黃河小浪底深水涵洞疏堵機(jī)器人空間識(shí)別試驗(yàn)

彭建平，彭賽鋒，程陽(yáng)銳

(長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

深孔泄水建筑物作為大壩的重要組成部分，對(duì)保障高壩大庫(kù)安全至關(guān)重要。長(zhǎng)期運(yùn)行后，受入庫(kù)泥沙含量、流速、水深、運(yùn)行方式等諸多因素影響，泄水孔洞內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)泥沙等淤積，導(dǎo)致深孔堵塞，造成深孔閘門開啟困難，嚴(yán)重影響整個(gè)工程安全運(yùn)行。當(dāng)淤積嚴(yán)重，深孔閘門無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的作法是人工潛入水下進(jìn)行相應(yīng)處理，達(dá)到深孔閘門可以開啟的目的。傳統(tǒng)人工水下作業(yè)受到下潛時(shí)間和下潛深度的限制，作業(yè)范圍有限、作業(yè)條件差、能見度低，且水下環(huán)境復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)大，效率低，工程費(fèi)用高。

采用水下機(jī)器人替代傳統(tǒng)人工進(jìn)行深水孔洞檢查、清理、修復(fù)等相關(guān)作業(yè)，既能保證人員安全，又能提高工作效率。深水疏堵機(jī)器人是一種適應(yīng)深水受限空間(含各種孔洞等)并在受限空間執(zhí)行疏堵作業(yè)的機(jī)器人，它自身攜帶各種作業(yè)工具(如絞吸頭、抓斗等)清理孔洞內(nèi)的淤積物，并將淤積物移至洞外。在深水受限空間內(nèi)，為順利完成任務(wù)，疏堵機(jī)器人首先要具備環(huán)境感知能力，能夠識(shí)別空間并規(guī)劃作業(yè)路徑，如同人類眼睛判別自身所處的具體位置，并指引機(jī)器人前往目標(biāo)區(qū)域開展任務(wù)。

1 研究現(xiàn)狀

水下空間識(shí)別就是機(jī)器人利用自身攜帶的裝備和探測(cè)元件，主動(dòng)探測(cè)機(jī)器人周圍環(huán)境，對(duì)周圍的環(huán)境形成準(zhǔn)確、清晰、完整地認(rèn)識(shí)，為機(jī)器人的路徑規(guī)劃以及作業(yè)提供指導(dǎo)與支持。一般多采用水下攝像系統(tǒng)、水下圖像聲納系統(tǒng)等裝置來(lái)完成。

1.1 水下攝像系統(tǒng)

水下攝像系統(tǒng)主要由水下攝相機(jī)和水下照明燈兩部分組成，能夠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)攝影，并且可以通過光纜將影像資料實(shí)時(shí)傳輸給水面系統(tǒng)。通過多臺(tái)攝像機(jī)可以組成立體攝像系統(tǒng)，生成立體地形圖或立體物體圖像，確定地形或物體三維尺寸。

由于光波為高頻波，燈光在水中衰減很快，傳播距離很短，所以水下攝影系統(tǒng)成像范圍十分有限，距離一般不超過15 m，鏡頭畫面只能覆蓋15 m2左右。水下攝像受到水體混濁度的影響，水質(zhì)較好、能見度較高時(shí)可以得到很好應(yīng)用；但在水域混濁或水體能見度較低時(shí)幾乎無(wú)法正常拍照錄相。

水下光學(xué)攝像系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。深海高清攝像系統(tǒng)可用于海底多金屬結(jié)核的礦產(chǎn)普查分析，完成深海地質(zhì)調(diào)查任務(wù)。 在深水疏浚施工過程中，利用水下攝像技術(shù)可清晰觀測(cè)水底表面情況，為施工作業(yè)提供有利支撐?！蚌H龍500”多金屬結(jié)核采礦車?yán)枚嗯_(tái)水下攝像機(jī)監(jiān)測(cè)采礦車各關(guān)鍵部位及周圍環(huán)境，為海試的成功提供了切實(shí)保障。

1.2 圖像聲吶

圖像聲吶用于探測(cè)和定位水下目標(biāo)，它利用換能器主動(dòng)發(fā)射出聲信號(hào)，聲信號(hào)經(jīng)過目標(biāo)反射，反射的回波信號(hào)成為目標(biāo)信息傳遞的載體，攜帶著探測(cè)空間范圍內(nèi)各種物體的信息，這些攜帶有各種信息的回波信號(hào)由水聽器接收，然后通過數(shù)據(jù)處理接收到的回波信號(hào)，可以得到聲吶圖像數(shù)據(jù)，對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行成像，以圖像的形式實(shí)時(shí)直觀地反映目標(biāo)信息。

水中水對(duì)光電信號(hào)的吸收比率遠(yuǎn)高于空氣中的吸收比率。相對(duì)而言，水聲信號(hào)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，水下聲信號(hào)比陸地快4倍多的速度進(jìn)行傳輸。同時(shí)圖像聲吶能夠克服復(fù)雜的水文環(huán)境，即使在渾濁水域以及較差的水文環(huán)境中，仍能有效傳播，具有較遠(yuǎn)的作用距離，成像范圍可以達(dá)到十幾米到幾百米的區(qū)域，所以廣泛應(yīng)用于ROV、AUV和UUV等水下裝備，用于水下地形以及障礙物的感知。

圖像聲吶相當(dāng)于水下機(jī)器人或作業(yè)系統(tǒng)的視覺系統(tǒng)，主要用于檢測(cè)水下目標(biāo)的距離、方位或表面狀態(tài)等信息。通過這些信息，不僅可以避障，還可以對(duì)設(shè)定的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和識(shí)別。

2 深水疏堵機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制策略

2.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

作為深水孔洞疏堵作業(yè)的自動(dòng)化裝備，深水疏堵機(jī)器人攜帶各種作業(yè)工具，能夠識(shí)別水下作業(yè)目標(biāo)，按照規(guī)劃作業(yè)路徑，前往作業(yè)區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。深水疏堵機(jī)器人主要由履帶行走機(jī)構(gòu)，車體、清淤作業(yè)機(jī)構(gòu)，淤泥輸送系統(tǒng)，液壓動(dòng)力系統(tǒng)，姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置，水下控制倉(cāng)，水下空間識(shí)別元件和定位導(dǎo)航元件等部分組成。

水下空間識(shí)別元件主要由1組固定的水下攝像機(jī)及照明燈、1組水下云臺(tái)攝像機(jī)及照明燈和1個(gè)圖像聲吶組成，見圖1。水下攝像機(jī)及照明燈固定在機(jī)器人前部橫梁上，用于對(duì)機(jī)器人前方進(jìn)行攝像。水下云臺(tái)攝像機(jī)及照明燈固定在機(jī)器人車架前部，云臺(tái)攝像機(jī)可以多個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)，根據(jù)需要靈活調(diào)整攝像視角。圖像聲納安裝在機(jī)器人前部橫梁中間，呈水平布置，用于搜索感知機(jī)器人前方目標(biāo)。機(jī)器人前部橫梁還豎直安裝有1個(gè)高度計(jì)，用于測(cè)量機(jī)器人距離水庫(kù)底面的高度。

慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒測(cè)速儀，它安裝在機(jī)器人前部橫梁左側(cè)。其核心部分是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它通過三軸加速度計(jì)測(cè)量3個(gè)方向的線加速度，通過三軸陀螺儀測(cè)量3個(gè)方向的角速度，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人的位置、方位及姿態(tài)信息。隨著時(shí)間的積累，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，必須采用輔助手段修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差。多普勒測(cè)速儀可以測(cè)量機(jī)器人的對(duì)地速度，通過對(duì)地速度以及運(yùn)行時(shí)間可以計(jì)算出機(jī)器人的運(yùn)行距離。通過運(yùn)行距離、機(jī)器人方位以及初始位置信息，可以計(jì)算出機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置信息，將此位置信息輸入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，得出精度比較高的位置、航向及姿態(tài)信息。

2.2 控制策略

根據(jù)操作者參與程度，可分為手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式。在水下擾動(dòng)較小，能見度較高的情況下，疏堵機(jī)器人的攝像機(jī)可以獲取機(jī)器人自身及周圍的圖像視頻資料，圖像聲吶對(duì)機(jī)器人前方目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)而生成圖像。

手動(dòng)控制模式是操作人員在攝像機(jī)和圖像聲吶獲取的圖像信息指引下，人工對(duì)機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用中央控制臺(tái)進(jìn)行操作，給機(jī)器人發(fā)出一系列指令。這種方式能夠根據(jù)圖像視頻資料進(jìn)行及時(shí)反饋，不斷調(diào)整指令參數(shù)，保證深水孔

圖1 環(huán)境感知與導(dǎo)航組件圖

洞作業(yè)的安全性。即使水下渾濁，攝像機(jī)無(wú)法獲取圖像資料，也能在圖像聲吶的指引下進(jìn)行。

自動(dòng)控制模式就是在視頻資料的指引下，操作人員事先確定和設(shè)置好機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)，包括航向角、行走速度等，開啟自動(dòng)模式，在圖像聲吶、慣性組合導(dǎo)航等聲學(xué)設(shè)備的配合下，機(jī)器人由控制系統(tǒng)指揮自動(dòng)運(yùn)行，完成相應(yīng)任務(wù)。在這種模式下，操作者主要是進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視等。

3 工程試驗(yàn)

黃河小浪底水利樞紐集減淤、防洪、防凌、供水灌溉、發(fā)電等為一體，是黃河干流上的一座大型綜合性水利工程，也是治理開發(fā)黃河的關(guān)鍵性工程。小浪底水利樞紐設(shè)置了3條排沙洞，排沙洞進(jìn)口底高程為175 m，每條排沙洞有6個(gè)進(jìn)水口，共計(jì)18個(gè)進(jìn)水口，進(jìn)水口寬3.50 m，高6.30 m。大壩排沙涵洞正常與否關(guān)系到整個(gè)樞紐工程的安全運(yùn)行。

2019年11月18日，深水疏堵機(jī)器人在河南省黃河小浪底大壩開展工程試驗(yàn)。深水疏堵機(jī)器人下放前，首先檢查各執(zhí)行元件的功能是否正常，并根據(jù)大壩的資料以及現(xiàn)場(chǎng)具體情況，設(shè)定并校核有關(guān)元件的參數(shù)，如慣性組合導(dǎo)航的航向角等。

深水疏堵機(jī)器人通過吊車、電動(dòng)葫蘆等進(jìn)行布放。機(jī)器人完全入水后，檢查機(jī)器人的通訊情況以及各傳感器的工作狀態(tài)，同時(shí)開啟攝像頭、高度計(jì)、燈等監(jiān)控設(shè)備。在布放過程中，通過攝像機(jī)可以發(fā)現(xiàn)：由于大壩表層水質(zhì)較好，攝像機(jī)可以清楚地看到大壩壩體及機(jī)器人本身。隨著機(jī)器人入水深度增加，由于水庫(kù)上游挾帶泥沙的水流入庫(kù)內(nèi)，產(chǎn)生異重流輸沙，異重流運(yùn)行到大壩前聚集形成渾水。由于底層水質(zhì)變渾，攝像機(jī)的畫面開始變模糊，最后完全看不清。

機(jī)器人下放過程中，在控制室觀察各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否正常，用慣導(dǎo)來(lái)監(jiān)測(cè)車體航向角，姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置調(diào)整機(jī)器人車頭朝向進(jìn)水塔方向，深度計(jì)和高度計(jì)分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的入水深度和離地高度。由于水流的影響，機(jī)器人會(huì)以布放鋼纜為軸線旋轉(zhuǎn)，慣性組合導(dǎo)航會(huì)自動(dòng)記錄機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度及自身姿態(tài)。一旦機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度超出設(shè)定值，中央控制系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)控制程序，開啟姿態(tài)調(diào)整裝置，推動(dòng)機(jī)器人朝偏離方向的反向旋轉(zhuǎn)，使機(jī)器人車頭正對(duì)大壩，回復(fù)到原來(lái)設(shè)定的航向。

著底后機(jī)器人通過車載圖像聲納進(jìn)行目標(biāo)搜索，成功找到大壩上目標(biāo)涵洞，見圖2。由圖可見，機(jī)器人與目標(biāo)涵洞兩者軸線不一致，呈一定的角度。這是因?yàn)闄C(jī)器人在著底階段，當(dāng)慣性組合導(dǎo)航的航向角超出設(shè)計(jì)值時(shí)，引起姿態(tài)調(diào)整裝置啟動(dòng)，調(diào)整中的機(jī)器人可能與大壩底部碰撞，造成機(jī)器人損壞，所以著底階段姿態(tài)調(diào)整裝置設(shè)定為關(guān)閉，不調(diào)整姿態(tài)，從而造成機(jī)器人的航向角與目標(biāo)涵洞軸線有一定的偏角。

圖2 大壩涵洞圖像圖

深水疏堵機(jī)器人在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)涵洞后，設(shè)定涵洞軸向處的航向?yàn)槟繕?biāo)航向，通過自動(dòng)定向行走控制，將機(jī)器人的航向調(diào)整到目標(biāo)航向一致，見圖3。然后利用綜合導(dǎo)航控制系統(tǒng)，通過自動(dòng)程序控制，進(jìn)入涵洞，并行走到目的區(qū)域，開展疏堵作業(yè)，完成整個(gè)工程試驗(yàn)。

圖3 機(jī)器人行駛圖

4 結(jié)論

深水受限空間(各種深水孔洞等)環(huán)境復(fù)雜、能見度低、作業(yè)條件差，機(jī)器人在此范圍內(nèi)作業(yè)必須具備水下監(jiān)控和環(huán)境感知設(shè)備，自動(dòng)進(jìn)行環(huán)境識(shí)別，為水下機(jī)器人作業(yè)規(guī)劃提供依據(jù)和決策支持，提高深水作業(yè)的科學(xué)性、可預(yù)見性、安全性和生產(chǎn)效率。

水下監(jiān)控和環(huán)境感知設(shè)備類型不同，適用范圍也有區(qū)別。在黃河小浪底大壩前，水下攝像機(jī)到達(dá)一定深度水域后，由于水質(zhì)渾濁的影響，水下攝像機(jī)畫質(zhì)變差，甚至失去作用。圖像聲吶在大壩前能夠完成搜索目標(biāo)涵洞的工作，畫質(zhì)清晰。也可以采用多波束進(jìn)行地形地貌的探測(cè)。在深水孔洞環(huán)境中，應(yīng)綜合運(yùn)用多種裝備和技術(shù)手段，進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，提高工程應(yīng)用的可靠性。

在深水環(huán)境中，機(jī)器人除了具備水下監(jiān)測(cè)和環(huán)境感知設(shè)備外，還必須具備導(dǎo)航設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人在慣性組合導(dǎo)航和圖像聲吶的作用下，自行到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，完成精準(zhǔn)高效的試驗(yàn)。

針對(duì)深水環(huán)境下深孔建筑物淤堵及閘門提取存在的典型問題，研發(fā)了一套深孔建筑物的水下自行檢查、清理淤積、疏通封堵、水下爆破切割、水下修復(fù)等多功能于一體的水下成套設(shè)備與技術(shù)，解決了目前中國(guó)國(guó)內(nèi)眾多高壩大庫(kù)容、大深度水下建筑物運(yùn)行安全問題，同時(shí)提高深水閘門運(yùn)行過程中非常規(guī)情況下的快速搶險(xiǎn)及應(yīng)急處置能力。該套設(shè)備的成功研發(fā)與應(yīng)用將保障國(guó)家公共安全，確保水利行業(yè)以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)中國(guó)節(jié)能減排和改善生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)上具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。