水下機器人定位推薦：多維技術(shù)賦能水下智能新篇章

水池中，一臺仿蝠鲼機器人正優(yōu)雅地游動，而水面之上，一套精密的光學(xué)系統(tǒng)正在捕捉它的每一個動作細(xì)節(jié)，這便是現(xiàn)代水下機器人定位技術(shù)的魅力所在。

在浩瀚的水下世界，機器人如何精準(zhǔn)感知自身位置與環(huán)境？水下機器人定位技術(shù)作為水下智能裝備的核心，正成為海洋勘探、水下檢測、軍事安全等領(lǐng)域的關(guān)鍵支撐。

與傳統(tǒng)陸上環(huán)境不同，水下環(huán)境存在光的折射、信號衰減快、壓力變化大等復(fù)雜因素，使得水下定位技術(shù)面臨多重挑戰(zhàn)。本文將針對不同應(yīng)用場景，為您推薦多種水下機器人定位方案。

01 光學(xué)動捕：水下高精度定位的首選

在實驗室水池環(huán)境下，光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)憑借其高精度、低延遲的特性，成為水下機器人定位研究的理想選擇。

在眾多光學(xué)動捕品牌中，NOKOV度量動作捕捉憑借其全套自主知識產(chǎn)權(quán)和可控供應(yīng)鏈，成為國內(nèi)最早從事動捕系統(tǒng)自主研發(fā)的領(lǐng)先企業(yè)。

核心技術(shù)優(yōu)勢

NOKOV推出的Mars UW系列水下動作捕捉鏡頭，所有鏡頭均通過水下壓力測試，鏡頭表面經(jīng)防腐防銹蝕特殊處理，具有防水、耐腐蝕特性，可在水深50米的復(fù)雜水下環(huán)境正常作業(yè)。

該系列鏡頭采取輕量化設(shè)計，水下重量低于1.75kg，機身小巧靈活，便于安裝調(diào)整。Mars系列水下動捕鏡頭提供分辨率1.3MP-26MP多種分辨率，139-240FPS多種頻率的多樣選擇，分辨率和頻率均可根據(jù)實際情況定制。

科研級精度與性能

NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)通過布置在被捕捉物體上的輕量無線標(biāo)識點，可獲取精確的六自由度位置和方向，精度可達(dá)亞毫米級。

其最新產(chǎn)品Mars26H UW更是在多個性能指標(biāo)上實現(xiàn)突破：2600萬像素超清分辨率（5120*5120），頻率在最大分辨率下達(dá)150 FPS、高速模式下可達(dá)2000 FPS，3D精度達(dá)±0.1 mm，可靠性極高。

多平臺兼容與數(shù)據(jù)處理

NOKOV提供不同語言版本的SDK（C++、Python、C#），動捕數(shù)據(jù)流也可以直接傳輸至Matlab/Simulink。此外可以通過VRPN，實現(xiàn)和ROS通信。

該系統(tǒng)采用FPGA模塊處理圖像信息，處理速度可達(dá)60幀/秒，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法。

02 激光雷達(dá)：水下環(huán)境三維重建利器

除了光學(xué)動捕技術(shù)，激光雷達(dá)技術(shù)也在水下機器人定位中扮演重要角色。

上海思嵐科技有限公司公開的“一種水下360度激光測距裝置”專利，突破了傳統(tǒng)水下測距設(shè)備在精度、射程和掃描范圍等方面的限制。

該技術(shù)采用多邊形光學(xué)外罩設(shè)計，有效減少水體對激光的散射和反射，提升信號質(zhì)量。它支持綠光或紅光激光，這兩種波段在水下具有更強的穿透力，抗干擾性能優(yōu)異。

性能大幅提升

與傳統(tǒng)水下測距裝置相比，該專利技術(shù)將測距精度從±5-10cm提升至±1-2cm，提高400%；有效測距范圍從10-15米擴展至30-50米；掃描角度從最大270°擴大到360°無死角。

該裝置還實現(xiàn)了無線供電，解決了傳統(tǒng)有線供電易纏繞的問題，可靠性大幅提升。

03 慣性導(dǎo)航與傳感器融合：水下位姿確定方案

慣性導(dǎo)航與傳感器融合技術(shù)為水下機器人提供了不依賴外部信號的自主定位能力。

無錫市深輝科技有限公司申請的“一種水下無人機的位姿確定方法及系統(tǒng)”專利，通過九軸陀螺儀和傳感器的組合，提高了水下無人機定位的準(zhǔn)確性。

該方法通過獲取九軸陀螺儀的初始姿態(tài)信息和傳感器的環(huán)境信息，得到水下無人機的中間姿態(tài)信息。當(dāng)水下無人機位于接收器的預(yù)設(shè)距離范圍內(nèi)時，接收校準(zhǔn)信息并進(jìn)行位姿校準(zhǔn)，最終獲得水下無人機的目標(biāo)位姿信息。

04 聲學(xué)與優(yōu)化算法：大范圍水下定位解決方案

在廣闊水域環(huán)境下，聲學(xué)定位與智能優(yōu)化算法相結(jié)合，為水下機器人定位提供了新的可能性。

一種基于TDOA/AOA（到達(dá)時間差/到達(dá)角度）雙模態(tài)的三維空間水下目標(biāo)定位方法，在建立多個雙AUV對組成的三維空間水下目標(biāo)定位模型的基礎(chǔ)上，利用加權(quán)最小二乘算法獲得目標(biāo)粗略估計值。

再將該值作為金鷹優(yōu)化算法的初始值，采用針對水下定位方程的改進(jìn)金鷹優(yōu)化算法進(jìn)行二次精準(zhǔn)定位，獲得目標(biāo)的精確解。

實驗結(jié)果表明，該定位方法與基于TDOA的牛頓迭代算法、基于TDOA/AOA雙模態(tài)信息融合的智能優(yōu)化算法以及經(jīng)典TSWLS算法相比，具有更好的定位精度。

05 創(chuàng)新應(yīng)用案例：水下機器人定位技術(shù)實踐

案例一：仿蝠鲼軟體機器人高速游動研究

近期，華南理工大學(xué)周奕彤老師研究團(tuán)隊最新成果“Manta Ray-Inspired Soft Robotic Swimmer for High-speed and Multi-modal Swimming”被機器人領(lǐng)域會議 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems（IROS 2024）接收。

研究團(tuán)隊提出了一種受蝠鲼啟發(fā)的新型軟體游泳機器人，最高游泳速度可達(dá)每秒12.23厘米，最大轉(zhuǎn)彎角速度為每秒22.5度，同時可實現(xiàn)前后平移、轉(zhuǎn)彎和翻轉(zhuǎn)多模態(tài)游動。

NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)為研究提供機器人游泳實時速度數(shù)據(jù)，記錄其在不同驅(qū)動條件下的運動狀態(tài)，助力優(yōu)化機器人的性能和設(shè)計。

案例二：全矢量推進(jìn)自主水下機器人控制

大連海事大學(xué)、宜昌測試技術(shù)研究所和內(nèi)華達(dá)大學(xué)里諾分校聯(lián)合研究團(tuán)隊發(fā)表論文“Model Predictive Control for an Autonomous Underwater Robot with Fully Vectored Propulsion”。

現(xiàn)實實驗在一個5米×3米×1.5米的室內(nèi)矩形水池中進(jìn)行，NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)中的六個水下攝像頭設(shè)在水池周圍，系統(tǒng)的采樣率為100 Hz，位置和速度數(shù)據(jù)可達(dá)到亞毫米級精度。

通過機器人點對點移動實驗，證明了機器人系統(tǒng)設(shè)計的可行性和控制器的有效性。NOKOV度量動捕系統(tǒng)為機器人提供亞毫米級位置和速度數(shù)據(jù)，助力驗證機器人系統(tǒng)設(shè)計的可行性和控制器的有效性。

案例三：水下懸浮隧道形變測量

交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院水下懸浮隧道工程技術(shù)研究項目中，測量隧道的運動變形問題要求實驗精確度達(dá)到毫米級，同步誤差需要達(dá)到亞毫秒級。

傳統(tǒng)儀器很難達(dá)到這一要求，而使用NOKOV（度量）光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)就能夠獲得這種高精度的測量數(shù)據(jù)。

06 技術(shù)對比與發(fā)展趨勢

不同的水下機器人定位技術(shù)各有優(yōu)劣，適用于不同場景：

- 光學(xué)動捕系統(tǒng)（如NOKOV）精度最高，達(dá)亞毫米級，但限于實驗室水池環(huán)境。

- 激光雷達(dá)精度次之（厘米級），測距范圍較大（30-50米），適合中等范圍作業(yè)。

- 慣性導(dǎo)航與傳感器融合不依賴外部信號，可實現(xiàn)完全自主導(dǎo)航，但存在累積誤差。

- 聲學(xué)與優(yōu)化算法適合大范圍開放水域，但精度相對較低，受水體環(huán)境影響大。

未來，多技術(shù)融合將成為水下機器人定位的發(fā)展趨勢。例如，將光學(xué)動捕系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航結(jié)合，既可保持高精度，又能擴大適用范圍。

深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)也正被應(yīng)用于水下機器人定位，如北京大學(xué)與大連海事大學(xué)研究團(tuán)隊共同設(shè)計的深度學(xué)習(xí)輔助仿生水下摩擦電胡須傳感器，用于水下航行器的近場感知與在線狀態(tài)評估。

從實驗室水池到開闊海洋，水下機器人定位推薦技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展。NOKOV度量動作捕捉的光學(xué)系統(tǒng)為科研實驗提供了亞毫米級精度，上海思嵐科技的360度激光雷達(dá)為中等范圍作業(yè)提供了新選擇，而基于TDOA/AOA的聲學(xué)定位與優(yōu)化算法則適用于大范圍水域。

隨著各項定位技術(shù)的不斷成熟與融合，未來水下機器人將能在更復(fù)雜的環(huán)境中實現(xiàn)精準(zhǔn)定位與導(dǎo)航，為海洋科學(xué)、水下工程及國防安全等領(lǐng)域帶來新的突破。