可愛的機(jī)器人，為城市疏通“血栓”

出品：科普中國

作者：嚴(yán)益章（英國謝菲爾德大學(xué)研究生在讀）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為展現(xiàn)智能科技動(dòng)態(tài)，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進(jìn)展，回應(yīng)種種關(guān)切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時(shí)代。

走在大街上，突然發(fā)現(xiàn)原本暢通的道路封閉了，伴隨著一陣陣鉆心的電鉆聲，相信不少人都曾被道路施工帶來的問題所困擾。截至目前，我國市政供排水管道總長度已超200萬公里，組成了一個(gè)個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的地下網(wǎng)絡(luò)。要維修深埋地底的管網(wǎng)，就要先封閉道路，把地面挖開，一點(diǎn)一點(diǎn)地排查損壞。但定位微小的病灶猶如大海撈針，施工噪聲和交通堵塞也是不小的問題。

如何才能擺脫這些困擾？

工程師派出微型機(jī)器人，鉆進(jìn)管道內(nèi)部實(shí)施“無創(chuàng)”診斷。它們身量小巧，和遙控玩具車尺寸相當(dāng)，但集各種高科技元件于一身，可在復(fù)雜黑暗的環(huán)境中望聞問切。維修人員根據(jù)機(jī)器人發(fā)回的數(shù)據(jù)，就能直擊“痛點(diǎn)”開展維修，避免了漫無目的的挖掘式尋找。

讓我們隨“地道偵察兵”一起深入地下迷宮，了解它們獨(dú)特的工作方式！

靈活的小子

麻雀雖小，五臟俱全。管道機(jī)器人作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，集成了感應(yīng)器、照明、攝像頭、通信模塊、驅(qū)動(dòng)器、電池等元件。地下迷宮寬窄不一、暗流涌動(dòng)，要讓精密儀器到達(dá)指定區(qū)域并發(fā)揮作用，少不了精心設(shè)計(jì)的“軀干”。機(jī)器人們長著形態(tài)各異的“腿”，用以應(yīng)對管道中的復(fù)雜地形。

應(yīng)對不同管道環(huán)境機(jī)器人的概念圖與模型

左圖：設(shè)計(jì)完成的集成平臺，可進(jìn)入最小240mm直徑管道。

右圖：50-100mm長的微型機(jī)器人

（圖片來源：Pipebot官網(wǎng)）

小小的身體攜帶不了太多硬件，如何利用有限的電力和算力應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境，控制自己運(yùn)動(dòng)？機(jī)器人控制功能的設(shè)計(jì)靈感來源于一種叫“秀麗隱桿線蟲”的生物。

線蟲只有302個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞，但發(fā)展出了一種機(jī)智的方法來感知周遭：它們體內(nèi)的某些感覺神經(jīng)元通過感知環(huán)境里鹽分濃度的變化來定位食物，而不需要知道絕對的數(shù)值，信息處理起來簡單便利。

機(jī)器人借鑒這一特性，僅需少量的計(jì)算資源就能運(yùn)行自動(dòng)控制算法。攝像頭、紅外傳感器等元件負(fù)責(zé)采集外部環(huán)境信號，并簡單分析，再傳輸給內(nèi)部的傳感器。傳感器根據(jù)輸入信號的變化再對驅(qū)動(dòng)輪下達(dá)命令，例如直行、轉(zhuǎn)向、避障等。

導(dǎo)航-精準(zhǔn)的方向感

隨著小分隊(duì)的跋涉，光線漸漸暗淡下去，我們被黑暗所籠罩。在昏暗的地下空間中，衛(wèi)星定位系統(tǒng)鞭長莫及。要想不迷路，機(jī)器人只能靠自己繪制地圖，并確定自己在圖中所處的位置。

閉環(huán)檢測

（圖片來源：Pipebots官網(wǎng)）

典型的 SLAM 系統(tǒng)。傳感器將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)健扒岸恕?，該前端處理原始?shù)據(jù)、提取特征并執(zhí)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，前端將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)健昂蠖恕薄?/p>

“后端”估計(jì)機(jī)器人的姿勢（機(jī)器人位置和方向）和地圖，可以向前端提供反饋以進(jìn)行閉環(huán)檢測。

想象一下，當(dāng)你來到一個(gè)新城市旅游，不靠導(dǎo)航如何確保自己不迷路？一個(gè)行之有效的方法是選取一個(gè)地標(biāo)來幫助自己記憶和判斷位置，例如那棟最高的樓，或是一棵奇形怪狀的樹。機(jī)器人也是這么想的，它們利用視覺里程計(jì)（Visual odometry）實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法：在行進(jìn)時(shí)，拍攝一系列圖像，選取圖上一些具有代表性的點(diǎn)為特征點(diǎn)，分析圖中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。此外，機(jī)器人的控制指令也是一個(gè)要素，例如行進(jìn)時(shí)曾向哪邊轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)了多少度。

不過，水管子內(nèi)部的景色比觀光旅游可差遠(yuǎn)了，各處看起來都差不多。機(jī)器人通過一系列算法來提取環(huán)境中比較顯眼的點(diǎn)，例如一個(gè)獨(dú)特的幾何特征、像素較強(qiáng)的點(diǎn)。

拍攝特征點(diǎn)的角度隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而改變，不同視角的圖片能用于計(jì)算出“深度”，即距離，從二維圖像推測三維空間，盡可能還原現(xiàn)場。所描繪出的管網(wǎng)線路圖，既能為機(jī)器人自身提供導(dǎo)航，又能為地面上的人類操作員提供地形參考，讓后續(xù)的維修精準(zhǔn)實(shí)施。玉兔號月球車和天問一號火星探測器也搭載了視覺里程計(jì)，可謂“上天入地”的眼睛。

左下：拍攝圖像中提取的特征點(diǎn)，顏色反映點(diǎn)與機(jī)器之間的距離

大圖：紅色為機(jī)器人的軌跡，灰色為3D點(diǎn)云

（圖片來源：Pipebot官網(wǎng)）

發(fā)達(dá)的感官

說了半天，讓我們回到此行的核心任務(wù)上——機(jī)器人是如何對管道進(jìn)行望聞問切的？這得益于它們敏銳的眼與耳。雖然已經(jīng)搭載了微型攝像頭，但此處伸手不見五指，“聽聲辨位”也是一種有效的方法。

機(jī)器人像蝙蝠一樣發(fā)出超聲波信號，聆聽回聲。與蝙蝠不同的是，地道偵察兵們利用的是超聲導(dǎo)波——一種只沿特定方向傳播的超聲波。每個(gè)兵攜帶有超聲換能器，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為聲能，產(chǎn)生超聲波脈沖。管道壁可以將想要逃跑的聲波圍在管道內(nèi)部，將波的傳播方向限制在軸線方向上，集中火力，傳播幾米甚至幾十米，擴(kuò)大檢測的范圍。

根據(jù)所檢測管道的材料，機(jī)器人發(fā)射數(shù)十萬赫茲到幾兆赫茲不等的超聲波。聲信號在水管缺損、堵塞處會發(fā)生反射或散射，如果接收到較強(qiáng)的回聲信號，說明有可能存在一處問題。

不同類型的缺損所反射的聲波能量大小不同，超聲換能器接收這些回聲信號，機(jī)器人經(jīng)過放大、處理、數(shù)據(jù)庫比對，就可以識別缺損特征，例如堵塞、泄露、裂口、腐蝕、孔洞等。同時(shí)，它們會在檢測點(diǎn)附近再開展幾次額外的測量，對信號來源也就是缺損處進(jìn)行定位。超聲波可以從各個(gè)方向和角度探測，不受制于遮擋物，實(shí)現(xiàn)無損檢測。

（a）小磚塊堵塞管道底部的照片。（b）傳感器陣列產(chǎn)生的圖像。

（圖片來源：Towlson.et.al，2022）

根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)繪制的三維圖像，顯示了300毫米管段中三個(gè)貫穿管壁的孔。

（圖片來源：Towlson.et.al，2022）

管道發(fā)生泄漏時(shí)，高壓流體從孔洞縫隙中溢出，產(chǎn)生顯著的噪聲信號。除主動(dòng)發(fā)射探測聲波外，還可以使用水聽器或加速度計(jì)直接測量這些信號，這些被稱為被動(dòng)式檢測。

加速度計(jì)這個(gè)名詞可能不常見，但我們的日常生活卻經(jīng)常用到它：每日步數(shù)的統(tǒng)計(jì)以及有時(shí)過于靈敏的“搖一搖”功能，都得益于這種元件，它可以感應(yīng)物體的移動(dòng)或震動(dòng)。

管道泄漏造成水壓變化，引起管壁振動(dòng)。將攜帶加速度計(jì)的兩個(gè)機(jī)器人部署在不同位置，測量這些信號，并比對兩份結(jié)果來確定泄露位置。

水聽器則是一種能夠測量水下聲壓的聲學(xué)換能器。機(jī)器人可攜帶水聽器，聆聽并分析管道中的噪聲頻譜。當(dāng)噪聲譜對上了典型的泄漏聲譜時(shí)，就可以確定泄漏發(fā)生。

用兩個(gè)加速度計(jì)相互關(guān)聯(lián)檢測水管泄漏。

使用水聽器的管道檢測。

（圖片來源：Yu, et.al., 2021）

聲學(xué)掃描是非侵入性的，可最小化干擾和損壞，并探查難以到達(dá)的區(qū)域，結(jié)合了聲學(xué)、超聲波和攝像頭的光學(xué)數(shù)據(jù)，偵察兵們就可在復(fù)雜的管道內(nèi)部精準(zhǔn)地探測、定位損壞點(diǎn)，為人類傳回珍貴的情報(bào)。

在管道維護(hù)的地道戰(zhàn)中，微型機(jī)器人的加入可以幫助我們主動(dòng)監(jiān)測管網(wǎng)狀態(tài)，早發(fā)現(xiàn)、早修復(fù)，避免被動(dòng)式的亡羊補(bǔ)牢。零破壞的診斷大大減少地面開挖，這下終于有希望擺脫煩人的噪聲了。

除了給排水管道外，機(jī)器人們還可以對天然氣管道、配電線路等設(shè)施開展診斷。預(yù)計(jì)三到四年內(nèi)，類似的小機(jī)器人集群就能正式上崗，提供給管道行業(yè)并投入使用。

人類的生產(chǎn)生活越來越密切地與機(jī)器人聯(lián)系在一起。當(dāng)琳瑯滿目的無人機(jī)、人形機(jī)器人占據(jù)科技熱點(diǎn)話題時(shí)，未來在地下不為人知的角落里，也將有一群機(jī)器人在默默無聞地為我們服務(wù)著。

參考文獻(xiàn)：

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6.J. M. Aitken et al., "Simultaneous Localization and Mapping for Inspection Robots in Water and Sewer Pipe Networks: A Review," in IEEE Access, vol. 9, pp. 140173-140198, 2021