高凡承，陈 龙，李 康，陶金玲，周 航，张 涛

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

水下航行器[1]自主搜寻由多项技术组合而成，其中最重要的就是水下环境探测[2]功能，它是机器人的眼睛，实现目标检测与识别功能。本文旨在介绍将水下图像修复技术应用于水下机器人探测水下环境及有关水下视频处理，使拍摄到的水下视频的质量更好，视频中的物体更清晰。下面就对具有水下图像修复功能的水下环境探测机器人进行论述。

1.水下机器人硬件设计

本款水下机器人如图1所示，模仿潜艇的结构，在水下机器人下方两侧设计了支架，这样可以在水中保持平衡，便于水中拍摄时的稳定性。由于3D打印并不防水，主体可使用水管代替，将电机和树莓派放在水管里面，通过打孔方式将外界的螺旋桨、灯与电机、树莓派连接。因为是水下机器人，要保证密封性，四周的孔和水下机器人后部密封处要用防水胶封好。

图1 水下机器人设计图

2.水下机器人运动结构及控制系统设计

通过树莓派控制运动电机，并且对树莓派与运动电机进行单独供电。在进行水下测距时，超声波测距仪需要由驱动电路驱动换能器发出超声波，且由于水下声波能量损耗较大，同时绿蓝激光测距装置由于要产生激光，所以也需要耗费巨大的能量，本款水下机器人只需要小范围、耗能小的测距方式，因此使用红外测距传感器不断测距。水下机器人在运动的时候，进行不断的测距以防止撞到水下的物体以及接触到水底；考虑到水流会对机器人的位姿产生影响，使用imu来调整水下机器人的位姿；并且使用摄像头对于水下情况进行拍摄，最后传输到PC机，使用PC机进行图像增强与图像处理。水下机器人的控制系统如图2所示。

图2 水下机器人运动结构及控制系统设计图

3.软件设计方案

水下机器人首先接收指令，接收的指令分为搜索指令、回归指令和停止指令。接收到搜索指令和回归指令时开启距离检测器和电机，当且仅当接收到搜索指令时才会开启前置摄像器，拍摄实时影像。在运行的时候，进行信息返回，实时传输当前电机的运转速度和测距仪探测到的当前最近障碍物的距离，同时传输摄像器拍摄到的影像。在水下机器人运转之前，由管理员进行大致的区域规划，向机器人传输搜索指令。区域搜索完毕，向机器人传输回归指令，回到原点后传输停止指令。根据接收到的电机运转速率和测距仪测得的距离，计算出行进的相对距离，并绘制出行走轨迹地图。如果测距仪返回的距离达到危险距离（0.5 m），则对路径进行重新规划，选择没有障碍物的路线，规避障碍物。

图3 水下机器人软件系统设计图

4.水下图像处理方案

因为电子干扰及其他干扰因素的存在，拍摄到的图像中不可避免地会存在一些噪声，这对图像分析有干扰作用。我们将对获取的图像用滤波器进行降噪处理，减轻这一部分的影响。再使用修复算法处理掉水下图像中的气泡、泥沙等干扰物，以获得更加清晰的水下图像，便于后面的物体搜寻。

当前目标检测算法分为回归方法和卷积方法两类。回归方法是人工提取目标特征，设计分类器对特征进行线性回归和分类，完成目标识别功能。回归方法虽然计算速度快，但是准确率低，不满足任务需求。卷积识别方法是利用深度学习中的卷积神经网络[4]对目标进行特征提取与分类，完成目标识别任务。卷积识别准确率高，满足水下任务需求，是研究水下机器人的重点。采用CNN算法[3]进行图像增强，增强图片细节之后，再使用Deepfill算法[4]进行图像修复处理，这两个算法都是卷积算法，图像处理速度与效果很适合水下图像的处理，图4、图5为含有气泡的水下图像处理前、后的图像。

图4 含有气泡的水下图像处理前

图5 含有气泡的水下图像处理后

5.结语

本款水下机器人适用于探测具体水域地点、具体时间点的水下情况，并依据探测过程绘画出路程与水下情况图，适用于企业水下搜寻物体或者水下探测。虽然目前市场上有水下摄影机器人，但其缺少图像增强、图像修复功能，相比之下，本款水下机器人具有较好的发展前景。