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团队成员在”挑战杯“决赛现场合影

快看！一个机器人正在充斥着水流的管道中稳速前进，挡路的淤泥和杂草被迅速搅碎，这个机器人的巨大探头彰显着它的身份———一款用于地下管网检测和维护的智能机器人。我校自动化学院、人工智能学院一支学生团队历时八个月，成功研制出这一款模块化智能管道检测机器人，手捧第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛决赛特等奖而归。地下管网作为城市生命线，规模庞大、工况复杂，管网数字化、智能化运维迫在眉睫。该款机器人集管道检测和维护功能于一体，可以实现地下管网巡检监测、拥堵治理的智能运维一体化，减轻城市地下管网的清淤负担。

得益于学院在地下管网相关领域的研究基础，“挑战杯”决赛题目“城市排水管道智能作业机器人系统研究”一经公布，团队成员立即通过辅导员老师与指导老师陈宇鸣、陶锴和谢平取得联系，决定在原先的研究基础上进行创新，研究出一款可以适应地下管网各种环境的模块化机器人。确认主题后，团队与三位指导老师共同解析命题，确认机器人的外部件材质、用于检测的管道管径等。同时，大家迅速依据各成员优势和课题需要进行分工，将后续研究细分为总体创意、算法部署、实体组装、数据检测四方面。

“机器人的核心主控部件相当于人类大脑。我们针对机器人工作时可能遇到的各种环境条件，为主控部件加上不同的模块单元，就像解答数学题时，大脑根据不同的题型生成多样的解题思路。”队长杨天博解释道。

鉴于地下管网环境多样且复杂，目前市面上尚未存在可以模块化处理地下管网的机器，仍以单一功能的仪器为主。针对这一问题，该支队伍在交流讨论后，构建了由态势感知到清淤清堵的闭环系统方案，选择模块化设计理念，采用“核心筒+模块化”单元高效组合方案，研发核心筒作为主控模块，内置载波通信单元，配合岸上绕线机构进行通信，分别设计了潜航、清淤、轮机三大模块，可完成满水、半水及无水的探测及清淤工作。“无水环境中，机器人通过摄像头扫描周边环境，轮式机开路；有水时，它则采用声呐探测，螺旋桨推进。

针对不同的工况，它总能拿出最优解答。”团队成员李雪莹介绍。

团队在采用声呐探测满水环境时，发现水中杂质及水流的存在，使得声呐扫描出的管道截面存在一定角度偏差。经过多次讨论和研究，他们注意到了在机器人主控中的惯性导航单元。“它能够获取机器人运动的姿态角、角速度和加速度，同时还能够获取机器人在水下的速度。我们可以将这些位置信息与扫描的图像结合起来，通过算法矫正图像的畸变，减少误差。”团队成员李子豪阐释。根据采集的位姿信号和变结构元的形态学操作校正图像，团队解决了水下声纳图像畸变问题，校正后准确率达98.3%。

面对管道工作中存在的满水、半水、无水等多种工况，传统的地下管网人工检测和机器人检测往往需要停水停工，耗费经济和时间成本。当管道网络规模较大时，对地下管网的检测和维护速度较慢，存在一定滞后性。杨天博团队采用了粉碎淤泥、小部分抽吸的策略，充分利用自然水势，将淤泥带走，以较为轻便简单的方式，使得检测机器人可以在不同工况下完成检测任务，简化了工作难度。“我们相当于用了一股巧劲儿，面对管道中的淤泥，采取了四两拨千斤的方法。”杨天博说道。

目前，这款模块化管道检测机器人已经获得业内多家企业关注。据了解，这款机器人的模块化单元均经过省计量院的检测测试，达到了实地工作的能力，可以并行开发，并具备量产条件。未来，团队还将持续对这款机器人的功能和算法进行优化，“它的功能可以进一步集成，让地下管网的检测与维护，更为高效便捷。”指导老师陈宇鸣谈道。 （方奕菲 熊静怡）