一種用于水電站水工建筑物缺陷檢測的水下機器人系統設計

張 易，朱 俊，袁慶晴，翁葉偉，彭世東，沈維格

（1. 中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2. 上海中車艾森迪海洋裝備有限公司，上海 201306）

0 引言

混凝土結構是水利工程的基本結構，在水電站運行過程中，水工建筑物水下部分的混凝土受到大流量含砂水流的沖蝕，過流面會出現沖坑、剝落等缺陷，結構縫遭受擠壓變形進而出現縫邊混凝土破損及填充物丟失等缺陷，同時溫度及結構應力也會引起混凝土出現裂縫、破損等缺陷［1］。針對上述缺陷，目前通常采用沉柜局部排水、抽干旱地和潛水員水下等檢修方式［2］。然而，沉柜局部排水檢修。適用范圍有限、工期長且存在一定的安全風險；抽干旱地檢修，工期長、安全風險大及檢修成本高，同時，存在泄洪消能、建筑物排水后會對其自身結構產生不利影響等問題；潛水員水下檢測，安全風險高、工作效率較低，一旦超過60 m 水深，深潛水成本高、工期長，對超過人工潛水極限深度的水下混凝土缺陷，目前還沒有可行的水下作業手段。

本文研制的水下檢測機器人［3］，利用了本體浮游和履帶復合模式、不規則壩面吸附、多自由度姿態翻轉和運動、缺陷位置定位、缺陷判別與測量和修補材料方量的估算等技術，實現了機器人在水電站水工建筑物的水平面、斜面坡、直立面及曲面環境下的水下缺陷檢查、缺陷定位、缺陷尺寸測量及數據記錄收集等水下無人化檢測作業。

1 系統概述

水下檢測機器人是一款適用于水下建筑物缺陷檢測的機器人系統。其主要用于水電站水工建筑物水下大范圍缺陷檢查、缺陷定位、缺陷尺寸測量及數據記錄收集，適應對水下建筑物的水平面、直立面和斜坡面檢測。

該檢測機器人采用推進器及履帶復合的推進方式，具有浮游和爬行兩種運動模式。利用4個高性能垂直直流無刷推進器，使機器人在靠近水下建筑物墻面時可以實現橫滾運動，改變姿態，緊貼墻體并吸附，與磁吸、負壓等吸附方式相比較，具有不增加額外吸附裝置，減少能耗，浮游和吸附無縫銜接，經濟性、適應性和實用性更廣等優勢；4個大推力水平推進器，可以保障爬行的遙控水下機器人（remotely operated vehicle， ROV ）在水平方向的多姿態運動。其在電氣系統中預留多個備用接口，以方便搭載擴展設備。和同類其他產品相比，該檢測機器人具有更高的整體性能和多樣化的適應能力。

1.1 系統組成

檢測機器人系統由水下系統和水面系統組成，系統結構如圖1所示。其中，水下系統包括主體框架及浮力材料、電控艙、推進器、攝像機系統（搭載光學攝像頭和LED 燈）、臍帶纜、基本傳感器組（陀螺儀、深度計、高度計、水聲定位傳感器）、聲學傳感器組（避障聲吶、圖像聲吶）、缺陷檢測系統及檢漏裝置等；水面系統包括電動絞車、甲板控制單元、電源管理系統、控制盒及顯控單元等。檢測機器人系統實物組成如圖2所示。

圖1 檢測機器人系統組成框圖Fig. 1 Block diagram of the detection robot system composition

圖2 檢測機器人系統實物組成Fig. 2 Physical composition of the detection robot system

1.2 系統總體指標

檢測機器人系統總體指標參數如表1所示。

表1 檢測機器人系統總體指標參數Tab. 1 Overall index parameters of the robot system

2 整機布置設計原則

為了實現機器人在水中多自由度的運動和行走，本系統采用推進器及履帶復合的推進方式，以滿足其在水下直立面、斜面及水平面等作業面上的行走檢測需求。浮力材料采用上下分層布置，水平矢量布置4臺推進器，垂直布置4臺推進器，滿足3節抗流及對多姿態的運動性能需求。整機所有部件布置原則要求：在機器人物理中心周圍對稱布置。水下機器人整體布置如圖3所示。

圖3 水下機器人本體整體布置Fig. 3 Overall layout of the underwater robot body

2.1 浮力材料布置

為了解決機器人在水中處于零浮力狀態和姿態翻轉等問題，本文采用頂部和底部對稱布置浮力材料，以平衡恢復力矩，減少控制復雜度。相較于常規有纜機器人僅頂部布置浮材，本文的設計具有減小翻轉姿態調整時產生的翻轉力矩，減少控制能耗輸出和控制難度等優點。

2.2 推進系統布置

為了滿足機器人在水中多自由度的運動和在復雜作業面上行走要求，推進器采用“4+4”配置方式，即4個水平推進器和4個垂直推進器。4個水平推進器采用45°的矢量布置，位于機器人中心線水平面上的4 個角，同時考慮重心的均衡需對稱布置。4個垂直推進器采用90°角度布置，位于機器人中心線的垂直面，同時滿足翻轉、復雜作業面吸附和履帶行走的接地壓力設計要求。推進器布置如圖4所示，序號1～序號4為垂直推進器，序號5～序號8為水平推進器。

圖4 推進器布置Fig. 4 Arrangement of the propellers

2.3 行走與檢測系統布置

機器人艏部布置檢測用攝像機系統、激光儀和檢漏裝置等設備，履帶驅動裝置位于尾部，用于平衡艏部的部件重量，兩條履帶左右對稱布置。

2.4 電控艙布置

電控艙不僅是機器人的控制大腦，也是所有檢測部件采集和信息傳輸的控制樞紐。為了重心平衡要求，將其布置于機器人物理中心的下方。

3 靜水力性能與穩性設計分析

水下機器人在吊放回收過程及靜水中均需保持相對穩定和平衡，因此靜水力性能的計算是關鍵。本文通過對機器人整機的重心和浮心位置進行計算，利用軟件包絡法賦予每個部件重量，并經過設計軟件多次迭代調整，最終確定整機部件布置和靜水力性能。

3.1 重心和浮心計算

在計算整機部件布置和靜水力性能時，本文按照以下原則進行：（1） 參照坐標系原點設定 ，取頂部支撐板底部和吊點垂直相交的點為原點，x負軸為ROV前進方向，y正軸為本體左側，z正軸為ROV 垂直向下運動方向；（2）采用軟件包絡法賦予每個部件為實體，通過軟件計算出其空氣重量和水中重量；（3）通過列表法，統計非浮材部件水下重量、坐標，然后計算出總重（G）和重心合力矩∑（Mgx，Mgy，Mgz）；（4）同理，統計出頂部和底部浮材水中總合力（F）和浮心合力矩∑（Mfx，Mfy，Mfz）；（5）分別通過合力矩除以總重，得出浮材和非浮材兩者的坐標值；（6）判斷兩者坐標差（ΔX，ΔY，ΔZ），調整部件的安裝位置或配重位置，直至ΔX，ΔY接近0，ΔZ大于0。

3.2 穩性核算

通過多次的迭代調整，得出（ΔX，ΔY，ΔZ）為（-0.2 mm，-3.6 mm，91 mm），滿足穩性設計原則：浮心在上，重心在下。機器人在水中處于漂浮狀態，其浮心與重心在z方向的差值，稱為穩性高；穩性高至少要大于70 mm才能使水下機器人保持穩定［4］。

4 水阻力分析及仿真

在初步設計方案之前，利用水阻分析和仿真技術對推力、航速和外形尺寸等參數進行估算，作為詳細設計計算的基礎。按照矢量布置推進器選型，縱向總推力為42 kgf（1 kgf≈9.8 N），側向總推力42 kgf，垂向總推力60 kgf。

4.1 水阻力經驗計算

機器人本體總尺度約為950 mm（長）×900 mm（寬）× 650 mm（高），縱向迎流面積約為0.585 m2，側向迎流面積約為0.62 m2；垂向迎流面積約0.86 m2；在縱向設計航速為3.0 節（1.0 節航速為0.5 m/s）情況下，計算本體阻力為40.2 kgf；在側向設計航速為2.0 節情況下，計算本體阻力為25.3 kgf；在垂向設計航速為2.0節情況下，計算本體阻力為53.7 kgf。

阻力性能計算公式為F= 1/2ρv2CdA，其中F表示阻力，ρ表示水的密度，v表示物體在水中的速度，Cd表示物體的阻力系數，A表示物體的迎流面積。根據阻力性能公式，繪出縱向、側向及垂向的阻力與速度的關系，其隨速度增大而增大，具體如圖5～圖7所示。

圖5 水下機器人縱向阻力-速度曲線Fig. 5 Longitudinal resistance-velocity curve of underwater robot

圖6 水下機器人側向阻力-速度曲線Fig. 6 Lateral resistance-velocity curve of underwater robot

圖7 水下機器人垂向阻力-速度曲線Fig. 7 Vertical resistance-velocity curve of underwater robot

4.2 水阻力仿真計算

采用經驗值和水阻力仿真模擬2種方式計算機器人以設計速度運行時沿x軸、y軸、z軸所受的水流阻力，兩種方式計算出的水流阻力結果相互印證，可用于設計之初對推力進行選擇，以給出更精確、更快捷的理論支持。仿真計算內容主要為：計算縱向運動速度3.0節時ROV 所受縱向阻力；計算橫向運動速度2.0 節時ROV 所受側向阻力；計算垂向運動速度2.0 節時ROV所受垂向阻力。具體仿真數值如表2所示。簡化的數值模型如圖8 所示，ROV 沿縱向、側向、垂向直航時特征截面的速度云圖如圖9所示。

表2 ROV 以設計速度運動時的水流阻力Tab. 2 Water flow resistances of ROV at design speeds

圖8 ROV 簡化數值模型Fig. 8 Simplified numerical model of the ROV

圖9 機器人速度云圖Fig. 9 Cloud chart of robot speed

仿真軟件計算輸出：縱向設計航速為3.0 節時，本體阻力為25.5 kgf；側向設計航速為2.0節時，本體阻力為21.4 kgf；垂向設計航速為2.0 節時，本體阻力為39.2 kgf。經驗值計算結果和仿真模擬計算結果都印證了，縱向、側向、垂向推力均未超出推進器選型時縱向總推力42 kgf、側向總推力42 kgf、垂向總推力60 kgf的設計選型要求。因此推力設計滿足縱向3.0節、側向2.0節、垂向2.0節的項目設計要求。

5 缺陷識別和大小估算

該機器人系統搭載定位系統、圖像聲吶和水下激光儀等傳感器。在機器人爬行檢測過程中，系統首先利用聲吶對壩體進行大范圍的掃測［5］；發現異常缺陷后，抵近觀察，利用水下三維成像激光儀定點近距離精細掃測，并打點記錄位置。通過激光儀獲取三維成像數據，利用后處理軟件實現水下目標的自動特征提取和目標識別［6］，對缺陷部位的面積和體積進行自動計算，實現修補材料方量的估算，為后續修復作業提供數據依據。后處理軟件界面如圖10所示。

圖10 激光儀后處理軟件界面Fig. 10 Interface of the post-processing software for the laser instrument

通過3D打印技術制作缺陷模型，如圖11所示。將缺陷模型置于水中，由水下激光儀掃測此模型的三維數據，利用后處理軟件進行點云平滑處理、曲率計算以及特征區和非特征區的劃分，最后進行面積和體積的計算。

試驗選取目標物體積為0.15×0.235×0.056×1/3 =0.000 658 （m3）。通過對點云表面進行三角網網格剖分（圖12），把每一個三角網投射到點云所在的平面上，計算每一個小三角棱錐的體積并進行積分，得到最終的體積為0.000 707 m3。軟件識別理論誤差約為7.4%，小于項目要求中20%的誤差率。

圖12 缺陷模型的網格Fig. 12 Grid of defect model

6 水池功能試驗

通過水池試驗完成機器人定向、定深、定高［7］、定速等自動控制，同時測試機器人在水中翻轉和垂直吸附墻壁爬行的功能。最終試驗完成了各項功能測試，通過了驗收，得到了用戶的認可。試驗過程如圖13所示。

圖13 機器人水池試驗Fig. 13 Pool test of the robot

7 結束語

本文針對水電站水工建筑物的缺陷檢測應用需求，研制了一套檢測機器人系統。其結合機器人及傳感器技術，利用浮游和履帶復合運動模式，實現了在不規則壩面的吸附和行走，完成了檢測任務。該系統搭載聲、光、電多維檢測設備，實現了缺陷位置定位［8］、缺陷判別與測量、修補材料方量的估算等功能，可用于水電站水工建筑物的缺陷檢測。該系統作業深度可達300 m，應用范圍廣，可以推廣至海上風電檢測應用。未來，該系統可以拓展智能模塊，應用水下激光SLAM技術［9］進行水下地形和結構物的掃測和識別［10-11］、采用自動路徑規劃進行檢測［12］等，以進一步提高作業精確性和智能化。