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水下机器人装“三维眼” 精度可达毫米级

行业上下游中国仪表网2014年03月18日 14:00人气:4617

  中国仪表网讯    水下机器人广泛应用于海洋石油、渔业、海上救助等各个海洋领域,给水下机器人装上能高精度三维实时监测分析的“眼睛”,让水下世界三维呈现。这是海大一位42岁教授所带领团队研发出的科技项。他们如何给水下机器人安上会探测的“三维眼”?技术又是怎样让水下世界高清晰三维成像的?
  
  它眼神好,能看清舰船上毫米级裂缝
  
  海底世界一片漆黑,却充满未知的奇妙。丰富的海洋资源也成为了各国争先开发的焦点。不管海洋资源多么丰富,不管海底世界多么奇妙,都要有“眼睛”去探索发现它。水下机器人代替人类潜入水下,一探海底究竟。岛城的科研团队研发出的项目,可以让水下机器人变身“火眼金睛”,让水下世界三维成像,清晰度达到毫米级。
  
  “高精度水下三维重建是最重要的水下探测技术。”中国海洋大学信息科学与工程学院计算机系主任、教授董军宇说,他所负责的科研团队研发出的“水下高精度三维实时检测分析系统”能够实现对水下世界的三维成像和分析,能广泛应用于军事、海洋工程、海水养殖等方面。
  
  董军宇介绍到,他们的技术的先进性在于两个地方,一是达到毫米级的高精度,二是三维成像。“海洋石油领域上,深入海底的桩柱、管线等很容易腐蚀,用上我们的技术可以看清毫米级的裂缝。”通过给水下机器人安装他们研发的系统设备,水下机器人经过一系列的操作和分析,能看清毫米级的裂缝等,对桩柱、管线等水下结构物的表面缺陷、腐蚀状况检测分析,以确保安全生产及降低成本。“军舰上有个裂缝的话是很可怕的事情,用上这个“三维眼”,能清晰呈现出潜在危险;还可广泛用于港口码头、舰船外壳等表面的水下高精度视觉检查、以排除炸弹及其他潜在威胁,在军事及反恐领域具有重要的作用。”
  
  它本领多,能观察海参鲍鱼生活情况
  
  用上这个技术是怎样让海底世界呈现三维立体图像的?董军宇详细解释了工作原理和流程。“我以海水养殖的项目为例,解释一下工作流程。”他说,通过技术探测,能够为海参、鲍鱼等高附加值海水养殖提供生存环境等详细信息。
  
  先为水下机器人装上董军宇团队所研发的技术设备,然后让水下机器人下水探测。先通过声呐技术远距离探测出海参等的生存环境,熟悉海底环境的大致状况。随着距离的不断靠近,在合适的距离时机器人会打开灯光,设备的摄像头会拍摄到环境的大体情况,再次形成一个状况的分析。随着再次靠近,到达一定距离后,设备的高分辨率系统会自动启动,通过检测和分析,能“看清”毫米级的海参生存环境。
  
  “海底表面的粗糙度情况能清晰地得知,甚至表面石头的光滑与粗糙程度也能分析出来。”董军宇说,通过分析形成的三维图像是彩色的,水上养殖人员能很轻松观测养殖环境,做出分析。“海洋生物学的研究表明,海底地表的几何及三维纹理特征与生物的栖息、生长具有直接的关系。”
  
  董军宇表示,拿水下三维表面缺陷检测而言,就能体现出技术应用市场的广泛性。“可用于水下工程中的桩柱表面损坏状态评估;水下金属结构物表面的腐蚀的检测、锈蚀检测、焊缝的检测;结构物表面的撞击痕迹、扭曲、弯曲、凹凸变形等检测;底栖生物养殖的海底表面粗糙度评价等。”
  
  它很聪明,接到任务后会自动去工作
  
  “通过技术主要输出三维表面高度及彩色反照率图,检测精度达到毫米级。”董军宇解释说,从专业角度来讲,该技术研发的内容主要涉及五个方面。
  
  这五个方面分别是:基于水下结构光和光度立体学的光学成像系统及同步控制系统设计;高精度结构光特征点提取,以及对结构光特征点进行高精度空间几何重建;基于光度立体学的水下吸收、散射系数及三维物体表面梯度、反照率最优化求解;基于水下光度立体理论及结构光获取的表面特征点,对水下目标进行三维表面高精度高度重建;水下高精度三维光学虚拟展示及检测分析。
  
  “这一系列内容都是设备自我完成的,给设备一个特定任务,设备就会下潜到一定海底位置,进行定量分析,自动工作,建构出三维立体的图形。”董军宇说,该技术填补了高精度三维立体探测海底世界的空缺,在水下目标表面高精度三维实时检测技术及应用上达到国际领先地位。这就象征着通过该技术能把海底世界高清晰“绘制”出三维图像,了解海底的环境。
  
  据悉,该技术已经处在中试阶段,而据董军宇预测,技术的应用会带来巨大经济效益和社会效益。“预计投放初期市场,规模可达到每年150~200套,加上对外出租设备收入,产值在4500~6000万元,预计年利润可达1500~2000万。”董军宇表示,除此之外,系统的研制成功,能带动水下三维成像、水下机器人视觉等相关行业领域的发展,使我国在军事国防、科学研究、海洋经济等领域掌握技术主动权。
  
  一位科学狂人的海洋梦
  
  董军宇是一个“科学狂人”,为了实现自己的海洋梦,背后有一段励志的科研故事。“说起我的梦想,真的想通过我们团队的努力,实现大海捞针的梦想。”董军宇说,大海捞针这个成语他想变成现实,通过给水下机器人装上高精度的“眼睛”,能捞起海底像绣花针大小的物体。
  
  说起这个梦想,董军宇说并不是不切实际。“每每想到我们科研团队在做的项目对海底世界的开发和勘探有着作用,我就倍加努力。”他说,他们的这项技术在两年前开始运作研发,开辟了技术的空白,而真正让这项技术成熟还要研发十年左右的时间。“灯光和激光的配合运用是这个技术的关键,我们反复做了上千次实验。经常是加班到深夜,忘记了吃饭。”而谈起他为何能整日面对枯燥的科学实验,董军宇表示,这和他的出国留学经历有关。
  
  大学时代的董军宇在海大数学系念书,有着海洋科研梦想的他大学毕业后去英国攻读计算机相关专业的博士学位。“英国是一个海洋业发达的国家,在英国的大学念书时我发现海洋技术对一个国家的经济和军事发展都有关键作用,所以我决心用自己的专长解决海洋探测技术的关键核心问题。”
  
  为了实现这个梦想,董军宇投入到了枯燥但有意义的科研生活中。“研发这个技术的两三年时间,平时都没有好好陪家人吃过一顿饭,特别是孩子还在上小学,觉得有点愧对他。”谈起为了科学牺牲陪伴家人的事情时,董军宇有些哽咽。“也许在不远的将来,通过我们研发的技术,能绘制出详细的海底世界三维图也说不定。”在董军宇的科研道路上,他充满了期待。
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