【学术论文】水下航行器视觉控制技术综述

图 1 常见的水下航行器

AUV采用流线外形, 以巡航方式独立工作, 自身携带能源, 可完成海底地形测绘、负载投送等非接触任务^[1-2]。ROV由母船通过电缆提供动力并进行遥控作业, 可携带摄像机等多种测量仪器完成近距离观察, 也可装载机械臂在远程操作下执行抓取等水下作业任务, 例如瑞典使用ROV对北溪二号管道爆炸现场进行探查^[3]。

机械臂与ROV系统结合成水下航行器机械臂系统(undersea vehicle manipulator system, UVMS), 其执行任务范围得到拓展, 可进行如失事飞机黑盒子的搜索与打捞、水下考古、水下设备操作(如阀门开关、线缆插拔等)、水下装配、设备清洗和维修(如焊接等)以及移动目标(如海洋生物等)捕获等操作。图2为Brantner等^[4]在斯坦福大学水池中利用Ocean One进行水下目标抓取, 用于验证视觉与机械臂协调控制的场景。

图 2 视觉与机械臂抓取协调控制试验场景

传统水下航行器控制主要依赖惯性导航系统、压力计等内部传感器和声学定位系统等外部传感器, 解决深度、航向保持以及航迹跟踪等任务^[5]。由于惯性导航系统存在累积误差、声学定位传输周期长、精度低且近距离感知受限, 水下航行器通过视觉信息定位可实现近距离精确导引控制, 在水下任务场景中有着重要作用^[6]。

面对局部范围抵近探测或对实例目标进行操作任务时, 视觉控制在任务准确完成过程中扮演着重要角色。水下航行器通过惯性导航或声学导航从远端导引抵近目标区域或接近目标, 利用光学信息对作业区域进行细致探测, 并对水下环境进行分析, 增强对环境的感知, 实现对区域内目标的感知捕获是其完成任务的重要方式之一。

目前国内外开展了大量水下航行器视觉控制方面的研究。文中对近年来水下航行器视觉控制的相关理论和应用方向，如水下图像增强、目标识别与位姿估计^[7]、视觉动力定位与目标跟踪、水下航行器对接、水下作业任务目标抓取等的发展现状进行阐述, 最后, 对其难点进行总结, 同时梳理了未来水下航行器视觉控制的发展方向。

视觉信息作为水下航行器感知环境的主要信息来源, 近年来受到了国内外学者的关注。文中以水下视觉感知为基础, 重点对水下航行器控制中的理论技术与应用领域进行总结与阐述, 分析了当前基于视觉的水下航行器控制领域的难点与问题, 最后以任务需求、技术发展为指向, 对未来该领域的发展方向与趋势进行了分析。未来随着水下作业任务日益复杂化、智能化水平越来越高, 水下航行器视觉控制将发挥更为重要的作用。