ROBOT INDUSTRY
人类以光视物，以声辨位。水下机器人作为人类意识向海底的延伸，需要具备灵敏的“视觉”和“听觉”以感知周围环境。除此之外，磁探测对铁磁物质有敏锐的探测力，适用于对沉没船只和海底矿产的探测。以上述三种信号感知能力为基础的水下多源信息融合感知技术，将显著提高水下机器人辨别水下环境的可靠性。
发展针对水下目标体的精准探测能力，是海域资源普查、环境监测、海缆维护、船舶救捞和水下考古等多行业领域的迫切需求。水下机器人亟需发展多源探测技术，以提高对水下目标的探测性能。
图1 水下多源信息融合感知探测识别特种机器人
朝阳市加华电子有限公司（以下简称“朝阳加华”）着重打造以微磁探测为主的研发中心，长期致力于水下多源信息融合感知技术的研发工作，其推出的水下多源信息融合感知探测识别特种机器人已在多个领域实现应用。
1
声探测的局限性
声波在水下的衰减幅度小，是目前已知的唯一能够远距离水下传播的能量辐射形式。前视声呐和侧扫声呐是水声目标探测的主要设备，能够实现水面和水下目标检测、定位跟踪、分类和识别等功能。
在实际操作中，声传播受复杂的海洋环境影响严重，声呐获取的目标信息往往具有不准确性和不确定性，且单声呐生存能力差，造成水下观测系统稳定性不佳。在成本高昂的海洋试验中，不适宜采用单一声呐探测设备提供水下机器人全部探测能力。此外，海洋科勘等行业对水下机器人信息感知的实时性和精确性提出更高要求，发展基于多传感器、多源信息融合的水下探测和识别技术，具有重要的科研意义和应用价值。
2
水下多源信息融合感知技术
水下多源信息融合感知技术主要包括光学检测、声呐检测和磁探测三种探测方法，他们各有独特的优势和限制，并体现出一定的互补性。
在清澈、较浅的水体中，水下摄像机等光学设备能为上位机传输高分辨率的图像，如遇光线微弱、水体浑浊的情况，光信号的传播距离将大幅缩减。声呐检测通过发射声波并接收其回声来探测目标，受水深和水质的影响小，但其图像分辨率较低，且目标边缘和声影区的解析较为困难。磁探测则对铁磁性物质具有极高的敏感度，但无法形成可供肉眼识别的图像，且受地磁信号干扰较大。
图2 以侧扫声呐（左上）、光摄像（右上）、
前视声呐（左下）、磁探侧仪（右下）
探测水下目标——神舟
水下多源信息融合感知技术整合三者技术优势，形成一个更全面、更准确的探测系统，克服了单一技术的局限性。具体来说，光学检测提供的高分辨率图像可以用于精确识别目标的外形和特征。声呐检测则能够探测更远的水域，在浑浊或复杂环境中提供有效的探测信息，甚至能探测到被泥沙掩埋的物体。磁探测则能够补充对铁磁性物质的探测能力，穿透障碍物，发现被掩埋的目标。
此外，水下多源信息融合技术还能将不同探测技术进行数据互补和交叉验证，帮助水下机器人提高探测结果的可靠性和准确性。例如，当光学检测受到水域浑浊度影响时，声呐检测可以提供额外的信息来辅助识别目标；而当磁探测发现铁磁性物质时，光学和声呐检测可以进一步确认目标的具体位置和形态。三种检测技术相辅相成，共同为水下探测提供全面、灵活的解决方案。
3
水下多源信息融合感知机器人
水下多源信息融合感知机器人高度集成多种传感器，应用图像增强、数据传输、数据处理技术，获取并分析在水下探测到的多源信息。该机器人由有缆遥控水下机器人平台构建，用于信息感知用途的硬件设备主要由前视和侧扫声呐、水下摄像机、微磁传感阵列，以及USBL（超短基线定位系统）四部分组成。
图3 水下多源信息融合感知探测识别特种机器人的系统组成
前视声呐用于获取机器人前方区域的水下地形和障碍物信息；侧扫声呐用于扫描机器人两侧的水域，以提供更宽范围的水下地形和物体轮廓数据；水下摄像机用于拍摄高清的水下视频图像，便于直接观察目标物体和周围环境；微磁传感阵列通过检测周围磁场的微弱波动，用于探查海底磁异常；超短基线定位系统结合水上基站，用于实现水下机器人的精确定位。
通过上位机控制平台，操作人员向水下ROV（有缆遥控水下机器人）发送运动控制指令，包括航向、速度和深度等参数，使其遵循指定路径运行。各传感器模块同时工作，采集声呐图像、光图像和磁数据，通过ROV的电子舱，利用有线或无线方式传输到上位机的显控平台。显控平台将实时输出目标的识别结果、位置坐标等信息。同时，多融合探测算法软件也会实时给出对探测目标的综合评估。需要注意的是，传感器采集到的原始数据需要经过滤波降噪、特征提取等若干数据处理流程，水下机器人将来自多个传感器的信息进行融合分析，通过综合多种信息源的数据，提高目标探测的准确性和可靠性。
图4 水下机器人在天津渤海浅海水域，执行海底沉底目标探测任务
标准化的有缆遥控水下机器人平台留有多个水密接口，具有优秀的可扩展能力，可以搭载特殊探测作业指定的传感器。例如，搭载水下雷达检测系统，检测坝体的钢筋分布现状，有无断筋、偏移，钢筋保护层有无透空、空鼓的情况。再如，搭载湍流微结构传感器，观测水体流速剪切、快速温度、湍动能耗散率、热耗散率、涡扩散率、热扩散率和温盐深等参量。
当前，水下感知技术研发逐渐向非声探测技术方向发展，助力水下机器人广泛应用于多学科领域，遨游向更深、更远的海域。
阅读更多内容，欢迎订购《机器人产业》杂志。
点击跳转！圈内人都在看的专家观点
热门跟贴