CN107764833A - 一种用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法，该装置包含搭载平台、云台以及检测设备；搭载平台为遥控无人潜水器，搭载平台包含框架、浮力块、推进器以及电子舱；云台为机械旋转云台，检测设备包含光学摄像机和三维成像声呐。搭载平台的框架两侧设有竖直的侧栏、中间设有水平的隔板架。隔板架之上固定机械旋转云台，机械旋转云台上部固定检测设备。隔板架之上还固定了浮力块和电子舱，框架的隔板架下方固定推进器。本发明还提供了用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的方法。本发明提供的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法，能够弥补多波束扫测时出现的数据空白，解决导墙淘蚀现象类似的水下结构缺陷的检测应用的问题。

Description

一种用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种水下检测装置和检测方法，具体地，涉及一种用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法。

背景技术

在国内的水利水电工程中，现有9万多座水库大坝，在水库大坝安全检测和维护过程中，需要探明水下混凝土缺陷、大坝渗漏、面板裂缝与淘蚀、金属结构腐蚀和水库淤积等安全运行隐患。对于坝后消力池、尾水渠和海漫等水下结构的检测，现有技术是采用多波束和侧扫声呐，沿着一定的测线进行扫测，可快速扫描整个水下区域。

多波束测深系统也称声纳阵列测深系统，是利用发射换能器阵列向水下发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水下地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的水底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出水下地形的三维特征。

然而，现有多波束测深系统在消力池和海漫等坝后过流面检测时，对于垂直面的混凝土缺陷是有困难的，而侧扫声呐只能获得二维地貌声图，对冲刷缺陷，例如淘蚀等的尺寸参数获取是有困难的。根据多波束发射换能器的工作原理，多波束的声信号传播到垂直面时，大部分会反射向底部水平面，然后经过二次反射，被接收换能器捕捉(图1显示了声信号的第一次反射)。这样在多波束正常安装作业时，不管其波束开角有多大，总能在垂直面出现波束信号空白区域。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于移动式水下三维成像技术的大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法，利用水下机器人(ROV)作为检测平台，搭载光学摄像和三维成像声呐，对导墙等大坝垂直面的水下缺陷进行精细扫描检测，弥补多波束扫测时出现的数据空白，解决导墙淘蚀现象类似的水下结构缺陷的检测应用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的装置包含搭载平台、云台以及检测设备；所述的搭载平台为遥控无人潜水器，所述的搭载平台包含框架、浮力块、推进器以及电子舱；所述的云台为机械旋转云台，所述的检测设备包含光学摄像机和三维成像声呐。水下机器人或叫无人有缆潜器抑或遥控无人潜水器(Remote Operational Vehicle，ROV)，是一种利用自身搭载的仪器设备在水下进行人为操纵作业的潜水设备。水下的ROV本体有浮力材料、框架、推进器及相应的电子舱，水上的控制系统通过一定长度的脐带缆将电力和控制信号传到水下的ROV本体，并将数据信号上传到控制系统并输出。ROV本体利用浮力材料来调整载荷的大小，通过改变框架来选择搭载诸如高清摄像头、广角/微光摄像头、图像声呐、三维扫描声呐、超短基线信标、多功能机械手、采样仪器等设备。

上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的搭载平台，其框架两侧设有竖直的侧栏，中间设有水平的隔板架。隔板架通过螺栓与侧栏固定，隔板架到侧栏顶端的距离优选为侧栏高度的1/2～1/3。框架的材质优选为防锈金属空心框架。

上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的框架，其隔板架之上固定有机械旋转云台，机械旋转云台上部固定有检测设备。

上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的框架，其隔板架上的中间位置设有固定座，所述的机械旋转云台的底部设有底座，通过底座与框架上层的固定座连接固定；所述的机械旋转云台能够水平旋转180°；机械旋转云台的上部设有能够竖直旋转360°的旋转臂，旋转臂的顶端固定检测设备，能实现上下检测仰角的调整，确保进行水下水平扫描和360°球形扫描。

上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的框架，其隔板架之上固定有若干浮力块，所述的浮力块设置在机械旋转云台外围。

上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的框架，其隔板架之上还固定有电子舱，所述的电子舱设置在机械旋转云台与浮力块之间；所述的电子舱与机械旋转云台、检测设备以及推进器通过线缆电连接，通过电子舱对机械旋转云台、检测设备以及推进器进行控制和数据传输。所述的电子舱密封。

上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的框架，其隔板架从边缘向下与两侧的侧栏之间设有三角形的支撑架。

上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的框架，其隔板架下方固定有若干推进器。

上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其中，所述的推进器固定在隔板架下方和侧栏与支撑架之间，所述的推进器包含在隔板架下方中间设置的1个向下喷射的推进器，以及在隔板架下方的四角处分别设置的向外喷射的4个推进器。所述的推进器还能够调整角度向不同方向喷射，进而带动搭载平台移动。

本发明还提供了一种使用上述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置进行检测的方法，其中，所述的方法包含：步骤1，加工框架，组装遥控无人潜水器，制成搭载平台，安装云台和检测设备并进行调整；考虑到三维声呐包括探头和云台有5公斤左右的重量，在ROV上的安装要综合考虑ROV的有效载荷，重心和浮心的改变，浮力材料的补充和布置位置，声呐探头的安装及数据线缆的连接，因此需要对以上各因素进行相应的调整。步骤2，在岸上进行遥控无人潜水器上的电调试以及检测设备的功能测试；ROV上电后，连接三维声呐软件，机械旋转云台要能水平180°的旋转和上下检测仰角的实现，确保进行水下水平扫描和360°球形扫描。步骤3，确定遥控无人潜水器采集数据的定点检测位置以及测点数量；对水下结构垂直面冲刷淘蚀的检测，ROV的定点位置和个数很关键，通过比较三维声呐的最优扫描范围和冲刷淘蚀的检测范围的大小，确定测点的数量和位置。步骤4，遥控无人潜水器搭载云台和检测设备下水，航行到各个测点进行三维扫描成像，对水下结构垂直面冲刷淘蚀的检测；步骤5，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并对数据进行分析处理。

本发明提供的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法具有以下优点：

本发明作为水利水电水下设施的现场检测技术手段之一，相比利用超声波、水下电视、电磁法、电场法、电极法等现场其他检测技术，利用ROV作为检测平台，可以搭载光学摄像和三维成像声呐，对导墙的垂直面缺陷进行水下精细扫描检测，并可对重点部位近距离“驻足”观测和高精度测量。从而弥补多波束扫测时出现的数据空白，解决导墙淘蚀现象类似的水下结构缺陷的检测应用。

三维声呐搭载ROV可获得在三脚架安装上的许多优势，包括：适合作业水深有浅水向中深水扩大；放松水下定点作业的限制要求，例如三脚架的定点就要求平坦可水下固定的水下地形，对水下流速敏感，而ROV就没有这个限制，而且推进器能提供一定的抗流性；应用范围大为扩大：利用ROV水下自由航行能力和定点的灵活性，可广泛应用于水利水电的水下结构三维扫描作业，包括了大坝过流面的冲刷缺陷和两侧导墙的淘蚀检测作业。

附图说明

图1为多波束换能器的声信号反射示意图。

图2为本发明的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置的侧面示意图。

图3为本发明的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置的正面示意图。

图4为本发明对水下结构垂直面的检测结果正面示意图。

图5为本发明对水下结构垂直面的检测结果侧面示意图。

图6为本发明对水下结构垂直面的检测结果整体示意图。

其中：1、搭载平台；2、云台；3、检测设备；4、框架；5、浮力块；6、推进器；7、电子舱；8、侧栏；9、隔板架；10、固定座；11、旋转臂；12、支撑架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图2和图3所示，本发明提供的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，该装置包含搭载平台1、云台2以及检测设备3；搭载平台1为遥控无人潜水器，搭载平台1包含框架4、浮力块5、推进器6以及电子舱7；云台2为机械旋转云台2，检测设备3包含光学摄像机和三维成像声呐。

搭载平台1的框架4两侧设有竖直的侧栏8，中间设有水平的隔板架9。

框架4的隔板架9之上固定有机械旋转云台2，机械旋转云台2上部固定有检测设备3。框架4的隔板架9上的中间位置设有固定座10，机械旋转云台2的底部设有底座，通过底座与框架4上层的固定座10连接固定。机械旋转云台2能够水平旋转180°；机械旋转云台2的上部设有能够竖直旋转360°的旋转臂11，旋转臂11的顶端固定检测设备3。

框架4的隔板架9之上固定有若干浮力块5，浮力块5设置在机械旋转云台2外围。

框架4的隔板架9之上还固定有电子舱7，电子舱7设置在机械旋转云台2与浮力块5之间；电子舱7与机械旋转云台2、检测设备3以及推进器6通过线缆电连接。

框架4的隔板架9从边缘向下与两侧的侧栏8之间设有三角形的支撑架12。

框架4的隔板架9下方固定有若干推进器6。推进器6固定在隔板架9下方和侧栏8与支撑架12之间。

本发明还提供了一种使用该装置进行检测的方法，该方法包含：

步骤1，加工框架4，组装遥控无人潜水器，制成搭载平台1，安装云台2和检测设备3并进行调整。

步骤2，在岸上进行遥控无人潜水器上的电调试以及检测设备3的功能测试。

步骤3，确定遥控无人潜水器采集数据的定点检测位置以及测点数量。

步骤4，遥控无人潜水器搭载云台2和检测设备3下水，航行到各个测点进行三维扫描成像，对水下结构垂直面冲刷淘蚀的检测。

步骤5，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并对数据进行分析处理。

下面结合实施例对本发明提供的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置做更进一步描述。

实施例1

一种用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，该装置包含搭载平台1、云台2以及检测设备3；搭载平台1为遥控无人潜水器，搭载平台1包含框架4、浮力块5、推进器6以及电子舱7；云台2为机械旋转云台2，检测设备3包含光学摄像机和三维成像声呐。水下机器人或叫无人有缆潜器抑或遥控无人潜水器(Remote Operational Vehicle，ROV)，是一种利用自身搭载的仪器设备在水下进行人为操纵作业的潜水设备。水下的ROV本体有浮力材料、框架、推进器及相应的电子舱，水上的控制系统通过一定长度的脐带缆将电力和控制信号传到水下的ROV本体，并将数据信号上传到控制系统并输出。ROV本体利用浮力材料来调整载荷的大小，通过改变框架来选择搭载诸如高清摄像头、广角/微光摄像头、图像声呐、三维扫描声呐、超短基线信标、多功能机械手、采样仪器等设备。

搭载平台1的框架4两侧设有竖直的侧栏8，中间设有水平的隔板架9。隔板架9通过螺栓与侧栏8固定，隔板架9到侧栏8顶端的距离优选为侧栏8高度的1/2～1/3。框架4的材质优选为防锈金属空心框架。

框架4的隔板架9之上固定有机械旋转云台2，机械旋转云台2上部固定有检测设备3。框架4的隔板架9上的中间位置设有固定座10，机械旋转云台2的底部设有底座，通过底座与框架4上层的固定座10连接固定。机械旋转云台2能够水平旋转180°；机械旋转云台2的上部设有能够竖直旋转360°的旋转臂11，旋转臂11的顶端固定检测设备3，能实现上下检测仰角的调整，确保进行水下水平扫描和360°球形扫描。

框架4的隔板架9之上固定有若干浮力块5，浮力块5设置在机械旋转云台2外围。浮力块5采用浮力材料制成。

框架4的隔板架9之上还固定有电子舱7，电子舱7设置在机械旋转云台2与浮力块5之间，电子舱7密封；电子舱7与机械旋转云台2、检测设备3以及推进器6通过线缆电连接，通过电子舱7对机械旋转云台2、检测设备3以及推进器6进行控制和数据传输。

框架4的隔板架9从边缘向下与两侧的侧栏8之间设有三角形的支撑架12。

框架4的隔板架9下方固定有若干推进器6。推进器6固定在隔板架9下方和侧栏8与支撑架12之间。优选地推进器6设置5个，包含在隔板架9下方中间设置的1个向下喷射的推进器6，以及在隔板架9下方的四角处分别设置的向外喷射的4个推进器6。推进器6还能够调整角度向不同方向喷射，进而带动搭载平台1移动。

本发明还提供了一种使用该装置进行检测的方法，该方法包含：

步骤1，加工框架4，组装遥控无人潜水器，制成搭载平台1，安装云台2和检测设备3并进行调整；考虑到三维声呐包括探头和云台有5公斤左右的重量，在ROV上的安装要综合考虑ROV的有效载荷，重心和浮心的改变，浮力材料的补充和布置位置，声呐探头的安装及数据线缆的连接，因此需要对以上各因素进行相应的调整。

步骤2，在岸上进行遥控无人潜水器上的电调试以及检测设备3的功能测试；ROV上电后，连接三维声呐软件，机械旋转云台2要能水平180°的旋转和上下检测仰角的实现，确保进行水下水平扫描和360°球形扫描。

步骤3，确定遥控无人潜水器采集数据的定点检测位置以及测点数量；对水下结构垂直面冲刷淘蚀的检测，ROV的定点位置和个数很关键，通过比较三维声呐的最优扫描范围和冲刷淘蚀的检测范围的大小，确定测点的数量和位置。

步骤4，遥控无人潜水器搭载云台2和检测设备3下水，航行到各个测点进行三维扫描成像，对水下结构垂直面冲刷淘蚀的检测。

步骤5，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并对数据进行分析处理。

实际作业中，利用三维声呐可以获取混凝土重力坝的消力池两侧导墙由于发电组尾水冲刷形成的垂直面淘蚀的三维点云图。通过处理，可以获得淘蚀的水下定位，淘蚀面向内深度和范围大小。参见图4～6所示。

本发明提供的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法，事先对现有的水库大坝的坝后过流面(消力池、海漫和两侧导墙等)水下检测作业进行了分析，发现多波束测深系统在水面下检测时，对于垂直面的混凝土缺陷是有困难的，而侧扫声呐只能获得二维地貌声图，对冲刷缺陷，例如淘蚀等的尺寸参数获取也有问题。根据多波束发射换能器的工作原理分析，不管其波束开角有多大，总能在垂直面出现波束信号空白区域。在混凝土重力坝，由于坝后发电组尾水的冲刷，这个淘蚀也会出现在消力池的导墙垂直面水下部分，这对于导墙的结构安全造成潜在的危害。

水下检测是水利工程日常管理、应急抢修、水库大坝安全评估不可或缺的重要技术手段。作为水利水电水下设施的现场检测技术手段之一，本发明提供的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置和方法，利用ROV作为检测平台，可以搭载光学摄像和三维成像声呐，可对大坝水下结构垂直面，如导墙的冲刷缺陷，进行水下精细扫描检测，并可对重点部位近距离“驻足”观测和高精度测量。从而弥补多波束和侧扫声呐扫测时出现的数据空白，解决导墙淘蚀现象类似的水下结构缺陷的检测应用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的装置包含搭载平台、云台以及检测设备；

所述的搭载平台为遥控无人潜水器，所述的搭载平台包含框架、浮力块、推进器以及电子舱；

所述的云台为机械旋转云台，所述的检测设备包含光学摄像机和三维成像声呐。

2.如权利要求1所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的搭载平台，其框架两侧设有竖直的侧栏，中间设有水平的隔板架。

3.如权利要求2所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的框架，其隔板架之上固定有机械旋转云台，机械旋转云台上部固定有检测设备。

4.如权利要求3所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的框架，其隔板架上的中间位置设有固定座，所述的机械旋转云台的底部设有底座，通过底座与框架上层的固定座连接固定；所述的机械旋转云台能够水平旋转180°；机械旋转云台的上部设有能够竖直旋转360°的旋转臂，旋转臂的顶端固定检测设备。

5.如权利要求4所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的框架，其隔板架之上固定有若干浮力块，所述的浮力块设置在机械旋转云台外围。

6.如权利要求5所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的框架，其隔板架之上还固定有电子舱，所述的电子舱设置在机械旋转云台与浮力块之间；所述的电子舱与机械旋转云台、检测设备以及推进器通过线缆电连接。

7.如权利要求6所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的框架，其隔板架从边缘向下与两侧的侧栏之间设有三角形的支撑架。

8.如权利要求7所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的框架，其隔板架下方固定有若干推进器。

9.如权利要求8所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置，其特征在于，所述的推进器固定在隔板架下方和侧栏与支撑架之间，所述的推进器包含在隔板架下方中间设置的1个向下喷射的推进器，以及在隔板架下方的四角处分别设置的向外喷射的4个推进器。

10.一种使用如权利要求1～9中任意一项所述的用于大坝水下垂直面冲刷缺陷检测的装置进行检测的方法，其特征在于，所述的方法包含：

步骤1，加工框架，组装遥控无人潜水器，制成搭载平台，安装云台和检测设备并进行调整；

步骤2，在岸上进行遥控无人潜水器上的电调试以及检测设备的功能测试；

步骤3，确定遥控无人潜水器采集数据的定点检测位置以及测点数量；

步骤4，遥控无人潜水器搭载云台和检测设备下水，航行到各个测点进行三维扫描成像，对水下结构垂直面冲刷淘蚀的检测；

步骤5，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并对数据进行分析处理。