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“地面航母”百日亮剑“跨越险阻”

供稿: 机械与车辆学院 党委宣传部 摄影: 机械学院 编辑: 王征

 

  9月13日黑龙江塔河,“跨越险阻2016”地面无人系统挑战赛刚刚闭幕,来自北理工的“地面航母”无人平台在比赛中精彩亮相。依托北理工雄厚的军工科研实力,2016年8月,我校无人赛车队的学生们自主设计并研发成功了这辆重达一吨、集成了诸多高新技术的“地面航母”。

  “跨越险阻2016”地面无人系统挑战赛由陆军装备部主办,旨在加快陆军地面无人装备研发步伐,促进各高校、科研机构、企业的无人智能技术快速发展并转向实战化,本次比赛有来自中国科学院、中国兵器工业集团、北京理工大学、国防科技大学等44个单位的99个车队参与。比赛期间,“地面航母”受邀在陆军装备部各位首长、全体参赛队伍面前进行了15分钟的单独展示表演,并顺利地完成了城镇侦查搜索组、山地运输组的比赛。

图“地面航母”在陆军首长、参赛队伍面前单独表演

  军工赛场上的“首秀”

  比赛开幕式当天,中国人民解放军陆军副司令员彭勃中将就被这个“上面背着飞机,肚里装着小机器人”的大家伙所吸引,饶有兴致地专门观看“地面航母”的展示表演。

  在参加“跨越险阻”比赛的参赛车辆中,大部分无人车都是基于成熟车辆平台进行无人化改装,而完全“从零做起”,且外形炫酷的“地面航母”就格外引人瞩目。参与本次赛事的众多业内人士初见“地面航母”时,都以为这是出自某个实力雄厚的大型科研单位或企业的产品,当得知这是一辆由北理工学生自主设计和研发的产品后,都感到十分赞叹。

  “和北理工的方程式赛车队、航模队等一样,无人赛车队也是学校的一个年轻学生科技创新团队。该团队成立于2015年年底,由近30名来自不同的学院和专业的学生组成,其中60%以上是研究生。‘地面航母’的构想、整车设计和装配、落地调试等,都是由学生们独立完成的。”无人赛车队的指导教师胡纪滨教授作为长期从事军工项目研究的资深专家,为这项学生创新作品在比赛中的表现感到十分自豪。

图 陆军副司令员彭勃中将参观“地面航母”无人平台

  “地面航母”之所以取得很好的效果和展示性,当然还是得益于它所装备的三项关键创新技术,即无人机-车-机器人的一体化设计与控制技术,融合了轮毂电机、全轮转向、主动悬架的一体化底盘控制技术,以及超大功率密度电池组驱动技术。“我们创新提出了新型地面无人系统的‘航母概念’,大幅扩展了无人平台的应用范围,提高了无人平台的机动性,让人耳目一新。”无人赛车队的领队博士生倪俊这样阐述他们的创新理念。

  “地面航母”之所以成为“航母”,其最核心的技术,就是无人侦察机-小型机器人-母体车辆平台的一体化设计与控制。在无人母体车辆的上方背负着一个可供3-6架小型旋翼无人机起降的云台,而在车体前部设置有专门空间,通过自动打开的舱门,可以释放出其装载的一个小型地面机器人。

  小型无人机和小型地面机器人可以根据情况释放与回收,无人机“凌空”可在空中侦查获取前方图像信息,而地面机器人凭借小巧的‘身材’进入到管道、楼房等狭窄空间内探测,它们所获得的信息将回传送给母体车辆和控制人员,而完成任务后,这些小无人机和小机器人可以返回母体车辆充电。“这就是‘航母’概念之所在!”负责控制系统设计的硕士生于营营和田汉青介绍到。

图 “地面航母”可释放小型无人机及小型地面机器人

  “跨越险阻”大展卓越动力

  在为期半个月的比赛里,黑龙江塔河阴雨不断,比赛场地所在的陆军试验站位于山地,连续几天的降雨导致路况泥泞不堪,挑战也是机遇,正是恶劣的环境,反而给了“地面航母”展示超高机动能力的机会。当不少参赛车辆陷于泥泞之中行驶困难之际,“地面航母”凭借自身超强的动力性能,轻松冲出。

  “地面航母”无人平台不仅具备融合了轮毂电机驱动、全轮独立转向、独立主动悬架的一体化底盘控制技术,还全面实现了整车的电子控制,从而拥有了强悍的机动能力,能够驾驭恶劣的路面情况。

  相较于车身的比例,“地面航母”的四只“粗壮”的车轮也格外醒目,而且不简单,每只车轮其实都是一部单独的电动机,可以根据命令独立工作。“除无人机、小型机器人的一体化控制之外,母体平台本身就具有极强的机动能力。我们采用了全车线控技术,由四个轮毂电机驱动车轮,每个电机的峰值功率达到50kW。同时,我们采用了四个转向舵机单独控制四个车轮转向,实现了车辆在阿克曼转向、双桥同相位、双桥逆相位和原地八字转向等多个模式间切换。”无人赛车队的机械系统设计师博士生赵越介绍。

  在北理工学生开放的创新思维和过硬的技术水平下,轮毂电机驱动、独立转向、独立悬架,其中的任何一项都是车辆领域的顶尖技术,当它们被大胆而科学的集成到一起时,使得自重1吨的“地面航母”,峰值吨功率达到了惊人的200kW,百公里加速仅需要3-4秒,原地转向时间仅需要2秒!

图 学生自制的高能量功率密度电池箱

  100个无眠夜打造的超级无人车

  “地面航母”于2016年5月初开始设计,同年8月10日首次落地,并在9月4日开幕的“跨越险阻”地面无人系统挑战赛上完成“首秀”。从设计到加工,再到装配和调试,仅仅用了100天,奇迹与荣誉的背后是同学们夜以继日的辛苦付出。

  “我们是在5月初才知道这次跨越险阻比赛是面向全社会开放的,学生团队也有参赛资格。虽然很早就有了“地面航母”的设计概念,但是5月初才真正开始设计。在接下来100天的时间里,大家突破重重技术难关,不眠不休地把“地面航母”从脑海中的概念,变为路面上霸气十足的真家伙。我们初衷很简单,就是要在这次比赛上惊艳亮相,为我们的母校争光,为母校76周年校庆献礼!”博士生赵越骄傲的回忆道。

  这次参与奋战的核心成员,不少都是本科时便鏖战过北理工方程式赛车队,本科时真刀真枪的历练,让他们熟知如何造一台车。“车辆设计、控制系统编程、零部件加工、采购等,能并行的全部同时并行,这是我们高效的秘诀”。说起造车,这些面庞稚嫩的学生如数家珍、头头是道。

  在造车的时间里,每名队员手里都有一张列着任务清单的纸条,他们要严格执行造车计划,确保每天的工作如期完成,避免因单人的拖沓造成整体进度的延迟。“对团队来说,100天内造出一辆集成各种高新技术的‘航母’,最难的并非是技术问题,而是如何并行工作、实现整体效率最大化的管理问题,及如何在重压和困境下咬紧牙关、决不放弃的精神问题。”博士生倪俊在管理造车团队方面已经十分老道。作为北理工方程式赛车队的原队长,倪俊将方程式赛车队优良的工作作风、决绝的精神品格带到了无人赛车队。

  刚刚过去的暑假,整个团队最为忙碌,队员们连续60天每日凌晨睡觉,不到6点就起床开始工作,为了抓紧时间,大家几乎从不去食堂吃饭,吃饭都是蹲在车间的地上解决。为了保证进度,对抗过度的疲劳,车队管理组组长、硕士生付苗苗必须要每天负责打电话为大家叫早,一同坚持,互相鼓励,数位队员累病了也不肯放弃,甚至有的队员负伤后依然坚持工作。

  “重要的是,在这个过程中,学生们接受了磨练和成长,锻炼了意志品质。砥砺品行是我们鼓励学生科技创新工作的重要目的,希望北理工的学子能够全面成长,成为有担当、有品格的人才。”指导教师胡纪滨教授说起车队自豪而欣慰。

  “地面航母”无人平台取得的成绩,并不仅仅是一个项目,机械学院始终积极深化创新平台的育人成效,以无人赛车队为例,在高端科技创新作品的牵引下,团队不仅融合了来自不同学院、不同专业的本科生、研究生,形成了本科生开展工程设计、研究生开展理论研究与论文发表的1+1>2的创新模式。 机械学院副书记、副院长范文辉这样总结道:“在学院的打造下,现在已经形成了以‘Baja越野车队-节能车队-方程式赛车队-无人赛车队’为核心的梯度式、体系化的车类学生科技创新团队,能够让越来越多的学生受益于科技创新带来的能力素质提升。”  

    

【编者后记】
  “100天造车”——“地面航母”无人平台的诞生,并不是急功近利的产物,也不是一蹴而就的成绩,这得益于学校在学生科技创新方面的投入与支持,特别是机械与车辆学院多年来坚持以“车”布局和敢于“大手笔”育人。
  北京理工大学作为国内一流理工科大学,拥有优秀的生源质量,在人才培养过程中,创新人才培养的方式方法,需要抓好学习兴趣和主动性提升,科学学习和指导模式设计,高水平、体系化的平台条件保障等若干关键环节。
  另一个方面,与掌握知识、习得技术同样重要的是精神的磨砺和思想的独立,前者让学生不胡干蛮干,后者使学生最终成为敢想敢干之人,从而为成为行业领军人才奠定坚实的基础。
  “地面航母”无人平台在全国高水平的比赛中取得成绩,不仅是一个创新项目的成功,其背后蕴含的人才培养模式,更值得我们分析和研究,建设中国特色世界一流理工大学,必须培养一流的人才,如何培养能够自己造车、自主创新造车、自主创新造好车的学生,更是值得我们深思与借鉴的。

 

(审核:左正兴 包丽颖)