走在大街上，短暂发现原来流通的说念路阻塞了，伴跟着一阵阵钻心的电钻声，治服不少东说念主都曾被说念路施工带来的问题所困扰。

截止现在，我国市政供排水管说念总长度已超 200 万公里，构成了一个个长短不一的地下网罗。要维修深埋地底的管网，就要先阻塞说念路，把大地挖开，一丝一丝地排查损坏，但定位轻捷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。

何如才气开脱这些困扰？

工程师派出小型机器东说念主，钻进管说念里面实施“无创”会诊。它们身量工整，和遥控玩物车尺寸至极，集多样高技术元件于独处，可在复杂阴郁的环境中“望闻问切”。维修东说念主员证据机器东说念主发还的数据，就能直击“痛点”开展维修，幸免了漫无策画的“挖掘式”寻找。

让咱们随“纯正考核兵”一皆深切地下迷宫，了解它们独有的使命容貌！

管说念机器东说念主：天真是“小子”

麻雀虽小，五脏俱全。管说念机器东说念主看成一个并立的系统，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阐发作用，少不了悉心瞎想的“躯干”。机器东说念主们长着阵势折柳的“腿”，用以应酬管说念中的复杂地形。

应酬不同管说念环境机器东说念主的见地图与模子。图片起首：Pipebot官网

左图：瞎想完成的集成平台，可进入最小240mm直径管说念。右图：50-100mm长的小型机器东说念主。图片起首：Pipebot官网

小小的形体捎带不了太多硬件，何如讹诈有限的电力和算力应酬复杂的环境，划定我方畅通？机器东说念主划定功能的瞎想灵感起首于一种叫“鲜艳隐杆线虫”的生物。

线虫惟有 302 个神经元细胞，但发展出了一种机智的要领来感知周遭：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，而不需要知说念完满的数值，信息惩办起来简单便利。

机器东说念主鉴戒这一特点，仅需一丝的计划资源就能初始自动划定算法。录像头、红传闻感器等元件负责网络外部环境信号，并简单分析，再传输给里面的传感器。传感器证据输入信号的变化再对驱动轮下达高歌，举例直行、转向、避障等。

视觉里程计：精确的地点感

跟着小分队的跋涉，光芒冉冉灰暗下去，咱们被阴郁所笼罩。在阴晦的地下空间中，卫星定位系统“鞭长莫及”，要念念不迷途，机器东说念主只可靠我方画图舆图，并笃定我方在图中所处的位置。

闭环检测。图片起首：Pipebots官网

典型的 SLAM 系统。传感器将原始数据传输到“前端”，该前端惩办原始数据、索求特征并实施数据关联，前端将惩办后的数据传输到“后端”。“后端”推测机器东说念主的姿势（机器东说念主位置和地点）和舆图，不错上前端提供反馈以进行闭环检测。

图片起首：Aitken.et.al, 2021

念念象一下，当你来到一个新城市旅游，不靠导航何如确保我方不迷途？一个行之有用的要领是中式一个地标来匡助我方牵记和判断位置，举例那栋最高的楼，或是一棵稀奇古怪的树。机器东说念主亦然这样念念的，它们讹诈视觉里程计（Visual odometry）达成这个要领：在行进时，拍摄一系列图像，中式图上一些具有代表性的点为特征点，分析图中点的畅通轨迹。此外，机器东说念主的划定提示亦然一个身分，举例行进时曾向哪边转向、转了几许度。

不外，水管子里面的悦目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相比显眼的点，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畅通而转变，不同视角的图片能用于计划出“深度”，即距离，从二维图像推测三维空间，尽可能规复现场，形色出的管网澄莹图，既能为机器东说念主自己提供导航，又能为大地上的东说念主类操作员提供地形参考，让后续的维修精着实施。“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、心理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。图片起首：Pipebot官网

超声波定位：透露的感官

说了半天，让咱们回到此行的中枢任务上——机器东说念主是何如对管说念进行“望闻问切”的？这收获于它们横蛮的“眼”与“耳”，固然还是搭载了小型录像头，但此处伸手不见五指，“听声辨位”亦然一种有用的要领。

机器东说念主像蝙蝠同样发出超声波信号，凝听回声。与蝙蝠不同的是，“纯正考核兵”讹诈的是超声导波——一种只沿特定地点传播的超声波。每个“兵”捎带有超声换能器，大略将电能调遣为声能，产生超声波脉冲。管说念壁不错将念念要兔脱的声波围在管说念里面，将波的传播地点划定在轴线方朝上，聚积火力，传播几米致使几十米，扩大检测的领域。

证据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，要是收受到较强的回声信号，证实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，超声换能器收受这些回声信号，机器东说念主历程放大、惩办、数据库比对，就不错识别缺损特征，举例堵塞、泄漏、裂口、腐蚀、孔洞等。同期，它们会在检测点隔邻再开展几次稀奇的测量，对信号起首也即是缺损处进行定位，超声波不错从各个地点和角度探伤，不受制于遮盖物，达成无损检测。

（a）小砖块堵塞管说念底部的像片。（b）传感器阵列产生的图像。

图片起首：Towlson.et.al，2022

证据传感器数据画图的三维图像，流露了300毫米管段中三个趋附管壁的孔。

图片起首：Towlson.et.al，2022

管说念发生泄漏时，高压流体从孔洞弊端中溢出，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平直测量这些信号，这些被称为“被迫式检测”。

加快度计这个名词可能不常见，但咱们的平素生计却频繁用到它：逐日步数的统计以及或然过于智慧的“摇一摇”功能，都收获于这种元件，它不错感应物体的转移或转念。

管说念泄漏酿成水压变化，引起管壁振动。将捎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，并比对两份效果来笃定泄漏位置。

水听器则是一种大略测量水下声压的声学换能器。机器东说念主可捎带水听器，凝听并分析管说念中的噪声频谱。当噪声谱对上了典型的泄漏声谱时，就不错笃定泄漏发生。

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

使用水听器的管说念检测。图片起首：Yu, et.al., 2021

声学扫描口角侵入性的，可最小化侵扰和损坏，并探查难以到达的区域，聚合声学、超声波和录像头的光学数据，“考核兵”就可在复杂的管说念里面精确地探伤、定位损坏点，为东说念主类传回罕有的谍报。

在管说念诊治的“纯正战”中，小型机器东说念主的加入不错匡助咱们主动监测管网现象，早发现、早开荒，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、配电澄莹等身手开展会诊。展望三到四年内，肖似的小机器东说念主集群就能正经上岗，提供给管说念行业并干预使用。

东说念主类的坐蓐生计越来越密切地与机器东说念主掂量在一皆，当琳琅满策画无东说念主机、东说念主形机器东说念主占据科技热门话题时，改日在地下不为东说念主知的旯旮里，也将有一群机器东说念主寂寂无闻地为咱们事业。

参考文件

[1]王优玲.我国将每年校正10万公里以上地下管线.新社.https://www.gov.cn/lianbo/bumen/202402/content_6931585.htm#:~:text=

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[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

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[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

运筹帷幄制作

出品丨科普中国

作家丨严益章 英国谢菲尔德大学参餬口在读

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林