基礎(chǔ)設(shè)施的水下機(jī)器人檢測應(yīng)用與展望

井國慶，卜俊杰，蔡加付，2

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.杭州申昊科技股份有限公司，浙江 杭州 311121)

水下基礎(chǔ)設(shè)施承受水流沖刷，生物化學(xué)侵蝕等影響，出現(xiàn)的病害嚴(yán)重威脅安全運(yùn)營。例如2000年，臺灣省高屏大橋發(fā)生坍塌，造成22人受傷。原因是早已裸露的基礎(chǔ)被河水沖垮。截至2022年，德國47%的橋梁年齡超過40年，法國和英國的橋梁缺陷率分別為39%、30%[1]。

傳統(tǒng)檢測方法，比如鉆孔取芯法、水下目視法、低應(yīng)變法等，存在精度低、檢測行為易影響正常交通運(yùn)行、狹小危險區(qū)域檢測難度大等缺點(diǎn)。目前出現(xiàn)了許多新技術(shù)，比如聲吶探測法、視覺圖像分析、水下高光譜成像技術(shù)和水下機(jī)器人技術(shù)等[2-3]。水下機(jī)器人是一種智能潛水器，能夠代替人在水下環(huán)境作業(yè)。隨著自主航行控制、導(dǎo)航通信、動力推進(jìn)、目標(biāo)識別、機(jī)械手作業(yè)等技術(shù)的不斷突破，水下機(jī)器人能夠在極端環(huán)境中完成基礎(chǔ)檢修工作。

1 水下機(jī)器人簡介

水下機(jī)器人分為載人潛水器(HOV)和無人潛水器(UUV)，UUV又分為有纜遙控水下機(jī)器人(ROV)、自主水下機(jī)器人(AUV)、自主/遙控水下機(jī)器人(ARV)，如圖1所示[4]。

圖1 水下機(jī)器人分類

ROV通過電纜與水上平臺(比如母船，岸上操作臺)相連接，操作人員可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能源提供等實(shí)時操作。ROV優(yōu)點(diǎn)是可以在小范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)作業(yè)，但是電纜的長度會限制ROV的作業(yè)范圍。AUV攜帶能源，可自主航行，進(jìn)行較大范圍作業(yè)，但是在續(xù)航和實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸方面存在技術(shù)困難。ARV是結(jié)合前兩者技術(shù)的混合式水下機(jī)器人，具有自主、遙控、半自主等不同作業(yè)模式。ARV不僅能實(shí)時數(shù)據(jù)交互，還能進(jìn)行長距離精密作業(yè)。ARV的研發(fā)代表著信息型AUV向作業(yè)型AUV的過渡[5]。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

水下機(jī)器人在水下基礎(chǔ)設(shè)施檢測、水下結(jié)構(gòu)清洗、深海作業(yè)和水下救援打撈等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2.1 水下基礎(chǔ)設(shè)施檢測

水下基礎(chǔ)設(shè)施主要涉及橋墩、大壩、海上建筑和水工隧道等。利用UUV檢測水下結(jié)構(gòu)物及周邊環(huán)境狀態(tài)，可以判斷結(jié)構(gòu)物是否滿足預(yù)定的功能要求。

UUV檢測系統(tǒng)可以集成高清攝像、聲吶掃描、激光成像等技術(shù)，生成高精度三維圖像，準(zhǔn)確定位病害位置和量化病害程度達(dá)到毫米級。

2.2 水下結(jié)構(gòu)清污

水下生物、臟污會附著并腐蝕基礎(chǔ)表面，對于長時間航行的船只，船身附著的臟污會降低航行速度，增加油耗。清洗型UUV能夠代替人工高效清除臟污。清洗型UUV主要采用真空吸附、磁吸附、推力吸附等爬壁方式。真空吸附結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是對船體表面平整度要求高。磁吸附分為電磁吸附和永磁吸附，電磁吸附可通過電流控制吸附效果，但是需要大量電能。永磁吸附可靠性高，但是UUV的安裝、卸取不方便。推力吸附適應(yīng)性強(qiáng)，但是推力裝置消耗能源多，噪音大。

清除臟污的方式主要有機(jī)械刷、高壓水柱、高壓空化水射流、超聲波等方法[8]。這些方式相互配合，大大提高了清潔效率，并且對結(jié)構(gòu)物表面的損害很小，已經(jīng)成為水下結(jié)構(gòu)物清污的主流方式。

2.3 深海作業(yè)

海底輸送管道可能會出現(xiàn)滲漏的現(xiàn)象，需要維修人員定期進(jìn)行檢查。UUV機(jī)身的耐腐蝕性和高承壓性使其進(jìn)行深海作業(yè)成為可能，其拍攝的石油管道滲漏圖片經(jīng)過處理后可以清楚了解滲漏的情況和位置。除此之外，UUV還可以利用機(jī)械手臂進(jìn)行抓取物體、水下焊接、拆卸部件和開關(guān)閥門等管道維修操作[11]。

2.4 水下救助打撈

潛水員在進(jìn)行水下救援時除了會面臨高壓、渦流和低溫等自然危險，還可能會出現(xiàn)化工污染等人為災(zāi)害。水下救援機(jī)器人可承受高壓、低溫、有害污染物的影響。此外，機(jī)器人可以攜帶大量救援物資。小型UUV還可進(jìn)入狹小空間，提高救援效率。除此之外UUV還可用于水中異物打撈，比如在一些水力發(fā)電廠中，會使用UUV進(jìn)行異物搜索，避免螺栓、螺母等小型零部件進(jìn)入電站設(shè)備內(nèi)，保障發(fā)電廠的安全運(yùn)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)

水下機(jī)器人正朝著系統(tǒng)化、智能化和技術(shù)聚類的方向發(fā)展，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)是進(jìn)行快速、準(zhǔn)確作業(yè)的保障，主要包括續(xù)航時間、自治水平、水下通信質(zhì)量和推進(jìn)技術(shù)等。

3.1 續(xù)航時間

多數(shù)情況下，雖然母船暫時解決了UUV的充電問題，但是母船費(fèi)用高昂，并且充電過程會花費(fèi)不少時間。所以研究UUV電池續(xù)航能力和充電技術(shù)是非常重要的。

UUV采用的電池主要包括以下幾類：燃料電池、半燃料電池、二次電池等。燃料電池使用壽命長，在很多領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。在半燃料電池中，金屬作為陽極，空氣作為陰極，海水作為電解質(zhì)，能夠獲得較高的能量密度。二次電池可充電，使用次數(shù)可達(dá)上千次[12]。除上述采用電池為能源外，UUV還采用熱機(jī)(閉循環(huán)柴油機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī))，可再生能源(潮汐、洋流、海風(fēng)、水溫差和鹽度差)等。

水下機(jī)器人采用的充電技術(shù)主要有水下充電樁充電，太陽能充電等。水下充電系統(tǒng)支持自動對接、電池充電以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｋ鲁潆姺譃橛芯€電能傳輸和無線電能傳輸2種方式，有線電能傳輸對接口的密封性要求很高，通常采用濕插拔接頭充電，接頭周圍配備橡膠環(huán)，借助水體的壓力將接頭的開口封死形成密封的空間，在空間內(nèi)完成電纜的插拔[13]。無線充電技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，AUV自主駛?cè)氤潆妷]內(nèi)，充電塢上的抱緊裝置將其固定，然后充電樁通過“電—磁—電”的方式將電能從充電塢傳送到AUV。該方式無需纜線連接，去掉了供能側(cè)和AUV的接頭，提高了設(shè)備的密閉性，同時其定位精度要求也較低。

太陽能充電為AUV提供了幾乎源源不斷的能量，并且對環(huán)境友好，節(jié)約了成本。

3.2 自治水平

提高UUV自治水平，能讓操作人員擺脫繁重的作業(yè)量，而自治水平主要體現(xiàn)在路徑規(guī)劃方面，其分為全局路徑規(guī)劃和面對新環(huán)境時的局部路徑規(guī)劃。

UUV路徑規(guī)劃分為5個步驟：環(huán)境信息收集、環(huán)境建模、全局路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、局部路徑規(guī)劃調(diào)整[15]。

(1)UUV通過傳感器收集周圍環(huán)境及自身的信息，比如障礙物位置、移動速度、水流速度、機(jī)體的運(yùn)動狀態(tài)等。

(2)通過采集到的數(shù)據(jù)和已有環(huán)境參數(shù)進(jìn)行環(huán)境建模。一般常用的建模方法有規(guī)則網(wǎng)格模型法、不規(guī)則網(wǎng)格模型法。

(3)通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，例如避障性能、時間和能源消耗等函數(shù)進(jìn)行全局路徑規(guī)劃。規(guī)劃算法有遺傳算法、蟻群優(yōu)化算法、快速探索隨機(jī)樹等。

(4)在航行過程中不斷采集實(shí)時環(huán)境參數(shù)，感知未知障礙物。

(5)數(shù)據(jù)更新，局部路徑調(diào)整，不斷優(yōu)化全局路徑。涉及的算法主要有人工勢場、模糊邏輯算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

針對路徑規(guī)劃，國內(nèi)許多大學(xué)和機(jī)構(gòu)對此得出了不少研究成果，比如基于改進(jìn)蟻群算法的水下自主航行機(jī)器人路徑規(guī)劃；基于RRT*算法的水下機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法；基于模糊算法的AUV避障與姿態(tài)控制等[16-18]。

3.3 水下通信

面對未知的工作環(huán)境，擁有可靠的通信系統(tǒng)才能保障對UUV的高效控制。

當(dāng)前，水下通信主要有2個大方向：①有線通信，包括電纜通信、光纖通信和電力載波通信等；②無線通信，包括聲學(xué)通信、無線電通信和光通信等。有線通信雖然數(shù)據(jù)傳輸效率高，但作業(yè)范圍會受纜繩長度的限制，并且纜繩可能會纏繞雜物。對于無線通信，聲學(xué)通信比其它通信衰減更小，通信范圍更廣，是目前UUV通信領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。上述的無線通信方法可以依靠衛(wèi)星、地面接收站、潛艇等作為通信中轉(zhuǎn)站，UUV協(xié)同探測方案如圖2所示。

圖2 UUV集群協(xié)同群探測示意圖[19]

3.4 推進(jìn)技術(shù)

水下機(jī)器人的推進(jìn)方式主要有螺旋槳推進(jìn)、噴水推進(jìn)、仿生推進(jìn)、履帶推進(jìn)等。

UUV可以通過控制槳葉旋轉(zhuǎn)速度和方向來調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，也可以采用液壓推進(jìn)系統(tǒng)增大調(diào)速范圍。噴水推進(jìn)器是水泵將水加速后噴射出去，反推機(jī)器人前進(jìn)，速度快，噪音小。除了水泵推送，還可以在推進(jìn)器內(nèi)的水體中施加電場，利用洛倫茲力將水噴射出去。

通過模仿水生動物的運(yùn)動方式，仿生UUV靈活性強(qiáng)、能源消耗少，并且對環(huán)境的干擾小。UUV能夠模仿很多水生動物，比如魚、蛙、烏龜?shù)?。采用履帶推進(jìn)的水下機(jī)器人，多用于水底作業(yè)，比如海底管道和電纜的鋪設(shè)，其具有良好的越障能力。除此之外，有一種無動力裝置的UUV—水下滑翔機(jī)，它依靠自身重力和浮力前進(jìn)。比如我國完全自主研發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“海翼”號就是一個典型的水下滑翔機(jī)。

4 發(fā)展趨勢

面對日益嚴(yán)峻的水下作業(yè)任務(wù)，水下機(jī)器人技術(shù)必須不斷革新?，F(xiàn)階段用于水利工程檢測維修的水下機(jī)器人在還存在一些不足。這里將針對這些難題提出對應(yīng)的發(fā)展策略。

4.1 通信

在水下工程檢修中，經(jīng)常會遇到水體渾濁、噪音大和水流湍急等情況。這些不利條件會對水下通信產(chǎn)生影響，造成傳輸速率低，精度差，形成通信盲區(qū)等。此外，聲學(xué)通信存在帶寬限制、多普勒效應(yīng)等技術(shù)難題。對此，亟需優(yōu)化通信系統(tǒng)，提高其可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時性。

近年來，我國水聲通信領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展。在后續(xù)研究中，以下3個方面要作為重點(diǎn)方向：①近程高速水聲通信節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)技術(shù)的研究，以滿足淺海網(wǎng)絡(luò)觀測中海量數(shù)據(jù)的交互需求；②遠(yuǎn)程和超遠(yuǎn)程低速通信技術(shù)的研發(fā)，提高通信距離和速度，研究兼容遠(yuǎn)程低速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；③發(fā)展與水聲通信網(wǎng)絡(luò)能力相匹配的協(xié)同觀測技術(shù)，提高觀測站的數(shù)據(jù)預(yù)處理能力，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)觀測的協(xié)同優(yōu)勢。以上的研究將很好地解決水下聲學(xué)通信中遇到的一些難題。

在檢測維修中，經(jīng)常需要AUV機(jī)群協(xié)同工作，共享信息，發(fā)揮不同機(jī)型的優(yōu)勢。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)群有效控制，設(shè)計(jì)具有時延容限的AUV編隊(duì)系統(tǒng)是一個熱門研究方向。另外關(guān)于如何處理通信故障，目前的研究大多都是假設(shè)個別AUV“暫時性故障”而進(jìn)行的故障修復(fù)機(jī)制，沒有對“永久性損壞”情況下的故障修復(fù)做充分分析，所以在今后的研究中要兼顧到這一點(diǎn)。

4.2 仿生技術(shù)

仿生UUV通過模仿水生生物的形態(tài)和動作來獲取動力，并且受到的水流阻力小，近年來發(fā)展迅速。但是作為一項(xiàng)新技術(shù)，仿生UUV面臨許多難題。

①人們對仿生流體動力學(xué)的了解不夠深入，所以后續(xù)的研究中要更好地建立運(yùn)動模型。②材料的難題，“魚尾”、“魚鰭”的擺動對材料要求很高。未來，一些智能材料，比如形狀記憶合金材料、離子導(dǎo)電聚合物材料、壓電材料和納米碳復(fù)合材料等，這些材料的發(fā)展將很好地完善仿生UUV的性能。③流量傳感和運(yùn)動控制。當(dāng)前的仿生UUV系統(tǒng)是以開環(huán)方式控制的，無法對周圍的環(huán)境刺激做出像水生生物一樣的快速反應(yīng)。近年來，隨著新型傳感技術(shù)的發(fā)展，閉環(huán)控制成為可能，有望提高仿生UUV的機(jī)動性。

4.3 其它方面

①在能源方面，太陽能電池、生物電池、壓電元件等新型電池不斷發(fā)展，使得水下機(jī)器人的續(xù)航、速度等方面性能有所提升。②在體積方面，電子元件小型化以及新材料的應(yīng)用將降低機(jī)器人的尺寸與成本，提高其靈活性、更好地探索狹小空間，也為群體協(xié)作提供方便。③在智能化方面，計(jì)算機(jī)性能的提高將更好地創(chuàng)建強(qiáng)大的控制系統(tǒng)?；诃h(huán)境測量的控制系統(tǒng)將使機(jī)器人更具自主性，使其能夠根據(jù)周圍環(huán)境變化，自主規(guī)劃合理路線。

5 結(jié)語

水下機(jī)器人集成眾多先進(jìn)檢測方法，多學(xué)科相互融合，能夠高效精確地進(jìn)行檢測維修。但面對復(fù)雜嚴(yán)峻的水下作業(yè)任務(wù)，水下機(jī)器人技術(shù)仍是任重道遠(yuǎn)。本文通過對水下機(jī)器人在基礎(chǔ)設(shè)施檢測、結(jié)構(gòu)清污、救援打撈等應(yīng)用領(lǐng)域的介紹，對續(xù)航、自治、通信等關(guān)鍵技術(shù)難題的總結(jié)，進(jìn)而重點(diǎn)提出了通信、仿生、能源等熱門的研究方向。在未來，應(yīng)提升水下機(jī)器人在這些關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)水平，從而使其在水利工程檢測維修中發(fā)揮更重要的作用。