王 超

(1.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166； 2.遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

0 引言

在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，橋梁水下檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了曲折的過(guò)程。以美國(guó)為例，其水下檢測(cè)的萌芽是隨著一次又一次橋梁安全事故的發(fā)生，逐漸開(kāi)始的。二十世紀(jì)五六十年代間，美國(guó)洲際公路建設(shè)掀起熱潮，橋梁建設(shè)也廣泛發(fā)展，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有相應(yīng)的橋梁檢測(cè)計(jì)劃，只有一些地方性檢測(cè)條例。直到2004年，在美國(guó)聯(lián)邦公路署最新修訂的全美橋梁檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，已明確將橋梁水下檢測(cè)列入橋梁常規(guī)檢測(cè)體系中，并對(duì)其檢測(cè)范圍、頻率、項(xiàng)目、手法、報(bào)告等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，目前美國(guó)的水下檢測(cè)正逐步規(guī)范化和系統(tǒng)化。緊隨其后，英、法、德、丹麥、瑞典、芬蘭、南非、印度也制定了水下檢測(cè)的指南或規(guī)程[1]。

水下結(jié)構(gòu)的病害損傷大多從結(jié)構(gòu)的表面開(kāi)始顯露。早期的表觀檢測(cè)主要是人工目視檢測(cè)。后來(lái)，水下視頻采集及成像技術(shù)得到發(fā)展[2]。同時(shí)，隨著圖像傳感器小型化與高集成化以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人水下錄像以及水下照相變得可行。

但水下橋梁結(jié)構(gòu)附件水流湍急，傳統(tǒng)的潛水員或機(jī)器人都難以使用視頻采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定位，致使拍攝的圖像不穩(wěn)定[3]。如何在這種外部時(shí)變的強(qiáng)干擾條件下進(jìn)行水下圖像采集設(shè)備的穩(wěn)定控制，使采集系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境作業(yè)是需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題；橋梁水下結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境較為渾濁，透明度低，水中微小的無(wú)機(jī)物和有機(jī)顆粒含量高，由于這些微小顆粒對(duì)光線的散射作用，使得拍攝的影像效果模糊不清[4]，如何在水質(zhì)渾濁能見(jiàn)度低的情況下，采集到清晰的橋梁水下結(jié)構(gòu)圖像，亦是需要解決的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題[5]。

1 水下機(jī)器人控制研究目標(biāo)

隨著國(guó)內(nèi)交通的迅速發(fā)展，跨河、跨海大橋在交通運(yùn)輸中所占的比例日益增長(zhǎng)。為了橋梁運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性，這些特定環(huán)境中的橋梁檢測(cè)需求日益增長(zhǎng)，一般檢測(cè)分為：常規(guī)檢測(cè)、長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)檢測(cè)、水下結(jié)構(gòu)件檢測(cè)。常規(guī)檢測(cè)分為：橋梁面系的檢測(cè)、上部結(jié)構(gòu)檢測(cè)、下部結(jié)構(gòu)檢測(cè)；長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)檢測(cè)分為：例如混凝土強(qiáng)度、碳化程度、保護(hù)層厚度、鋼筋位置；水下結(jié)構(gòu)件檢測(cè)分為：主要檢測(cè)內(nèi)容為水下柱基表面檢測(cè)、柱基沖刷檢測(cè)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)橋梁水下結(jié)構(gòu)損傷的情況多有發(fā)生，但因結(jié)構(gòu)處于水面以下，這些現(xiàn)實(shí)情況給橋梁檢測(cè)的實(shí)施帶來(lái)了極大的困難，檢測(cè)單位無(wú)法利用常規(guī)檢測(cè)手段及時(shí)了解成橋后水下結(jié)構(gòu)的病害情況，該區(qū)域通常被視為檢查盲區(qū)。為了保障橋梁水下結(jié)構(gòu)的安全，采用必要的手段和方法對(duì)水下結(jié)構(gòu)物進(jìn)行檢測(cè)和安全評(píng)估顯得尤為必要。

目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有完善的水下結(jié)構(gòu)物檢測(cè)的專(zhuān)用設(shè)備，在檢測(cè)時(shí)仍需要潛水員眼觀察、探摸，或者攜帶水下攝像機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝。由于潛水員并非專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，使目測(cè)方法具有檢測(cè)能力有限、檢測(cè)可靠性低、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn)。通過(guò)攜帶高清攝像機(jī)拍攝后將錄像展示給相關(guān)人員后再進(jìn)行損傷診斷，依舊有著檢測(cè)能力有限、可靠性低、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn)。有時(shí)因?yàn)樗?，潛水員無(wú)法到達(dá)，從而給測(cè)量帶來(lái)限制。更重要的是，潛水員在水下長(zhǎng)時(shí)間停留會(huì)給生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大的安全威脅。為了探索更有效的檢測(cè)手段和方法，提高檢測(cè)效率與精度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省檢測(cè)費(fèi)用，研制一套橋梁水下結(jié)構(gòu)表觀缺陷檢測(cè)設(shè)備具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

因此，需要開(kāi)發(fā)一款簡(jiǎn)單、方便的機(jī)器人代替潛水員做水下橋梁缺陷檢測(cè)；工作水深最多30 m，水質(zhì)渾濁，有水流。代替潛水員進(jìn)行水下作業(yè)，在寒冷的季節(jié)依然可以進(jìn)行水下檢測(cè)。本體的顏色可以盡量使用兩種或兩種以上的鮮艷顏色，使得機(jī)器在水的表面容易分清楚前后。具體技術(shù)要求：系統(tǒng)需要有清理機(jī)構(gòu)，可進(jìn)行橋墩表面清理；系統(tǒng)能夠吸附在橋墩上，在橋墩上可以上下左右移動(dòng)；能夠采集剝落/脫落、露筋、裂縫、麻面等病害；能夠?qū)崟r(shí)的查看橋梁水下?tīng)顩r，并能控制系統(tǒng)定深、定向、采集照片。耐壓水深：150 m；抗擾流能力：3 knot；在渾濁的水域(透明度0.2 m)中使用；工作溫度 0 ℃～+40 ℃。

2 履帶爬行水下機(jī)器人

橋梁水下結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境較為渾濁，透明度低，水中微小的無(wú)機(jī)物和有機(jī)顆粒含量高，由于這些微小顆粒對(duì)光線的散射作用，使得拍攝的影像效果模糊不清。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)渾水成像算法，基于DCP的一種改進(jìn)水下增強(qiáng)技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)DCP無(wú)法通過(guò)暗通道獲得圖像的景深信息，采用亮通道與暗通道的差值，得到景深信息，以完成后續(xù)的圖像增強(qiáng)。在工程化方面，搭配高亮度照明和水下清水箱、進(jìn)一步提高觀測(cè)效果。

履帶爬行水下機(jī)器人載體方案：垂直兩個(gè)推進(jìn)器，水平2個(gè)推進(jìn)器，吸盤(pán)2個(gè)，履帶2個(gè)。系統(tǒng)由浮游驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，爬行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，觀測(cè)系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)等部分組成。機(jī)器人本體包括：垂直2個(gè)推進(jìn)器，水平2個(gè)推進(jìn)器，吸盤(pán)2個(gè)，履帶2個(gè)。工作過(guò)程：在橋梁和岸邊布放ROV，浮游機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人到橋梁附近，翻轉(zhuǎn)90°，開(kāi)吸盤(pán)，機(jī)器人吸附到橋梁表面，關(guān)閉螺旋槳，依靠履帶在橋梁表面進(jìn)行爬行(見(jiàn)圖1)。

方案特點(diǎn)：操作方便，機(jī)器人整體重量輕、采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用可更換的組件，實(shí)現(xiàn)輪式驅(qū)動(dòng)和履帶式驅(qū)動(dòng)的快速互換(適應(yīng)不同的環(huán)境)，可以從船、岸等進(jìn)行布放、兩人即可操作；安全可靠，機(jī)器人采用磁藕傳動(dòng)，無(wú)機(jī)械密封件，無(wú)泄露風(fēng)險(xiǎn)，容易清洗，外露部件全部為免維護(hù)，完全代替潛水員進(jìn)行水下作業(yè)，即使在寒冷的季節(jié)依然可以進(jìn)行水下檢測(cè)；搭載探測(cè)能力強(qiáng)，機(jī)器人系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求搭載外置攝像頭、聲吶、激光等多種檢測(cè)傳感器。作業(yè)方式：在進(jìn)行橋梁水下部分檢測(cè)時(shí)，需要有一定作業(yè)順序。由于橋梁橋基大小不一，為了更為全面及準(zhǔn)確的完成測(cè)量任務(wù)，首先將機(jī)器人布放至水面，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行配平及頂流測(cè)試，如果符合機(jī)器人工作能力范圍內(nèi)，根據(jù)圖紙確定橋梁檢測(cè)面的位置，根據(jù)水質(zhì)的具體情況選擇光學(xué)手段或者聲學(xué)手段進(jìn)行檢測(cè)，定向，自上而下對(duì)橋基進(jìn)行檢測(cè)，完成一個(gè)側(cè)面后，根據(jù)相應(yīng)的水下參照物進(jìn)行艏向的更正，繼續(xù)自上而下進(jìn)行橋基檢測(cè)，直至整個(gè)橋基拼接完成檢測(cè)任務(wù)。圖2為根據(jù)橋基圖進(jìn)行任務(wù)的下潛的布置。

3 舵輪爬行機(jī)器人

系統(tǒng)由浮游驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，爬行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，觀測(cè)系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)等部分組成。機(jī)器人本體包括：垂直2個(gè)推進(jìn)器，水平2個(gè)推進(jìn)器，吸盤(pán)2個(gè)，舵輪2個(gè)。每個(gè)舵輪具有兩個(gè)自由度，既可以前進(jìn)后退又可以轉(zhuǎn)向。工作過(guò)程：在橋梁和岸邊布放ROV，浮游機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人到橋梁附近，翻轉(zhuǎn)90°，開(kāi)吸盤(pán)，機(jī)器人吸附到橋梁表面，關(guān)閉螺旋槳，依靠舵輪在橋梁表面進(jìn)行爬行(見(jiàn)圖3)。

4 無(wú)人船

系統(tǒng)由無(wú)人船、吸盤(pán)、絞車(chē)、觀測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、蓄電池等部分組成。無(wú)人船本身帶有吸盤(pán)和驅(qū)動(dòng)輪，可以吸附在橋梁上并沿橋墩表面進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。絞車(chē)可以帶著觀測(cè)系統(tǒng)上下運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)系統(tǒng)帶有吸盤(pán)，滾刷，攝像頭。可以吸附在橋梁表面并隨著絞車(chē)的上下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這種無(wú)人船可以在橋上或岸邊進(jìn)行布放，遙控到橋梁邊，吸附到橋墩表面，吸附好后放下絞車(chē)，絞車(chē)帶著觀測(cè)系統(tǒng)沿著橋墩垂直運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行拍攝。垂直方向拍攝結(jié)束后回到無(wú)人船響應(yīng)位置，無(wú)人船帶著絞車(chē)沿著橋墩表面到下一個(gè)位置，絞車(chē)?yán)^續(xù)沿著橋墩垂直運(yùn)動(dòng)，直至無(wú)人船環(huán)繞一周。

5 環(huán)繞爬行結(jié)構(gòu)

爬行機(jī)器人由若干個(gè)爬行模塊組成(見(jiàn)圖4)，根據(jù)橋梁的直徑選擇模塊的數(shù)量。每個(gè)模塊的基本組成包括：驅(qū)動(dòng)輪，鎖緊機(jī)構(gòu)，張緊機(jī)構(gòu)，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)部分，攝像頭，供電部分。工作過(guò)程：根據(jù)直徑選擇模塊數(shù)量，利用鎖緊機(jī)構(gòu)把模塊連接好，通電后張緊機(jī)構(gòu)把各個(gè)模塊穩(wěn)定的保持在橋梁表面，通過(guò)遙控器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人可以上下和繞橋梁運(yùn)動(dòng)。通過(guò)滾刷清除橋梁表面附著物，通過(guò)攝像頭觀察橋梁表面缺陷。需要人工開(kāi)船把機(jī)器人帶到橋梁附近，安裝過(guò)程相對(duì)有些煩瑣。

6 結(jié)語(yǔ)

本文首先明確了水下機(jī)器人的控制研究目標(biāo)，對(duì)比了履帶爬行機(jī)器人、舵輪爬行機(jī)器人、無(wú)人船、環(huán)繞爬行結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、控制方法、檢測(cè)方法，以及主要構(gòu)件設(shè)計(jì)方法，得到了不同形式水下檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)。其中履帶爬行機(jī)器人布置簡(jiǎn)便，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方便，但受到水流影響，鏡頭拍攝過(guò)程中可能因?yàn)樵谒邪l(fā)生的抖動(dòng)而無(wú)法進(jìn)行連續(xù)清楚的拍攝。舵輪爬行機(jī)器人布置簡(jiǎn)便、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方便、可吸附到橋墩上拍攝效果相對(duì)穩(wěn)定。但是舵輪爬行機(jī)器人需要水中直行、水中轉(zhuǎn)彎、水中翻轉(zhuǎn)、橋墩吸附、橋墩爬行等功能，操作與研制都相對(duì)復(fù)雜。無(wú)人船機(jī)器人可以在水中行駛，布置簡(jiǎn)便，絞車(chē)可以上下運(yùn)動(dòng)拍攝相對(duì)穩(wěn)定。但是絞車(chē)與無(wú)人船連接部分的材料選擇有固定要求，剛性結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力隨著深度的增加而增大，柔性材料因水流擾動(dòng)絞車(chē)可能發(fā)生抖動(dòng)，若絞車(chē)自重較大影響整體爬行。環(huán)繞爬行機(jī)器人自身拍攝穩(wěn)定，但現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)相對(duì)復(fù)雜。