基于视觉的水下机器人自主巡航技术.pdf
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1、-99-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期三星推荐水下机器人已有近 70 年的历史,目前广泛应用于水下作业、水下探测和水下科研等领域。目前,为在海水的特殊环境条件下实现自主水下机器人(AUV)的探测与作业工作,水下机器人自主巡航技术成为了海洋科学研究领域的一个热点问题。随着人类对海洋资源的需求不断增加,水下机器人在海洋工程和海洋资源开发等领域中的应用技术不断被人们关注和研究。国内外有很多学者研发了用于水下勘探的无人水下机器人,全球首台 AUV 诞生于美国华盛顿大学。近几十年来,由于高新技术的迅猛
2、发展以及军事和海洋领域的迫切需求,一些发达国家开始高度重视无人水下自主机器人的开发。为此,这些国家成立了与之相应的科研机构,并研制出许多成熟的无人水下自主机器人产品,如美国的 ABE、英国的Autosub、加拿大的 Theseus 等。在国内,水下机器人的研究起步较晚,中国科学院沈阳自动化研究所从 1995 年开始研究水下机器人,成为我国最早从事此类研究的单位之一。21 世纪,海洋成为世界关注的焦点,联合国在 2001 年提出“21 世纪是海洋的世纪”,各国积极将发展海洋经济、保护海洋环境和维护自身海洋权益等方面作为本国发展战略的重要内容。为顺应世界潮流,党中央、国务院提出“逐步把我国建设成为
3、海洋经济强国”的宏伟目标。近几年国家要求加快建设海洋强国,经过多年的发展和实践应用,我国的水下机器人制造技术和应用水平已经取得显著的提高。目前,根据传感设备的不同,水下环境感知技术分为水下声学环境感知技术和水下视觉环境感知技术。水下声学环境感知技术可以利用声波在传播过程中碰到物体会发生反射的特性,在水中通过声呐技术感知大范围的环境信息,经过不同的算法处理,进而绘制出位于水下机器人四周的地形样貌。但由于在水下复杂环境中,声波的回波会受到环境、混响噪声等因素的影响,造成获得的声呐图像分辨率低、噪点过多和边缘细节缺失严重等问题,水下声学环境感知技术无法通过声波清晰地绘制出水下机器人四周的环境,同时水
4、下机器人作业主要依靠近距离环境信息,因此水下视觉环境感知技术能够提供更为准确的图像信息和对水生物较低的影响,可以检测到水下水质颜色、水下地面形状等细节特征。因此,基于视觉的自主巡航技术备受关注,其主要优势在于水下视觉环境感知技术具有低成本、低影响、高精度、高效率等特点,各国学者也纷纷开展基于视觉的水下机器人自主巡航技术研究,并在此领域取得了显著的成果。有理由认为,水下机器人自主巡航技术将在海洋科学领域占据重要地位。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度基于视觉的水下机器人自主巡航技术吴学钏 洪德转 周宇波 崔昕辉 郭佳畅吴学钏 洪德转 周宇波 崔昕辉 郭佳
5、畅绍兴文理学院机械与电气工程学院吴学钏(2001),浙江温州,绍兴文理学院机械电子工程专业在读学生。基金项目:2022 年国家级大学生创新创业训练计划项目“基于 OpenCV 视觉识别的水下机器人”(编号:202210349016)。中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-100-三星推荐本文的研究目的在于系统地综述基于视觉识别的水下机器人自主巡航技术的研究现状和发展趋势,探讨基于视觉的自主巡航技术的特点和优势,介绍视觉定位和路径规划的方法和算法,以及视觉目标检测和跟踪的技术。水下机器人自主巡航技术
6、水下机器人的分类和特点水下机器人按照其专业应用领域可分为科考型、军事型和民用型。科考型水下机器人主要用于深海科学研究、地质勘探等方面,军事型水下机器人主要用于水下侦察、搜救等方面,民用型水下机器人主要用于水下工程勘察、维修等方面。水下机器人按其外形特征和运动方式可分为蛇形、鱼形、水母型、框架型、滑翔型和球形等。蛇形机器人电机数量最多,因此这种结构的成本较高,维护过程更为复杂;鱼形机器人通过电子设备、控制设备和各模块化模型之间的配合,模拟鱼的骨骼结构和运动形式进行移动,其形状和运动形式与鱼类高度相似,因而运动效率高;水母型机器人通过外部变形实现机器人的运动,与传统的螺旋桨等刚性部件相比,水母型机
7、器人因其多结构模型设计、柔性材料的特点,利用腔体实现吸水和排水运动或采用外伞结构进行上下摆动运动,其运动形式可以呈现出柔性的特征,能够通过更加复杂的水下环境,但行驶速度较慢,还无法达到实际的水生生物运动速度;框架型机器人使用最广泛形式是框架式结构,它结构简单,可以在内部集成各种驱动和执行设备,实现各种功能,但与仿生机器人相比其体积大,运动阻力大,灵活性差;滑翔型机器人没有主动式推进器和螺旋桨,其通过净浮力和姿态角的调整获得推进力,从而实现推动自身前进,能源消耗极低,可以完成长时间或深度的水下运动,但整体体积和质量太大限制其在复杂的水下环境中的观测工作;球形机器人具有很强的整体性,驱动结构主要使
8、用单螺旋桨或喷水装置,其运动灵活性差。水下机器人路径规划技术图搜索法Lozano 等人提出可视图法,即将水下环境建模成一个二维平面,将机器人和障碍物看作点,通过对可视区域进行划分,建立起一张路线图。该算法的实现方法是将所有可行的移动路径连接起来并判断其中是否存在障碍物,从而得到完整的路线图。然后,根据机器人的起始位置和目标位置在路线图上进行搜索,通过某种算法得到最优路径。可视图法的优点是计算速度快、运行效率高,但当障碍物较多时灵活度不高,不适用于三维空间。乌克兰数学家 Georgy Voronoi 在 1908 年首次提出 Voronoi 图法,通过将水下环境分割成多个多边形区域,机器人和障碍
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