專利名稱：堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)各種堤壩質(zhì)量與安全性的水下機(jī)器人系統(tǒng)及檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
目前，在國(guó)內(nèi)外能夠查閱到的資料對(duì)于各種水利、水電、水庫(kù)和江河堤壩的破損與病變所采用的檢測(cè)手段基本是運(yùn)用物探的辦法，如高密度電阻率法、面波勘探法、探地雷達(dá)、瞬變電磁法、聲速測(cè)量法或預(yù)埋應(yīng)力傳感器等方法。這些方法都有明顯的缺陷和不足。例如，高密度電阻率法需在堤壩上布置大量電極，通過(guò)儀器和人工控制，不斷改變供電和測(cè)量電極，以獲得不同水平位置的電阻率數(shù)據(jù)，該方法與電極間距及裝置的選擇、被測(cè)材質(zhì)的含水量等有直接關(guān)系，所以往往與實(shí)際情況相差較大；面波勘探僅僅對(duì)于地層層狀具有明顯波束差異的堤段較好，但對(duì)洞穴及隱患部位探測(cè)時(shí)，其正、反演解釋及野外觀測(cè)作業(yè)的研究尚未成熟；探地雷達(dá)只在隱患部位較淺時(shí)適用，且受含水性的影響較大；瞬變電磁法由于使用頻率難以提高，因而在探測(cè)不均勻體時(shí)分辨率較差根據(jù)聲波速度測(cè)量確定材料的彈性模量的方法，受材料的材質(zhì)、構(gòu)成含水量、溫度等多種因素的影響，因而難以找到一個(gè)穩(wěn)定確切的換算關(guān)系；預(yù)埋應(yīng)力傳感器法只是在堤壩病變到較嚴(yán)重程度時(shí)才有較好的檢測(cè)效果，此時(shí)修復(fù)堤壩難度很大，可參見(jiàn)2002年7月27～29日在網(wǎng)上發(fā)表的“堤防隱患及險(xiǎn)情快速探測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)評(píng)會(huì)會(huì)議紀(jì)要”。網(wǎng)址http//www.chinawater.net.cn/cwsnews/newshtm/y001122.htm由于上述方法只能是在壩頂進(jìn)行壩體的物理探測(cè)，因而其共同缺點(diǎn)是探測(cè)深度淺(10-20米)，且精度不高；對(duì)于小型的空洞和裂縫的敏感度差；對(duì)于幾十米至百米以上的堤壩的中部、下部則根本無(wú)法測(cè)量。此外，由于僅能在干端(水面以上)進(jìn)行測(cè)量，因而對(duì)于攔河大壩、發(fā)電為主的水源壩等，這些方法的應(yīng)用都很困難。
建國(guó)以來(lái)，我國(guó)共修建8.6萬(wàn)多座堤壩，其中水深15m以上大壩有1.8萬(wàn)多座，水深30m以上大壩有近3000座。這些工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中正發(fā)揮著巨大的作用。然而當(dāng)前相當(dāng)一部分大壩存在著不安全因素，有的已運(yùn)行30多年甚至更長(zhǎng)，壩體材料逐漸老化；有些已出現(xiàn)危及大壩安全的裂縫和病變；有些由于壩址地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致大壩安全度偏低；還有些大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)較低等。這些因素不同程度地影響工程效益的發(fā)揮，甚至威脅著下游千百萬(wàn)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。與此同時(shí)，大壩的規(guī)模日趨巨大，如長(zhǎng)江三峽、龍羊峽、二灘、小浪底等。所以各種類型大壩的質(zhì)量和安全性檢測(cè)就顯得更為重要。
根據(jù)水利部制定的專項(xiàng)規(guī)劃，目前全國(guó)急需除險(xiǎn)加固的病險(xiǎn)水庫(kù)有幾千座，此外還有二類堤壩水庫(kù)兩萬(wàn)余座，也應(yīng)進(jìn)行加固改造。因而急需有更有效的檢測(cè)手段，對(duì)于病險(xiǎn)庫(kù)及新建堤壩的安全性與質(zhì)量狀況進(jìn)行檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種堤壩質(zhì)量與安全性檢測(cè)的水下機(jī)器人系統(tǒng)及檢測(cè)方法，為修復(fù)病險(xiǎn)堤壩提供一種綜合性的高科技探測(cè)手段和檢測(cè)方法。本發(fā)明解決了對(duì)整個(gè)堤壩，包括水下幾十米、乃至二百米深的壩體部分的探測(cè)問(wèn)題；不僅探測(cè)壩體表面的破損和裂縫，而且能夠探測(cè)壩體內(nèi)部缺陷；掃查速度快，可達(dá)到5400米2/時(shí)。因而可對(duì)堤壩進(jìn)行經(jīng)常性的快速安全監(jiān)測(cè)，從而可確保堤壩隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與報(bào)警。
本發(fā)明水下機(jī)器人系統(tǒng)的組成包括作為載體和水下運(yùn)行設(shè)備的水下機(jī)器人載體[1]、裝配在水下機(jī)器人載體[1]上的導(dǎo)航設(shè)備[2]及對(duì)堤壩進(jìn)行檢測(cè)的探測(cè)設(shè)備[3]、用來(lái)對(duì)水下機(jī)器人載體[1]進(jìn)行操縱、供電和圖像與運(yùn)動(dòng)參數(shù)顯示的堤岸設(shè)備[4]，見(jiàn)說(shuō)明書附圖。
其中水下機(jī)器人載體[1]可以采用水下遙控機(jī)器人(ROV)或自治式水下機(jī)器人(AUV)，它包括有起支撐和承載作用的組合框架[5]；用于驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人載體[1]的推進(jìn)控制艙[6]，推進(jìn)控制艙[6]通過(guò)對(duì)多推進(jìn)器[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12](本發(fā)明采用3對(duì)6只推進(jìn)器)的操縱控制，可使水下機(jī)器人載體[1]實(shí)現(xiàn)上下、左右、前后、左旋和右旋的8個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)；水下電源變換艙[13]，它用來(lái)將堤岸上的電源供電轉(zhuǎn)換成供水下機(jī)器人載體[1]及其上面攜帶的導(dǎo)航設(shè)備[2]和探測(cè)設(shè)備[3]所需用電；用于進(jìn)行光—電和電—光信號(hào)變換的水下光端機(jī)[14]。
導(dǎo)航設(shè)備[2]有用于測(cè)量水下機(jī)器人載體[1]運(yùn)動(dòng)速度的多卜勒測(cè)速儀[15]；分別給出以大壩、水底和水面為參考系的坐標(biāo)位置的測(cè)高聲納[16]、測(cè)距聲納[17]和深度傳感器[18]；給出水下機(jī)器人載體[1]艏尾線北向的小型羅經(jīng)[19]；還可根據(jù)需要加裝GPS接收機(jī)[20]，在水下機(jī)器人載體[1]每次浮到水面時(shí)，給出對(duì)大地的絕對(duì)坐標(biāo)位置。
探測(cè)設(shè)備[3]包括用于探測(cè)壩體表面缺陷和破損情況的高分辨率多波束聲納[21]、用于獲取壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及隱患情況的高分辨率剖面聲納[22]、用于在清水環(huán)境近距離對(duì)壩體表面進(jìn)行輔助探測(cè)的水下微光電視[23]。
堤岸設(shè)備[4]可安放在一個(gè)小型水面支持船上或堤岸上的一個(gè)小型車載基站上，由工程師和操作員實(shí)施操作和控制。其組成包括顯控臺(tái)[24]，它既是水下微光電視[23]、聲納圖像的探測(cè)數(shù)據(jù)及水下機(jī)器人載體[1]運(yùn)動(dòng)參數(shù)的顯示終端，也為水下機(jī)器人載體[1]的控制提供主控計(jì)算機(jī)和手動(dòng)操縱桿；配電箱[25]，它先將水面支持船或堤岸上的交流220V電源升壓至1500V，然后通過(guò)光電復(fù)合纜[26]給水下機(jī)器人載體[1]供電，水面光端機(jī)[27]用于光電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的工作原理是當(dāng)對(duì)某一水下堤壩[28]進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將裝有堤岸設(shè)備[4]的小型水面支持船或小型車載基站開(kāi)到堤壩[28]附近位置，將水下機(jī)器人載體[1]吊放入水中。啟動(dòng)配電箱[25]將水面支持船或堤岸上的交流220V電壓升至1500V，通過(guò)光電復(fù)合纜[26]并經(jīng)過(guò)水下機(jī)器人載體[1]的電源變換艙[13]的電壓變換，對(duì)水下機(jī)器人載體[1]及其所攜帶的導(dǎo)航設(shè)備[2]和探測(cè)設(shè)備[3]按其所需電壓供電。操作員通過(guò)顯控臺(tái)[24]控制導(dǎo)航設(shè)備[2]和探測(cè)設(shè)備[3]進(jìn)入工作狀態(tài)。顯控臺(tái)[24]的計(jì)算機(jī)對(duì)多卜勒測(cè)速儀[15]、測(cè)高聲納[16]、測(cè)距聲納[17]、深度傳感器[18]及羅經(jīng)[19]和GPS接收機(jī)[20]的信號(hào)進(jìn)行綜合運(yùn)算后，在顯控臺(tái)[24]的顯示器上給出水下機(jī)器人載體[1]在水下的位置圖像和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。操作員根據(jù)圖像和參數(shù)通過(guò)顯控臺(tái)[24]的手動(dòng)操縱桿給出電信號(hào)，控制推進(jìn)控制艙[6]通過(guò)推進(jìn)器[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人載體[1]到達(dá)堤壩[28]探測(cè)的合適位置。
此時(shí)探測(cè)設(shè)備[3]中的高分辨率多波束聲納[21]獲取堤壩[28]表面的聲回波信號(hào)，經(jīng)水下光端機(jī)[14]將聲回波電信號(hào)變換為光信號(hào)，由光電復(fù)合纜[26]傳輸至水面光端機(jī)[27]將光信號(hào)變換為電信號(hào)，最后經(jīng)主控計(jì)算機(jī)處理，在顯控臺(tái)[24]的顯示器上顯示出堤壩[28]表面的缺陷和破損情況。
同時(shí)探測(cè)設(shè)備[3]中的高分辨率剖面聲納[22]獲取堤壩[28]內(nèi)部材質(zhì)分層結(jié)構(gòu)的聲回波信號(hào)，經(jīng)上述同樣的電—光—電信號(hào)轉(zhuǎn)換后，在顯控臺(tái)[24]的顯示器上顯示出堤壩[28]內(nèi)部的空洞、構(gòu)造的不均勻性等缺陷情況。
水下微光電視[23]在清水情況下、近距離探測(cè)堤壩[28]表面時(shí)效果較好，起到輔助探測(cè)的作用。其探測(cè)到的堤壩[28]表面情況的圖像，也經(jīng)上述轉(zhuǎn)換送到顯控臺(tái)[24]的顯示器上，顯示出堤壩[28]的表面破損圖像。
上面所述的高分辨率多波束聲納[21]每次聲波發(fā)射后根據(jù)回波進(jìn)行波束形成，僅獲得一條帶狀聲圖像；高分辨率剖面聲納[22]所獲得的也僅是一條堤壩內(nèi)部的帶狀剖面圖像。因此這樣探測(cè)對(duì)堤壩[28]表面和內(nèi)部均不能形成三維聲圖像。為了獲取對(duì)堤壩[28]表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維聲圖像，本發(fā)明的探測(cè)方法是1.操作員根據(jù)顯控臺(tái)[24]的顯示器所顯示的從導(dǎo)航設(shè)備[2]獲取的水下機(jī)器人載體[1]在水下所處位置的圖像與參數(shù)，操縱顯控臺(tái)[24]的手動(dòng)操縱桿控制水下機(jī)器人載體[1]做上下、左右、前后及左旋和右旋運(yùn)動(dòng)；同時(shí)控制高分辨率多波束聲納[21]按照設(shè)定的聲波發(fā)射重復(fù)周期，向所測(cè)的堤壩[28]不斷發(fā)射聲波。所獲得的聲回波信號(hào)經(jīng)光電復(fù)合纜[26]傳送至堤岸設(shè)備[4]上顯控臺(tái)[24]的主控計(jì)算機(jī)，經(jīng)波束形成和對(duì)多條帶狀圖像的拼接，形成堤壩[28]表面的三維聲圖像；對(duì)該拼接成的圖像經(jīng)顯控臺(tái)[24]的主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行包括圖像修復(fù)、增強(qiáng)、特征提取和紋理識(shí)別的數(shù)字處理后，將其傳送到顯控臺(tái)[24]的顯示器上，形成具有良好視覺(jué)效果的聲圖像。操作員或技術(shù)人員即可根據(jù)這些聲圖像特性，判別堤壩[28]表面的破損和變化情況。
2.在測(cè)得堤壩[28]表面情況后，操作員同樣通過(guò)顯控臺(tái)[24]控制水下機(jī)器人載體[1]連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并控制高分辨率剖面聲納[22]隨水下機(jī)器人載體[1]對(duì)堤壩作連續(xù)掃描。將獲得的聲回波信號(hào)傳送至顯控臺(tái)[24]的主控計(jì)算機(jī)，經(jīng)波束形成和對(duì)多條帶狀圖像的拼接并進(jìn)行數(shù)字圖像處理，同樣可在顯控臺(tái)[24]的顯示器上觀察到所探堤壩[28]的內(nèi)部剖面圖像。
3.技術(shù)人員根據(jù)探測(cè)設(shè)備[3]所獲取的堤壩[28]表面和內(nèi)部三維聲圖像進(jìn)行分析、判斷，做出對(duì)堤壩[28]結(jié)構(gòu)病變的評(píng)估，以作為制訂修復(fù)方案的依據(jù)。堤壩[28]表面和內(nèi)部圖像對(duì)缺陷探測(cè)的定位分辨率為0.35°，探測(cè)視野不少于20°，縱向探測(cè)深度不小于10米。
根據(jù)上述檢測(cè)方法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是不受堤壩[28]深度影響，對(duì)整個(gè)堤壩[28]，包括水下幾十米、乃至二百米的堤壩具有探測(cè)能力；不僅能探測(cè)堤壩表面的破損和裂縫，而且能探測(cè)堤壩內(nèi)部的缺陷；探查速度快，可達(dá)到5400米2/時(shí)，因而可進(jìn)行經(jīng)常性的快速安全監(jiān)測(cè)，從而可確保堤壩[28]隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與報(bào)警。所以本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于各種水庫(kù)和江河堤壩的質(zhì)量與安全性檢測(cè)。


圖1堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)的右側(cè)面結(jié)構(gòu)示意2堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)的左側(cè)面結(jié)構(gòu)示意3堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)的堤岸設(shè)備結(jié)構(gòu)示意4堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)的光電信號(hào)連接示意框5堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)的水下機(jī)器人載體光電信號(hào)連接示意框圖具體實(shí)施方式
水下機(jī)器人載體[1]可選取遙控式或自主式水下機(jī)器人，本發(fā)明是采用遙控式。水下機(jī)器人載體[1]可根據(jù)不同堤壩[28]的檢測(cè)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造或選用已有型號(hào)。其推進(jìn)器可以是多對(duì)，本發(fā)明采用3對(duì)6只推進(jìn)器[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]，其推力為21Kg(由美國(guó)進(jìn)口)。水下電源變換艙[13]選用自研電源系統(tǒng)，可提供5000KW電源。水下光端機(jī)[14]和水面光端機(jī)[27]均為自研。多卜勒測(cè)速儀[15]選用1.5MHz的Argoncut-DVLM。測(cè)高聲納[16]選用CG-1型(自研)。測(cè)距聲納[17]選用CJ-1型(自研)。深度傳感器[18]選用MY-26；羅經(jīng)[19]選用HM-3000。GPS接收機(jī)[20]選用Etrex型。高分辨率多波束聲納[21]選用GT-1型(自研)。高分辨率剖面聲納[22]選用GP-1型(自研)。水下微光電視[23]選用Typhoon221型。顯控臺(tái)[24]的顯示器選用ACER FP581，其主控計(jì)算機(jī)可選用PC兼容機(jī)。配電箱選用XBS-1型。光電復(fù)合纜[26]為自行設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的檢測(cè)方法步驟如下1.利用導(dǎo)航設(shè)備[2]中的多卜勒測(cè)速儀[15]、測(cè)高聲納[16]、測(cè)距聲納[17]、深度傳感器[18]、羅經(jīng)[19]和GPS接收機(jī)[20]所獲得的綜合信息確定水下機(jī)器人載體[1]與堤壩[28]的相對(duì)位置，并在堤岸設(shè)備[4]上的顯控臺(tái)[24]的顯示器上顯示出來(lái)；2.通過(guò)顯控臺(tái)[24]的主控計(jì)算機(jī)和手動(dòng)操縱桿控制水下機(jī)器人載體[1]相對(duì)堤壩[28]做上下、左右、前后及左旋和右旋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，分別控制探測(cè)設(shè)備[3]中的高分辨率多波束聲納[21]和高分辨率剖面聲納[22]先后不斷向堤壩[28]發(fā)射聲波，并分別將獲得的聲回波信號(hào)經(jīng)光電復(fù)合纜[26]傳送至顯控臺(tái)[24]的主控計(jì)算機(jī)；3.堤岸設(shè)備[4]的顯控臺(tái)[24]中的主控計(jì)算機(jī)，將分別獲取的堤壩[28]表面的多幅帶狀圖像和內(nèi)部的多幅剖面圖像進(jìn)行拼接，并進(jìn)行聲圖像的數(shù)字處理。
上述方法可對(duì)堤壩[28]的各個(gè)部位重復(fù)進(jìn)行檢測(cè)。缺陷探測(cè)的定位分辨率為0.35°，探測(cè)視野不少于20°，縱向探測(cè)深度不小于10米。
最后，技術(shù)人員根據(jù)上述方法所獲取的堤壩[28]表面和內(nèi)部的三維聲圖像進(jìn)行分析判斷，做出對(duì)堤壩[28]結(jié)構(gòu)病變的評(píng)估，以作為制訂對(duì)堤壩[28]修復(fù)方案的依據(jù)。本發(fā)明可應(yīng)用于各種水庫(kù)和江河堤壩的質(zhì)量與安全檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)及檢測(cè)方法，其特征在于其水下機(jī)器人系統(tǒng)包括水下機(jī)器人載體[1]及安裝在水下機(jī)器人載體[1]上的導(dǎo)航設(shè)備[2]和探測(cè)設(shè)備[3]，以及設(shè)置在堤壩[28]上的車載基站或水面支持船上的堤岸設(shè)備[4]，其中水下機(jī)器人載體[1]由組合框架[5]和安裝在組合框架[5]上的推進(jìn)控制艙[6]、推進(jìn)器[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、電源變換艙[13]和水下光端機(jī)[14]組成；導(dǎo)航設(shè)備[2]由多卜勒測(cè)速儀[15]、測(cè)高聲納[16]、測(cè)距聲納[17]、深度傳感器[18]、羅經(jīng)[19]和GPS接收機(jī)[20]組成；探測(cè)設(shè)備[3]由高分辨率多波束聲納[21]、高分辨率剖面聲納[22]和水下微光電視[23]組成；堤岸設(shè)備[4]由顯控臺(tái)[24]、配電箱[25]、光電復(fù)合纜[26]和水面光端機(jī)[27]組成，通過(guò)光電復(fù)合纜[26]，將堤岸設(shè)備[4]的配電箱[25]和顯控臺(tái)[24]分別與水下機(jī)器人載體[1]的水下電源變換艙[13]及組成導(dǎo)航設(shè)備[2]和探測(cè)設(shè)備[3]的各儀器進(jìn)行光、電信號(hào)聯(lián)接。
2.如權(quán)利要求1所述的堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)及檢測(cè)方法，其特征在于其檢測(cè)方法如下一、利用導(dǎo)航設(shè)備[2]確定水下機(jī)器人載體[1]與堤壩[28]的相對(duì)位置；二、通過(guò)顯控臺(tái)[24]控制水下機(jī)器人載體[1]相對(duì)堤壩[28]做上下、左右、前后及左旋和右旋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，分別控制探測(cè)設(shè)備[3]中的高分辨率多波束聲納[21]和高分辨率剖面聲納[22]先后不斷向堤壩[28]發(fā)射聲波；三、堤岸設(shè)備[4]的顯控臺(tái)[24]中的主控計(jì)算機(jī)，將分別獲取的堤壩[28]表面的多幅帶狀圖像和內(nèi)部的多幅剖面圖像進(jìn)行拼接，并進(jìn)行聲圖像的數(shù)字處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種堤壩隱患檢測(cè)水下機(jī)器人系統(tǒng)與檢測(cè)方法。它包括由組合框架、推進(jìn)控制艙等組成的水下機(jī)器人；由多卜勒測(cè)速儀、測(cè)高、測(cè)距聲納等組成的導(dǎo)航設(shè)備；由高分辨率多波束聲納和剖面聲納等組成的探測(cè)設(shè)備；由顯控臺(tái)等組成的堤岸設(shè)備。它由操作員根據(jù)導(dǎo)航設(shè)備所給出的水下機(jī)器人的位置信息，通過(guò)顯控臺(tái)遙控水下機(jī)器人作上下、左右、前后及左旋和右旋定向連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)控制高分辨率多波束聲納和剖面聲納分別不斷向堤壩發(fā)射聲波，對(duì)聲回波信號(hào)處理后分別形成堤壩表面和內(nèi)部剖面的三維聲圖像，再經(jīng)圖像處理后分別在顯示器上顯示出來(lái)，供技術(shù)人員對(duì)整個(gè)堤壩結(jié)構(gòu)病變做出評(píng)估。本發(fā)明可應(yīng)用于各種水庫(kù)和江河堤壩的質(zhì)量與安全檢測(cè)。
文檔編號(hào)B25J13/00GK1584584SQ200410013789
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者桑恩方 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué), 甘肅長(zhǎng)城水下高技術(shù)有限公司