大连海事大学水下机器人探秘千岛湖水下古城《半岛晨报2012年5月7日》

海之魂

      “五一”小长假，一档电视节目把很多人吸引在电视机前——中央电视台千岛湖水下古城探秘大型直播。
       1959年9月21日，新安江截流，库区开始蓄水。此后，两座始于汉唐年间的“贺城”、“狮城”悄然“沉入”千岛湖底。半个世纪之后，2012年4月27日到5月1日，两座千年古城的神秘面纱被大连海事大学研制的水下机器人慢慢揭开……

□记者 张洪骏

采访专家：

许文海
●国家科技支撑课题“海上遇险目标快速接近技术”负责人
●大连海事大学信息科学技术学院教授、光电信息工程研究所所长

安阳
● “海上遇险目标快速接近技术”课题组成员
● “千岛湖水下古城探秘直播”中负责操纵机器人
●大连海事大学信息科学技术学院 2010级研究生

杨帅锋
● “海上遇险目标快速接近技术”课题组成员
● “千岛湖水下古城探秘直播”中负责系统搭建、维护
●大连海事大学信息科学技术学院 2010级研究生

                               水下机器人到底是个啥？

    水下目标高清晰观测和精确定位系统
    大连海事大学研制水下机器人缘于3年前申请的一项国家科技支撑课题——海上遇险目标快速接近技术，大连海事大学是这个课题的承担单位，大连海事大学光电信息工程研究所所长许文海教授则成为这个课题的负责人。
    许文海介绍说，这个课题主要是对水下目标进行高清晰观测和精确定位，“比如水下的沉船沉物，我们要搜寻到它，确定其平面坐标、深度。这样，就能知道它的准确位置，为救助打捞提供技术和信息支撑。 ”许文海说，“现在海底沉船相当多，哪些沉船有打捞价值，现在状态是什么样？派机器人下去一看，就非常清楚了。 ”
    许文海表示，现在随着海洋活动的增加，特别是对海底资源探测的不断需求，水下高清晰观测已经成为我国在这方面的一个主要瓶颈。“在水下考察方面，我国相对于国际来说还比较落后。基于这种状态，我们研制一个水下载体，能够到很深的水下，又能观测得非常清晰，还能做到非常灵活，这在我国的水下活动中将起到重要作用。 ”许文海说，“我们研制的水下机器人，不单单是为了交通运输部救助打捞局的水下沉船沉物打捞任务，对于我们国家在海洋海底事业的发展，比如在油气田等水下能源探测，水下管道铺设观测和事故检测等方面，都会起到巨大作用。 ”
    最开始时，对该项支撑课题提的指标是比较低的。“就是做一个模拟装置，能够在大连近海做一些简单的测试，能实现上述功能就可以了。但是在做的过程中，经过我们课题组多方努力，完成了一套接近于实用的系统。 ”许文海说。

                               水下机器人优势在哪儿？

一、在水面上可以看到水下目标
    央视选择大连海事大学的水下机器人进行千岛湖水下古城探秘直播，缘于中科院沈阳自动化研究所的推荐。许文海说：“在无人水下机器人研制方面，沈阳自动化所在国内非常有名。央视先找到沈阳，沈阳自动化所介绍说，大连海事大学这套系统是他们所了解的、目前国内最好的。央视因此找到我们。 ”“水下机器人是载体，承载着声学图像摄像系统和光学图像摄像系统。光学图像摄像系统有两套，一套是高清晰彩色摄像机，一套是低照度黑白摄像机，再加上声纳相机，形成一个多传感器的信息融合系统。 ”许文海介绍说，“还有另外一套系统，配合声纳，可以确定目标的大概位置。水下机器人从母船上下水，通过可以搜索140米范围的声学相机，下去就能‘看’到目标在什么位置，然后沿着方向快速接近目标。离目标比较近的时候，两套光学成像系统可以同时进行动作，也可以切换工作。这样在母船上，我们就可以看到目标了。 ”
二、即使水浑浊，也能拍得清楚
    最终打动央视的，是大连海事大学水下机器人国内领先的探测能力——水下目标高清晰观测与精确定位系统。“我们的水下机器人，除了系统集成比较出色以外，还有一个主要特点，就是对图像数据进行处理。比如在浑浊的水中拍摄，图像会更加模糊。但是我们的水下机器人经过图像处理，能让图像更清晰一些。 ”许文海介绍说，这项技术在世界上都很罕见，“从国外买的摄像机，只能摄像，想照静止画面就无法保证清晰度。而照相机，往往也不能完成摄像任务。水下机器人载荷有限，而且不管是摄像机还是照相机，一套就是二三十万，把两套都安装到机器人上也比较浪费。而我们自己研制了一套高分辨率相机，分辨率比国外的都高，照相摄像功能可以切换，加上我们的算法，就可以做到高清晰。 ”
    不过，这次完成央视千岛湖直播任务的，还并不是功能最强大的水下机器人。“用的还是买来的摄像机，不过加上了我们的算法，配备降噪仪器，完全可以使摄像机获取的模糊图像更加清晰。这也是央视选择我们的重要原因。 ”许文海说，“机器人下水之后，照的水下古城建筑的石门、牌坊等目标物可以准确地传输上来，并能确定深度、坐标是多少，这对将来再次探摸是非常有价值的。 ”
    许文海说：“实际上我们这次演示的，也就是技术核心是我们这套系统，而不是机器人本身。只是说我们集成好了，具备了实际应用能力。 ”
三、不必担心危险，搜寻范围大
    央视此次水下直播使用了两套系统，一套是雇用潜水员携带摄像机下水，另一套就是大连海事大学的水下机器人。“对于这次探秘来说，潜水员下水和我们机器人差不了多少。潜水员在水太凉、水太深的水域无法工作，但这次是20米到40米的水深，没有问题。 ” 潜水员的一般潜水深度在水下60米，如果在水下70米则需使用氦氧，不仅费用巨大，而且会损害潜水员的身体。许文海说，“我们机器人的工作目标是浅海，因此设计深度是300米，目前下潜100米完全没有问题。实际上，我们的成像系统、定位系统和声呐相机是不受水深限制的，想要深下的话，只要换个载体就行。现在救助打捞领域也实现了饱和潜水200米，但那是极其特殊的，设备非常庞大，而且潜水员需要进行特殊训练。而水下机器人可以轻松完成潜水员无法完成的任务。 ”
    许文海介绍说，如果水下机器人操控得非常好，完全可以替代潜水员。“但是目前来说，机器人的所有操控都做不到和人完全一样。比如潜水员非常灵活，能够把摄像机很近地对着水下目标，甚至离10厘米去照。而水下机器人是由操作员在水面上看着机器人传回来的画面进行控制，就没有那么灵活了。 ”
    不过机器人不怕危险、搜寻范围大的特点也是潜水员所无法具备的。许文海说：“如果某个区域可能有危险，潜水员是不会去的，但是机器人完全没有这方面的顾虑。另外，机器人同时携带有声学系统和光学系统，在水面上就可以同时了解水下情况，做出及时应对，因此能够非常容易发现并定位水下目标。 ”
    此外，水下机器人的工作时间没有限制，“电是母船供给的，操控也是在水面进行。因此理论上说，机器人可以在水下一直工作。此外，机器人的制造成本虽然很高，但是使用成本比潜水员要低。 ”

                             现场：水下机器人让潜水员“下岗”

    4月27日，大连海事大学水下机器人第一次公开亮相。其实早在4月14日，“海上遇险目标快速接近技术”课题组的3名成员安阳、杨帅锋、吴利红就赶赴千岛湖，为水下直播做准备了。
    对于课题组来说，对水下古城观测还是第一次。“此前在大连近海有过水下观测，但湖里和海里还是不一样的。因为刚下过雨，湖里有很多悬浮物体。另外，湖的环境、古城地形对于我们来说也是未知的。 ”负责系统搭建、维护和放缆的杨帅锋说。
    负责操纵机器人的安阳说：“机器人下水之前，央视方面告诉我如何远推近推，掌握镜头角度，发现一个目标后应该怎样观测。水下目标并非已知的，拍摄主要是个寻找的过程，我找到什么，呈现出来的图像就直播出去了。 ”
    虽然在并不熟悉的湖水里工作，水下机器人依旧运行良好。水下探秘直播5天，机器人每天上下午各工作两个小时。“开始时有潜水员和我们多个机位，哪个机位拍摄的画面好，导播就会调整到哪个画面。不过，因为暴雨的影响，湖水的能见度很低，潜水员下去，他们携带的彩色摄像机能见度只有20到30厘米，拍摄的图像特别不清楚。我们的机器人能见度在1米到2米之间，能够比较清楚地呈现画面。 ”杨帅锋说，“所以后来在下午的时候，就完全由水下机器人来进行直播了。 ”
    此外，在寻找目标方面，潜水员也比不上水下机器人。机器人同时使用声学系统和光学系统，搜索范围大，而潜水员只能依靠光学系统。“为了配合潜水员拍摄，机器人下水的时候就在他们的摄像机附近。不过我们机器人的性能和操作比较好，依靠声纳定位，在水下寻找城门，5分钟就找到了。”安阳说。

                             前景：水下机器人将大有用武之地

    对于水下机器人在这次央视直播中的表现，许文海认为相当成功。“我们最大的特点是，用我们自己的算法，把浑浊的水体想办法滤掉，呈现更清晰的图像，这在全世界是比较先进的，也有了一些成果。 ”许文海说，“现在图像处理的速度比较慢，我们把算法固化到电子芯片里，使其满足高速成像的需要。我们摄像机拍摄的图像，从数据线传出来，就已经把水体里浑浊的杂质或噪声去掉，这在全世界还没有人能做到。 ”
    做到了这一步，水下机器人将大有用武之地。“比如在渤海湾，水质很浑浊，不管哪个国家的光学成像系统下水，基本都无法使用。就是人戴着防水镜，睁着眼睛在水下也什么都看不见。渤海湾沉船又比较多，救助打捞人员下水之后就是用手摸，边摸边向水面通报，他摸到什么位置了，大概是船、物的什么部位，水面上根据他所说的了解情况。但是我们通过光学和声学结合，首先能够看到物体形状，然后再把光学系统浑浊的水体去除一些，出来就是高清晰图像，目前别人都做不到这一点。 ”许文海说。

水下机器人数据：

长1000毫米，宽600毫米，高500毫米；重约50公斤；工作水深300米；水下最高速度3节
组成：
水面供电单元、水面控制单元、手动控制单元、监视器和键盘、300米脐带缆、手动绞车、声呐、调度和运输箱
动力：
四个水平推进器，一个垂直推进器，功率2.8千瓦
摄像：
低照度摄像头，装载在可垂直方向180度旋转的云台上
定位：
配备机械扫描声呐、前视声呐还有超短基线定位系统，载体内置罗经、姿态传感器还有深度仪
功能：
完成调查、搜寻、检测、维护多种任务



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来源：大连海事大学 2012-05-07 09:29:03