王哲興 李軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400074

0 前言

可以替代人進(jìn)行水下危險(xiǎn)作業(yè)的機(jī)器人被稱(chēng)為水下機(jī)器人[1]。水下機(jī)器人的目標(biāo)探測(cè)與定位技術(shù)旨在通過(guò)不同的傳感器設(shè)備或方法，對(duì)周?chē)沫h(huán)境或目標(biāo)進(jìn)行定位或測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，以此改善機(jī)器人在水下作業(yè)的自主能力，使其能在復(fù)雜多變的水下環(huán)境完成多種任務(wù)，其中，水深、水位和水下地形是重要監(jiān)測(cè)要素。當(dāng)前的主流探測(cè)手段包括常規(guī)海洋浮標(biāo)、河道水尺等，以及壓力式、浮子式、微波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)水位計(jì)等各類(lèi)固定站點(diǎn)的深度探測(cè)方式，此外，還包括以船載平臺(tái)為基礎(chǔ)的主動(dòng)型聲波探測(cè)，以星載平臺(tái)為基礎(chǔ)的被動(dòng)型區(qū)域探測(cè)[2]。對(duì)于區(qū)域性探測(cè)，聲波探測(cè)[3]（尤其是超聲波雷達(dá)系統(tǒng)）是應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量技術(shù)，而在較淺的水域（一般指因?yàn)榱魉佥^低或水面相對(duì)狹隘而導(dǎo)致安裝了探測(cè)儀器的船只無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域）測(cè)深應(yīng)用難度較大。光學(xué)雷達(dá)容易被水體的透明度和海-氣或河-氣的不同介質(zhì)的復(fù)雜光學(xué)環(huán)境影響，微波雷達(dá)則易被諸如海流流速、水流流速、風(fēng)速等環(huán)境因素影響，探測(cè)應(yīng)用在很大程度上受到了約束。此外，在規(guī)模較大、分辨率較低的情況下，當(dāng)前的星載遙感測(cè)試結(jié)果仍然難以達(dá)到探測(cè)應(yīng)用工作的標(biāo)準(zhǔn)。因此，用于水下作業(yè)的機(jī)器人開(kāi)發(fā)與探測(cè)技術(shù)的研究是很有必要的。

1 水下探測(cè)裝置分類(lèi)

依照水下機(jī)器人的探測(cè)技術(shù)和裝置的不同，可將主流的水下探測(cè)元件分為：激光雷達(dá)傳感器、聲波傳感器、雙目視覺(jué)攝像頭、聲納傳感器、毫米波雷達(dá)傳感器、紅外線測(cè)距傳感器以及其他測(cè)距元件。這些不同的裝置或探測(cè)方法由于探測(cè)原理不同，其探測(cè)的效果、完備性也各不相同。按照不同的使用環(huán)境與條件，需要選擇不同裝置的機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)，用以取得最為良好的完備性、準(zhǔn)確性、精確性，是廣大學(xué)者共同追求的目標(biāo)。

依照水下機(jī)器人在探測(cè)過(guò)程中裝置使用方式的主動(dòng)性與被動(dòng)性，可以分為主動(dòng)測(cè)距與被動(dòng)測(cè)距。向探測(cè)對(duì)象發(fā)送電磁波，再接受由其反射回來(lái)的電磁波信號(hào)的傳感器稱(chēng)為主動(dòng)式傳感器[4]；只能被動(dòng)接受來(lái)自地面目標(biāo)發(fā)射的來(lái)自太陽(yáng)的能源或是探測(cè)目標(biāo)自身散發(fā)的電磁波能量信號(hào)的傳感器被稱(chēng)為被動(dòng)式傳感器。能夠接收從地面或被測(cè)目標(biāo)散發(fā)出來(lái)的電磁輻射的元件是探測(cè)器，也是傳感器的重要組成部分，其主要功能是測(cè)量和記錄所接收到的輻射信號(hào)。典型的探測(cè)器是雙目立體視覺(jué)攝像機(jī)和單矢量水聽(tīng)器[5]。本文綜合相關(guān)文獻(xiàn)，從超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、雙目立體視覺(jué)攝像頭這幾個(gè)目前被廣泛運(yùn)用的主流工具的結(jié)構(gòu)與原理出發(fā)，介紹不同的水下目標(biāo)探測(cè)與定位技術(shù)的研究進(jìn)展，列舉它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并且嘗試對(duì)未來(lái)的發(fā)展方向與面臨的挑戰(zhàn)提出具體分析與展望。

2 典型的水下探測(cè)傳感器

2.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)即Lidar，其中“Li”代表“l(fā)ight”，“dar”代表“detection and ranging”，意為以光來(lái)探測(cè)和度量。激光雷達(dá)又被稱(chēng)為激光成像探測(cè)或測(cè)距，是一種通過(guò)發(fā)射激光，然后測(cè)量發(fā)出信號(hào)到接收信號(hào)所消耗的時(shí)間以及接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算被探測(cè)目標(biāo)的距離、方位以及世界坐標(biāo)等數(shù)據(jù)的雷達(dá)系統(tǒng)。其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在頻率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，準(zhǔn)確率高等方面[5]。其基本原理如圖1所示，測(cè)距儀釋放出激光，同時(shí)計(jì)時(shí)電路開(kāi)始計(jì)時(shí)，激光從被測(cè)對(duì)象反射回來(lái)后再被測(cè)距儀接收，計(jì)時(shí)電路關(guān)閉完成計(jì)時(shí)，進(jìn)行信號(hào)處理，得到信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出探測(cè)距離。

時(shí)域信號(hào)是指以時(shí)間為變量來(lái)描繪出信號(hào)的波形，類(lèi)似于距離選通方法、相位測(cè)距方法等以時(shí)域信號(hào)特征為基礎(chǔ)的測(cè)距方式，從二十世紀(jì)的中后期開(kāi)始就在水下激光探測(cè)領(lǐng)域中層出不窮。以非時(shí)域探測(cè)為基礎(chǔ)的探測(cè)方法則以干涉測(cè)距、三角測(cè)距、光子計(jì)數(shù)等方法最具有代表性。為了保證測(cè)量精度，諸如相位測(cè)距和距離選通的測(cè)距方法，均以開(kāi)發(fā)出包含不同控制精準(zhǔn)度的時(shí)域門(mén)寬度，或者長(zhǎng)度不同的測(cè)量標(biāo)尺的方法來(lái)改變信號(hào)的幅度、強(qiáng)度，為準(zhǔn)確檢測(cè)物體的速度、距離、坐標(biāo)等參數(shù)提供技術(shù)支撐。例如，距離選通方法所含有的時(shí)域門(mén)控制的寬度是不會(huì)改變的，所以此方法在對(duì)應(yīng)的時(shí)域范圍內(nèi)的對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)的精度非常高，若被測(cè)對(duì)象超過(guò)此范圍，則會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差；相位式測(cè)量方法則要求更為嚴(yán)格，既要求時(shí)域信號(hào)的循環(huán)周期和相位分割為固定值，又得滿(mǎn)足門(mén)控范圍中的信號(hào)必須是最值且具有唯一性。因此能得到以時(shí)域信號(hào)特性為基礎(chǔ)的探測(cè)方式，其探測(cè)的范圍和精度難以達(dá)到實(shí)操要求的結(jié)論[6]。

在以非時(shí)域信號(hào)特征為基礎(chǔ)的探測(cè)方式里，最有特征性的是干涉法測(cè)距。該方法基于光強(qiáng)的周期變化的原理來(lái)達(dá)到測(cè)距目的。在實(shí)踐中，干涉法探測(cè)的縱軸探測(cè)準(zhǔn)確度可以精確到微米。該方法主要應(yīng)用于探測(cè)相同水平位置上不同物體之間的間距，不過(guò)缺陷是無(wú)法表出被測(cè)對(duì)象的全部空間坐標(biāo)。針對(duì)此缺陷，可通過(guò)調(diào)整連續(xù)波的頻率來(lái)進(jìn)行改善，再以相關(guān)檢測(cè)來(lái)掃頻后向的散射光，以此確定目標(biāo)的距離信息，不過(guò)此種方式的探測(cè)精度容易受到散斑噪音的影響，又因?yàn)樯咴肼暫皖l率之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)，因此，該方法對(duì)于弱信號(hào)的探測(cè)精準(zhǔn)度是較低的。如文獻(xiàn)[7]介紹的水下三點(diǎn)式激光探測(cè)方法，該方法在8 m的測(cè)距區(qū)域內(nèi)可以滿(mǎn)足小于15 cm的平均探測(cè)誤差的精度。此探測(cè)方法是通過(guò)3個(gè)探測(cè)元件一同對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量來(lái)獲取位置信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的三維探測(cè)。然而，這種探測(cè)方式會(huì)因?yàn)橥叫赃€有俯仰角的改變等原因?qū)е鲁霈F(xiàn)探測(cè)誤差。若需要檢測(cè)強(qiáng)度較低的微弱信號(hào)，可以使用光子計(jì)數(shù)的探測(cè)方法來(lái)檢測(cè)探測(cè)帶寬中信號(hào)里的光子數(shù)量，測(cè)得目標(biāo)距離。但通過(guò)微弱信號(hào)探測(cè)，可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)的情況，主要原因可能是因?yàn)楣庾訑?shù)量小于散射的光子數(shù)量。

針對(duì)上述情況，YU Y等學(xué)者[8]以控制單次光子數(shù)量和改變頻帶寬度的方式來(lái)改善探測(cè)的準(zhǔn)確度。雖然該探測(cè)方式能以時(shí)頻域互相轉(zhuǎn)換的方法達(dá)到高精度目標(biāo)探測(cè)的目的，但是，由于時(shí)頻信號(hào)自身的分散狀態(tài)和數(shù)量的差異，致使使用任意探測(cè)方式都難以實(shí)現(xiàn)時(shí)頻信號(hào)間匹配的精確。

針對(duì)匹配時(shí)頻信號(hào)的問(wèn)題以及信號(hào)過(guò)弱所產(chǎn)生的定距精度的不確定性問(wèn)題，劉欣宇等學(xué)者[6]給出了利用小波變換理論和數(shù)學(xué)理念相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)頻信息能量互相對(duì)應(yīng)的探測(cè)方法?；跁r(shí)域、頻譜區(qū)域中信息的能量相互一致的特征以及頻域的帶通濾波特征，用二元樣條插值的方法來(lái)表達(dá)信息的時(shí)頻對(duì)應(yīng)特性。為了提高對(duì)目標(biāo)對(duì)象的精確測(cè)量能力，可通過(guò)對(duì)時(shí)域映射分析信號(hào)的多點(diǎn)近似逼近和對(duì)頻譜進(jìn)行分析的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的時(shí)頻分辨率升高，然后使用記錄所有時(shí)域信號(hào)的幅值區(qū)域和區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的頻率之能量最值來(lái)獲取與被測(cè)對(duì)象的距離數(shù)據(jù)。此方式可以對(duì)所有時(shí)域分析信息實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜區(qū)域的有效獲取和精確分割，從而提高時(shí)域分析信息的可識(shí)別性和與有效數(shù)據(jù)的時(shí)頻對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了提高實(shí)時(shí)測(cè)距信息精度準(zhǔn)確性的目的。

2.2 聲波雷達(dá)傳感器

超聲波傳感器的物理特征和一般激光光束或反射波不同，它是一類(lèi)頻率大于20 kHz的彈性機(jī)械波，并且能夠在氣體、液體和固體中傳輸。此傳感器的基本探測(cè)方式是由傳感器的發(fā)送裝置發(fā)送出特定頻率的超聲波，經(jīng)由空氣、液體等介質(zhì)的傳遞，在抵達(dá)檢測(cè)對(duì)象或障礙后反彈而回，然后再由接收器接收反彈回的信號(hào)脈沖。其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)元件，不怕電磁干擾以及酸等強(qiáng)烈腐蝕性液體，且穩(wěn)定性較強(qiáng)。利用超聲波傳感器在空氣中的最大傳播速度取值C=340 m/s，然后通過(guò)記錄所消耗的時(shí)間T，算出發(fā)射點(diǎn)距目標(biāo)以及障礙物之間的間距L，其基本原理圖如圖2所示。

超聲波探測(cè)的主流方式包含相位檢測(cè)法、波幅檢測(cè)法以及渡越時(shí)間檢測(cè)法等[9]。波幅檢測(cè)法探測(cè)方式的計(jì)算精度有一定誤差，原因是超聲波在媒介中傳遞時(shí)容易被反射波的干擾給影響；相位檢測(cè)法有可觀的探測(cè)準(zhǔn)度，不足之處是其測(cè)量范圍受限，所以實(shí)踐過(guò)程中通常通過(guò)渡越時(shí)間檢測(cè)法來(lái)探測(cè)，其主要探測(cè)方法是記錄由聲波發(fā)射元件發(fā)射出超聲波再返回被接收元件所消耗的時(shí)間，稱(chēng)為渡越時(shí)間（transit-time，T/T）。在實(shí)際測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，多數(shù)通過(guò)異地脈沖反射的方法來(lái)探測(cè)與被測(cè)物體的距離，其中聲波傳遞距離的一半即為測(cè)距結(jié)果。與陸地測(cè)距不同，在水下的測(cè)量環(huán)境非常復(fù)雜且變數(shù)頗多，只能通過(guò)強(qiáng)化改良陸地測(cè)距的方法解決更多的困難，從而落實(shí)地形測(cè)繪和基礎(chǔ)測(cè)距。檢驗(yàn)表明，通過(guò)調(diào)低功率、調(diào)高頻率方式進(jìn)行超聲波測(cè)距是水下探測(cè)中較為實(shí)用的方式[10]。

對(duì)研發(fā)技術(shù)相對(duì)較成熟的國(guó)外科技而言，水下聲波測(cè)距設(shè)備的開(kāi)發(fā)較先進(jìn)，例如美國(guó)的SeaBat8127多波束測(cè)量?jī)x，最高作業(yè)深度可達(dá)1.5 km，該產(chǎn)品往往用于巨型水下工程或古文明文物鑒定，不適合小型水下測(cè)距[11]。

WAN D Z[12]成功研發(fā)了一款低投入的超聲波水下測(cè)距機(jī)組，并能安放于水下機(jī)器人之中，放置其在水域中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，所得的數(shù)據(jù)與人工實(shí)際測(cè)量值完美匹配，符合測(cè)距要求。

方賀[13]提出了一種基于超聲波傳感器的水下測(cè)距系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部不但包含高智能的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，還滿(mǎn)足多重的測(cè)距要求。其中，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)可以自主遞交錯(cuò)誤信息，減少相關(guān)工作人員的處理數(shù)據(jù)時(shí)間；而遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以將郵箱進(jìn)行自動(dòng)連接，系統(tǒng)獲取大量數(shù)據(jù)的同時(shí)還傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器內(nèi)部。在環(huán)境惡劣的兩極地區(qū)，可以減少工作人員的戶(hù)外研究時(shí)間，保障人員安全。

由于聲視覺(jué)系統(tǒng)存在檢測(cè)盲區(qū)、噪聲過(guò)大、分辨率低、準(zhǔn)確度差等缺點(diǎn)，也因此有著最小測(cè)量距離的限制。文獻(xiàn)[14]研究調(diào)查了一種通過(guò)光學(xué)視野與測(cè)量聲波的水下探究方法。該方法通過(guò)攝影成像的特征，對(duì)攝影機(jī)與測(cè)距聲波裝置的幾何關(guān)系提出新的算法——水下目標(biāo)定位方法。該方法通過(guò)對(duì)定位的水下目標(biāo)設(shè)計(jì)算法，再對(duì)水里監(jiān)測(cè)采集的圖像中的對(duì)象進(jìn)行位置檢驗(yàn)和分析誤差，實(shí)際證明，該定位系統(tǒng)具有較好的定位和探測(cè)精度，并且達(dá)到水下作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 雙目視覺(jué)攝像頭傳感器

雙目視覺(jué)攝像頭的基本原理如圖3所示。通過(guò)左右兩個(gè)電荷耦合器（CCD）攝像機(jī)同時(shí)在兩個(gè)位置對(duì)目標(biāo)進(jìn)行圖像采集，目標(biāo)位置將在兩個(gè)成像平面內(nèi)生成坐標(biāo)，而兩者之間的差異就是視覺(jué)差。通過(guò)計(jì)算出視覺(jué)差，便可以基于相似三角形的基本定理來(lái)得到被測(cè)對(duì)象所在位置在世界坐標(biāo)系中的實(shí)際坐標(biāo)。在得到目標(biāo)的立體坐標(biāo)后，AUV和引導(dǎo)目標(biāo)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)可以基于以下公式計(jì)算，即：

其中，xl、xr——被測(cè)對(duì)象在兩邊成像面上的橫軸坐標(biāo)；

T——兩攝像頭的基線之長(zhǎng)；

f——攝像頭的焦距；

Z——基于此公式能計(jì)算得到對(duì)象與相機(jī)之間的距離。

水下雙目視覺(jué)的距離測(cè)量與空氣中距離測(cè)量不同，由于液體存在折射作用，入射光線在被攝入于封閉的防水罩中的雙目相機(jī)之前會(huì)改變傳播的方向，所以空氣中的視覺(jué)成像模型不能直接運(yùn)用于水下。文獻(xiàn)[15]提出了一種精確的水下雙目立體測(cè)量系統(tǒng)，先是基于非近似物理水下成像模型與Tsai的標(biāo)定方法，為了獲取外部參數(shù)對(duì)系統(tǒng)提前進(jìn)行標(biāo)定（因?yàn)閮?nèi)部參數(shù)可在空氣中預(yù)先矯正）；然后在已經(jīng)標(biāo)定的攝像機(jī)參數(shù)之后，提出一種可以將水下圖像轉(zhuǎn)化為空氣中圖像的矯正方法，即可以利用外極約束直接搜索匹配點(diǎn)。

由于水下條件復(fù)雜，存在各種雜物、浮游生物和微小顆粒，傳統(tǒng)的水下雙目視覺(jué)定位受此影響會(huì)導(dǎo)致畫(huà)面不清晰、探測(cè)精度低。朱志鵬等學(xué)者[16]闡述了一種通過(guò)雙目視覺(jué)的水下引導(dǎo)光源的檢測(cè)方法。該方法包括水下攝像機(jī)標(biāo)定、初始成像降噪、目標(biāo)光源探測(cè)、位置數(shù)據(jù)計(jì)算等幾個(gè)關(guān)鍵流程。在初始成像降噪環(huán)節(jié)，首先，通過(guò)引入拉普拉斯算子為均值降噪算法改進(jìn)，同時(shí)增強(qiáng)成像強(qiáng)調(diào)光源；隨后，以二極化的自適應(yīng)閾值對(duì)像素進(jìn)行二極化，實(shí)現(xiàn)將目標(biāo)光源與背景分割，從而測(cè)量并匹配兩邊圖像的平面光源；最后，采用雙目定位原理，利用所測(cè)量到的光源數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算相對(duì)定位。朱志鵬等學(xué)者根據(jù)水下環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的均值降噪方式做出了改良，突出了引導(dǎo)光源的數(shù)據(jù)，將循環(huán)判斷條件設(shè)為連通域，能自動(dòng)得到高質(zhì)量成像的二極化閾值，基于加權(quán)質(zhì)心檢驗(yàn)來(lái)獲得準(zhǔn)確光源中心，再加以實(shí)驗(yàn)證明該方法能達(dá)到水下對(duì)接準(zhǔn)度標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化了探測(cè)的實(shí)時(shí)性[16]。

針對(duì)圖像增強(qiáng)，郭雨青等學(xué)者[17]介紹了一種水中成像加強(qiáng)的算法。該算法是以ULAP高速高效的水下圖像場(chǎng)景深度估計(jì)模型為基礎(chǔ)，并且根據(jù)其學(xué)習(xí)訓(xùn)練得出的模型系數(shù)得到正確的深度圖，估計(jì)背景光和透射圖，以恢復(fù)水下的真實(shí)場(chǎng)景輻射；針對(duì)復(fù)原圖像對(duì)比度差的問(wèn)題，郭雨青等學(xué)者還通過(guò)CLAHE算法將成像進(jìn)行了對(duì)比度優(yōu)化，使得圖像更加清晰，達(dá)到了水下圖像增強(qiáng)的目的；最后通過(guò)YOLOv4方法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。由實(shí)驗(yàn)可知，此文獻(xiàn)提出的增強(qiáng)方式可以較好地實(shí)現(xiàn)水下彩色圖像的目標(biāo)識(shí)別任務(wù)，比對(duì)其原圖進(jìn)行識(shí)別的平均精度提高了33%，可以運(yùn)用到水下自主機(jī)器人上進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，為進(jìn)一步研發(fā)水下自主機(jī)器人視覺(jué)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

另外，在計(jì)算坐標(biāo)間距時(shí)，雙目視覺(jué)定位要對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行解算，而水下圖像質(zhì)量低，數(shù)據(jù)量小，特征點(diǎn)的提取存在難度，匹配精度較低，實(shí)現(xiàn)有效測(cè)距有一定困難，所以探測(cè)的一個(gè)重要步驟是得到特征點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)難點(diǎn)，盛明偉等學(xué)者[18]介紹了通過(guò)改進(jìn)SIFT特征匹配算法，發(fā)展了一種水下雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。其為了改進(jìn)水下雙目視覺(jué)探測(cè)的準(zhǔn)度、速率和穩(wěn)定程度等，開(kāi)發(fā)了對(duì)圖像的預(yù)處理、SIFT特征點(diǎn)匹配解算等新技術(shù)。由于傳統(tǒng)成像的直方圖均衡性結(jié)果中存在過(guò)于明亮和過(guò)于暗沉的現(xiàn)象或者過(guò)于增強(qiáng)的特征，研究者們提出了一種融入OTSU閾值解算方法的直方圖均衡化方法的改進(jìn)方案；此外，還介紹了一種通過(guò)融合稀疏匹配搜尋算法來(lái)進(jìn)行改善的SIFT特征對(duì)應(yīng)程序，匹配對(duì)應(yīng)左右視覺(jué)的圖像特征，并通過(guò)區(qū)域生長(zhǎng)計(jì)算，可以分別得到水下標(biāo)定板和機(jī)械手臂上的偽彩色視差圖像，再?gòu)囊暡顖D像中獲取探測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的位置距離參數(shù)，達(dá)到了提升測(cè)距與定位精度的目的[18]。

2.4 設(shè)備比較

對(duì)于上文所提及到的設(shè)備，根據(jù)測(cè)距與定位時(shí)的各類(lèi)環(huán)境需求，不同裝置所呈現(xiàn)的特點(diǎn)各異，如表1所示。其中，激光雷達(dá)擁有高精確度，測(cè)距時(shí)可精確到厘米，并具有高數(shù)據(jù)率，可增強(qiáng)測(cè)距的實(shí)時(shí)性，在水下的測(cè)距和目標(biāo)識(shí)別不受溫度與光線的影響，但缺點(diǎn)是如果水下有揚(yáng)塵或水質(zhì)不佳，則會(huì)引起反射，產(chǎn)生誤報(bào)，或者在水下信號(hào)遇到反射差的障礙物，則可能只會(huì)反射回來(lái)部分信號(hào)能量，降低檢測(cè)的可靠性。適用于平靜的淺水地區(qū)，如軍事領(lǐng)域，在水下可快速部署機(jī)載激光掃描系統(tǒng)，探測(cè)、定位和跟蹤水下或水面物體，并能識(shí)別大型目標(biāo)。

表1 不同設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)比

雙目立體視覺(jué)則不會(huì)有信號(hào)強(qiáng)弱或者識(shí)別率的限制，直接利用視差來(lái)計(jì)算距離，可視化程度高。但雙目立體視覺(jué)也很依賴(lài)于設(shè)備本身與環(huán)境條件，低分辨率相機(jī)拍攝遠(yuǎn)距離圖像會(huì)模糊，低光照環(huán)境圖像質(zhì)量差，測(cè)距精度會(huì)下降。適用于光照條件好的淺水地區(qū)，可應(yīng)用于水下目標(biāo)的監(jiān)控、水下軍事設(shè)施的探測(cè)和偵察。

聲波傳感器則在黑暗的環(huán)境下也能有很好的探測(cè)性能，其頻率高，波長(zhǎng)短，對(duì)液體與固體的穿透能力都很強(qiáng)，因此在很多短距離的工作條件下有很好的探測(cè)與定位效率。而其劣勢(shì)是抗干擾能力弱，傳感器的輸出很容易因?yàn)槿我饴晫W(xué)噪聲的干擾而受到影響，過(guò)近的、運(yùn)行頻率相同的聲波傳感裝置會(huì)出現(xiàn)聲學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象，同時(shí)也易受到煙霧、灰塵的干擾。其應(yīng)用主要為水下監(jiān)視，用于對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、分類(lèi)、定位和跟蹤。

3 總結(jié)與展望

本文對(duì)水下機(jī)器人探測(cè)與定位方法進(jìn)行了探究，按照其使用裝置與設(shè)備對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行大致分類(lèi)，并進(jìn)一步簡(jiǎn)要闡述了測(cè)距設(shè)備的基本原理、特征和改善方式。對(duì)于不同環(huán)境所需求的水下機(jī)器人，其探測(cè)原理與特點(diǎn)有所區(qū)別，進(jìn)而讓不同設(shè)備在不同算法和環(huán)境條件下有多樣的使用方法。如在光照情況良好的清晰水面下可以采用雙目立體攝像頭傳感器，發(fā)揮對(duì)障礙物檢測(cè)和辨識(shí)以及成像測(cè)距的優(yōu)勢(shì)，也可以利用激光雷達(dá)傳感器在清澈的水下和非常溫環(huán)境進(jìn)行高精度遠(yuǎn)距離探測(cè)與作業(yè)，而聲波傳感器則不懼電磁干擾與強(qiáng)腐蝕液體，可在無(wú)光的條件下穿透液、固體進(jìn)行探測(cè)。

現(xiàn)有的水下作業(yè)機(jī)器人或探測(cè)技術(shù)已經(jīng)有了大量的發(fā)明與研究改進(jìn)，不同的裝置在其對(duì)應(yīng)環(huán)境的探測(cè)工作中具有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于更為復(fù)雜環(huán)境下的探測(cè)，例如動(dòng)態(tài)環(huán)境下的定位與測(cè)距，或是在黑暗、充滿(mǎn)噪聲的揚(yáng)塵水下環(huán)境，則上述傳感器都難以發(fā)揮作用，因此，通過(guò)促成多種傳感器融合，在高維、動(dòng)態(tài)、復(fù)雜以及多變的環(huán)境中進(jìn)行水下探測(cè)的研究，將成為水下機(jī)器人探測(cè)研究的主流方向。