对自动化的热爱更加具象化，对学以致用的理解更加深刻，也进一步增添了科技报国的动力。

CTD采水与数据分析

在‘雪龙’号舯部甲板上进行的CTD（盐度－温度－深度测量仪）采水作业项目中，我们小组负责操作设备来采集不同深度的水样。以前，我只在视频里看过CTD采水作业的过程，如今能够现场观摩，亲身体验，那种感觉很难用语言形容。

当绞车将CTD采水器下放到一定深度后，其搭载的各种传感器会测量海洋剖面参数。根据对剖面参数的观察，可以设定相应的取样深度。在采水器上拉的过程中，每到达一个设定深度时，我们便可通过控制系统触发相应的采样筒，将海水样品封存在采样筒中。

由于CTD操作包含自动控制系统的使用，这与我在专业课中所学的控制理论高度相关。于是项目组安排由我参与设备的复位与数据记录，体验控制系统在复杂环境中的实际运行，并帮助分析不同深度的盐度、温度和溶解氧数据。

我的第一次CTD采水任务由于传感器配置错误，使得初始测得的数据与实验室测量结果不一致，盐度甚至达到了60‰。经过多次排查后，我们发现是配置文件的问题。这次经历让我深刻体会到，自动化设备的成功运行不仅依赖于硬件，更依赖于软件系统的精确配置，而这些问题的发现与解决正是试航的意义所在。

从无人机控制到CTD操作，课堂上学到的控制理论在“雪龙”号上有了生动体现。自动化控制不仅是针对硬件设计相应的算法，更需要贴近实际场景灵活应变。虽然我的专业不是海洋科学，但这次难得的登船实践，让我看到了自动化技术在海洋探索中不可或缺的作用。

责任编辑：刁雅琴