影音》創新AI領航海洋 中山大學研發水下無人機

發佈日期: 2023-04-19

 

海洋富含資源卻也暗藏危機,為了進一步了解水下世界,國立中山大學執行國科會半導體射月計畫「水下無人載具人工智慧系統關鍵技術研發」整合型計畫,應用AI與深度學習(Deep Learning)技術,導入通訊技術、半導體、嵌入式系統,率先成功打造台灣第一台具備AI能力、100%MIT的海洋專用水下無人機,在辨識速度、影像資訊豐富度、定位、避障導航、充電效率等享有技術優勢,領航學術研究與產學合作。

要在海洋進行建設與學術發展,自主式水下無人機(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)技術至關重大。負責計畫的中山大學電機系教授兼研發長王朝欽指出,相較於空中無人機,海洋專用水下無人機面臨更嚴苛的環境考驗,團隊開發低功耗、高效能的輕量化神經網路演算法與硬體加速器,並應用影像除霧、色彩還原與LED智慧補光等AI技術,「將水下物件辨識正確率提升至80%以上,且辨識速度快如人眼,約為每秒辨識20張照片的高速效能。」

這台搭載創新AI技術的AUV,可辨識玻璃瓶、寶特瓶、輪胎,可望助攻海洋環保、污染監控工作,也能夠辨識潛水員、獅子魚、海龜、鯊魚、魟魚等20多種生物,能夠用於精準漁業養殖、海洋搜救。除了物件辨識外,團隊還為AUV搭載海床底質聲學遙測分析AI系統,能夠分析泥、沙、岩石等海床材質,可應用於國防(潛艇)、綠能(離岸風電)、魚探機等領域,例如精準有效監控離岸風電基樁周圍土壤變化情形,助攻我國未來綠電產業發展。

為了驗證研發的AUV能夠克服泥沙、洋流、光線昏暗等海洋環境考驗,團隊將AUV分階段於高雄港、安平港、小琉球外海實測,王朝欽教授還特地受訓考取「初階開放水域潛水員」執照,親自下海實測。上述實海測試確認AUV的除霧、避障、辨識、大範圍(80X80公尺)巡航等能力。

有限的電池電力,是所有無人機,不論是天上或是海下的,都必須面對的挑戰。為了降低AUV下水後的耗電,現階段必須取捨即時學習,以達到可即時辨識。王朝欽說明,團隊捨棄即時學習,在下水前就為AUV做好機器學習,將電力留給即時辨識的運算耗能,讓AUV在海洋中能夠做到即時偵測、辨識和追蹤物件。團隊並且發展出發展出兩種AUV快充技術,包括快速更換電池與無須上岸的隔水充電,為海洋研發續航取得時效優勢。

「水下無人載具人工智慧系統關鍵技術研發」計畫為期四年,中山大學身為我國首度為AUV搭載AI能力的研發團隊,過程中面臨各式難題。例如,要讓AI做到精準辨識,必須具備至少萬張的大量標示好的物件圖片,團隊在計畫初期即面臨圖片不足的挑戰,便善用3D建模技術將一張照片擴大至百張的效益,順利建立水下資料庫,提供AI學習、辨識、優化。此外,也運用鯊魚、小丑魚等玩偶為初步測試素材,兼顧學術研發與動物保育。

水下世界背景噪音大、聲波傳導更為複雜與困難,團隊首度在小琉球外海實測時,就發生母船下達啟動聲音訊號後,AUV卻無法啟動的狀況,透過加大聲音發射功率、發射角度對準AUV方位、避開海床或船隻等聲波折射干擾因素三管齊下,AUV能夠在近半海浬外接收到母船發出的訊息、順利啟動。

累積AI研發成果,中山大學在2020年率先腳步,成功打造台灣第一且唯一開發研製、具有AI能力的海洋專用水下無人機,在AI技術創新突破,能夠做到物體辨識、追蹤、避障、自我修正,為我國海洋科技產業奠定獨立自主技術根基,將貢獻於水下環境探勘、救援、資源搜集與生物紀錄、魚探、智慧養殖、污染監控、國防安全等領域。延續計畫的創新突破,2022年,王朝欽再度率領中山大學團隊深化水下人工智慧研究,開展為期兩年(2022 年至2024年)的「海洋物聯網之資訊安全設計與模擬」延續計畫,進一步將人工智慧導入水下網路資訊安全,確保水下無線網路的安全性,持續以AI研發助攻水下世界應用創新。