張 易，朱 俊，袁慶晴，翁葉偉，彭世東，沈維格

（1. 中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2. 上海中車艾森迪海洋裝備有限公司，上海 201306）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)是水利工程的基本結(jié)構(gòu)，在水電站運(yùn)行過程中，水工建筑物水下部分的混凝土受到大流量含砂水流的沖蝕，過流面會出現(xiàn)沖坑、剝落等缺陷，結(jié)構(gòu)縫遭受擠壓變形進(jìn)而出現(xiàn)縫邊混凝土破損及填充物丟失等缺陷，同時(shí)溫度及結(jié)構(gòu)應(yīng)力也會引起混凝土出現(xiàn)裂縫、破損等缺陷［1］。針對上述缺陷，目前通常采用沉柜局部排水、抽干旱地和潛水員水下等檢修方式［2］。然而，沉柜局部排水檢修。適用范圍有限、工期長且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；抽干旱地檢修，工期長、安全風(fēng)險(xiǎn)大及檢修成本高，同時(shí)，存在泄洪消能、建筑物排水后會對其自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響等問題；潛水員水下檢測，安全風(fēng)險(xiǎn)高、工作效率較低，一旦超過60 m 水深，深潛水成本高、工期長，對超過人工潛水極限深度的水下混凝土缺陷，目前還沒有可行的水下作業(yè)手段。

本文研制的水下檢測機(jī)器人［3］，利用了本體浮游和履帶復(fù)合模式、不規(guī)則壩面吸附、多自由度姿態(tài)翻轉(zhuǎn)和運(yùn)動、缺陷位置定位、缺陷判別與測量和修補(bǔ)材料方量的估算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在水電站水工建筑物的水平面、斜面坡、直立面及曲面環(huán)境下的水下缺陷檢查、缺陷定位、缺陷尺寸測量及數(shù)據(jù)記錄收集等水下無人化檢測作業(yè)。

1 系統(tǒng)概述

水下檢測機(jī)器人是一款適用于水下建筑物缺陷檢測的機(jī)器人系統(tǒng)。其主要用于水電站水工建筑物水下大范圍缺陷檢查、缺陷定位、缺陷尺寸測量及數(shù)據(jù)記錄收集，適應(yīng)對水下建筑物的水平面、直立面和斜坡面檢測。

該檢測機(jī)器人采用推進(jìn)器及履帶復(fù)合的推進(jìn)方式，具有浮游和爬行兩種運(yùn)動模式。利用4個(gè)高性能垂直直流無刷推進(jìn)器，使機(jī)器人在靠近水下建筑物墻面時(shí)可以實(shí)現(xiàn)橫滾運(yùn)動，改變姿態(tài)，緊貼墻體并吸附，與磁吸、負(fù)壓等吸附方式相比較，具有不增加額外吸附裝置，減少能耗，浮游和吸附無縫銜接，經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和實(shí)用性更廣等優(yōu)勢；4個(gè)大推力水平推進(jìn)器，可以保障爬行的遙控水下機(jī)器人（remotely operated vehicle， ROV ）在水平方向的多姿態(tài)運(yùn)動。其在電氣系統(tǒng)中預(yù)留多個(gè)備用接口，以方便搭載擴(kuò)展設(shè)備。和同類其他產(chǎn)品相比，該檢測機(jī)器人具有更高的整體性能和多樣化的適應(yīng)能力。

1.1 系統(tǒng)組成

檢測機(jī)器人系統(tǒng)由水下系統(tǒng)和水面系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，水下系統(tǒng)包括主體框架及浮力材料、電控艙、推進(jìn)器、攝像機(jī)系統(tǒng)（搭載光學(xué)攝像頭和LED 燈）、臍帶纜、基本傳感器組（陀螺儀、深度計(jì)、高度計(jì)、水聲定位傳感器）、聲學(xué)傳感器組（避障聲吶、圖像聲吶）、缺陷檢測系統(tǒng)及檢漏裝置等；水面系統(tǒng)包括電動絞車、甲板控制單元、電源管理系統(tǒng)、控制盒及顯控單元等。檢測機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)物組成如圖2所示。

圖1 檢測機(jī)器人系統(tǒng)組成框圖Fig. 1 Block diagram of the detection robot system composition

圖2 檢測機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)物組成Fig. 2 Physical composition of the detection robot system

1.2 系統(tǒng)總體指標(biāo)

檢測機(jī)器人系統(tǒng)總體指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 檢測機(jī)器人系統(tǒng)總體指標(biāo)參數(shù)Tab. 1 Overall index parameters of the robot system

2 整機(jī)布置設(shè)計(jì)原則

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水中多自由度的運(yùn)動和行走，本系統(tǒng)采用推進(jìn)器及履帶復(fù)合的推進(jìn)方式，以滿足其在水下直立面、斜面及水平面等作業(yè)面上的行走檢測需求。浮力材料采用上下分層布置，水平矢量布置4臺推進(jìn)器，垂直布置4臺推進(jìn)器，滿足3節(jié)抗流及對多姿態(tài)的運(yùn)動性能需求。整機(jī)所有部件布置原則要求：在機(jī)器人物理中心周圍對稱布置。水下機(jī)器人整體布置如圖3所示。

圖3 水下機(jī)器人本體整體布置Fig. 3 Overall layout of the underwater robot body

2.1 浮力材料布置

為了解決機(jī)器人在水中處于零浮力狀態(tài)和姿態(tài)翻轉(zhuǎn)等問題，本文采用頂部和底部對稱布置浮力材料，以平衡恢復(fù)力矩，減少控制復(fù)雜度。相較于常規(guī)有纜機(jī)器人僅頂部布置浮材，本文的設(shè)計(jì)具有減小翻轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整時(shí)產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩，減少控制能耗輸出和控制難度等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)布置

為了滿足機(jī)器人在水中多自由度的運(yùn)動和在復(fù)雜作業(yè)面上行走要求，推進(jìn)器采用“4+4”配置方式，即4個(gè)水平推進(jìn)器和4個(gè)垂直推進(jìn)器。4個(gè)水平推進(jìn)器采用45°的矢量布置，位于機(jī)器人中心線水平面上的4 個(gè)角，同時(shí)考慮重心的均衡需對稱布置。4個(gè)垂直推進(jìn)器采用90°角度布置，位于機(jī)器人中心線的垂直面，同時(shí)滿足翻轉(zhuǎn)、復(fù)雜作業(yè)面吸附和履帶行走的接地壓力設(shè)計(jì)要求。推進(jìn)器布置如圖4所示，序號1～序號4為垂直推進(jìn)器，序號5～序號8為水平推進(jìn)器。

圖4 推進(jìn)器布置Fig. 4 Arrangement of the propellers

2.3 行走與檢測系統(tǒng)布置

機(jī)器人艏部布置檢測用攝像機(jī)系統(tǒng)、激光儀和檢漏裝置等設(shè)備，履帶驅(qū)動裝置位于尾部，用于平衡艏部的部件重量，兩條履帶左右對稱布置。

2.4 電控艙布置

電控艙不僅是機(jī)器人的控制大腦，也是所有檢測部件采集和信息傳輸?shù)目刂茦屑~。為了重心平衡要求，將其布置于機(jī)器人物理中心的下方。

3 靜水力性能與穩(wěn)性設(shè)計(jì)分析

水下機(jī)器人在吊放回收過程及靜水中均需保持相對穩(wěn)定和平衡，因此靜水力性能的計(jì)算是關(guān)鍵。本文通過對機(jī)器人整機(jī)的重心和浮心位置進(jìn)行計(jì)算，利用軟件包絡(luò)法賦予每個(gè)部件重量，并經(jīng)過設(shè)計(jì)軟件多次迭代調(diào)整，最終確定整機(jī)部件布置和靜水力性能。

3.1 重心和浮心計(jì)算

在計(jì)算整機(jī)部件布置和靜水力性能時(shí)，本文按照以下原則進(jìn)行：（1） 參照坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)定 ，取頂部支撐板底部和吊點(diǎn)垂直相交的點(diǎn)為原點(diǎn)，x負(fù)軸為ROV前進(jìn)方向，y正軸為本體左側(cè)，z正軸為ROV 垂直向下運(yùn)動方向；（2）采用軟件包絡(luò)法賦予每個(gè)部件為實(shí)體，通過軟件計(jì)算出其空氣重量和水中重量；（3）通過列表法，統(tǒng)計(jì)非浮材部件水下重量、坐標(biāo)，然后計(jì)算出總重（G）和重心合力矩∑（Mgx，Mgy，Mgz）；（4）同理，統(tǒng)計(jì)出頂部和底部浮材水中總合力（F）和浮心合力矩∑（Mfx，Mfy，Mfz）；（5）分別通過合力矩除以總重，得出浮材和非浮材兩者的坐標(biāo)值；（6）判斷兩者坐標(biāo)差（ΔX，ΔY，ΔZ），調(diào)整部件的安裝位置或配重位置，直至ΔX，ΔY接近0，ΔZ大于0。

3.2 穩(wěn)性核算

通過多次的迭代調(diào)整，得出（ΔX，ΔY，ΔZ）為（-0.2 mm，-3.6 mm，91 mm），滿足穩(wěn)性設(shè)計(jì)原則：浮心在上，重心在下。機(jī)器人在水中處于漂浮狀態(tài)，其浮心與重心在z方向的差值，稱為穩(wěn)性高；穩(wěn)性高至少要大于70 mm才能使水下機(jī)器人保持穩(wěn)定［4］。

4 水阻力分析及仿真

在初步設(shè)計(jì)方案之前，利用水阻分析和仿真技術(shù)對推力、航速和外形尺寸等參數(shù)進(jìn)行估算，作為詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。按照矢量布置推進(jìn)器選型，縱向總推力為42 kgf（1 kgf≈9.8 N），側(cè)向總推力42 kgf，垂向總推力60 kgf。

4.1 水阻力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

機(jī)器人本體總尺度約為950 mm（長）×900 mm（寬）× 650 mm（高），縱向迎流面積約為0.585 m2，側(cè)向迎流面積約為0.62 m2；垂向迎流面積約0.86 m2；在縱向設(shè)計(jì)航速為3.0 節(jié)（1.0 節(jié)航速為0.5 m/s）情況下，計(jì)算本體阻力為40.2 kgf；在側(cè)向設(shè)計(jì)航速為2.0 節(jié)情況下，計(jì)算本體阻力為25.3 kgf；在垂向設(shè)計(jì)航速為2.0節(jié)情況下，計(jì)算本體阻力為53.7 kgf。

阻力性能計(jì)算公式為F= 1/2ρv2CdA，其中F表示阻力，ρ表示水的密度，v表示物體在水中的速度，Cd表示物體的阻力系數(shù)，A表示物體的迎流面積。根據(jù)阻力性能公式，繪出縱向、側(cè)向及垂向的阻力與速度的關(guān)系，其隨速度增大而增大，具體如圖5～圖7所示。

圖5 水下機(jī)器人縱向阻力-速度曲線Fig. 5 Longitudinal resistance-velocity curve of underwater robot

圖6 水下機(jī)器人側(cè)向阻力-速度曲線Fig. 6 Lateral resistance-velocity curve of underwater robot

圖7 水下機(jī)器人垂向阻力-速度曲線Fig. 7 Vertical resistance-velocity curve of underwater robot

4.2 水阻力仿真計(jì)算

采用經(jīng)驗(yàn)值和水阻力仿真模擬2種方式計(jì)算機(jī)器人以設(shè)計(jì)速度運(yùn)行時(shí)沿x軸、y軸、z軸所受的水流阻力，兩種方式計(jì)算出的水流阻力結(jié)果相互印證，可用于設(shè)計(jì)之初對推力進(jìn)行選擇，以給出更精確、更快捷的理論支持。仿真計(jì)算內(nèi)容主要為：計(jì)算縱向運(yùn)動速度3.0節(jié)時(shí)ROV 所受縱向阻力；計(jì)算橫向運(yùn)動速度2.0 節(jié)時(shí)ROV 所受側(cè)向阻力；計(jì)算垂向運(yùn)動速度2.0 節(jié)時(shí)ROV所受垂向阻力。具體仿真數(shù)值如表2所示。簡化的數(shù)值模型如圖8 所示，ROV 沿縱向、側(cè)向、垂向直航時(shí)特征截面的速度云圖如圖9所示。

表2 ROV 以設(shè)計(jì)速度運(yùn)動時(shí)的水流阻力Tab. 2 Water flow resistances of ROV at design speeds

圖8 ROV 簡化數(shù)值模型Fig. 8 Simplified numerical model of the ROV

圖9 機(jī)器人速度云圖Fig. 9 Cloud chart of robot speed

仿真軟件計(jì)算輸出：縱向設(shè)計(jì)航速為3.0 節(jié)時(shí)，本體阻力為25.5 kgf；側(cè)向設(shè)計(jì)航速為2.0節(jié)時(shí)，本體阻力為21.4 kgf；垂向設(shè)計(jì)航速為2.0 節(jié)時(shí)，本體阻力為39.2 kgf。經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算結(jié)果和仿真模擬計(jì)算結(jié)果都印證了，縱向、側(cè)向、垂向推力均未超出推進(jìn)器選型時(shí)縱向總推力42 kgf、側(cè)向總推力42 kgf、垂向總推力60 kgf的設(shè)計(jì)選型要求。因此推力設(shè)計(jì)滿足縱向3.0節(jié)、側(cè)向2.0節(jié)、垂向2.0節(jié)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

5 缺陷識別和大小估算

該機(jī)器人系統(tǒng)搭載定位系統(tǒng)、圖像聲吶和水下激光儀等傳感器。在機(jī)器人爬行檢測過程中，系統(tǒng)首先利用聲吶對壩體進(jìn)行大范圍的掃測［5］；發(fā)現(xiàn)異常缺陷后，抵近觀察，利用水下三維成像激光儀定點(diǎn)近距離精細(xì)掃測，并打點(diǎn)記錄位置。通過激光儀獲取三維成像數(shù)據(jù)，利用后處理軟件實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的自動特征提取和目標(biāo)識別［6］，對缺陷部位的面積和體積進(jìn)行自動計(jì)算，實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)材料方量的估算，為后續(xù)修復(fù)作業(yè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。后處理軟件界面如圖10所示。

圖10 激光儀后處理軟件界面Fig. 10 Interface of the post-processing software for the laser instrument

通過3D打印技術(shù)制作缺陷模型，如圖11所示。將缺陷模型置于水中，由水下激光儀掃測此模型的三維數(shù)據(jù)，利用后處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云平滑處理、曲率計(jì)算以及特征區(qū)和非特征區(qū)的劃分，最后進(jìn)行面積和體積的計(jì)算。

試驗(yàn)選取目標(biāo)物體積為0.15×0.235×0.056×1/3 =0.000 658 （m3）。通過對點(diǎn)云表面進(jìn)行三角網(wǎng)網(wǎng)格剖分（圖12），把每一個(gè)三角網(wǎng)投射到點(diǎn)云所在的平面上，計(jì)算每一個(gè)小三角棱錐的體積并進(jìn)行積分，得到最終的體積為0.000 707 m3。軟件識別理論誤差約為7.4%，小于項(xiàng)目要求中20%的誤差率。

圖12 缺陷模型的網(wǎng)格Fig. 12 Grid of defect model

6 水池功能試驗(yàn)

通過水池試驗(yàn)完成機(jī)器人定向、定深、定高［7］、定速等自動控制，同時(shí)測試機(jī)器人在水中翻轉(zhuǎn)和垂直吸附墻壁爬行的功能。最終試驗(yàn)完成了各項(xiàng)功能測試，通過了驗(yàn)收，得到了用戶的認(rèn)可。試驗(yàn)過程如圖13所示。

圖13 機(jī)器人水池試驗(yàn)Fig. 13 Pool test of the robot

7 結(jié)束語

本文針對水電站水工建筑物的缺陷檢測應(yīng)用需求，研制了一套檢測機(jī)器人系統(tǒng)。其結(jié)合機(jī)器人及傳感器技術(shù)，利用浮游和履帶復(fù)合運(yùn)動模式，實(shí)現(xiàn)了在不規(guī)則壩面的吸附和行走，完成了檢測任務(wù)。該系統(tǒng)搭載聲、光、電多維檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了缺陷位置定位［8］、缺陷判別與測量、修補(bǔ)材料方量的估算等功能，可用于水電站水工建筑物的缺陷檢測。該系統(tǒng)作業(yè)深度可達(dá)300 m，應(yīng)用范圍廣，可以推廣至海上風(fēng)電檢測應(yīng)用。未來，該系統(tǒng)可以拓展智能模塊，應(yīng)用水下激光SLAM技術(shù)［9］進(jìn)行水下地形和結(jié)構(gòu)物的掃測和識別［10-11］、采用自動路徑規(guī)劃進(jìn)行檢測［12］等，以進(jìn)一步提高作業(yè)精確性和智能化。