基于改進ROV技術的水工建筑物水下檢測應用

張 震

（上海勘測設計研究院有限公司，上海200434）

現(xiàn)如今，水閘、泵站和船閘等水利建筑結構經(jīng)過長年運轉后，會出現(xiàn)例如裂縫、凹坑、侵蝕等嚴重損壞，由于這些損壞發(fā)生在水工建筑物的水下部分，并且處于技術管理工作檢查的盲點，因此水利建筑損壞的發(fā)生難以及時發(fā)現(xiàn)，檢測也相當麻煩[1-2]。水下檢測技術的發(fā)展長期以來進展緩慢，目前安排潛水員進入水下探索依然是普遍使用的常規(guī)方法[3]。然而，很多河流水質相對渾濁，潛水員無法清楚地勘察水下情況。同時，手工檢測技術對潛水操作技能，潛水員的水下操作經(jīng)驗要求較高，因此測試結果不夠客觀[4]。

針對上述問題，文獻[5]采用自浮式沉箱技術，通過智能檢測設備進行水下探索，但是該方法維護范圍小，易受水深和凈高的影響；文獻[6]公開了水下機器人ROV 技術，但由于大多數(shù)水力結構所處的河流和湖泊具有一定程度的渾濁，難以檢測出清晰的圖像。

針對上述存在的問題，本研究提出了一種改進的ROV 檢測水工建筑物水下情況，其創(chuàng)新性在于：①使用微控制器Arduino UNO 與集成采樣器組成的檢測系統(tǒng)，通過檢測水下pH 值參數(shù)、濁度（NTU）參數(shù)和總溶解固體（TDS）參數(shù)，從而分析水工建筑物侵蝕原因。②采用聲納成像技術改進水下機器人成像系統(tǒng)，通過聲學原理成像在渾濁的水體中可獲得較好的圖像效果，聲納聲透鏡體積小，易于在小型水力結構和狹窄水域中操作。

1 水下機器人系統(tǒng)設計

水下機器人從中央系統(tǒng)進行電氣控制，可由技術員遠程操縱電動推進器進行機動，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術構建水下機器人檢測系統(tǒng)來進行水下pH 值、水濁度和總溶解固體的檢測，ROV 機器人控制系統(tǒng)框硬件框圖如圖1所示。

圖1 ROV 機器人控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 ROV control system hardware block diagram

機器人中心控制系統(tǒng)使用的是Arduino Nano微控制器，通過遠程計算機控制用作系統(tǒng)輸入，然后電動機提供系統(tǒng)動力。外包命令箱包括電源、以太網(wǎng)交換機、電壓表和通斷開關，電源可通過內部電位計調節(jié)[7-8]。標準數(shù)據(jù)通信通過Gbit 以太網(wǎng)或可選的100 Mbit（降低的分辨率/幀速率）進行，長度為70 m的混合GigE RS485[9]臍帶纜通過可濕配的MCBH-16 連接器從攝像機單元連接到上側單元，或者通過帶有連接器的1.2 m 尾纖連接到ROV[10]。

2 關鍵技術

在本節(jié)中，將分別闡述ROV 水下機器人控制系統(tǒng)中檢測系統(tǒng)與聲吶成像系統(tǒng)的具體設計。

2.1 檢測系統(tǒng)設計

水質監(jiān)測對于了解水工建筑物的侵蝕原因至關重要，為此，本研究中通過檢測水下pH 值參數(shù)、濁度（NTU）參數(shù)和總溶解固體（TDS）參數(shù)，從而分析水工建筑物侵蝕原因。本研究中的檢測系統(tǒng)使用Arduino UNO 計算系統(tǒng)與采樣器組成。其中采樣器種類有測量水下pH 值、TDS 與濁度。通過ROV 水下機器人采樣器進行檢測，經(jīng)過無線傳輸將測量的參數(shù)數(shù)值顯示在云平臺上[11]。監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)結構框圖Fig.2 Detection system structure diagram

根據(jù)圖2分別說明3 種采樣器的采集計算過程。首先，pH 采樣器用于改變非電強度，即酸度（pH）是電壓的電強度。通過將pH 計工具的測量結果與所用的pH 采樣器進行比較，即可以完成檢測[12]。但是，在開始檢測之前，需要先校準pH 采樣器，可以使用線性方程校準pH 采樣器[13]。等式為

式中：Y 表示pH 計測量值；M 表示采樣器校準系數(shù)；x 表示采樣器電壓的測量值；C 是采樣器常數(shù)。

校準是在兩種類型的液體中進行的，即酸性液體和堿性液體。所用的酸性液體是水醋，而所用的堿性液體是肥皂水。初始測量時：

式中：Y1與Y2分別表示酸性液體和堿性液體的pH計測量值；x1與x2分別表示酸性液體和堿性液體的采樣器電壓的測量值。

將這些初始值插入式（1）中以查找梯度（M）值，計算出pH 采樣器校準方程式值為

人員信息管理主要是實現(xiàn)學生、員工、班主任、輔導員信息的添加、刪除、修改和查詢以及相應人員的考勤，在設計時充分考慮到用戶體驗，實現(xiàn)成批添加、導出文檔等功能[4]，這些權限由管理員到員工、學生逐級遞減。

隨后，將校準方程式插入Arduino UNO 上的計算程序中，這樣就能檢測出水下pH 值的大小。

TDS 采樣器是用于測量水中總溶解土壤的采樣器，由于TDS 采樣器檢測計算方式與pH 采樣器同理，將不再做多論述。

濁度計采樣器是通過讀取由于光線的散射而引起的水的光學特性來檢測水濁度計的工具之一，并且可以表示為到達光中反射光的比較[14]。根據(jù)所查文獻以及歷史理論獲得的研究結果，電壓值越小，NTU 值就越大，這意味著水越清澈，張力就越高；相反，水越混濁，張力值就越小[15]。基于獲得的理論設計檢測算法，TDS 采樣器校準原理定義式為

式中：y 表示NTU 值；x 表示采樣器電壓值；a，b，c 均表示采樣器參數(shù)。計算NTU 校準方程式采用的是3種不同渾濁程度類型的液體，其初始值為

通過式（4）和式（5）計算以獲得參數(shù)a，b 和c 的值。在代入濁度計采樣器的校準方程y 的計算結果之后獲得：

隨后，將校準方程式插入Arduino UNO 上的計算程序中，經(jīng)過無線傳輸測量的參數(shù)數(shù)值顯示在云平臺上。

2.2 聲納成像系統(tǒng)設計

鑒于傳統(tǒng)方法對水工建筑物水下可見損壞檢測的局限性，本研究采用基于聲納成像技術的聲吶成像系統(tǒng)用于其檢測，該系統(tǒng)經(jīng)濟實惠且能夠清晰展現(xiàn)水下圖像[16]。關于聲吶技術的原理如圖3所示。

圖3 聲吶技術原理圖Fig.3 Sonar technology schematic

聲納成像是使用聲學透鏡壓縮和會聚聲波以形成窄波束，從而獲得高清圖像數(shù)據(jù)，當聲納成像工作時，發(fā)射系統(tǒng)將帶有一定聲音信息的發(fā)射信號發(fā)射到水介質中，如果該信號在水中傳播時遇到障礙物，則會生成回波信號[17-18]。

由于傳統(tǒng)水下機器人體積大，操作行動緩慢，對于鎖定通道狹窄的空間和潛水探索的困難實施，為此，本次設計的聲納成像聲透鏡探測具有體積小，操作靈活的優(yōu)點，有利于檢測水工建筑物的損壞情況，非常適用可靠。聲納成像聲透鏡通過調整不同角度，可以調整其聲納成像的大小[19]，其原理如圖4所示。

圖4 聲納聲透鏡成像范圍原理圖Fig.4 Sound scope of sound lens imaging

3 實驗與分析

3.1 儀器安裝與姿態(tài)控制

檢測系統(tǒng)所需的組件是Arduino UNO 微控制器，pH 采樣器模塊，TDS 采樣器模塊，濁度采樣器模塊和WiFi 模塊。采樣器放置在機器人的正面，以方便用戶了解機器人的正面。該檢測系統(tǒng)是通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術來實現(xiàn)的，以便能夠在云服務器中顯示采樣器值。聲納成像探頭安裝在機器人側面，并帶有固定支架，以利于在安裝和檢測過程中對聲納的姿態(tài)進行控制。

組裝完聲吶成像系統(tǒng)后，將組裝后續(xù)的機器人主控制系統(tǒng)。機器人系統(tǒng)所需的組件是Arduino Nano 微控制器，2.4 GHz 遠程控制模塊，L298N 電動機驅動器，直流電動機和螺旋槳。最后，將這檢測系統(tǒng)與聲吶成像系統(tǒng)兩個系統(tǒng)電路與主控制系統(tǒng)電路合并為最終的系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.2 水下參數(shù)檢測測試

在獲得用于校準采樣器值的方程式之后，在某些液體上對采樣器進行水下參數(shù)檢測測試。用作測試材料的流體是礦泉水、清潔劑、醋、肥皂水和咖啡，分別測試pH，TDS 以及濁度數(shù)的參數(shù)數(shù)值，所有這些參數(shù)都是使用pH 采樣器、TDS 采樣器和濁度采樣器測量的。關于不同參數(shù)相應的清澈水國際質量標準如表1所示。

表1 國際質量標準Tab.1 International quality standard

通過將參考量規(guī)的值與所使用的采樣器進行比較來完成對采樣器的測試，使用這種不同類型的液體進行測試的目的是確定基準測量儀器的采樣器值是否使用相同。比較帶有pH 計的采樣器的pH值的測試結果如表2所示。

表2 pH 采樣器與pH 計的比較（無量綱）Tab.2 Comparison of pH sampling and pH meter（dimensionless）

從表2測試結果來看，pH 計的采樣器值差異性較小。使用與pH 測試相同的水樣進行TDS 采樣器測試。該TDS 采樣器可測量溶液中的溶解固體（mg/L）值，測試值將與基準測量儀（即TDS 儀表）的測試結果進行比較。來自TDS 采樣器和TDS 儀表的測試結果比較如表3所示。

表3 TDS 采樣器和TDS 儀表的比較Tab.3 Comparison of TDS sampler and TDS meter（mg/L）

從表3已經(jīng)完成的測試結果來看，具有TDS 儀表值的TDS 采樣器的結果差異較小。濁度采樣器測試結果如表4所示。

表4 不同液體上的濁度采樣器測試結果Tab.4 Turbidity sampler test results on different liquids

從表4可以看出，在研究中獲得的電壓值越小，NTU 值就越大，這意味著水越清澈，張力就越高；相反，水越混濁，張力值越小。

3.3 聲吶成像測試

為了驗證雙頻聲納技術在水工建筑物檢測中的效果，在長江的某控制閘進行了應用測試。其中圖5為長江潮位為4.70 m，艙室水深約為5.1 m，聲納探頭的水下工作深度為3.0 m，探測目標距離控制在5 m 以內，行距為2 m 時情況；圖6為閘室和下游溢流段的水深約為3.0 m，聲納探頭的工作深度為1.0 m，檢測目標距離控制在5 m 以內，聲納成像的檢測圖像。

圖5 某控制閘的水下檢測圖像截圖Fig.5 Underwater detection image screenshot of a control gate

從圖5和圖6可以清楚地看到水工建筑物的水下結構的損壞和淤積，這為水工建筑物的水下檢測提供了直觀且可記錄的圖像數(shù)據(jù)。檢測完成后，根據(jù)聲納檢測中記錄的實時標記的GPS 坐標，以及檢測過程中的水深，聲納工作深度和掃描角度，得到掃描目標圖像的位置信息，通過轉換獲得，從而實現(xiàn)水下目標的定位。從上圖能夠表明，對于狹窄通道的空間里和潛水探索的困難地方，聲納成像聲透鏡探測體積小，操作靈活的優(yōu)點，有利于檢測水工建筑物的損壞情況，非常適用可靠。

圖6 某控制閘的水下檢測圖像截圖Fig.6 Underwater detection image screenshot of a control gate

4 結語

在本項研究中，通過改進水下機器人系統(tǒng)來執(zhí)行水工建筑物的水下檢測，檢測系統(tǒng)使用pH 采樣器、濁度采樣器和溶解性總固體采樣器精準地檢測出不同參數(shù)，并將數(shù)值結果通過無線傳輸至云端。通過雙頻聲納技術可以在高頻和識別模式下工作以獲得分辨率，并且可以在渾濁和昏暗的水中獲得高清晰的圖像。根據(jù)測試結果表明，改進的水下機器人檢測方式實用可靠。