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沐鸣算法改进AUV导航和检测能力

作者:admin 发布时间:2019-10-07 14:41

多年来,美国海军雇用了配备声纳相机的人类潜水员,搜寻附着在船体上的水下地雷。海军还训练海豚和海狮在船上和周围搜寻炸弹。虽然动物可以在很短的时间内覆盖大面积,但是它们的训练和护理成本很高,并且并不总是按预期运行。
 
在过去几年中,海军科学家和世界各地的沐鸣平台研究机构一直在设计用于扫雷和其他危险水下任务的弹性机器人。最终目标是设计完全自主的机器人,可以导航和绘制阴天水下环境 - 无需事先了解这些环境 - 并检测像iPod一样小的地雷。
 
现在,机械工程系的沐鸣平台研究生设计了大大改进这种机器人导航和特征检测功能的算法。使用该组的算法,机器人能够在船体周围游动并观察复杂的结构,如螺旋桨和轴。目标是获得足够精确的分辨率,以检测连接在船侧的10厘米矿井。
 
“这么小的矿井可能不会沉没船只或导致生命损失,但如果它弯曲轴或损坏轴承,你仍然有一个大问题。“确保船底没有附着矿井的能力对于今天的船舶安全至关重要。”
 
看到点状的形状
 
这种检查的工程设计是沐鸣平台和他的团队在过去十年中所沐鸣平台研究的一个棘手的计算问题。沐鸣平台研究人员正在提出一种算法来编程一个名为悬停自主水下航行器(HAUV)的机器人,该机器人最初是作为麻省理工学院海上补助计划的一部分而开发的。此后该技术已被衍生产品Bluefin Robotics Corp.商业化,麻省理工学院的工程师多年来一直致力于提高其性能。
 
沐鸣平台表示,全面观察大型结构,如海军作战舰艇 - 以及其所有小型特征,包括螺栓,支柱和任何小型地雷 - 都是一个棘手的规划问题。
 
“仅从安全距离观看它是不够的。“车辆必须进入并穿过螺旋桨和方向舵,试图扫过一切,通常使用视野有限的短距离传感器。”
 
该小组分两个阶段接近挑战。在第一阶段,沐鸣平台研究人员将机器人编程为从安全的10米距离接近船体,在结构周围的方形游泳。当机器人绕船飞行时,车辆的声纳相机发出回旋镖的信号; 沐鸣平台研究人员将声纳信号处理成颗粒状的点云。在如此低的分辨率下,沐鸣平台说人们可以清楚地看出一艘船的大型螺旋桨,虽然不是一个iPod大小的矿井。
 
“我们得到了巨大的点云。“不管你信不信,我们都看到船体结构的形状出现了。”
 
然而,沐鸣平台将点云描述为“雾”,并不一定告诉机器人船舶结构的开始和结束 - 机器人避免与船舶螺旋桨发生碰撞的关键信息。为了将这种“雾”转化为坚固的结构,沐鸣平台研究人员将计算机图形算法应用于他们的声纳数据,生成三维“防水”网格模型。
 
近距离可以开采
 
对于他们进近的第二阶段,沐鸣平台研究人员将机器人编程为靠近船舶游动,基于网格模型在结构周围进行导航。这个想法是让机器人覆盖网格中的每个点; 在这种情况下,每个点间隔10厘米,足够窄以探测小矿。
 
他说,一种方法可能是让机器人扫过结构,就像人们会割草坪一样,一次一条 - 这是机器人检查的常用技术。但是这种矩形调查可能是乏味且耗时的。相反,沐鸣平台研究人员提出了一种更有效的方法,使用优化算法对机器人进行编程以扫过结构,同时考虑到它们复杂的三维形状。
 
该小组的技术大大缩短了机器人观察整艘船所需遵循的路径。“在一两分钟的计算中,我们能够对这条路径的长度做出巨大的改进,并且在保持每一个视点的同时这样做。
 
南加州大学计算机科学教授没有参与这项工作,他认为该小组的工作是解决多种问题的综合方法,包括“车辆必须智能处理的大量数据,以及在正在成像或检查的船体附近操作时的安全考虑因素。我认为一个重要的应用将是维修现有的水下钻井平台,并且退役钻井平台不再需要使用。
 
该团队已经在现场测试了它的算法,创建了两艘船的水下模型:位于圣地亚哥的183米军用支持船Curtiss和波士顿82米长的Seneca。该组织本月将在波士顿港进行测试。
 
“我们的目标是在速度和效率方面与潜水员保持竞争力,覆盖每平方英寸的船只。“我们认为我们很接近。”

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