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面向河流水域搜寻任务的空—水协同两栖无人平台设计

Design of an Air–Water Coordinated Amphibious Unmanned Platform for River Water Search Missions

发布时间：2026-09-30
作者: 王兴豪 ,邓萍 ,朱宇辰 :成都工业学院 四川宜宾; WANG Xinghao ,DENG Ping ,ZHU Yuchen :Chengdu Technological University, Yibin;
摘要: 针对河流水域搜寻任务中“广域快速发现”与“抵近精确处置”两类能力难以由单一平台兼顾的问题，本论文提出一种空—水异构无人平台协同作业架构，并设计两栖无人平台样机对其中的空中观测与抵近处置环节进行实验验证。系统采用“感知—决策—执行”三层架构：空中平台承担广域图像采集与目标初筛，基于 HSV 空间分离、限制对比度自适应直方图均衡与形态学滤波构建适应水面强反光场景的图像预处理流程，并结合飞行姿态与高度信息将目标像素坐标解算为地理坐标；水面平台接收目标坐标后完成自主路径规划与抵近处置。为在单一平台上验证上述流程的可行性，研制了具备水面浮态保持与目标抓取能力的两栖样机，采用多旋翼构型并加装浮筒与欠驱动抓取机构，并完成空中巡飞、水面驻留与目标抓取的连续作业。在水面宽度约 200 m、流速约 0.3 m/s 的开阔河段开展实地测试。测试结果表明：在典型巡飞高度下，样机能够有效识别模拟漂浮目标，地理坐标解算偏差保持在任务容许范围内，单架次飞行可完成预定巡飞作业；加装浮筒后可在水面稳定驻留，电子舱未出现进水，并能够完成对模拟漂浮目标的抓取。实地测试初步验证了“发现—定位—抵近—处置”主链路的工程可行性。
Abstract: To address the challenge that "wide-area rapid discovery" and "close-range precise disposal" capabilities are difficult to achieve simultaneously on a single platform in river water search missions, this paper proposes a collaborative operation architecture based on air-water heterogeneous unmanned platforms, and designs an amphibious unmanned platform prototype to experimentally verify the aerial observation and close-range disposal stages within this architecture. The system adopts a three-layer "perception-decision-execution" architecture: the aerial platform performs wide-area image acquisition and initial target screening, employing an image preprocessing pipeline based on HSV color-space separation, Contrast-Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE), and morphological filtering to handle strong water-surface reflection scenes, and resolves target pixel coordinates into geographic coordinates by combining flight attitude and altitude information; the water-surface platform, upon receiving the target coordinates, completes autonomous path planning and close-range disposal. To verify the feasibility of the above process on a single platform, an amphibious prototype with water-surface buoyancy maintenance and target grasping capabilities was developed, adopting a multi-rotor configuration equipped with buoys and an underactuated grasping mechanism, and accomplishing continuous operations of aerial patrol flight, water-surface station-keeping, and target grasping. Field tests were conducted in an open river section with a surface width of approximately 200 m and a flow velocity of approximately 0.3 m/s. Test results show that: at typical patrol altitudes, the prototype can effectively identify simulated floating targets; the geographic coordinate resolution error remains within the mission-tolerable range; a single sortie can complete the scheduled patrol mission; with buoys installed, the prototype can maintain stable station-keeping on the water surface without water ingress into the electronic compartment; and it can successfully grasp simulated floating targets. Field tests preliminarily verified the engineering feasibility of the main operational chain of "discovery-positioning-approach-disposal."
关键词: 空—水协同；两栖无人平台；水面目标检测；目标抓取
Keywords: air-water coordination; amphibious unmanned platform; water-surface target detection; target grasping

引言

河流水域承担着城市生态调节、航运与防洪等多重功能，同时也是事故与污染的高发场域。汛期漂浮物排查、水域事故人员搜寻、非法排污溯源与水生态巡检等任务具有共同特征：目标位置先验未知、待搜寻水域范围广阔、有效作业时间窗口狭窄。

现有作业方式存在明确局限。岸基人工巡查受地形条件制约，在芦苇荡、滩涂与陡岸等区域难以抵近观测；载人巡逻艇机动性不足、单位时间覆盖效率低，且在急流、暗礁与水草密集区存在人员安全风险。将无人平台引入水域作业可部分改善上述状况，但单一平台仍存在固有短板：多旋翼无人机视野开阔、机动迅速，适于大范围快速扫掠，然而受电池容量制约续航有限；水面无人艇可长时间驻留并搭载重载荷，但观测视角贴近水面，远距离探测能力受限，在开阔水域独立执行搜寻任务效率低下。

上述矛盾的实质在于，搜寻任务同时要求广域发现能力与抵近处置能力，而二者在传感器视场、续航特性与载荷能力上存在天然冲突。异构平台协同为该问题提供了可行解：空中平台与水面平台分别承担观测与执行职能，通过坐标信息的实时传递构成作业闭环。

本文主要工作包括：（1）提出空—水异构平台协同的三层系统架构，明确目标发现、坐标传递与抵近处置的信息流程；（2）针对水面强反光、波纹干扰与目标尺度小的成像特点，设计相应的图像预处理流程并建立由像素坐标至地理坐标的解算模型；（3）设计并试制两栖无人平台样机，在单一平台上集成空中观测与水面处置能力，用以验证上述感知与处置流程的工程可行性；（4）通过实地水域实验获取定量指标并识别主要误差来源。

1 系统总体设计

1.1 协同作业架构

系统采用“感知—决策—执行”三层架构。

感知层由空中平台的下视摄像头、水面平台的前视摄像头、超声波避障模块与 GPS/IMU 组合导航单元构成，分别完成空中广域图像采集、近水面感知与平台自身定位。

决策层部署于机载计算单元，图像经目标检测算法处理后输出目标类别与像素坐标，结合同步采集的飞行姿态与高度信息解算为目标地理坐标。

执行层接收目标地理坐标，完成路径规划与航行控制，自主抵达目标水域并实施抓取或采样等处置作业。

现阶段信息流为单向：空中平台发现并定位目标，执行平台接收坐标并抵近处置。

1.2 两栖样机平台

为在完成水面无人艇研制之前验证“发现—定位—抵近—处置”主链路的可行性，试制了一台两栖无人平台样机，将空中观测与水面处置两类职能集成于单一平台。该平台采用多旋翼构型，机体结构基于 SolidWorks 完成全三维建模。机体尺寸选取需在巡飞视野与场地适应性之间权衡：尺寸过大将影响转场运输与临时场地起降的便利性，过小则导致载荷能力与抗风性能不足。建模过程中对机臂强度、抓取机构安装位刚度与电池仓重心配平三处进行了多轮结构迭代，并采用静力学仿真对关键连接件的应力分布进行校核。

侧视图、正视图、轴测图和俯视图
图 1 两栖无人平台三维建模模型

机体下方集成用于目标抓取的欠驱动执行机构，由舵机驱动多指爪完成张开与闭合动作，指面采用分段式结构以适应不同尺寸与外形的漂浮目标。动力系统采用外置支臂布置，使旋翼平面高于抓取机构工作空间，避免二者产生运动干涉。样机侧视结构如图 2 所示。

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图 2 两栖样机整体结构与抓取机构

为实现水面驻留能力，机体两侧加装浮筒。浮筒提供的浮力需满足两项要求：一是保证平台入水后干舷高度足以避免电子舱进水；二是使浮心与重心在水平面内的投影尽量接近，以抑制水面驻留时的纵倾与横倾，为抓取作业提供稳定基座。样机水面部署状态如图 3 所示。

图 3 两栖样机浮筒布置与水域部署状态

1.3 水面无人艇平台设计方案

水面无人艇拟采用双体艇构型，选型依据包括三个方面：其一，双体构型在低速航行时横摇幅度较小、姿态稳定性较高，有利于图像采集与船载设备正常工作；其二，两片舟体之间的甲板面积较大，便于布置可更换载荷舱以支持任务类型切换；其三，吃水较浅，在浅滩与水草区具有更好的通过性。推进方式拟采用左右推进器差速控制，以简化机构并提高低速状态下的转向灵活性。船体结构图纸已同步完成，可直接用于后续加工与装配。

2 目标检测与地理坐标解算

2.1 图像预处理

水面场景成像具有强反光、波纹干扰、目标像素尺度小与背景纹理高度重复等特点，直接进行目标检测易产生大量误检。为此设计如下预处理流程：

（1）ROI 裁剪。依据当前飞行高度确定地面覆盖范围，裁剪有效感兴趣区域，降低后续处理的运算量；

（1）色彩空间转换。将图像由 RGB 转入 HSV 空间进行通道分离，利用色调与饱和度通道对亮度变化的相对不敏感性，减弱光照波动干扰；

（3）高斯滤波。抑制水面细碎波纹形成的高频噪声；

（4）限制对比度自适应直方图均衡（CLAHE）。采用分块局部均衡并对对比度增益施加上限，缓解镜面反光造成的局部过曝，同时避免全局均衡引入的噪声放大；

（5）形态学开闭运算。先开运算清除孤立噪点，后闭运算填补目标区域空洞，改善连通域完整性。

预处理后的图像送入目标检测模块，输出目标类别标签与包围框中心像素坐标。算法基于 Python 与 OpenCV 实现。

2.2 地理坐标解算模型

设目标在图像中的像素坐标为 (u, v），相机内参矩阵为 K，平台相对水面的高度为 h，机体相对导航坐标系的旋转矩阵为 R。在水面近似为平面的假设下，目标在相机坐标系中的方向向量为

（1）

将其变换至导航坐标系并与水平面求交，得到目标相对平台的水平位移为

（2）

式中下标 x、y、z 分别表示向量在导航坐标系三个轴向上的分量。叠加平台当前 GPS 位置即得目标地理坐标。由式（2）可知，定位误差与飞行高度 h 成正比，并随姿态角误差的增大而线性放大。无人机航拍图像中的目标地理定位方法已有较多研究，例如通过相机参数自动标定提升定位精度的方案，以及面向无人机航拍图像的人员检测与地理定位估计方法，为本文解算模型的工程实现提供了参考。

3 实验与结果分析

3.1 实验条件

实地测试场地为开阔河段，水面宽度约 200 m，水流平缓，流速约 0.3 m/s；测试期间风力 2～3 级，天气晴间多云。测试目标为人工投放的模拟漂浮目标，状态为静止或随水流缓慢漂移。

测试分三项内容推进：其一为飞行性能与图像回传测试，验证平台在加装浮筒与抓取机构后的飞行姿态稳定性、航线执行能力与图传链路质量；其二为水面浮态与低速移动测试，验证平台入水后的干舷高度、姿态稳定性与水面移动能力；其三为目标抓取测试，验证由目标识别至抓取完成的完整作业流程。

3.2 飞行与识别测试结果

飞行与识别测试的主要实测结果如表 1 所示。

表 1 飞行与目标识别实测结果
测试项 测试条件 评估结果
目标识别能力 典型巡飞高度，模拟漂浮目标 可实现对模拟漂浮目标的有效识别
地理坐标解算偏差 典型巡飞高度 偏差保持在任务容许范围内
单架次连续飞行时长 满电起始，含悬停与巡飞 可完成单次巡飞作业

3.3 水面浮态与抓取测试结果

水面浮态测试中，平台在加装浮筒后可稳定驻留于水面，电子舱未出现进水情况，姿态在测试风况下保持稳定（定性评估，未测量驻留时的纵倾、横倾角数值），具备实施抓取作业的基本条件。

抓取测试结果表明，平台能够对模拟漂浮目标实现有效抓取，单次抓取作业耗时处于秒级量级；抓取成功次数、成功率与失败模式统计留待后续补充。测试表明，由目标识别、位置精调至抓取完成的完整作业流程可在实地水域条件下初步闭合运行。

4 结论与后续工作

本文提出了面向河流水域搜寻任务的空—水异构平台协同作业架构，建立了适应水面场景的图像预处理流程与地理坐标解算模型，并研制两栖无人平台样机，对其中空中观测与抵近处置环节完成了初步实地验证。实测结果表明，样机在巡飞高度下对模拟漂浮目标实现了定性有效识别，地理坐标解算偏差保持在容许范围内，并可在实地水域条件下完成水面驻留与目标抓取作业，初步验证了“发现—定位—抵近—处置”主链路在两栖样机平台上的工程可行性。

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