用于水下結構監測的巡檢機器人系統

葉林杰，吳迪高，謝純輝

（浙江交工新材料有限公司，浙江 杭州 310000）

1 引言

水下環境一直是人類各種活動的挑戰。水下設施包括大壩、輸水管道、碼頭、海上石油平臺等，主要是混凝土結構或鋼結構，水下環境的腐蝕加速了這些設施的老化過程。水下設施的檢查和維護是有較大困難的，因此可采用機器人系統，配備一套傳感器和監測設備進行不同水下結構和設備的檢查。

2 水下導航系統概述

探索未知空間可以使用同步定位測繪(SLAM)技術。在三維同步定位測繪技術中，最常見的傳感器是RGB-D 攝像頭、激光掃描儀或視覺攝像頭。它們可以產生深度圖像(彩色或黑白)、點云或平面圖像。目前主要有兩種算法方法來計算上述傳感器的數據。

第一種方法是基于迭代最近點(ICP)算法。該算法用于匹配曲面:

其中，Sref是參考曲面，是一個點云，是旋轉平移。

ICP 算法從q0開始，根據式（1）進行最小化迭代。根據前一步的qk計算Sref上的點投影，并計算下一步的qk+1。對于每一步k，算法為式(2):

該算法可以在沒有初始值qk而只有初始旋轉平移值的情況下運行，如初始值可以是里程計或慣性測量單元(IMU)傳感器確定的設備速度。

第二種方法是基于特征提取。首先提取輸入數據集的特征，與之前測量的特征值匹配，通過評估這些特征點位置的空間特征，可以得到兩坐標系之間的對應關系?；谶@些對應關系，可以進行圖像信息的變換。

還有一種基于有限慣性信息的水下自主航行器(auv)多波束聲納測量的同步定位測繪技術。利用圖片同步定位測繪技術來確定機器人位置。該方案的算法為從聲納數據中提取特征創建描述符號，然后將其與以前的狀態特征進行比較。其中一個假設是，只使用自然地標，并只提取易于識別的特征。這種方法的處理結果很好，尤其是在處理循環閉環事件時。

Silveira 等人提出了另一個導航概念，采用一個基于生物學原理的模塊化系統，名為海豚同步定位測繪技術。它融合了視覺攝像機、聲納、IMU 傳感器和多普勒測速聲吶(DVL)等多種傳感器。該方案將平面同步定位測繪神經網絡擴展到三維水下環境，分別為光學圖像配準、聲納圖像配準和運動檢測器設置了獨立模塊。設備可穩定運行，即使其中一個模塊因環境原因不能提供相應數據，不影響整體運行。

現有研究明確了發展精確水下導航的必要性。Dinc提出了一種基于慣性導航系統的AUV 導航設備，融合了DVL、羅盤或壓力深度傳感器等其他輔助設備，并通過仿真實驗驗證了算法的正確性。He 等提出了水下同步定位測繪的綜合方法。該設備配備了兩臺聲納，一臺視覺攝像機、DVL、GPS，一個姿勢和航向參考系統和其他傳感器。5 個獨立模塊保證了該方法的機動性。同時采用前瞻聲納主動感知環境特征，在實際工程中應用效果較好。

原始聲吶掃描系統也可用于AUV 導航，可利用擴展卡爾曼濾波器(EKF)估計機器人在單聲納工作周期內的位置，以保證掃描不失真。全局軌跡由另一個濾波器確定，采用增強狀態EKF，一次完整掃描可對應一個設備姿態。

現有研究中，水下環境使用了不同的導航方法。正確的導航系統確保了結構缺陷和后續修復的定位準確。本文描述了一個模塊化機器人系統，可協調多個定位傳感器，對水下結構進行監測缺陷識別。

3 水下機器人檢測系統概述

水下探測系統由兩個可單獨操作的模塊組成。第一個模塊是履帶機器人，配備了兩個履帶驅動器，可以在水下基層上移動。第二個單元是一個可以在水下自由航行的遠程操作飛行器(ROV)。兩個機器人都由位于水面上方的操作員控制。由于該系統是模塊化的，因此可以根據需求設置不同的應用配置。ROV 可以作為獨立的檢測平臺，也可以與履帶機器人共同工作。

履帶式機器人配備了3D 聲納，用于水底導航、定位障礙物和移動物體。ROV 是一種輕型水下機器人，能夠對各種設施進行目視檢查。采用三個高分辨率攝像頭分別對機器人前方、下方和上方物體進行監控。兩個機器人都通過局域網連接到一個控制面板，該控制面板提供來自攝像機的高清圖像流，并掃描3D 聲納數據。通信和電源由一個懸浮的多導體水下纜線提供。機器人使用控制軟件進行高級圖像分析，提供定位、移動平臺導航和結構缺陷檢測。

4 跟蹤檢查機器人

履帶式機器人由一個可調不銹鋼底盤和兩個集成的履帶驅動模塊組成。該模塊由直流電機、齒輪傳動和水下密封裝置組成。履帶采用大螺紋彈性橡膠帶，性能更加可靠。履帶驅動相對于車輪的主要優勢在于，通過最大限度地擴大接觸面積，在凹凸不平的表面上提供了更好的牽引力，但僅限于硬表面。履帶驅動器通過剛性連接安裝在底盤上。此外，機器人還有一個防水外殼，用于搭載電力變壓器、電機驅動器、局域網交換機和可編程邏輯控制器（計算機）。防水裝置允許防水30 米深。機器人導航基于安裝在可調節的支架上的三維聲納測量。履帶式機器人的底盤可按照其他檢查設備(如相機和照明設備)，一般情況下，安裝在ROV 機器人上的檢查設備足以完成所需的任務。

聲納的性能需在水下進行測試。在平面視圖中，很容易區分墻和障礙物，并測量物體之間的距離。三維視圖提供了額外的障礙物高度信息，但需要對數據進行更詳細的校準。在復雜的環境中，為了消除波束反射的不良影響和不同元素產生的噪聲，需要調整聲納的距離。

履帶式機器人在水下環境中的運動控制需要采用不同的導航方法。為了估計機器人在空間中的位置和姿態，可以使用描述飛行器運動的數學模型。

基于拉格朗日方程，采用能量法對機器人進行動力學描述。為了避免解耦拉格朗日乘子的建模問題，使用了Maggi 方程。在動力學模型中，首先計算動能，然后考慮所有外力。用于管道檢測的履帶式機器人的建模方法在現有文獻中已有詳細介紹。對于本文所描述的履帶式移動機器人，可以用類似的方法導出模型。

5 水下ROV

5.1 ROV 的設計

ROV 是一種輕型水下平臺，配有三個推進器，用于水平和垂直推進。推進器由直流電動機驅動，并由集成控制器控制，兩個位于機器人的后部，通過改變偏航角實現前后運動。中央推進器提供垂直運動并保持機器人在設定的深度。該平臺設計有正浮力，可用于緊急上浮。ROV 配備了集成控制器、慣性和壓力傳感器、視覺系統處理單元。控制器、電源和通信單元都密封在防水外殼中。

5.2 ROV 的可視系統

用于水下探測的ROV 有兩種不同的任務。第一種是水下結構的表面進行掃描，分析其工作狀態。第二項任務是檢查水線以上的施工。為此，配備了兩個相機來滿足這些任務——一個單色高分辨率相機(500 萬像素)，用于拍攝和記錄水下物體的表面；一個彩色，低分辨率變焦相機，用于水面上的檢查和導航。另外還配備了一個額外的相機(130 萬像素)，固定在履帶式單元上，這個攝像頭位于設備底部，向下拍攝。高清檢查攝像頭放置在機器人前部的防水外殼中，配備了一個圓頂端口，可最大限度地減少由于空氣-水界面造成的圖像失真。變焦相機垂直放置在一個帶有球形圓頂的防水外殼中，可以充分利用相機旋轉擴大視野。當機器人浮出水面時，該相機也可以從水中浮出。

ROV 前部有兩個高功率LED 燈頭，波束角度為120°。一些低功率LED 燈位于設備兩側，相機配備獨立光源。可視系統配備了四個激光模塊，矩形布置，平行于高分辨率相機的光軸。激光模塊被封裝在防水外殼內，底座可調。這些模塊產生紅色激光，可測量結構表面的距離和方向，計算圖像尺度，消除圖像的透視畸變。

5.3 距離和姿態測量

水下巡檢機器人的主要任務之一是對水下結構進行掃描，以識別和記錄缺陷(主要是裂縫、損傷和腐蝕)。為了能夠測量圖像中的尺寸，需要測量設備到表面的距離和機器人的姿態。這對機器人控制系統也很重要，該系統必須自動保持機器人在一個理想的距離上垂直于結構移動。

激光點s 的圖像通過焦距為f 的透鏡投影到相機傳感器上。四束平行激光束圍繞相機軸對稱排列成大小為a × b 的矩形。光束平行于光軸，并以對稱的矩形形狀排列。計算距離和姿態只需要三個點。引入冗余第四激光束，允許一個點為無法檢測到的異常點，以提高系統的穩定性。因為激光束有時會打到裂紋或凹痕上，此時該光點會看不見或扭曲。

當捕捉到新的圖像幀時，對其進行二值化，并計算出激光點的質心。利用泰勒公式，可以通過以下公式確定設備到每個點的距離zs:

式中，s 為光軸到激光點的距離，由a、b 確定，s’為在圖像上的相應距離，f 為系統焦距，如圖1 所示。

圖1 相機模型中激光網點圖像的形成

當光點距離已知時，可以通過簡單平均和姿態角α、β 來確定光點沿光軸的距離，如圖2 所示。

圖2 距離和姿態確定

6 結論

本文提出了一種用于水下結構檢測的機器人系統。模塊化結構包括一個履帶式機器人和一個ROV，可以協同監測位于水下的不同設施。推導了巡檢機器人的數學模型，綜述了巡檢機器人的導航方法。同時還開發了水下移動機器人和水下機器人專用的圖像處理和分析算法。第一種算法為機器人在結構表面上的位置和姿態測量。該方法簡單、有效，可用于實時控制系統。第二種算法用于檢測結構表面缺陷，尤其是裂紋。通過配備高分辨率攝像頭的機器人進行自動檢查，可以快速評估結構狀況，還可以通過定期、可重復的檢查，用于長期健康監測和維護計劃。