Advancing Accessible Underwater Robotics: The Mini-Girona I-AUV at RAMI 2025
本文介绍了经济型 Mini-Girona I-AUV 的设计、开发及其竞争性性能，该设备在面对热挑战和接入挑战的情况下，通过展示其作为水下机器人研究与教育普及平台的潜力，在 RAMI 2025 学生竞赛中获得了第二名。
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海洋仍然是人类探索最后的伟大前沿之一，然而向那里派遣机器进行作业却极其困难且昂贵。几十年来，能够执行复杂任务（例如修理破损管道或检查脆弱结构）的水下机器人，要么是需要人类不断操控的简单遥控设备，要么是造价高达数十万美元、令大多数大学和研究人员望尘莫及的庞大自主机器。这种经济壁垒使得先进的水下机器人技术掌握在少数富裕机构手中，从而减缓了发现与创新的步伐。该领域目前正在寻找一个中间地带：一种既足够便宜以实现广泛应用，又足够聪明到能在没有人类手握操纵杆的情况下，自主在浑浊深海中航行的机器。
研究团队通过研制 Mini-Girona，向这一目标迈出了重要一步，这是一款旨在兼顾易用性与功能性的自主水下航行器。与那些为速度和长距离航行而设计的传统鱼雷状机器人不同，这款新机器优先考虑灵活性和原地悬停的能力，使其能够近距离对水下结构进行精细作业。团队在构建机器人时注重降低成本，目标价格约为 5 万美元，仅为同类研究型航行器成本的一小部分。为了实现这一目标，他们集成了先进的组件，如用于抓取物体的机械臂、如同人类眼睛般能观察三维世界的立体摄像头，以及能够运行人工智能以辅助机器人自主决策的强大计算机。其目标不仅是制造一台更便宜的机器人，更是要创造一种工具，填补基础遥控设备与昂贵研究平台之间的空白，为更多的学生和科学家进行水下自动化实验打开大门。
这项设计的真正考验出现在团队参加 RAMI 2025 竞赛时，这是一场在意大利拉斯佩齐亚海滨举行的高规格赛事。竞赛模拟了一个真实的紧急情况：关键水下基础设施受损，参赛队伍的任务是部署机器人来评估情况、定位破损管道并进行维修。挑战非常严峻：水质浑浊，能见度仅为一到三米，且机器人必须在没有人工干预的情况下，在一个 50 x 25 米的区域内进行航行。任务要求机器人寻找彩色浮标、跟随管道、识别损坏标记，并物理性地转动阀门以停止泄漏。这是一个严苛的环境，旨在测试自主机器在远离实验室安全环境的真实世界中的极限。
Mini-Girona 从一开始就面临着显著的障碍。在竞赛的第一天，高温导致机器人的内部电子元件过热，干扰了其在前两天进行自主通信和导航的能力。此外，由于会场严格的安全规定，八名团队成员中只有三人获准进入竞赛区域，迫使一小组人在巨大的压力下管理复杂的作业。尽管遭遇这些挫折，机器人的底层设计仍表现出了韧性。团队成功让机器人恢复运行并表现良好，最终在比赛中获得了总成绩第二名。他们在需要视觉和物理交互的任务中表现尤为出色，在检查现场和执行干预任务方面获得了高分。
机器人的成功很大程度上取决于它如何“看”并理解水下世界。Mini-Girona 没有依赖单一摄像头，而是使用了并排安装的两台摄像头来创建周围环境的三维视图，就像人类的双目视觉一样。该系统使机器人能够构建详细的海底地图，即使在低能见度下也能识别管道、阀门和浮标等物体。机器人的软件利用人工智能来识别这些物体并计算其距离，从而引导航行器安全地绕过障碍物。在进行维修时，机器人使用一个五关节机械臂伸出并转动阀门。虽然由于早前的技术问题，最后的转动动作是在部分人工协助下完成的，但机器人成功抓取了回收杆并浮出水面，证明了该机器能够精准地与环境进行物理交互。
竞赛结果凸显了廉价水下机器人的潜力与现状局限。Mini-Geroa 证明了低成本平台可以在复杂的现实场景中与昂贵得多的机器竞争，并在导航和目标检测方面实现了高度的自主性。团队在基于视觉的任务中的表现尤为强劲，表明先进的计算机视觉即使在挑战性的开放海域条件下也能有效工作。然而，这次经历也揭示了需要改进之处。过热问题以及小规模团队面临的困难，强调了未来任务中加强热管理和建立更稳健应急预案的必要性。
展望未来，研究人员计划完善机器人的各项能力，使其更加可靠。未来的工作将侧重于利用深度学习提升机器人重建水下环境三维图像的能力，这可能带来无需任何人工帮助的完全自主干预任务。团队还打算测试不同的传感器组合，例如将单摄像头与声呐系统配对，以开发更先进的数据融合方式。通过不断推动廉价技术能力的边界，Mini-Girona 项目正在帮助实现水下机器人的民主化，确保探索和保护海洋所需的工具能够为更广泛的科学家和工程师群体所用。
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