淺談?dòng)欣|遙控機(jī)器人在水利工程檢測(cè)中的應(yīng)用

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611230)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在水利工程檢測(cè)中使用水下機(jī)器人這種新的檢測(cè)方式，有助于提升檢測(cè)工作的效率，得到真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠的檢測(cè)結(jié)果。水下機(jī)器人設(shè)備的使用，可以幫助地下檢測(cè)工作取得好的檢測(cè)效果，能對(duì)水下結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況和存在的病險(xiǎn)隱患等問(wèn)題進(jìn)行直觀性地反映，有利于技術(shù)人員掌握水利工程目前的運(yùn)行狀況，了解水利工程運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題。

1 水下機(jī)器人技術(shù)概述

1.1 水下機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)介

水下機(jī)器人也稱(chēng)作潛水器(Underwater Vehicle)，可分為無(wú)人潛水器(Unmanned Underwater Vehicle)和載人潛水器(Human Operated Vehicle)，無(wú)人潛水器又分為有纜遙控機(jī)器人(Remote Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)ROV)和自治水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)AUV)，在水利工程檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)用最多最廣的是ROV。ROV的基本工作原理是由岸邊的人員通過(guò)連接潛水器的臍帶，提供動(dòng)力來(lái)操縱潛水器，通過(guò)聲納等專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行水下作業(yè)。目前的ROV主要是由ROV主機(jī)、絞盤(pán)及控制管理系統(tǒng)和控制平臺(tái)3個(gè)部分組成。ROV的作用是通過(guò)高清的攝像頭和二維圖像，了解水下運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。ROV包含了二維多波束圖像聲納、位置及水深傳感器等探測(cè)傳感器的水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。現(xiàn)如今第3代水下機(jī)器人設(shè)備，比如加拿大生產(chǎn)的Stealth 3 ROV為球形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，大小適中；推進(jìn)器采用直流無(wú)刷推進(jìn)器，能滿(mǎn)足水深200m的水下作業(yè)；還配備了專(zhuān)業(yè)的操作手柄，幫助工作人員精準(zhǔn)地確定水下機(jī)器人的位置。

表1 Stealth 3 ROV水下機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 ROV系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

結(jié)合水下機(jī)器人對(duì)水利工程進(jìn)行水下檢測(cè)的實(shí)際情況，總結(jié)ROV系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)如下。

1.2.1靈活性

ROV在實(shí)際操作的過(guò)程中，根據(jù)必要的指令，隨意調(diào)動(dòng)檢測(cè)的位置和方位，通過(guò)自身攜帶的傳感器和定位裝置進(jìn)行水下作業(yè)。另外ROV本身所下潛的深度，最大可達(dá)到300m，滿(mǎn)足水下檢測(cè)工作的開(kāi)展。

1.2.2 高效性

潛水員在深水作業(yè)中需要進(jìn)行必要的潛水，而且由于加壓時(shí)間長(zhǎng)，潛水員在水中工作的時(shí)間和條件都有所限制，不能夠及時(shí)地對(duì)水下情況進(jìn)行勘測(cè)。運(yùn)用了ROV可以安排必要的指令，極大地縮短了工作時(shí)間，同時(shí)還提升了工作的效率。

1.2.3 直觀性

ROV的運(yùn)用，可以通過(guò)多方位、多角度，直觀性地觀測(cè)水下的實(shí)況，結(jié)合ROV所搭載的攝像頭等多種設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間在水中任意深度下進(jìn)行作業(yè)，工作人員能夠結(jié)合指令快速地在指定地點(diǎn)開(kāi)展工作，實(shí)時(shí)地觀測(cè)水下的狀況，通過(guò)信息圖像的儲(chǔ)存來(lái)進(jìn)行控制平臺(tái)的操作。在水體環(huán)境不復(fù)雜的情況下，ROV的運(yùn)用可以清晰地了解水下的狀況，例如水庫(kù)大壩的裂痕，鋼筋的腐銹等情況通過(guò)ROV進(jìn)行及時(shí)的定位追蹤。水體水質(zhì)相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境或者相對(duì)較差的環(huán)境下，可以通過(guò)二維多波束圖像聲納來(lái)對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行具體的勘測(cè)。

ROV在水利工程檢測(cè)的過(guò)程中具備以上的優(yōu)勢(shì)，但仍然存在一定的局限性。例如在水流快速和水體較為復(fù)雜的環(huán)境下，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)。若水下存在魚(yú)網(wǎng)或者線(xiàn)纜等，有可能會(huì)使其纏繞至螺旋槳中，臍帶很容易被纏繞或者損傷造成機(jī)器設(shè)備故障。另外，水體較為渾濁，高清攝像頭不能檢測(cè)，僅僅只能用聲納來(lái)形成范圍較廣的圖像。

2 ROV在水利工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

ROV本身具備供電系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)。ROV在水利工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。

2.1 負(fù)載和水流擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)控制

對(duì)水利工程進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)時(shí)，ROV需要攜帶必要的定位設(shè)備和具體的勘測(cè)設(shè)備。負(fù)載的增加會(huì)使機(jī)器人自身的重量發(fā)生變化。水下作業(yè)時(shí)大壩水流可以引起必要的擾動(dòng)，ROV的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)是線(xiàn)性的，結(jié)合水下操作的自由度進(jìn)行耦合性地使用，但是由于水利工程和水體自身的復(fù)雜性，在ROV運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程中，存在模糊和不確定難以預(yù)測(cè)的干擾性問(wèn)題。因此，需要結(jié)合模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種控制方法，實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)于ROV的輔助操作，更精準(zhǔn)地了解檢測(cè)過(guò)程，通過(guò)必要的控制算法，有針對(duì)性地進(jìn)行ROV的運(yùn)用。ROV在水利工程檢測(cè)過(guò)程中，系統(tǒng)可以在流速不大于1m/s的水流環(huán)境下使用。

2.2 缺陷識(shí)別

ROV在水利工程檢測(cè)的過(guò)程中，最關(guān)鍵的技術(shù)莫過(guò)于缺陷目標(biāo)識(shí)別。由于水下的環(huán)境較為復(fù)雜，給水下作業(yè)和具體的勘測(cè)帶來(lái)了困境，尤其是在復(fù)雜渾濁的水體環(huán)境中進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，所使用的常用檢測(cè)手法，就是攝影配合光源照明或近距離高清觀摩。因此，可以采用聲納技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)外部輪廓、結(jié)構(gòu)破損情況和水庫(kù)是否存在淤積問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)勘查，最大工作深度可以達(dá)到300m，同時(shí)也可以在ROV運(yùn)用過(guò)程中，采用水下超聲測(cè)厚儀通過(guò)金屬性材料，進(jìn)行及時(shí)的勘測(cè)。

2.3 缺陷定位

水下工程較為復(fù)雜，水利工程規(guī)模較大，不僅存在識(shí)別缺陷，還需要及時(shí)地檢測(cè)出水下作業(yè)中缺陷的位置，解決水下作業(yè)的處理。因此，ROV在實(shí)施過(guò)程中需要具備精準(zhǔn)性的導(dǎo)航，由于ROV的非線(xiàn)性動(dòng)力運(yùn)動(dòng)原理，可以有助于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間和大范圍的精確定位，目前的水下定位可以結(jié)合聲學(xué)定位、行位推算等多種方式，來(lái)滿(mǎn)足ROV在水利工程中的檢測(cè)需求。通過(guò)多種定位系統(tǒng)的重組，有助于ROV精準(zhǔn)性定位，雖然說(shuō)目前國(guó)內(nèi)水下定位可以在水深45m左右下進(jìn)行，但是為了減少測(cè)量誤差，還是需要不斷地完善ROV自身的控制技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)。

3 ROV技術(shù)在水利工程檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 大壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)

現(xiàn)如今，大部分國(guó)內(nèi)的大壩是以鋼筋混凝土材料進(jìn)行修建的，因此，大壩庫(kù)區(qū)一般是處于清水環(huán)境，可以采用ROV系統(tǒng)進(jìn)行具體的檢測(cè)。檢測(cè)工作開(kāi)展時(shí)，可以分區(qū)域的來(lái)排查大壩庫(kù)區(qū)中存在的缺陷部位，通過(guò)實(shí)際水下檢測(cè)的檢測(cè)報(bào)告，結(jié)合二維多波束聲納圖像和高清圖像進(jìn)行大壩滲透點(diǎn)的排查，做好水下巡視工作，充分發(fā)揮ROV的作用，有助于完善水利工程檢測(cè)中對(duì)于大壩周邊缺陷性的檢測(cè)。ROV的操作安全性較高，而且效率也高，工作時(shí)間也沒(méi)有具體的限制。

3.2 水閘底板缺陷檢測(cè)

水利工程設(shè)施中水閘是由閘室和上下游段等組成的，在閘室的重量傳遞過(guò)程中，容易造成防滲和防沖。因此，在水利工程檢測(cè)過(guò)程中采用ROV檢測(cè)，可以對(duì)水閘具體的設(shè)計(jì)和維修狀況進(jìn)行及時(shí)的分析。在ROV的工作運(yùn)行中及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作時(shí)的狀況，可以通過(guò)地下環(huán)境的勘測(cè)，及時(shí)地關(guān)閉閘門(mén)，有效地降低水質(zhì)渾濁度，提高具體工作的效率。一般有纜遙控機(jī)器人會(huì)布置在沿建筑物縱軸線(xiàn)方向的橫剖面測(cè)線(xiàn)，進(jìn)行圖像的采集和定位，對(duì)于水下?tīng)顩r進(jìn)行及時(shí)的勘查。

3.3 水下金屬結(jié)構(gòu)物銹蝕檢測(cè)

大壩水下檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于其進(jìn)水口水下部分的檢測(cè)，相對(duì)來(lái)說(shuō)較難。因?yàn)樵诖髩嗡鬟^(guò)程中水流的流速較快，潛水員在水下工作勘探的過(guò)程中，由于水壓過(guò)高無(wú)法進(jìn)行檢查工作。另外，大壩水下的進(jìn)水口部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，混亂的水流中難以進(jìn)行準(zhǔn)確的勘測(cè)，因此，使用ROV系統(tǒng)可以結(jié)合矢量推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)水口處金屬結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集，有效地對(duì)大壩的水質(zhì)環(huán)境和水質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)地勘查。

3.4 水利樞紐導(dǎo)流底孔封堵檢修門(mén)槽檢測(cè)

有纜遙控機(jī)器人從大壩上游門(mén)槽入水，依靠水下聲納掃測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行辨別和定位，能很好地將水下檢修門(mén)槽形狀結(jié)構(gòu)和位置清晰地掃測(cè)出來(lái)。從遠(yuǎn)處，能夠捕捉到大壩及檢修門(mén)的圖像，在圖像上能夠指示ROV的運(yùn)動(dòng)方向；在近處，水下攝像系統(tǒng)能更好地拍攝到水下畫(huà)面來(lái)指示ROV運(yùn)動(dòng)。若遇底層為泥沙易攪渾，一種方法是快速推進(jìn)將泥沙沖走，等靜止后再作業(yè)；另一種方法是慢慢推進(jìn)，盡量不攪渾泥沙，待ROV著底后靠機(jī)械手作業(yè)，并且輕拿輕放。水下清理的難點(diǎn)是對(duì)狹窄槽隙內(nèi)塞緊枕木的清理。檢修門(mén)倒鉤槽平面尺寸為30cm×15cm(左右方向×上下游方向)，倒鉤槽面向上游開(kāi)口寬度只有15cm，槽內(nèi)有枕木被檢修門(mén)壓緊后卡死，ROV將機(jī)械手伸到槽內(nèi)將枕木捏碎后再往外掏，最終清理出所有枕木。如果可以安裝一刮板，還可以刮除槽內(nèi)底部的泥沙。

3.5 水下混凝土止水和面板的檢測(cè)

有纜遙控機(jī)器人系統(tǒng)的核心檢測(cè)為攝錄照明系統(tǒng)，另外可搭載二維聲納成像系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下結(jié)構(gòu)形狀及周邊地貌的簡(jiǎn)單測(cè)量。有纜遙控機(jī)器人可以對(duì)水下分縫止水和面板進(jìn)行檢測(cè)，查看面板表面有無(wú)明顯的貫穿性裂縫和大面積明顯的混凝土缺失等；各條橡膠止水是否基本完整，有無(wú)局部表面開(kāi)裂、固定螺母缺失情況等。

4 結(jié)語(yǔ)

水利工程水下勘測(cè)過(guò)程中，由于水域的復(fù)雜性和自身環(huán)境的特點(diǎn)，會(huì)使用有纜遙控機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行輔助觀測(cè)，可以高效地對(duì)水利工程進(jìn)行檢測(cè)，了解水利工程的運(yùn)行狀況和完好情況。有纜遙控機(jī)器人系統(tǒng)的安全性較高，數(shù)據(jù)更為直觀，有利于水利工程水下工作的勘測(cè)。