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走在大街上，倏得发现正本领路的谈路阻滞了，伴跟着一阵阵钻心的电钻声，敬佩不少东谈主都曾被谈路施工带来的问题所困扰。

适度当今，我国市政供排水管谈总长度已超 200 万公里，构成了一个个犬牙交错的地下麇集。要维修深埋地底的管网，就要先阻滞谈路，把大地挖开，一丝一丝地排查损坏，但定位微弱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。

怎样手艺解脱这些困扰？

工程师派出袖珍机器东谈主，钻进管谈里面实施"无创"会诊。它们身量工整，和遥控玩物车尺寸罕见，集多样高技术元件于孤苦，可在复杂阴雨的环境中"望闻问切"。维修东谈主员笔据机器东谈主发还的数据，就能直击"痛点"开展维修，幸免了漫无目的的"挖掘式"寻找。

让咱们随"纯正观看兵"一皆深切地下迷宫，了解它们独有的责任相貌！

管谈机器东谈主：纯确切"小子"

麻雀虽小，五脏俱全。管谈机器东谈主看成一个零丁的系统，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、感触良深，要让精密仪器到达指定区域并阐扬作用，少不了全心策画的"躯干"。机器东谈主们长着格式互异的"腿"，用以嘱托管谈中的复杂地形。

嘱托不同管谈环境机器东谈主的想法图与模子。图片起原：Pipebot 官网

左图：策画完成的集成平台，可进入最小 240mm 直径管谈。右图：50-100mm 长的袖珍机器东谈主。图片起原：Pipebot 官网

小小的躯壳佩带不了太多硬件，怎样应用有限的电力和算力嘱托复杂的环境，阻抑我方通顺？机器东谈主阻抑功能的策画灵感起原于一种叫"秀气隐杆线虫"的生物。

线虫唯有 302 个神经元细胞，但发展出了一种机智的方法来感知周遭：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，而不需要知谈裕如的数值，信息经管起来浮浅便利。

机器东谈主模仿这一特色，仅需极少的筹画资源就能启动自动阻抑算法。录像头、红别传感器等元件负责麇集外部环境信号，并浮浅分析，再传输给里面的传感器。传感器笔据输入信号的变化再对驱动轮下达呐喊，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，晴明慢慢昏黑下去，咱们被阴雨所笼罩。在阴沉的地下空间中，卫星定位系统"鞭长莫及"，要思不迷途，机器东谈主只可靠我方绘图舆图，并细则我方在图中所处的位置。

闭环检测。图片起原：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、索求特征并执行数据关联，前端将经管后的数据传输到"后端"。"后端"测度机器东谈主的姿势（机器东谈主位置和标的）和舆图，不错上前端提供反馈以进行闭环检测。

图片起原：Aitken.et.al, 2021

思象一下，当你来到一个新城市旅游，不靠导航怎样确保我方不迷途？一个行之灵验的方法是收用一个地标来匡助我方记念和判断位置，举例那栋最高的楼，或是一棵怪石嶙峋的树。机器东谈主亦然这样思的，它们应用视觉里程计（Visual odometry）完结这个方法：在行进时，拍摄一系列图像，收用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，机器东谈主的阻抑教导亦然一个身分，举例行进时曾向哪边转向、转了几许度。

不外，水管子里面的惬心比不雅光旅游可差远了，各处看起来都差未几。机器东谈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谈主的通顺而篡改，不同视角的图片能用于筹画出"深度"，即距离，从二维图像推测三维空间，尽可能复原现场，描述出的管网暴露图，既能为机器东谈主自己提供导航，又能为大地上的东谈主类操作员提供地形参考，让后续的维修精的确施。"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、颜料反馈点与机器之间的距离。大图：红色为机器东谈主的轨迹，灰色为 3D 点云。图片起原：Pipebot 官网

超声波定位：推崇的感官

说了半天，让咱们回到此行的中枢任务上——机器东谈主是怎样对管谈进行"望闻问切"的？这收货于它们机敏的"眼"与"耳"，自然照旧搭载了袖珍惜像头，但此处伸手不见五指，"听声辨位"亦然一种灵验的方法。

机器东谈主像蝙蝠通常发出超声波信号，凝听回声。与蝙蝠不同的是，"纯正观看兵"应用的是超声导波——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，简略将电能调节为声能，产生超声波脉冲。管谈壁不错将思要兔脱的声波围在管谈里面，将波的传播标的规矩在轴线方进取，迫临火力，传播几米甚而几十米，扩大检测的范围。

笔据所检测管谈的材料，机器东谈主辐照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，若是接纳到较强的回声信号，评释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，超声换能器接纳这些回声信号，机器东谈主流程放大、经管、数据库比对，就不错识别缺损特征，举例堵塞、显露、裂口、腐蚀、孔洞等。同期，它们会在检测点隔邻再开展几次特地的测量，对信号起原也等于缺损处进行定位，超声波不错从各个标的和角度探伤，不受制于掩饰物，完结无损检测。

（a）小砖块堵塞管谈底部的相片。（b）传感器阵列产生的图像。

图片起原：Towlson.et.al，2022

笔据传感器数据绘图的三维图像，炫耀了 300 毫米管段中三个相接纳壁的孔。

图片起原：Towlson.et.al，2022

管谈发生显露时，高压流体从孔洞间隙中溢出，产生显耀的噪声信号。除主动辐照探伤声波外，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，但咱们的昔日生计却经常用到它：逐日步数的统计以及只怕过于智慧的"摇一摇"功能，都收货于这种元件，它不错感应物体的迁徙或波折。

管谈显露形成水压变化，引起管壁振动。将佩带加快度计的两个机器东谈主部署在不同位置，测量这些信号，并比对两份效果来细则显露位置。

水听器则是一种简略测量水下声压的声学换能器。机器东谈主可佩带水听器，凝听并分析管谈中的噪声频谱。当噪声谱对上了典型的显露声谱时，就不错细则显露发生。

用两个加快度计相互关联检测水管显露。图片起原：Yu, et.al., 2021

使用水听器的管谈检测。图片起原：Yu, et.al., 2021

声学扫描诟谇侵入性的，可最小化侵略和损坏，并探查难以到达的区域，聚首声学、超声波和录像头的光学数据，"观看兵"就可在复杂的管谈里面精确地探伤、定位损坏点，为东谈主类传回荒芜的谍报。

在管谈感叹的"纯正战"中，袖珍机器东谈主的加入不错匡助咱们主动监测管网现象，早发现、早劝诱，幸免被迫式的"一火羊补牢"。零松弛的会诊大大减少了大地开挖，这下终于有但愿解脱烦东谈主的噪声了。

除了给排水管谈外，机器东谈主们还不错对自然气管谈、配电暴露等设施开展会诊。瞻望三到四年内，肖似的小机器东谈主集群就能精良上岗，提供给管谈行业并干涉使用。

东谈主类的出产生计越来越密切地与机器东谈主关联在一皆，当林林总总标无东谈主机、东谈主形机器东谈主占据科技热门话题时，异日在地下不为东谈主知的旯旮里，也将有一群机器东谈主闭目掩耳地为咱们处事。

参考文件

[ 1 ] 王优玲 . 我国将每年修订 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

策动制作

出品丨科普中国

作家丨严益章 英国谢菲尔德大学盘考生在读

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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