水下航行器视觉控制技术综述

摘要: 视觉控制是通过视觉信息进行环境和自身状态感知的一种控制方式, 文中将该技术应用于水下航行器控制, 并对不同应用场景下的相关研究进展、难点与趋势进行分析。首先介绍水下航行器视觉控制技术发展现状与任务场景, 主要对水下图像增强、目标识别与位姿估计技术进行介绍, 并从水下视觉动力定位与目标跟踪、水下航行器对接及水下作业任务目标抓取等三个任务场景对水下航行器视觉控制技术发展现状进行总结和分析, 最后梳理了水下航行器视觉控制技术的难点与发展趋势。水下航行器因具备工作时间长、航行范围广、 用途灵活、风险小、维护成本低等特点成为一种可 代替人类在水下复杂环境下完成任务的机器人平 台, 目前可划分为工作水域广泛、自主性高的自主 水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV) 和作业范围较小、精度高的带线缆遥控水下航行 器(Remote Operated Vehicle, ROV), 如图 1 所示。 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, 也可装载机械手在人的远程操作 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]。机械手与 ROV 系统结合成为水下机器人-机械 手系统(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)、移动目标(如海洋生物等)捕获等操 作。图 2 为 Brantner 等 [4] 在斯坦福水池中利用水 下机器人进行水下目标抓取，验证视觉与机械臂 协调控制的场景。传统水下航行器控制主要依赖惯导、压力计 等内部传感器和声学定位系统等外部传感器, 控 制上主要解决深度、航向保持以及航迹跟踪等任 务 [5]。由于声学定位自身的特性, 导致其在控制过 程中存在传输周期长、精度低、近距离感知受限等 缺点, 而通过光学进行视觉定位可用于近距离环 境感知。水下航行器通过视觉可实现近距离精确 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。水下航行器通过地磁或声学从远端 导引抵近目标区域或接近目标, 利用光学信息对 作业区域进行细致地探测, 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。 在水下航行器控制中, 依赖视觉围绕具体目 标、区域进行的控制尤为重要。目前国内外开展 了大量关于视觉在水下航行器控制方面的研究。 文中对近年来视觉在水下航行器控制中的相关理 论、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, 对相关理论与应用方向的难点进行总 结, 同时对水下航行器未来视觉控制的发展方向 进行梳理。