基于無人水下機器人的水電站和大壩檢測技術

［德國］P．托爾斯滕等

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基于無人水下機器人的水電站和大壩檢測技術

［德國］P．托爾斯滕等

摘要:水電站和大壩淹沒區通常只能通過測量其地理位置、使用滲濾液和目測來進行監測。對水下基礎設施進行監測和檢查，有助于防止重大危害的發生。介紹了一些最新研究成果，例如自動檢查水下基礎設施(港口、海上風力發電機、大壩)的水下機器人制導方法。該方法要求水下機器人配備精確的導航系統，因而造價很高。

關鍵詞:壩;水電站;檢測技術;水下機器人

1　概述

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

特別是對水庫淹沒區而言，其監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器人來幫助查明水下基礎設施的狀況。但潛水員只能深入水庫30～50m，而無人水下機器人則能潛入整個水庫深度。

有關水下機器人及集成傳感器的研究工作已有10多年的時間。本文將對其科研現狀以及水下機器人的制導軟件進行介紹。

2　無人水下機器人

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

遙控潛水器和自主水下機器人都可以根據應用領域和/或最大潛水深度進一步分類，小型的更適于完成監測和檢查任務。

遙控潛水器是利用計算機控制臺進行手動操作。潛水器操作員根據任務控制屏幕上顯示的傳感器信息來調整機器人的航速和航行角，以滿足任務目標要求。而自主水下機器人則需編制包含一系列航點的任務計劃，這些航點可手動創建或通過任務規劃系統自動創建，因此，它更適合于無需人工干預的探查任務，例如，水庫的三維建模及庫容的確定。

2．1機器人制導系統軟件

弗勞恩霍夫AST公司擁有多臺無人水下機器人，且都具有獨立的控制系統，這些系統在軟件安裝或升級、任務規劃和評估方面都有很大差異。因此，該公司研發了適應性較強的水下機器人軟件框架，即ConSys，以統一不同機器人的軟件系統。，它具有以下特點。

(1)框架式結構和通信。支持具有簡單而強大跨程序通信機制的模塊化控制系統。

(2)抽象層。完整的抽象層可滿足所有基層操作系統、傳感器和控制總線接口。

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

(4)圖形用戶界面。易于使用且可擴展。

(5)通訊數據結構。根據框架基本結構，把所需信息在無人水下機器人軟件模塊間進行分配。

ConSys框架引入了不同軟件層來創建制導系統。“基層”是操作系統的抽象層，也是構成軟件模塊的跨平臺基礎。這一層包含應用程序設計所需的常用元素:

(1)傳輸二進制數據的通信類別;

(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)制導系統所有程序所需的模塊基礎元素;

(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。

在基礎層頂部，可執行一些常用的應用程序，如啟動管理器(啟動和監視其他所有模塊)、系統狀態觀測器(檢查CPU使用率、內存占用率等)或可將抽象信息說明轉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器人航行路線的應用程序需要額外的功能，這些功能位于“應用層”。

(1)導航庫包含坐標變換、一個串口驅動程序和幾種海水計算算法(可參閱相關文獻)。可根據導航傳感器的輸入數據計算出機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據和控制機器人，一般包含最先進的算法。

(3)控制器局域網絡庫集成了不同硬件接口的控制器區域網絡驅動器和電動機控制器與通用I/O模塊的CANopen設備文件。

(4)評價邏輯表達式時，“庫”主要用于事件處理器的應用程序。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)等語句并根據評估結果做出響應，執行一個命令過程或發布一條消息。

(5)任務庫包含許多任務，它們可交叉結合形成一項復雜的任務。任務管理器應用程序通過任務庫來執行一項任務，必要時可重新規劃任務。

導航等機器人制導系統應用層的應用程序實現了低位控制器(自動導航裝置)、能源管理和傳感器接口模塊。自主水下機器人自主運行的任務管理器是制導系統最頂層。遙控潛水器不使用任務管理器，這里的圖形用戶界面直接與低位控制器交接，以控制推進裝置。外部接口和Python腳本語言的腳本支持，可減少希望結合自身機器人控制算法的新傳感器和用戶的執行工作。

2．2傳感器系統獲取數據

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

3　水下手動檢測技術

手動檢測是操作員通過控制遙控潛水器來完成。比如，一座大壩的入口結構損壞，就可以從不同角度觀察受損區域，還可掃描其附近可能進一步受損的區域或查明受損原因。

弗勞恩霍夫IOSB－AST公司的遙控潛水器在過去幾年中執行了各種人工檢測任務，與潛水員完成的檢測結果互為補充。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作進一步檢測。與潛水員檢測相比，無人檢測具有以下優勢，。

(1)遙控潛水器和自主水下機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，以獲得更詳細的監測結果。

(3)基礎設施評估專家可在任務執行過程中同時檢查這些構筑物。對評估時提出的問題，可通過在不同角度、范圍或傳感器設置下進行詳細的重復檢測而得到解答。

利用遙控潛水器進行人工檢測的缺點如下。

(1)發現損壞時，無人水下機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度站連接，但電纜可能會纏在水下基礎設施等處，可能危及到機器人。

4　水下目標自動檢測技術

自動檢測一般通過自主水下機器人完成，它會根據設定的任務計劃采取相應行動，并利用環境傳感器(測量距離)或檢測傳感器來確定其航行路徑。對光學傳感器來說，水電站等復雜環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自主水下機器人，對傳感在線信息檢測的控制方法進行介紹。

處理任務規劃和執行之間的相互關系十分重要。在任務規劃階段，操作員需要確定被檢測對象(大壩、水閘等)的類型。開發的算法會利用任務規劃信息和機器人傳感器獲得的在線數據來指導機器人，以期獲得最佳檢測結果。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及引導機器人的軟件來實現，見圖1。

圖1　機器人引導軟件模塊

4．1系統結構和檢測階段

檢查又可分為搜索、處理、跟蹤和轉變階段。在搜索階段，對象檢測系統模塊被激活，但不進行機器人的控制，該階段會分析被檢測對象的對象檢測模塊數據及任務規劃中的相關信息。信息匹配時，對象檢測系統模塊請求任務控制模塊對機器人進行控制，檢測任務進入下一個階段。

發現檢測對象后，處理階段開始，機器人改變其路線并開始跟蹤對象的一個并行路徑。當機器人到達檢測對象的檢測距離時，跟蹤階段被激活。對象檢測系統模塊在檢測距離處計算新的虛擬目標點，并密切跟蹤壁面結構。當需要改變航行方向和深度時，轉變階段被激活。

當被檢測對象的所有表面都已檢測完成且機器人離開檢測區域后，認為檢測任務成功完成。但當對象檢測系統模塊與被檢測對象不再接觸，而檢測已完成，則標記為不成功的檢測。對象檢測系統模塊通知任務控制系統，然后再對機器人進行控制。

4．2目標描述

制導系統在內部將需要檢測的障礙和目標以直線形式表示出來，目標檢查模塊可利用聲納傳感器傳回的數據生成直線。在檢查制導算法中使用這種表示法比未經處理的聲納圖像更加有效。

自壩體距離機器人最近的接觸點Pw向其北方位角aw方向畫一條直線。壩體接觸點Pw由機器人當前位置pv的距離db和機器人的北方位角ab方向來確定(從機器人位置的視角看，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) :目標檢查模塊根據聲納數據將壩體標識為一條直線;然后計算出虛擬航點(見圖4) ;再根據新的虛擬航點，計算出機器人的新航線，并將其傳輸至機器人的自動導航裝置，以設定機器人推進裝置的速度;持續對虛擬航點進行重新計算，以根據不斷變化的環境條件(如水流)而調整機器人的運行。

圖3　目標檢查系統(OIS)控制回路

圖4　虛擬航點計算

4．4垂直方向檢測規劃

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

圖5　不同傳感器的探測區域

圖6　垂直壩壁檢測路徑

5　結語

利用無人水下機器人進行水下檢測可以彌補潛水員水下檢測的不足，由于這些機器人都能同時采用不同的檢測傳感器，因此檢測結果更全面、更準確。而潛水員深入水下檢測的優勢是確認和修復可能出現的損壞部位。配有高精度導航系統的自主水下機器人，可自主檢測基礎設施狀況并進行完整描述。

總的來說，水下檢測設備已變得越來越重要。因此，必須相應地采用新算法，與航空機器人及地面機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器人中的應用，也利用了一些初始試驗成功驗證了算法的可行性。

無人水下機器人進行水下壩壁檢測和跟蹤的基本功能，為研究大壩更為復雜的性狀奠定了基礎。在此基礎上，將拓展目標檢測系統模塊，使其能用于檢測更復雜的區域，并能辨明邊緣與轉角，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

文獻標志碼:A