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，組成了一個個錯綜復雜的地下網(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，一點一點地排查損壞，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？
工程師派出微型機器人，鉆進管道內(nèi)部實施“無創(chuàng)”診斷。它們身量小巧，和遙控玩具車尺寸相當，集各種高科技元件于一身，可在復雜黑暗的環(huán)境中“望聞問切”。維修人員根據(jù)機器人發(fā)回的數(shù)據(jù)，就能直擊“痛點”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，了解它們獨特的工作方式！
管道機器人：靈活的“小子”
麻雀雖小，五臟俱全。管道機器人作為一個獨立的系統(tǒng)，集成了感應(yīng)器、照明、攝像頭、通信模塊、驅(qū)動器、電池等元件。地下迷宮寬窄不一、暗流涌動，要讓精密儀器到達指定區(qū)域并發(fā)揮作用，少不了精心設(shè)計的“軀干”。機器人們長著形態(tài)各異的“腿”，用以應(yīng)對管道中的復雜地形。
應(yīng)對不同管道環(huán)境機器人的概念圖與模型。圖片來源：Pipebot官網(wǎng)
左圖：設(shè)計完成的集成平臺，可進入最小240mm直徑管道。右圖：50-100mm長的微型機器人。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)對復雜的環(huán)境，控制自己運動？機器人控制功能的設(shè)計靈感來源于一種叫“秀麗隱桿線蟲”的生物。
線蟲只有 302 個神經(jīng)元細胞，但發(fā)展出了一種機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。
機器人借鑒這一特性，僅需少量的計算資源就能運行自動控制算法。攝像頭、紅外傳感器等元件負責采集外部環(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)動輪下達命令，例如直行、轉(zhuǎn)向、避障等。
視覺里程計：精準的方向感
隨著小分隊的跋涉，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�。“后端”估計機器人的姿勢（機器人位置和方向）和地圖，可以向前端提供反饋以進行閉環(huán)檢測。想象一下，當你來到一個新城市旅游，不靠導航如何確保自己不迷路？一個行之有效的方法是選取一個地標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。機器人也是這么想的，它們利用視覺里程計（Visual odometry）實現(xiàn)這個方法：在行進時，拍攝一系列圖像，選取圖上一些具有代表性的點為特征點，分析圖中點的運動軌跡。此外，機器人的控制指令也是一個要素，例如行進時曾向哪邊轉(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了，各處看起來都差不多。機器人通過一系列算法來提取環(huán)境中比較顯眼的點，例如一個獨特的幾何特征、像素較強的點。
拍攝特征點的角度隨著機器人的運動而改變，不同視角的圖片能用于計算出“深度”，即距離，從二維圖像推測三維空間，盡可能還原現(xiàn)場，描繪出的管網(wǎng)線路圖，既能為機器人自身提供導航，又能為地面上的人類操作員提供地形參考，讓后續(xù)的維修精準實施。“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，可謂上天入地的“眼睛”。
左下：拍攝圖像中提取的特征點、顏色反映點與機器之間的距離。大圖：紅色為機器人的軌跡，灰色為3D點云。圖片來源：Pipebot官網(wǎng)超聲波定位：發(fā)達的感官
說了半天，讓我們回到此行的核心任務(wù)上機器人是如何對管道進行“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”利用的是超聲導波一種只沿特定方向傳播的超聲波。每個“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，擴大檢測的范圍。
根據(jù)所檢測管道的材料，機器人發(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、泄漏、裂口、腐蝕、孔洞等。同時，它們會在檢測點附近再開展幾次額外的測量，對信號來源也就是缺損處進行定位，超聲波可以從各個方向和角度探測，不受制于遮擋物，實現(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。
根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)繪制的三維圖像，顯示了300毫米管段中三個貫穿管壁的孔。管道發(fā)生泄漏時，高壓流體從孔洞縫隙中溢出，產(chǎn)生顯著的噪聲信號。除主動發(fā)射探測聲波外，還可以使用水聽器或加速度計直接測量這些信號，這些被稱為“被動式檢測”。
加速度計這個名詞可能不常見，但我們的日常生活卻經(jīng)常用到它：每日步數(shù)的統(tǒng)計以及有時過于靈敏的“搖一搖”功能，都得益于這種元件，它可以感應(yīng)物體的移動或震動。
管道泄漏造成水壓變化，引起管壁振動。將攜帶加速度計的兩個機器人部署在不同位置，測量這些信號，并比對兩份結(jié)果來確定泄漏位置。
水聽器則是一種能夠測量水下聲壓的聲學換能器。機器人可攜帶水聽器，聆聽并分析管道中的噪聲頻譜。當噪聲譜對上了典型的泄漏聲譜時，就可以確定泄漏發(fā)生。
用兩個加速度計相互關(guān)聯(lián)檢測水管泄漏。圖片來源：Yu, et.al., 2021
使用水聽器的管道檢測。圖片來源：Yu, et.al., 2021聲學掃描是非侵入性的，可最小化干擾和損壞，并探查難以到達的區(qū)域，結(jié)合聲學、超聲波和攝像頭的光學數(shù)據(jù)，“偵察兵”就可在復雜的管道內(nèi)部精準地探測、定位損壞點，為人類傳回珍貴的情報。
在管道維護的“地道戰(zhàn)”中，微型機器人的加入可以幫助我們主動監(jiān)測管網(wǎng)狀態(tài)，早發(fā)現(xiàn)、早修復，避免被動式的“亡羊補牢”。零破壞的診斷大大減少了地面開挖，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。預計三到四年內(nèi)，類似的小機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器人聯(lián)系在一起，當琳瑯滿目的無人機、人形機器人占據(jù)科技熱點話題時，未來在地下不為人知的角落里，也將有一群機器人默默無聞地為我們服務(wù)。
參考文獻
[1]王優(yōu)玲.我國將每年改造10萬公里以上地下管線.新社.https://www.gov.cn/lianbo/bumen/202402/content_6931585.htm#:~:text=
[2]Yicheng Yu, Ali Safari, Xudong Niu, Bruce Drinkwater, Kirill V. Horoshenkov, Acoustic and ultrasonic techniques for defect detection and condition monitoring in water and sewerage pipes: A review, Applied Acoustics, Volume 183, 2021, 108282, ISSN 0003-682X
[3]Lones, J, Cohn, AG and Cohen, N (2017) A C.elegans inspired robotic model for pothole detection. In: Proceedings of NIPS 2017 Worksop on Worm's Neural Information Processing. 31st Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 2017), 04-09 Dec 2017, Long Beach, California USA. , pp. 1-4.
[4]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
[5]A. R. K. Towlson, A. J. Croxford and B. W. Drinkwater, "Ultrasonic Nondestructive Characterization of Blockages and Defects in Underground Pipes," in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 69, no. 8, pp. 2540-2554, Aug. 2022
[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
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨嚴益章 英國謝菲爾德大學研究生在讀
監(jiān)制丨中國科普博覽
責編丨董娜娜
