［德國］P．托爾斯滕等

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基于無人水下機(jī)器人的水電站和大壩檢測技術(shù)

［德國］P．托爾斯滕等

摘要:水電站和大壩淹沒區(qū)通常只能通過測量其地理位置、使用滲濾液和目測來進(jìn)行監(jiān)測。對水下基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測和檢查，有助于防止重大危害的發(fā)生。介紹了一些最新研究成果，例如自動檢查水下基礎(chǔ)設(shè)施(港口、海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)、大壩)的水下機(jī)器人制導(dǎo)方法。該方法要求水下機(jī)器人配備精確的導(dǎo)航系統(tǒng)，因而造價很高。

關(guān)鍵詞:壩;水電站;檢測技術(shù);水下機(jī)器人

1　概述

目前，全球有很多水電站和大壩都已達(dá)到或超出其服役年限，一般采用測量大壩運動規(guī)律和滲漏率等傳統(tǒng)方法來確認(rèn)其運行是否正常。對新建的大壩也會采用滲漏率傳感器和運動傳感器等設(shè)備進(jìn)行自動觀測，因此這些方法仍被視為最先進(jìn)的大壩監(jiān)測方法。

特別是對水庫淹沒區(qū)而言，其監(jiān)測只能通過上述方法，或者目測排水后的大壩狀況。但是對于徑流式水電站或作為飲用水源的水庫就不能通過排水來檢測，只有靠潛水員或無人水下機(jī)器人來幫助查明水下基礎(chǔ)設(shè)施的狀況。但潛水員只能深入水庫30～50m，而無人水下機(jī)器人則能潛入整個水庫深度。

有關(guān)水下機(jī)器人及集成傳感器的研究工作已有10多年的時間。本文將對其科研現(xiàn)狀以及水下機(jī)器人的制導(dǎo)軟件進(jìn)行介紹。

2　無人水下機(jī)器人

通常，無人水下機(jī)器人可分為自主機(jī)器人和自主水下機(jī)器人。對它們可通過電源和數(shù)據(jù)電纜進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，被命名為遙控潛水器。有些任務(wù)會使用自主機(jī)器人(自主水下機(jī)器人)完成。一般，庫底或海床的勘查等常規(guī)工作會利用這些機(jī)器人完成。

遙控潛水器和自主水下機(jī)器人都可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和/或最大潛水深度進(jìn)一步分類，小型的更適于完成監(jiān)測和檢查任務(wù)。

遙控潛水器是利用計算機(jī)控制臺進(jìn)行手動操作。潛水器操作員根據(jù)任務(wù)控制屏幕上顯示的傳感器信息來調(diào)整機(jī)器人的航速和航行角，以滿足任務(wù)目標(biāo)要求。而自主水下機(jī)器人則需編制包含一系列航點的任務(wù)計劃，這些航點可手動創(chuàng)建或通過任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)自動創(chuàng)建，因此，它更適合于無需人工干預(yù)的探查任務(wù)，例如，水庫的三維建模及庫容的確定。

2．1機(jī)器人制導(dǎo)系統(tǒng)軟件

弗勞恩霍夫AST公司擁有多臺無人水下機(jī)器人，且都具有獨立的控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在軟件安裝或升級、任務(wù)規(guī)劃和評估方面都有很大差異。因此，該公司研發(fā)了適應(yīng)性較強(qiáng)的水下機(jī)器人軟件框架，即ConSys，以統(tǒng)一不同機(jī)器人的軟件系統(tǒng)。，它具有以下特點。

(1)框架式結(jié)構(gòu)和通信。支持具有簡單而強(qiáng)大跨程序通信機(jī)制的模塊化控制系統(tǒng)。

(2)抽象層。完整的抽象層可滿足所有基層操作系統(tǒng)、傳感器和控制總線接口。

(3)機(jī)器人獨立控制系統(tǒng)。可支持自主水下機(jī)器人和遙控潛水器獨立控制系統(tǒng)的開發(fā)，包括開發(fā)自主操作能力和遠(yuǎn)程操作能力。

(4)圖形用戶界面。易于使用且可擴(kuò)展。

(5)通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)框架基本結(jié)構(gòu)，把所需信息在無人水下機(jī)器人軟件模塊間進(jìn)行分配。

ConSys框架引入了不同軟件層來創(chuàng)建制導(dǎo)系統(tǒng)。“基層”是操作系統(tǒng)的抽象層，也是構(gòu)成軟件模塊的跨平臺基礎(chǔ)。這一層包含應(yīng)用程序設(shè)計所需的常用元素:

(1)傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)的通信類別;

(2)基本功能的通用平臺抽象類別，例如傳感器接口、線程、互斥器和事件所需的串行端口等;

(3)保存模塊信息的記錄工具;

(4)制導(dǎo)系統(tǒng)所有程序所需的模塊基礎(chǔ)元素;

(5)配置和信息處理程序;

(6)模塊編程所需的一些其他實用工具類。

在基礎(chǔ)層頂部，可執(zhí)行一些常用的應(yīng)用程序，如啟動管理器(啟動和監(jiān)視其他所有模塊)、系統(tǒng)狀態(tài)觀測器(檢查CPU使用率、內(nèi)存占用率等)或可將抽象信息說明轉(zhuǎn)換成所需編程語言的信息編譯器。

處理傳感器和制動器或控制機(jī)器人航行路線的應(yīng)用程序需要額外的功能，這些功能位于“應(yīng)用層”。

(1)導(dǎo)航庫包含坐標(biāo)變換、一個串口驅(qū)動程序和幾種海水計算算法(可參閱相關(guān)文獻(xiàn))。可根據(jù)導(dǎo)航傳感器的輸入數(shù)據(jù)計算出機(jī)器人所在的位置和高程。

(2)需通過篩選程序和控制器庫來篩選輸入數(shù)據(jù)和控制機(jī)器人，一般包含最先進(jìn)的算法。

(3)控制器局域網(wǎng)絡(luò)庫集成了不同硬件接口的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器和電動機(jī)控制器與通用I/O模塊的CANopen設(shè)備文件。

(4)評價邏輯表達(dá)式時，“庫”主要用于事件處理器的應(yīng)用程序。事件處理器配置有腳本程序，可用于檢查諸如((深度＜1．0)＆＆Wifi可用)等語句并根據(jù)評估結(jié)果做出響應(yīng)，執(zhí)行一個命令過程或發(fā)布一條消息。

(5)任務(wù)庫包含許多任務(wù)，它們可交叉結(jié)合形成一項復(fù)雜的任務(wù)。任務(wù)管理器應(yīng)用程序通過任務(wù)庫來執(zhí)行一項任務(wù)，必要時可重新規(guī)劃任務(wù)。

導(dǎo)航等機(jī)器人制導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用層的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了低位控制器(自動導(dǎo)航裝置)、能源管理和傳感器接口模塊。自主水下機(jī)器人自主運行的任務(wù)管理器是制導(dǎo)系統(tǒng)最頂層。遙控潛水器不使用任務(wù)管理器，這里的圖形用戶界面直接與低位控制器交接，以控制推進(jìn)裝置。外部接口和Python腳本語言的腳本支持，可減少希望結(jié)合自身機(jī)器人控制算法的新傳感器和用戶的執(zhí)行工作。

2．2傳感器系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)

水下檢查通常采用2種基本的傳感器原理:①光學(xué)傳感器提供高分辨率的二維圖像，但由于光的衰減作用，其感應(yīng)范圍有限;②聲學(xué)傳感器(聲納傳感器)，感應(yīng)范圍寬，對水質(zhì)要求不高，但相對光學(xué)傳感器來說，它所生成的數(shù)據(jù)精度不高，且不易被理解。事實上，如將這2種傳感器結(jié)合在一起，就能獲得最佳效果，但問題是將它們組合(或融合)十分困難，所以只有采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合算法，才有助于獲得理想的檢測結(jié)果。

3　水下手動檢測技術(shù)

手動檢測是操作員通過控制遙控潛水器來完成。比如，一座大壩的入口結(jié)構(gòu)損壞，就可以從不同角度觀察受損區(qū)域，還可掃描其附近可能進(jìn)一步受損的區(qū)域或查明受損原因。

弗勞恩霍夫IOSB－AST公司的遙控潛水器在過去幾年中執(zhí)行了各種人工檢測任務(wù)，與潛水員完成的檢測結(jié)果互為補(bǔ)充。在40～60 m水深處，可用遙控潛水器尋找潛水員已檢測到的受損區(qū)作進(jìn)一步檢測。與潛水員檢測相比，無人檢測具有以下優(yōu)勢，。

(1)遙控潛水器和自主水下機(jī)器人能夠覆蓋水電站和大壩的所有深度。

(2)可以并行使用不同的傳感器系統(tǒng)，以獲得更詳細(xì)的監(jiān)測結(jié)果。

(3)基礎(chǔ)設(shè)施評估專家可在任務(wù)執(zhí)行過程中同時檢查這些構(gòu)筑物。對評估時提出的問題，可通過在不同角度、范圍或傳感器設(shè)置下進(jìn)行詳細(xì)的重復(fù)檢測而得到解答。

利用遙控潛水器進(jìn)行人工檢測的缺點如下。

(1)發(fā)現(xiàn)損壞時，無人水下機(jī)器人只能記錄受損情況，其清理和維修工作仍需潛水員去完成。

(2)遙控潛水器通過電纜與地面調(diào)度站連接，但電纜可能會纏在水下基礎(chǔ)設(shè)施等處，可能危及到機(jī)器人。

4　水下目標(biāo)自動檢測技術(shù)

自動檢測一般通過自主水下機(jī)器人完成，它會根據(jù)設(shè)定的任務(wù)計劃采取相應(yīng)行動，并利用環(huán)境傳感器(測量距離)或檢測傳感器來確定其航行路徑。對光學(xué)傳感器來說，水電站等復(fù)雜環(huán)境中及與被檢測距離較短時的操作較難。為了高效而安全地引導(dǎo)自主水下機(jī)器人，對傳感在線信息檢測的控制方法進(jìn)行介紹。

處理任務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行之間的相互關(guān)系十分重要。在任務(wù)規(guī)劃階段，操作員需要確定被檢測對象(大壩、水閘等)的類型。開發(fā)的算法會利用任務(wù)規(guī)劃信息和機(jī)器人傳感器獲得的在線數(shù)據(jù)來指導(dǎo)機(jī)器人，以期獲得最佳檢測結(jié)果。因此，需要精確控制與被檢測對象的距離、避免碰撞并識別被檢測對象。這些都能通過對象檢測系統(tǒng)及引導(dǎo)機(jī)器人的軟件來實現(xiàn)，見圖1。

圖1　機(jī)器人引導(dǎo)軟件模塊

4．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和檢測階段

檢查又可分為搜索、處理、跟蹤和轉(zhuǎn)變階段。在搜索階段，對象檢測系統(tǒng)模塊被激活，但不進(jìn)行機(jī)器人的控制，該階段會分析被檢測對象的對象檢測模塊數(shù)據(jù)及任務(wù)規(guī)劃中的相關(guān)信息。信息匹配時，對象檢測系統(tǒng)模塊請求任務(wù)控制模塊對機(jī)器人進(jìn)行控制，檢測任務(wù)進(jìn)入下一個階段。

發(fā)現(xiàn)檢測對象后，處理階段開始，機(jī)器人改變其路線并開始跟蹤對象的一個并行路徑。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)檢測對象的檢測距離時，跟蹤階段被激活。對象檢測系統(tǒng)模塊在檢測距離處計算新的虛擬目標(biāo)點，并密切跟蹤壁面結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要改變航行方向和深度時，轉(zhuǎn)變階段被激活。

當(dāng)被檢測對象的所有表面都已檢測完成且機(jī)器人離開檢測區(qū)域后，認(rèn)為檢測任務(wù)成功完成。但當(dāng)對象檢測系統(tǒng)模塊與被檢測對象不再接觸，而檢測已完成，則標(biāo)記為不成功的檢測。對象檢測系統(tǒng)模塊通知任務(wù)控制系統(tǒng)，然后再對機(jī)器人進(jìn)行控制。

4．2目標(biāo)描述

制導(dǎo)系統(tǒng)在內(nèi)部將需要檢測的障礙和目標(biāo)以直線形式表示出來，目標(biāo)檢查模塊可利用聲納傳感器傳回的數(shù)據(jù)生成直線。在檢查制導(dǎo)算法中使用這種表示法比未經(jīng)處理的聲納圖像更加有效。

自壩體距離機(jī)器人最近的接觸點Pw向其北方位角aw方向畫一條直線。壩體接觸點Pw由機(jī)器人當(dāng)前位置pv的距離db和機(jī)器人的北方位角ab方向來確定(從機(jī)器人位置的視角看，見圖2)。

圖2　壩體直線表示法

4．3控制算法

制導(dǎo)算法階段之后的壩體距離控制可以描述為以下控制回路(見圖3) :目標(biāo)檢查模塊根據(jù)聲納數(shù)據(jù)將壩體標(biāo)識為一條直線;然后計算出虛擬航點(見圖4) ;再根據(jù)新的虛擬航點，計算出機(jī)器人的新航線，并將其傳輸至機(jī)器人的自動導(dǎo)航裝置，以設(shè)定機(jī)器人推進(jìn)裝置的速度;持續(xù)對虛擬航點進(jìn)行重新計算，以根據(jù)不斷變化的環(huán)境條件(如水流)而調(diào)整機(jī)器人的運行。

圖3　目標(biāo)檢查系統(tǒng)(OIS)控制回路

圖4　虛擬航點計算

4．4垂直方向檢測規(guī)劃

檢測傳感器在被檢測目標(biāo)周圍的一個軌道上只能檢測壩體或目標(biāo)的一個很小區(qū)域，而其大小又取決于傳感器的視角范圍及與被檢測目標(biāo)的距離(見圖5)。若想垂直掃描壩體壁面或目標(biāo)，就必須改變機(jī)器人航向和航行深度(見圖6)。如果同時使用多個傳感器，則范圍可擴(kuò)大，覆蓋范圍取決于各傳感器的最小覆蓋區(qū)域。為了在垂直方向上完全覆蓋被檢測目標(biāo)，必須在幾個不同深度層進(jìn)行檢測。在某一給定最小的重疊度情況下，為使覆蓋范圍最佳，必須計算機(jī)器人的航行路徑深度。

圖5　不同傳感器的探測區(qū)域

圖6　垂直壩壁檢測路徑

5　結(jié)語

利用無人水下機(jī)器人進(jìn)行水下檢測可以彌補(bǔ)潛水員水下檢測的不足，由于這些機(jī)器人都能同時采用不同的檢測傳感器，因此檢測結(jié)果更全面、更準(zhǔn)確。而潛水員深入水下檢測的優(yōu)勢是確認(rèn)和修復(fù)可能出現(xiàn)的損壞部位。配有高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的自主水下機(jī)器人，可自主檢測基礎(chǔ)設(shè)施狀況并進(jìn)行完整描述。

總的來說，水下檢測設(shè)備已變得越來越重要。因此，必須相應(yīng)地采用新算法，與航空機(jī)器人及地面機(jī)器人的一些理念相融合。本文介紹了部分自動檢測算法及其在自主水下機(jī)器人中的應(yīng)用，也利用了一些初始試驗成功驗證了算法的可行性。

無人水下機(jī)器人進(jìn)行水下壩壁檢測和跟蹤的基本功能，為研究大壩更為復(fù)雜的性狀奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，將拓展目標(biāo)檢測系統(tǒng)模塊，使其能用于檢測更復(fù)雜的區(qū)域，并能辨明邊緣與轉(zhuǎn)角，以使水下檢測工作更為成功和完善。

(徐耀張垚付湘寧編譯)

水電論壇

收稿日期:2015-05-11

文章編號:1006-0081(2015) 07-0026-04

中圖法分類號:TV698．1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A