Việc thám hiểm đại dương sâu bị đình trệ khi các đám mây trầm tích làm mù camera quang học, khiến các ROV phải trôi dạt trong vô định. Các nhà nghiên cứu tại Viện Hải dương học Woods Hole (WHOI) đã xây dựng một hệ thống kết hợp sonar với các thuật toán tiên tiến để điều hướng trong "vùng nước đục" theo thời gian thực.

Thu hẹp khoảng cách giữa Sonar và Thị giác

Robot dưới nước luôn phải đánh đổi giữa khả năng hiển thị và độ phân giải. Camera cung cấp hình ảnh sắc nét nhưng sẽ trở nên vô dụng ngay khi một ROV làm khuấy động cát. Sonar có thể xuyên qua các mảnh vụn nhưng chỉ cung cấp chi tiết thô, không đủ để thực hiện các thao tác tinh vi.

Amy Phung (SM ’23, PhD ’26) và Richard Camilli (SM ’00, PhD ’03) đã giải quyết sự đánh đổi đó bằng một phương pháp tiếp cận hybrid. Đầu tiên, hệ thống thực hiện một đợt quét sonar nhanh để lập bản đồ đáy biển. Bản đồ đó cung cấp cho phương tiện nhận thức không gian an toàn bất kể độ trong của nước. Sau đó, ROV tiến lại gần mục tiêu cho đến khi trầm tích lắng xuống hoặc khoảng cách đủ gần để camera độ phân giải cao của nó có thể chụp lại các chi tiết tinh xảo.

Xử lý thời gian thực thông qua các thuật toán khớp hình ảnh

Việc lập bản đồ đáy biển ngay tức thì đòi hỏi hiệu suất tính toán cực cao. Nhóm nghiên cứu WHOI đã áp dụng một thuật toán khớp hình ảnh (image-matching algorithm) ban đầu được tạo ra bởi một nhóm nghiên cứu của Pháp. Thuật toán này coi mỗi pixel sonar là một manh mối về độ sâu, ước tính khoảng cách từ bề mặt xuống dưới nó. Bằng cách ghép các ước tính độ sâu đó lại với nhau, phần mềm xây dựng một hình ảnh 3D nhanh hơn nhiều so với các phương pháp tái tạo âm học truyền thống. Tốc độ này cho phép các hệ thống tự hành hoặc điều khiển từ xa đưa ra các quyết định điều hướng trong tích tắc và tránh va chạm.

Tác động đối với Ngành công nghiệp và Quốc phòng dưới biển sâu

Khả năng nhìn xuyên qua trầm tích đang tái định hình nhiều lĩnh vực quan trọng. Các nhà khoa học có thể thu thập dữ liệu không gián đoạn trong các vùng đáy biển biến động. Các kỹ sư có được tầm nhìn đáng tin cậy để xây dựng dưới nước và bảo trì cơ sở hạ tầng, nơi các hoạt động của con người liên tục làm khuấy động bùn cát.

Công nghệ này cũng tăng cường khả năng quốc phòng. Trong các nhiệm vụ chống mìn, các vật liệu chưa nổ thường ẩn mình dưới các lớp bùn. Hệ thống sonar-thị giác có thể điều hướng trong điều kiện "mất tầm nhìn", định vị các thiết bị xử lý một cách tự tin, và sau đó xác minh mục tiêu khi nước đủ trong để camera có thể chụp ảnh. Sự chuyển dịch này đưa các robot dưới nước từ những quan sát viên thụ động trở thành những tác nhân thông minh và chủ động dưới đáy biển.

Các điểm chính cần lưu ý

  • Điều hướng Hybrid: Sonar cung cấp bản phác thảo địa hình ban đầu; camera độ phân giải cao cung cấp hình ảnh chi tiết khi điều kiện cải thiện.
  • Tốc độ thuật toán: Quy trình khớp hình ảnh có nguồn gốc từ Pháp ước tính độ sâu trực tiếp từ dữ liệu sonar 2D, cho phép lập bản đồ 3D trong thời gian thực.
  • Ứng dụng đa dạng: Hệ thống mang lại lợi ích cho ngành hải dương học, xây dựng dưới biển, bảo trì cơ sở hạ tầng và xử lý mìn nguy hiểm.

Hệ thống sonar-thị giác hỗ trợ bởi AI của WHOI hiện cho phép các robot dưới nước xây dựng hình ảnh 3D về môi trường xung quanh trong thời gian thực, ngay cả khi các đám mây trầm tích khiến camera trở nên vô dụng.

Từ điểm mù đến bản đồ 3D thời gian thực

Các ROV truyền thống dựa vào camera quang học để lấy chi tiết, nhưng chỉ một cú khuấy cát cũng có thể biến tầm nhìn rõ ràng thành một bức tường đục ngầu. Sonar—các xung âm thanh phản xạ từ đáy biển—có thể nhìn xuyên qua sự mờ đục, nhưng các tín hiệu thô của nó lại thiếu các chi tiết tinh xảo cần thiết cho các nhiệm vụ như cầm nắm một mẫu vật mỏng manh hoặc luồn dây cáp.

Phung và Camilli đã trực tiếp giải quyết sự đánh đổi này. Hệ thống hybrid của họ thực hiện một đợt quét sonar nhanh, đưa dữ liệu vào thuật toán khớp hình ảnh của Pháp và coi mỗi pixel sonar là một manh mối về độ sâu. Bằng cách ghép các manh mối đó lại, phần mềm tạo ra một mô hình 3D đầy đủ đủ nhanh để ROV có thể điều chỉnh lộ trình ngay tức thì.

Khi phương tiện tiếp cận vùng nước trong hơn—bằng cách lùi xa khỏi vùng bị xáo trộn hoặc chờ trầm tích lắng xuống—các camera độ phân giải cao trên tàu sẽ chụp những bức ảnh chi tiết. Về cơ bản, sonar đóng vai trò như "thị lực" độ phân giải thấp giúp robot định hướng cho đến khi "đôi mắt" quang học có thể tiếp quản.

Tại sao tốc độ lại quan trọng

Các quy trình cũ cần vài giây hoặc vài phút để chuyển đổi tín hiệu sonar thành bản đồ 3D—quá chậm đối với một ROV phải né tránh chướng ngại vật hoặc căn chỉnh cánh tay máy. Quy trình có nguồn gốc từ Pháp này đã vượt qua nút thắt đó bằng cách ước tính độ sâu trực tiếp từ hình ảnh sonar 2D, loại bỏ nhu cầu tái tạo âm học đầy đủ. Vòng lặp nhận thức hiện chạy trong thời gian thực, giúp robot nhận biết từng khoảnh khắc về các vách đá, khe nứt và các mảnh vụn rời rạc.

Trong các môi trường đáy biển biến động, các dòng chảy có thể khuấy động trầm tích chỉ trong nháy mắt. Chỉ một sự chậm trễ vài giây cũng có thể dẫn đến va chạm, mất mẫu vật hoặc hư hỏng phương tiện. Hệ thống WHOI cho phép các toán điều khiển—hoặc phần mềm điều khiển tự hành—đưa ra các quyết định điều hướng trong tích tắc dựa trên hình ảnh 3D được cập nhật liên tục.

Tầm quan trọng trong Khoa học, Công nghiệp và Quốc phòng

Thăm dò Khoa học

Các nhà sinh vật học biển và nhà địa chất thường nhắm tới các môi trường sống mong manh như các miệng phun thủy nhiệt hoặc san hô biển sâu. Những khu vực này rất dễ bị xáo trộn; phương pháp chỉ sử dụng camera buộc các nhà nghiên cứu phải tạm dừng bất cứ khi nào xuất hiện các đám mây trầm tích, dẫn đến nguy cơ bỏ lỡ các quan sát quan trọng. Điều hướng hỗ trợ bởi sonar cho phép ROV duy trì khoảng cách an toàn, lập bản đồ địa hình, và sau đó tiếp cận gần để chụp ảnh độ phân giải cao khi điều kiện nước đã trong trở lại, giúp bảo tồn cả môi trường sống lẫn dữ liệu.

Xây dựng và Bảo trì Ngoài khơi

Việc lắp đặt đường ống, cáp điện hoặc các van dưới biển đòi hỏi việc định vị công cụ chính xác trong điều kiện nước hiếm khi yên tĩnh. Các tàu do con người điều khiển thường khuấy động bùn cát, biến một nhiệm vụ thông thường thành một trò chơi đoán mò bằng mắt. Hệ thống nhận thức hỗn hợp cung cấp một tầm nhìn "xuyên thấu" đáng tin cậy để điều khiển các động cơ đẩy và cánh tay máy mà không cần chờ nước lắng xuống, từ đó có khả năng rút ngắn tiến độ dự án và giảm thiểu rủi ro va chạm vô ý vào cơ sở hạ tầng hiện có.

Chống mìn Hải quân

Các vật liệu chưa nổ thường nằm vùi dưới các lớp bùn, khiến việc phát hiện bằng mắt trở nên bất khả thi. Sonar truyền thống có thể xác định hình dáng chung của một quả mìn nhưng không thể xác nhận loại mìn nếu không có tầm nhìn rõ ràng. Bằng cách kết hợp lập bản đồ sonar với ước tính độ sâu nhanh chóng, nền tảng WHOI có thể điều hướng qua các vùng "mất tầm nhìn", định vị thiết bị tiêu hủy một cách tự tin và xác nhận mục tiêu ngay khi nước đủ trong để camera có thể chụp ảnh. Khả năng này giúp các hoạt động rà phá mìn tại các vùng ven biển tranh chấp trở nên nhanh chóng và an toàn hơn.