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走在大街上，短暂发现本来流畅的说念路阻滞了，伴跟着一阵阵钻心的电钻声，服气不少东说念主都曾被说念路施工带来的问题所困扰。

收尾现在，我国市政供排水管说念总长度已超 200 万公里，构成了一个个犬牙相制的地下网罗。要维修深埋地底的管网，就要先阻滞说念路，把大地挖开，一丝一丝地排查损坏，但定位细小的病灶犹如大海捞针，施工噪声和交通堵塞亦然不小的问题。

奈何才调开脱这些困扰？

工程师派出袖珍机器东说念主，钻进管说念里面实施"无创"会诊。它们身量工致，和遥控玩物车尺寸终点，集各式高技术元件于孤苦孤身一人，可在复杂阴郁的环境中"望闻问切"。维修东说念主员阐发机器东说念主发还的数据，就能直击"痛点"开展维修，幸免了漫无宗旨的"挖掘式"寻找。

让咱们随"纯正观测兵"一都深远地下迷宫，了解它们独有的责任表情！

管说念机器东说念主：纯确凿"小子"

麻雀虽小，五脏俱全。管说念机器东说念主看成一个荒芜的系统，集成了感应器、照明、录像头、通讯模块、驱动器、电板等元件。地下迷宫宽窄不一、感触万千，要让精密仪器到达指定区域并知道作用，少不了经心贪图的"躯干"。机器东说念主们长着格式各别的"腿"，用以交代管说念中的复杂地形。

交代不同管说念环境机器东说念主的见解图与模子。图片开始：Pipebot 官网

左图：贪图完成的集成平台，可进入最小 240mm 直径管说念。右图：50-100mm 长的袖珍机器东说念主。图片开始：Pipebot 官网

小小的躯壳佩带不了太多硬件，奈何行使有限的电力和算力交代复杂的环境，抑遏我方通顺？机器东说念主抑遏功能的贪图灵感开始于一种叫"秀好意思隐杆线虫"的生物。

线虫独一 302 个神经元细胞，但发展出了一种机智的步调来感知周遭：它们体内的某些嗅觉神经元通过感知环境里盐分浓度的变化来定位食品，而不需要知说念迷漫的数值，信息经管起来简便便利。

机器东说念主鉴戒这一特色，仅需小数的谋划资源就能入手自动抑遏算法。录像头、红传说感器等元件负责麇集外部环境信号，并简便分析，再传输给里面的传感器。传感器阐发输入信号的变化再对驱动轮下达敕令，举例直行、转向、避障等。

视觉里程计：精确的标的感

跟着小分队的跋涉，明后迟缓阴郁下去，咱们被阴郁所障翳。在阴暗的地下空间中，卫星定位系统"鞭长莫及"，要思不迷途，机器东说念主只可靠我方画图舆图，并细则我方在图中所处的位置。

闭环检测。图片开始：Pipebots 官网

典型的 SLAM 系统。传感器将原始数据传输到"前端"，该前端经管原始数据、索求特征并实行数据关联，前端将经管后的数据传输到"后端"。"后端"臆想机器东说念主的姿势（机器东说念主位置和标的）和舆图，不错上前端提供反馈以进行闭环检测。

图片开始：Aitken.et.al, 2021

思象一下，当你来到一个新城市旅游，不靠导航奈何确保我方不迷途？一个行之灵验的步调是及第一个地标来匡助我方挂念和判断位置，举例那栋最高的楼，或是一棵殊形怪状的树。机器东说念主亦然这样思的，它们行使视觉里程计（Visual odometry）已矣这个步调：在行进时，拍摄一系列图像，及第图上一些具有代表性的点为特征点，分析图中点的通顺轨迹。此外，机器东说念主的抑遏请示亦然一个身分，举例行进时曾向哪边转向、转了若干度。

不外，水管子里面的高慢比不雅光旅游可差远了，各处看起来都差未几。机器东说念主通过一系列算法来索求环境中比拟显眼的点，举例一个独有的几何特征、像素较强的点。

拍摄特征点的角度跟着机器东说念主的通顺而改革，不同视角的图片能用于谋划出"深度"，即距离，从二维图像推测三维空间，尽可能收复现场，态状出的管网澄莹图，既能为机器东说念主本人提供导航，又能为大地上的东说念主类操作员提供地形参考，让后续的维修精实在施。"玉兔号"月球车和"天问一号"火星探伤器也搭载了视觉里程计，可谓踢天弄井的"眼睛"。

左下：拍摄图像中索求的特征点、神色反应点与机器之间的距离。大图：红色为机器东说念主的轨迹，灰色为 3D 点云。图片开始：Pipebot 官网

超声波定位：知道的感官

说了半天，让咱们回到此行的中枢任务上——机器东说念主是奈何对管说念进行"望闻问切"的？这收货于它们机敏的"眼"与"耳"，自然也曾搭载了袖真贵像头，但此处伸手不见五指，"听声辨位"亦然一种灵验的步调。

机器东说念主像蝙蝠不异发出超声波信号，凝听回声。与蝙蝠不同的是，"纯正观测兵"行使的是超声导波——一种只沿特定标的传播的超声波。每个"兵"佩带有超声换能器，大约将电能调整为声能，产生超声波脉冲。管说念壁不错将思要兔脱的声波围在管说念里面，将波的传播标的适度在轴线方进取，聚集火力，传播几米以致几十米，扩大检测的限制。

阐发所检测管说念的材料，机器东说念主辐射数十万赫兹到几兆赫兹不等的超声波。声信号在水管缺损、堵塞处会发生反射或散射，如若摄取到较强的回声信号，讲明有可能存在一处问题。

不同类型的缺损所反射的声波能量大小不同，超声换能器摄取这些回声信号，机器东说念主历程放大、经管、数据库比对，就不错识别缺损特征，举例堵塞、裸露、裂口、腐蚀、孔洞等。同期，它们会在检测点近邻再开展几次稀奇的测量，对信号开始也即是缺损处进行定位，超声波不错从各个标的和角度探伤，不受制于讳饰物，已矣无损检测。

（a）小砖块堵塞管说念底部的相片。（b）传感器阵列产生的图像。

图片开始：Towlson.et.al，2022

阐发传感器数据画图的三维图像，泄漏了 300 毫米管段中三个会聚管壁的孔。

图片开始：Towlson.et.al，2022

管说念发生裸露时，高压流体从孔洞舛误中溢出，产生显耀的噪声信号。除主动辐射探伤声波外，还不错使用水听器或加快度计径直测量这些信号，这些被称为"被迫式检测"。

加快度计这个名词可能不常见，但咱们的泛泛生存却时常用到它：逐日步数的统计以及巧合过于明智的"摇一摇"功能，都收货于这种元件，它不错感应物体的迁移或转机。

管说念裸露形成水压变化，引起管壁振动。将佩带加快度计的两个机器东说念主部署在不同位置，测量这些信号，并比对两份后果来细则裸露位置。

水听器则是一种大约测量水下声压的声学换能器。机器东说念主可佩带水听器，凝听并分析管说念中的噪声频谱。当噪声谱对上了典型的裸露声谱时，就不错细则裸露发生。

用两个加快度计相互关联检测水管裸露。图片开始：Yu, et.al., 2021

使用水听器的管说念检测。图片开始：Yu, et.al., 2021

声学扫描曲直侵入性的，可最小化搅扰和损坏，并探查难以到达的区域，归并声学、超声波和录像头的光学数据，"观测兵"就可在复杂的管说念里面精确地探伤、定位损坏点，为东说念主类传回稀少的谍报。

在管说念和顺的"纯正战"中，袖珍机器东说念主的加入不错匡助咱们主动监测管网景况，早发现、早建树，幸免被迫式的"一火羊补牢"。零龙套的会诊大大减少了大地开挖，这下终于有但愿开脱烦东说念主的噪声了。

除了给排水管说念外，机器东说念主们还不错对自然气管说念、配电澄莹等圭臬开展会诊。瞻望三到四年内，雷同的小机器东说念主集群就能崇拜上岗，提供给管说念行业并干涉使用。

东说念主类的坐褥生存越来越密切地与机器东说念主相干在一都，当林林总总标无东说念主机、东说念主形机器东说念主占据科技热门话题时，昔日在地下不为东说念主知的边缘里，也将有一群机器东说念主鲜为人知地为咱们就业。

参考文件

[ 1 ] 王优玲 . 我国将每年矫正 10 万公里以上地下管线 . 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

接洽制作

出品丨科普中国

作家丨严益章 英国谢菲尔德大学征询生在读

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林

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