CN1584584A - 堤坝隐患检测水下机器人系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种堤坝隐患检测水下机器人系统与检测方法。它包括由组合框架、推进控制舱等组成的水下机器人；由多卜勒测速仪、测高、测距声纳等组成的导航设备；由高分辨率多波束声纳和剖面声纳等组成的探测设备；由显控台等组成的堤岸设备。它由操作员根据导航设备所给出的水下机器人的位置信息，通过显控台遥控水下机器人作上下、左右、前后及左旋和右旋定向连续运动，并同时控制高分辨率多波束声纳和剖面声纳分别不断向堤坝发射声波，对声回波信号处理后分别形成堤坝表面和内部剖面的三维声图像，再经图像处理后分别在显示器上显示出来，供技术人员对整个堤坝结构病变做出评估。本发明可应用于各种水库和江河堤坝的质量与安全检测。

Description

堤坝隐患检测水下机器人系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测各种堤坝质量与安全性的水下机器人系统及检测方法。

背景技术

目前，在国内外能够查阅到的资料对于各种水利、水电、水库和江河堤坝的破损与病变所采用的检测手段基本是运用物探的办法，如高密度电阻率法、面波勘探法、探地雷达、瞬变电磁法、声速测量法或预埋应力传感器等方法。这些方法都有明显的缺陷和不足。例如，高密度电阻率法需在堤坝上布置大量电极，通过仪器和人工控制，不断改变供电和测量电极，以获得不同水平位置的电阻率数据，该方法与电极间距及装置的选择、被测材质的含水量等有直接关系，所以往往与实际情况相差较大；面波勘探仅仅对于地层层状具有明显波束差异的堤段较好，但对洞穴及隐患部位探测时，其正、反演解释及野外观测作业的研究尚未成熟；探地雷达只在隐患部位较浅时适用，且受含水性的影响较大；瞬变电磁法由于使用频率难以提高，因而在探测不均匀体时分辨率较差：根据声波速度测量确定材料的弹性模量的方法，受材料的材质、构成含水量、温度等多种因素的影响，因而难以找到一个稳定确切的换算关系；预埋应力传感器法只是在堤坝病变到较严重程度时才有较好的检测效果，此时修复堤坝难度很大，可参见2002年7月27～29日在网上发表的“堤防隐患及险情快速探测仪器现场测评会会议纪要”。网址：

http：//www.chinawater.net.cn/cwsnews/newshtm/y001122.htm

由于上述方法只能是在坝顶进行坝体的物理探测，因而其共同缺点是探测深度浅(10-20米)，且精度不高；对于小型的空洞和裂缝的敏感度差；对于几十米至百米以上的堤坝的中部、下部则根本无法测量。此外，由于仅能在干端(水面以上)进行测量，因而对于拦河大坝、发电为主的水源坝等，这些方法的应用都很困难。

建国以来，我国共修建8.6万多座堤坝，其中水深15m以上大坝有1.8万多座，水深30m以上大坝有近3000座。这些工程在国民经济中正发挥着巨大的作用。然而当前相当一部分大坝存在着不安全因素，有的已运行30多年甚至更长，坝体材料逐渐老化；有些已出现危及大坝安全的裂缝和病变；有些由于坝址地质条件复杂，导致大坝安全度偏低；还有些大坝的防洪标准较低等。这些因素不同程度地影响工程效益的发挥，甚至威胁着下游千百万人民的生命财产安全。与此同时，大坝的规模日趋巨大，如长江三峡、龙羊峡、二滩、小浪底等。所以各种类型大坝的质量和安全性检测就显得更为重要。

根据水利部制定的专项规划，目前全国急需除险加固的病险水库有几千座，此外还有二类堤坝水库两万余座，也应进行加固改造。因而急需有更有效的检测手段，对于病险库及新建堤坝的安全性与质量状况进行检测。

发明内容

本发明涉及一种堤坝质量与安全性检测的水下机器人系统及检测方法，为修复病险堤坝提供一种综合性的高科技探测手段和检测方法。本发明解决了对整个堤坝，包括水下几十米、乃至二百米深的坝体部分的探测问题；不仅探测坝体表面的破损和裂缝，而且能够探测坝体内部缺陷；扫查速度快，可达到5400米2/时。因而可对堤坝进行经常性的快速安全监测，从而可确保堤坝隐患的及时发现与报警。

本发明水下机器人系统的组成包括：作为载体和水下运行设备的水下机器人载体[1]、装配在水下机器人载体[1]上的导航设备[2]及对堤坝进行检测的探测设备[3]、用来对水下机器人载体[1]进行操纵、供电和图像与运动参数显示的堤岸设备[4]，见说明书附图。

其中水下机器人载体[1]可以采用水下遥控机器人(ROV)或自治式水下机器人(AUV)，它包括有：起支撑和承载作用的组合框架[5]；用于驱动水下机器人载体[1]的推进控制舱[6]，推进控制舱[6]通过对多推进器[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12](本发明采用3对6只推进器)的操纵控制，可使水下机器人载体[1]实现上下、左右、前后、左旋和右旋的8个自由度运动；水下电源变换舱[13]，它用来将堤岸上的电源供电转换成供水下机器人载体[1]及其上面携带的导航设备[2]和探测设备[3]所需用电；用于进行光—电和电—光信号变换的水下光端机[14]。

导航设备[2]有：用于测量水下机器人载体[1]运动速度的多卜勒测速仪[15]；分别给出以大坝、水底和水面为参考系的坐标位置的测高声纳[16]、测距声纳[17]和深度传感器[18]；给出水下机器人载体[1]艏尾线北向的小型罗经[19]；还可根据需要加装GPS接收机[20]，在水下机器人载体[1]每次浮到水面时，给出对大地的绝对坐标位置。

探测设备[3]包括：用于探测坝体表面缺陷和破损情况的高分辨率多波束声纳[21]、用于获取坝体内部结构及隐患情况的高分辨率剖面声纳[22]、用于在清水环境近距离对坝体表面进行辅助探测的水下微光电视[23]。

堤岸设备[4]可安放在一个小型水面支持船上或堤岸上的一个小型车载基站上，由工程师和操作员实施操作和控制。其组成包括：显控台[24]，它既是水下微光电视[23]、声纳图像的探测数据及水下机器人载体[1]运动参数的显示终端，也为水下机器人载体[1]的控制提供主控计算机和手动操纵杆；配电箱[25]，它先将水面支持船或堤岸上的交流220V电源升压至1500V，然后通过光电复合缆[26]给水下机器人载体[1]供电，水面光端机[27]用于光电信号之间的转换。

本发明的工作原理是：当对某一水下堤坝[28]进行检测时，将装有堤岸设备[4]的小型水面支持船或小型车载基站开到堤坝[28]附近位置，将水下机器人载体[1]吊放入水中。启动配电箱[25]将水面支持船或堤岸上的交流220V电压升至1500V，通过光电复合缆[26]并经过水下机器人载体[1]的电源变换舱[13]的电压变换，对水下机器人载体[1]及其所携带的导航设备[2]和探测设备[3]按其所需电压供电。操作员通过显控台[24]控制导航设备[2]和探测设备[3]进入工作状态。显控台[24]的计算机对多卜勒测速仪[15]、测高声纳[16]、测距声纳[17]、深度传感器[18]及罗经[19]和GPS接收机[20]的信号进行综合运算后，在显控台[24]的显示器上给出水下机器人载体[1]在水下的位置图像和运动参数。操作员根据图像和参数通过显控台[24]的手动操纵杆给出电信号，控制推进控制舱[6]通过推进器[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]驱动水下机器人载体[1]到达堤坝[28]探测的合适位置。

此时探测设备[3]中的高分辨率多波束声纳[21]获取堤坝[28]表面的声回波信号，经水下光端机[14]将声回波电信号变换为光信号，由光电复合缆[26]传输至水面光端机[27]将光信号变换为电信号，最后经主控计算机处理，在显控台[24]的显示器上显示出堤坝[28]表面的缺陷和破损情况。

同时探测设备[3]中的高分辨率剖面声纳[22]获取堤坝[28]内部材质分层结构的声回波信号，经上述同样的电—光—电信号转换后，在显控台[24]的显示器上显示出堤坝[28]内部的空洞、构造的不均匀性等缺陷情况。

水下微光电视[23]在清水情况下、近距离探测堤坝[28]表面时效果较好，起到辅助探测的作用。其探测到的堤坝[28]表面情况的图像，也经上述转换送到显控台[24]的显示器上，显示出堤坝[28]的表面破损图像。

上面所述的高分辨率多波束声纳[21]每次声波发射后根据回波进行波束形成，仅获得一条带状声图像；高分辨率剖面声纳[22]所获得的也仅是一条堤坝内部的带状剖面图像。因此这样探测对堤坝[28]表面和内部均不能形成三维声图像。为了获取对堤坝[28]表面和内部结构的三维声图像，本发明的探测方法是：

1.操作员根据显控台[24]的显示器所显示的从导航设备[2]获取的水下机器人载体[1]在水下所处位置的图像与参数，操纵显控台[24]的手动操纵杆控制水下机器人载体[1]做上下、左右、前后及左旋和右旋运动；同时控制高分辨率多波束声纳[21]按照设定的声波发射重复周期，向所测的堤坝[28]不断发射声波。所获得的声回波信号经光电复合缆[26]传送至堤岸设备[4]上显控台[24]的主控计算机，经波束形成和对多条带状图像的拼接，形成堤坝[28]表面的三维声图像；对该拼接成的图像经显控台[24]的主控计算机进行包括图像修复、增强、特征提取和纹理识别的数字处理后，将其传送到显控台[24]的显示器上，形成具有良好视觉效果的声图像。操作员或技术人员即可根据这些声图像特性，判别堤坝[28]表面的破损和变化情况。

2.在测得堤坝[28]表面情况后，操作员同样通过显控台[24]控制水下机器人载体[1]连续运动，并控制高分辨率剖面声纳[22]随水下机器人载体[1]对堤坝作连续扫描。将获得的声回波信号传送至显控台[24]的主控计算机，经波束形成和对多条带状图像的拼接并进行数字图像处理，同样可在显控台[24]的显示器上观察到所探堤坝[28]的内部剖面图像。

3.技术人员根据探测设备[3]所获取的堤坝[28]表面和内部三维声图像进行分析、判断，做出对堤坝[28]结构病变的评估，以作为制订修复方案的依据。堤坝[28]表面和内部图像对缺陷探测的定位分辨率为0.35°，探测视野：不少于20°，纵向探测深度：不小于10米。

根据上述检测方法，本发明的优点是：不受堤坝[28]深度影响，对整个堤坝[28]，包括水下几十米、乃至二百米的堤坝具有探测能力；不仅能探测堤坝表面的破损和裂缝，而且能探测堤坝内部的缺陷；探查速度快，可达到5400米²/时，因而可进行经常性的快速安全监测，从而可确保堤坝[28]隐患的及时发现与报警。所以本发明可以广泛应用于各种水库和江河堤坝的质量与安全性检测。

附图说明

图1堤坝隐患检测水下机器人系统的右侧面结构示意图

图2堤坝隐患检测水下机器人系统的左侧面结构示意图

图3堤坝隐患检测水下机器人系统的堤岸设备结构示意图

图4堤坝隐患检测水下机器人系统的光电信号连接示意框图

图5堤坝隐患检测水下机器人系统的水下机器人载体

光电信号连接示意框图

具体实施方式

水下机器人载体[1]可选取遥控式或自主式水下机器人，本发明是采用遥控式。水下机器人载体[1]可根据不同堤坝[28]的检测需求进行设计制造或选用已有型号。其推进器可以是多对，本发明采用3对6只推进器[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]，其推力为21Kg(由美国进口)。水下电源变换舱[13]选用自研电源系统，可提供5000KW电源。水下光端机[14]和水面光端机[27]均为自研。多卜勒测速仪[15]选用1.5MHz的Argoncut-DVLM。测高声纳[16]选用CG-1型(自研)。测距声纳[17]选用CJ-1型(自研)。深度传感器[18]选用MY-26；罗经[19]选用HM-3000。GPS接收机[20]选用Etrex型。高分辨率多波束声纳[21]选用GT-1型(自研)。高分辨率剖面声纳[22]选用GP-1型(自研)。水下微光电视[23]选用Typhoon22：1型。显控台[24]的显示器选用ACER FP581，其主控计算机可选用PC兼容机。配电箱选用XBS-1型。光电复合缆[26]为自行设计。

本发明的检测方法步骤如下：

1.利用导航设备[2]中的多卜勒测速仪[15]、测高声纳[16]、测距声纳[17]、深度传感器[18]、罗经[19]和GPS接收机[20]所获得的综合信息确定水下机器人载体[1]与堤坝[28]的相对位置，并在堤岸设备[4]上的显控台[24]的显示器上显示出来；

2.通过显控台[24]的主控计算机和手动操纵杆控制水下机器人载体[1]相对堤坝[28]做上下、左右、前后及左旋和右旋运动，同时，分别控制探测设备[3]中的高分辨率多波束声纳[21]和高分辨率剖面声纳[22]先后不断向堤坝[28]发射声波，并分别将获得的声回波信号经光电复合缆[26]传送至显控台[24]的主控计算机；

3.堤岸设备[4]的显控台[24]中的主控计算机，将分别获取的堤坝[28]表面的多幅带状图像和内部的多幅剖面图像进行拼接，并进行声图像的数字处理。

上述方法可对堤坝[28]的各个部位重复进行检测。缺陷探测的定位分辨率为0.35°，探测视野：不少于20°，纵向探测深度：不小于10米。

最后，技术人员根据上述方法所获取的堤坝[28]表面和内部的三维声图像进行分析判断，做出对堤坝[28]结构病变的评估，以作为制订对堤坝[28]修复方案的依据。本发明可应用于各种水库和江河堤坝的质量与安全检测。

Claims (2)

1.一种堤坝隐患检测水下机器人系统及检测方法，其特征在于其水下机器人系统包括水下机器人载体[1]及安装在水下机器人载体[1]上的导航设备[2]和探测设备[3]，以及设置在堤坝[28]上的车载基站或水面支持船上的堤岸设备[4]，其中水下机器人载体[1]由组合框架[5]和安装在组合框架[5]上的推进控制舱[6]、推进器[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、电源变换舱[13]和水下光端机[14]组成；导航设备[2]由多卜勒测速仪[15]、测高声纳[16]、测距声纳[17]、深度传感器[18]、罗经[19]和GPS接收机[20]组成；探测设备[3]由高分辨率多波束声纳[21]、高分辨率剖面声纳[22]和水下微光电视[23]组成；堤岸设备[4]由显控台[24]、配电箱[25]、光电复合缆[26]和水面光端机[27]组成，通过光电复合缆[26]，将堤岸设备[4]的配电箱[25]和显控台[24]分别与水下机器人载体[1]的水下电源变换舱[13]及组成导航设备[2]和探测设备[3]的各仪器进行光、电信号联接。

2.如权利要求1所述的堤坝隐患检测水下机器人系统及检测方法，其特征在于其检测方法如下：

一、利用导航设备[2]确定水下机器人载体[1]与堤坝[28]的相对位置；

二、通过显控台[24]控制水下机器人载体[1]相对堤坝[28]做上下、左右、前后及左旋和右旋运动，同时，分别控制探测设备[3]中的高分辨率多波束声纳[21]和高分辨率剖面声纳[22]先后不断向堤坝[28]发射声波；

三、堤岸设备[4]的显控台[24]中的主控计算机，将分别获取的堤坝[28]表面的多幅带状图像和内部的多幅剖面图像进行拼接，并进行声图像的数字处理。

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