張 震

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

現(xiàn)如今，水閘、泵站和船閘等水利建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年運(yùn)轉(zhuǎn)后，會(huì)出現(xiàn)例如裂縫、凹坑、侵蝕等嚴(yán)重?fù)p壞，由于這些損壞發(fā)生在水工建筑物的水下部分，并且處于技術(shù)管理工作檢查的盲點(diǎn)，因此水利建筑損壞的發(fā)生難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)也相當(dāng)麻煩[1-2]。水下檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展長(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)展緩慢，目前安排潛水員進(jìn)入水下探索依然是普遍使用的常規(guī)方法[3]。然而，很多河流水質(zhì)相對(duì)渾濁，潛水員無(wú)法清楚地勘察水下情況。同時(shí)，手工檢測(cè)技術(shù)對(duì)潛水操作技能，潛水員的水下操作經(jīng)驗(yàn)要求較高，因此測(cè)試結(jié)果不夠客觀[4]。

針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]采用自浮式沉箱技術(shù)，通過(guò)智能檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行水下探索，但是該方法維護(hù)范圍小，易受水深和凈高的影響；文獻(xiàn)[6]公開(kāi)了水下機(jī)器人ROV 技術(shù)，但由于大多數(shù)水力結(jié)構(gòu)所處的河流和湖泊具有一定程度的渾濁，難以檢測(cè)出清晰的圖像。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本研究提出了一種改進(jìn)的ROV 檢測(cè)水工建筑物水下情況，其創(chuàng)新性在于：①使用微控制器Arduino UNO 與集成采樣器組成的檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)水下pH 值參數(shù)、濁度（NTU）參數(shù)和總?cè)芙夤腆w（TDS）參數(shù)，從而分析水工建筑物侵蝕原因。②采用聲納成像技術(shù)改進(jìn)水下機(jī)器人成像系統(tǒng)，通過(guò)聲學(xué)原理成像在渾濁的水體中可獲得較好的圖像效果，聲納聲透鏡體積小，易于在小型水力結(jié)構(gòu)和狹窄水域中操作。

1 水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人從中央系統(tǒng)進(jìn)行電氣控制，可由技術(shù)員遠(yuǎn)程操縱電動(dòng)推進(jìn)器進(jìn)行機(jī)動(dòng)，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建水下機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行水下pH 值、水濁度和總?cè)芙夤腆w的檢測(cè)，ROV 機(jī)器人控制系統(tǒng)框硬件框圖如圖1所示。

圖1 ROV 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 ROV control system hardware block diagram

機(jī)器人中心控制系統(tǒng)使用的是Arduino Nano微控制器，通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制用作系統(tǒng)輸入，然后電動(dòng)機(jī)提供系統(tǒng)動(dòng)力。外包命令箱包括電源、以太網(wǎng)交換機(jī)、電壓表和通斷開(kāi)關(guān)，電源可通過(guò)內(nèi)部電位計(jì)調(diào)節(jié)[7-8]。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信通過(guò)Gbit 以太網(wǎng)或可選的100 Mbit（降低的分辨率/幀速率）進(jìn)行，長(zhǎng)度為70 m的混合GigE RS485[9]臍帶纜通過(guò)可濕配的MCBH-16 連接器從攝像機(jī)單元連接到上側(cè)單元，或者通過(guò)帶有連接器的1.2 m 尾纖連接到ROV[10]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在本節(jié)中，將分別闡述ROV 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)中檢測(cè)系統(tǒng)與聲吶成像系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)于了解水工建筑物的侵蝕原因至關(guān)重要，為此，本研究中通過(guò)檢測(cè)水下pH 值參數(shù)、濁度（NTU）參數(shù)和總?cè)芙夤腆w（TDS）參數(shù)，從而分析水工建筑物侵蝕原因。本研究中的檢測(cè)系統(tǒng)使用Arduino UNO 計(jì)算系統(tǒng)與采樣器組成。其中采樣器種類(lèi)有測(cè)量水下pH 值、TDS 與濁度。通過(guò)ROV 水下機(jī)器人采樣器進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸將測(cè)量的參數(shù)數(shù)值顯示在云平臺(tái)上[11]。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Detection system structure diagram

根據(jù)圖2分別說(shuō)明3 種采樣器的采集計(jì)算過(guò)程。首先，pH 采樣器用于改變非電強(qiáng)度，即酸度（pH）是電壓的電強(qiáng)度。通過(guò)將pH 計(jì)工具的測(cè)量結(jié)果與所用的pH 采樣器進(jìn)行比較，即可以完成檢測(cè)[12]。但是，在開(kāi)始檢測(cè)之前，需要先校準(zhǔn)pH 采樣器，可以使用線性方程校準(zhǔn)pH 采樣器[13]。等式為

式中：Y 表示pH 計(jì)測(cè)量值；M 表示采樣器校準(zhǔn)系數(shù)；x 表示采樣器電壓的測(cè)量值；C 是采樣器常數(shù)。

校準(zhǔn)是在兩種類(lèi)型的液體中進(jìn)行的，即酸性液體和堿性液體。所用的酸性液體是水醋，而所用的堿性液體是肥皂水。初始測(cè)量時(shí)：

式中：Y1與Y2分別表示酸性液體和堿性液體的pH計(jì)測(cè)量值；x1與x2分別表示酸性液體和堿性液體的采樣器電壓的測(cè)量值。

將這些初始值插入式（1）中以查找梯度（M）值，計(jì)算出pH 采樣器校準(zhǔn)方程式值為

人員信息管理主要是實(shí)現(xiàn)學(xué)生、員工、班主任、輔導(dǎo)員信息的添加、刪除、修改和查詢(xún)以及相應(yīng)人員的考勤，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到用戶(hù)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)成批添加、導(dǎo)出文檔等功能[4]，這些權(quán)限由管理員到員工、學(xué)生逐級(jí)遞減。

隨后，將校準(zhǔn)方程式插入Arduino UNO 上的計(jì)算程序中，這樣就能檢測(cè)出水下pH 值的大小。

TDS 采樣器是用于測(cè)量水中總?cè)芙馔寥赖牟蓸悠?，由于TDS 采樣器檢測(cè)計(jì)算方式與pH 采樣器同理，將不再做多論述。

濁度計(jì)采樣器是通過(guò)讀取由于光線的散射而引起的水的光學(xué)特性來(lái)檢測(cè)水濁度計(jì)的工具之一，并且可以表示為到達(dá)光中反射光的比較[14]。根據(jù)所查文獻(xiàn)以及歷史理論獲得的研究結(jié)果，電壓值越小，NTU 值就越大，這意味著水越清澈，張力就越高；相反，水越混濁，張力值就越小[15]。基于獲得的理論設(shè)計(jì)檢測(cè)算法，TDS 采樣器校準(zhǔn)原理定義式為

式中：y 表示NTU 值；x 表示采樣器電壓值；a，b，c 均表示采樣器參數(shù)。計(jì)算NTU 校準(zhǔn)方程式采用的是3種不同渾濁程度類(lèi)型的液體，其初始值為

通過(guò)式（4）和式（5）計(jì)算以獲得參數(shù)a，b 和c 的值。在代入濁度計(jì)采樣器的校準(zhǔn)方程y 的計(jì)算結(jié)果之后獲得：

隨后，將校準(zhǔn)方程式插入Arduino UNO 上的計(jì)算程序中，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸測(cè)量的參數(shù)數(shù)值顯示在云平臺(tái)上。

2.2 聲納成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于傳統(tǒng)方法對(duì)水工建筑物水下可見(jiàn)損壞檢測(cè)的局限性，本研究采用基于聲納成像技術(shù)的聲吶成像系統(tǒng)用于其檢測(cè)，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且能夠清晰展現(xiàn)水下圖像[16]。關(guān)于聲吶技術(shù)的原理如圖3所示。

圖3 聲吶技術(shù)原理圖Fig.3 Sonar technology schematic

聲納成像是使用聲學(xué)透鏡壓縮和會(huì)聚聲波以形成窄波束，從而獲得高清圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)聲納成像工作時(shí)，發(fā)射系統(tǒng)將帶有一定聲音信息的發(fā)射信號(hào)發(fā)射到水介質(zhì)中，如果該信號(hào)在水中傳播時(shí)遇到障礙物，則會(huì)生成回波信號(hào)[17-18]。

由于傳統(tǒng)水下機(jī)器人體積大，操作行動(dòng)緩慢，對(duì)于鎖定通道狹窄的空間和潛水探索的困難實(shí)施，為此，本次設(shè)計(jì)的聲納成像聲透鏡探測(cè)具有體積小，操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，有利于檢測(cè)水工建筑物的損壞情況，非常適用可靠。聲納成像聲透鏡通過(guò)調(diào)整不同角度，可以調(diào)整其聲納成像的大小[19]，其原理如圖4所示。

圖4 聲納聲透鏡成像范圍原理圖Fig.4 Sound scope of sound lens imaging

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 儀器安裝與姿態(tài)控制

檢測(cè)系統(tǒng)所需的組件是Arduino UNO 微控制器，pH 采樣器模塊，TDS 采樣器模塊，濁度采樣器模塊和WiFi 模塊。采樣器放置在機(jī)器人的正面，以方便用戶(hù)了解機(jī)器人的正面。該檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以便能夠在云服務(wù)器中顯示采樣器值。聲納成像探頭安裝在機(jī)器人側(cè)面，并帶有固定支架，以利于在安裝和檢測(cè)過(guò)程中對(duì)聲納的姿態(tài)進(jìn)行控制。

組裝完聲吶成像系統(tǒng)后，將組裝后續(xù)的機(jī)器人主控制系統(tǒng)。機(jī)器人系統(tǒng)所需的組件是Arduino Nano 微控制器，2.4 GHz 遠(yuǎn)程控制模塊，L298N 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，直流電動(dòng)機(jī)和螺旋槳。最后，將這檢測(cè)系統(tǒng)與聲吶成像系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)電路與主控制系統(tǒng)電路合并為最終的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

3.2 水下參數(shù)檢測(cè)測(cè)試

在獲得用于校準(zhǔn)采樣器值的方程式之后，在某些液體上對(duì)采樣器進(jìn)行水下參數(shù)檢測(cè)測(cè)試。用作測(cè)試材料的流體是礦泉水、清潔劑、醋、肥皂水和咖啡，分別測(cè)試pH，TDS 以及濁度數(shù)的參數(shù)數(shù)值，所有這些參數(shù)都是使用pH 采樣器、TDS 采樣器和濁度采樣器測(cè)量的。關(guān)于不同參數(shù)相應(yīng)的清澈水國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 International quality standard

通過(guò)將參考量規(guī)的值與所使用的采樣器進(jìn)行比較來(lái)完成對(duì)采樣器的測(cè)試，使用這種不同類(lèi)型的液體進(jìn)行測(cè)試的目的是確定基準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器的采樣器值是否使用相同。比較帶有pH 計(jì)的采樣器的pH值的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 pH 采樣器與pH 計(jì)的比較（無(wú)量綱）Tab.2 Comparison of pH sampling and pH meter（dimensionless）

從表2測(cè)試結(jié)果來(lái)看，pH 計(jì)的采樣器值差異性較小。使用與pH 測(cè)試相同的水樣進(jìn)行TDS 采樣器測(cè)試。該TDS 采樣器可測(cè)量溶液中的溶解固體（mg/L）值，測(cè)試值將與基準(zhǔn)測(cè)量?jī)x（即TDS 儀表）的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。來(lái)自TDS 采樣器和TDS 儀表的測(cè)試結(jié)果比較如表3所示。

表3 TDS 采樣器和TDS 儀表的比較Tab.3 Comparison of TDS sampler and TDS meter（mg/L）

從表3已經(jīng)完成的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，具有TDS 儀表值的TDS 采樣器的結(jié)果差異較小。濁度采樣器測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同液體上的濁度采樣器測(cè)試結(jié)果Tab.4 Turbidity sampler test results on different liquids

從表4可以看出，在研究中獲得的電壓值越小，NTU 值就越大，這意味著水越清澈，張力就越高；相反，水越混濁，張力值越小。

3.3 聲吶成像測(cè)試

為了驗(yàn)證雙頻聲納技術(shù)在水工建筑物檢測(cè)中的效果，在長(zhǎng)江的某控制閘進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。其中圖5為長(zhǎng)江潮位為4.70 m，艙室水深約為5.1 m，聲納探頭的水下工作深度為3.0 m，探測(cè)目標(biāo)距離控制在5 m 以?xún)?nèi)，行距為2 m 時(shí)情況；圖6為閘室和下游溢流段的水深約為3.0 m，聲納探頭的工作深度為1.0 m，檢測(cè)目標(biāo)距離控制在5 m 以?xún)?nèi)，聲納成像的檢測(cè)圖像。

圖5 某控制閘的水下檢測(cè)圖像截圖Fig.5 Underwater detection image screenshot of a control gate

從圖5和圖6可以清楚地看到水工建筑物的水下結(jié)構(gòu)的損壞和淤積，這為水工建筑物的水下檢測(cè)提供了直觀且可記錄的圖像數(shù)據(jù)。檢測(cè)完成后，根據(jù)聲納檢測(cè)中記錄的實(shí)時(shí)標(biāo)記的GPS 坐標(biāo)，以及檢測(cè)過(guò)程中的水深，聲納工作深度和掃描角度，得到掃描目標(biāo)圖像的位置信息，通過(guò)轉(zhuǎn)換獲得，從而實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的定位。從上圖能夠表明，對(duì)于狹窄通道的空間里和潛水探索的困難地方，聲納成像聲透鏡探測(cè)體積小，操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，有利于檢測(cè)水工建筑物的損壞情況，非常適用可靠。

圖6 某控制閘的水下檢測(cè)圖像截圖Fig.6 Underwater detection image screenshot of a control gate

4 結(jié)語(yǔ)

在本項(xiàng)研究中，通過(guò)改進(jìn)水下機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行水工建筑物的水下檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)使用pH 采樣器、濁度采樣器和溶解性總固體采樣器精準(zhǔn)地檢測(cè)出不同參數(shù)，并將數(shù)值結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸至云端。通過(guò)雙頻聲納技術(shù)可以在高頻和識(shí)別模式下工作以獲得分辨率，并且可以在渾濁和昏暗的水中獲得高清晰的圖像。根據(jù)測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)的水下機(jī)器人檢測(cè)方式實(shí)用可靠。