大型水电站坝体检测水下机器人研究进展

中国是水电大国，水电站大坝除涉及自身经济效益外，还关系到人民生命财产安全，因此需要定期开展大型水电站坝体缺陷检测，确保水电站大坝安全运行。目前，使用有缆遥控水下机器人(remotely operated vehicle,ROV)进行水电站坝体缺陷检测能减少人工检测带来的诸多不利，同时提高检测精度和效率。该文对大坝环境条件和水电站坝体缺陷检测的主要内容进行了调研，梳理了大型水电站坝体检测ROV的研究现状，从坝体检测ROV总体技术、吸附技术、动力系统、检测技术、水下定位与控制系统等方面，分析了ROV在国内外水工检测领域的技术研究进展，并对坝体检测ROV关键技术的发展趋势进行了展望。     

基于AFE5805和FPGA数据采集系统的硬件设计

随着人们对海洋资源的不断重视,水下超声成像技术在水下目标发现、海洋地理工程及海洋军事中具有广泛而重要的应用价值,正受到各国研究者的日益重视。因此,为解决通过试验进行水下声呐成像探测研究的方法中存在的经济成本高、技术方法准确性不好把握等问题,本文结合课题组所承担的低成本超声成像系统研制任务,探讨如何使用AFE5805和FPGA芯片来实现前端处理系统,从而实现了水下成像声呐探测系统的模拟,为水下声呐成像探测技术的研究提供了一个经济实用、高准确度的研究平台。     

水下非均匀光照场景下的混凝土图像增强方法

检测水下基础设施混凝土表观缺陷是保障水下基础设施安全稳定运行的重要措施。使用遥控水下机器人(remote operated vehicle,ROV)采集混凝土表观图像是当前水下检测最高效的方式，然而ROV采集到的混凝土图像存在光照不均、色彩失衡、对比度差和边缘信息弱等问题。该文针对水下混凝土图像质量不佳的问题，提出了水下非均匀光照场景下的混凝土图像增强方法。首先采用图像修复技术(image inpainting technique,IIT)对图像局部高光区域进行修复；然后在暗通道图像增强方法的基础上引入图像对比度感知调节方法，选取不同窗口尺寸，在每个局部窗口区域中实现图像增强；最后采用自然图像质量评估、基于感知的图像质量评估、无参照物图像质量评估和水下彩色图像质量评估4个指标对增强后的图像进行评估。实验结果表明：该文提出的方法在多个对比指标中优于现有水下图像增强方法，能有效提升水下图像质量。     

常压潜水作为一项可选择的技术用于平台检测

无论是用传统的潜水服还是ROV技术，平台检测都是一项复杂和成本高的工作。传统的潜水服需要多次下潜，花费昂贵，使用ROV技术检测耗费时间较长。常压潜水系统（ADS）与前两种方法相比，具有很多优点，不失为平台检测的一个可选方案。本文讨论了ADS及其设备在平台检测上的应用，概述了ADS检测工具和技术的成本分析，总结了使用ADS完成的超过30次平台检测的结果。     

机载双频激光雷达样机设计与水陆联测试验

为了识别水下目标和获取水陆一体的三维地形数据,运用机载双频激光探测的原理,建立了水陆联测数学模型,设计了机载双频激光雷达样机,进行了水陆联测试验。运用蓝绿激光扫描技术以实现水下地形的实时测绘,运用红外激光扫描技术以实现陆地目标的快速精细探测,采用机载双频激光雷达技术把蓝绿激光扫描技术与红外激光扫描技术进行结合,先后产生两个激光脉冲回波,结合飞行平台的一维运动,共同构建地表和海底表面的三维坐标点云,获取地表和海底的三维地形,实现水下目标的识别和水陆一体化量测。试验结果显示,每平方米地面点云数量达到12个,水下勘测点云数量达到2~4个,水下测深达到5~7米,既提高了陆地目标的探测精度又实现了水下目标的探测,验证了水陆联测系统的可行性。     

串级PID控制在水下机器人俯仰控制系统中的应用

针对水下复杂环境中水下机器人(ROV)俯仰角的控制问题,设计了串级PID控制器.分析了ROV水下受力情况,建立了ROV俯仰控制系统的运动学模型.复杂智能控制算法的实现(软件编程实现等)具有难度,而串级PID比传统PID控制器有更大的调节范围和更快的响应速度,在设计时有更大的灵活性,且可以处理实际中由非线性特性所带来的问题.Simulink仿真结果表明,对于ROV俯仰控制系统,串级PID控制器具有更好的控制性能.运用泳池测试验证了串级PID控制算法在ROV俯仰角控制中的可操作性.     

超声波检测水下掩体的模型实验研究

简要介绍超声波检测技术的基本原理,通过超声波在空气中的实验研究了超声波的传播特性和换能器的指向性。通过超声波在介质中传播时参数的变化来判断介质的物理性质,并将超声波应用于对水下掩体的检测,用回波探测法来检测水下掩体的位置和形态,通过模型实验来验证了用超声波回波探测方法检测水下地形的可行性。     

超短基线（USBL）定位系统误差分析

USBL（超短基线）是一种水下定位技术,目前被普遍应用于海洋石油勘探开发、海洋打捞等海洋生产开发方面,主要用于确定ROV、ads、潜水员、水下其他载体的水下精确位置。在水下定位作业中,USBL水下定位系统到底有那些误差影响其定位精度一直困扰着测量人员。因此本文对对USBL的误差来源进行了分析。     

水下三维激光扫描在导管架平台损伤测量中的应用

海洋石油导管架结构受损点的尺寸测量目前主要使用机械卡尺测量,这种测量方法存在较大的误差,无法全面评估损伤点对导管架的影响,为此,需要引进新的方法和技术来满足导管架损伤点的测量。为准确评估损伤点对导管架的影响,保证导管架运营的安全,采用水下机器人（ROV）搭载三维激光扫描仪,分别对中国某海域导管架的阳极和已知损伤区域进行激光扫描,通过对激光点云数据的处理,得到被测物的三维模型,从而实现损伤结构的尺寸测量。研究结果表明,激光扫描仪便于ROV搭载和安装,可以应用于导管架已知损伤点的测量,测量精度可达毫米级。激光扫描测量的精度受诸多因素影响,作业时需优化作业方式,从而得到高质量的数据。ROV搭载水下三维激光技术,为深水结构物的尺寸测量提供了一种高精度的可行性方案,可以进行水下结构物的三维建模和尺寸测量,调查结果准确可靠,为后续的完整性评估提供参考。     

水下与空中平台蓝绿激光通信关键技术研究

研究瞄准水下大型作业平台与空中平台间通信的需求,利用海水光学窗口—蓝绿激光波段来建立水下与空中平台的通信链路,提供一种通信速率高的直接通信技术手段。建立一套水下平台与空中平台之间的蓝绿激光通信的演示系统,实现我国典型海域水下80 m与空中2000 m平台进行通信,通信速率大于2.5 kbps,通信误码率小于1×10-5。获取激光通信的信道特征和激光传输规律,为研制水下平台与空中平台通信的实际系统奠定技术基础。在充分研究激光束在海水、海气界面的传输特征的基础上,采用PPM调制和RS编码技术将信息高速调制短脉冲绿光全固态激光器,利用水下发射系统发射出海面,安装在空中平台上的激光通信接收终端根据预先已知的水下发射系统位置,将接收系统指向海面,获取水下发出的激光,通过信息解调解码来提取信息。设计和研制出电光调Q的高重复频率全固态激光器,通过特殊设计的光学系统,激光器输出光束变换分布使得海浪影响最小化。通过优化设计的接收光学系统,实现大视场、窄带和高灵敏度接收,采用软件解调解码方式获取信息。水下发射系统利用海床基实现沉底作业,最大放置深度大于80 m,通过复合电缆和光缆与船载控制设备联接,实现供电和控制。接收系统安置在直升机,空中飞行高度2189 m。除了开展蓝绿激光通信技术研究、信道特征研究外,还突破高重复频率蓝绿全固态激光器技术、宽视场窄带接收技术、高速信号调制编码和低误码率信号解调解码技术等关键技术,同时开展海上试验,获取试验数据。研究成果可以直接应用到空中平台与水下平台间的通信系统,为空中平台与水下作业平台之间增加一种快速的通信手段,可以应用于海洋水下监测平台、传感网络和水声通信节点等的数据传输。研究成果可以应用于构建海洋立体通信网络体系,同时,研究所衍生出的蓝绿激光技术、微弱信号探测等技术,也可应用到机载激光遥感、海洋水下激光探测以及深海资源探测技术中。     

水声探测技术综述

随着海洋开发的日益深入,用于水下探测的相关技术越来越受到人们的重视。水声测深技术作为用于水下探测的一种重要技术,主要用来测量水中物体的位置及形态和对水下地形的描绘。本文简要介绍了水声探测的基本原理,分析了其中的关键技术,并对其未来的发展进行了展望。     

核电水池水下焊接ROV线缆稳态力学特性

设计搭载有焊接装置的有缆水下机器人(ROV);建立部分处于空气中、部分处于水下的线缆稳态力学模型;将常微分方程组形式的模型求解问题转化为初始值求解问题,并以ROV和线缆之间连接点的状态值为初始值,通过四阶龙格-库塔算法求解得到ROV运动速度、水深、线缆入水角和线缆长度等因素与线缆的张力、法向剪切力和副法向力矩等稳态力学特性之间的变化规律。研究结果表明:本文所提出的方法可用于评估多种因素对ROV稳态运动的影响,并能够为改进ROV的设计和控制策略提供参考。     

激光水下目标探测中混沌背景信号重构的研究

对激光水下目标探测中混沌景信号的重构问题进行了研究。讨论了混沌时间序列的动态特性，并实际计算了激光水下目标探测中混沌背影信号的时延、混沌维数等有关征参量。阐述神经网络重构时间序列模型机理的基础上，提出用神经网络局剖预测法重构水下目标探测中混沌背影信号，最后在成功地重构出屯背影信号的条件下，利用预测误差检测到水下目标探测中的有用弱信号。实验结果表明这种方法是比较有效的。     

激光水下目标探测中混沌背景信号重构的研究

对激光水下目标探测中混沌背景信号的重构问题进行了研究．讨论了混沌时间序列的动态特性，并实际计算了激光水下目标探测中混沌背景信号的时延、混沌维数等有关特征参量．在阐述神经网络重构时间序列模型机理的基础上，提出用神经网络局部预测法重构水下目标探测中混沌背景信号，最后在成功地重构出混沌背景信号的条件下，利用预测误差检测到水下目标探测中的有用弱信号．实验结果表明这种方法是比较有效的．     

一种基于磁法探测的水下电缆探测误差修正技术探讨

随着近年来我国海洋石油平台、海上通讯等方面的迅猛发展,水下电缆的铺设遍布各处海域,而水下电缆因其直径较小等特点是目前海上调查的一大难点。文章介绍了目前常用的海底电缆平面探测技术手段:磁法探测的工作原理,并结合在渤南某油田电缆探测中的应用成果,总结了一种基于磁法探测的水下电缆探测误差修正方法,以期为不同工程中电缆磁法探测的数据处理提供参考。     

激光干涉法探测水下声信号

为实现在空中利用激光技术对水下目标进行探测的目的,提出一种从水面散射激光中获取水下声源信息的方法.利用携带声波信息的散射光和参考光的干涉现象来获取水表面声波的频率和幅度信息.采用该方法建立的实验装置可准确探测水下声信号,验证了理论和仿真程序的正确性以及该方法的可行性,为航空遥感水下目标提供一种技术途径.     

临空高超声速飞行器多传感器协同探测体系

针对单平台难以临空高超声速飞行器进行全程连续探测、稳定跟踪的问题,构建了基于多平台多传感器协同探测跟踪体系。通过对临空高超声速飞行器作战特性、探测需求的详细分析,提出了由天基、临空基、空基和地/还基平台组成的天临空地/海多平台协同探测体系,重点分析了体系结构和探测时序及过程;搭建了天临空地/海协同探测仿真平台,通过STK对平台静态部署和动目标检测的效果进行了仿真分析。仿真结果验证了天临空地/海多平台协同探测体系在探测空域、时效性等方面具有较大优势,能够有效弥补单平台的不足,为未来探测跟踪此类目标提供了技术支撑。     

水下目标工频磁场扰动信号检测方法研究

为了解决水下目标磁场近程化探测中磁信号衰减快、干扰强及扰动特征不明确、无法有效探测信号等问题,提出了一种基于混合神经网络与注意力机制(Att-CNN-GRU)的工频磁场水下目标时间序列扰动信号检测方法。将CNN,GRU神经网络与Attention机制相结合拟合信号,构建分类神经网络,对目标信号进行分类识别,同时与未引入注意力机制的CNN-LSTM模型及单一CNN和LSTM网络模型的预测及检测性能进行比较。结果表明,相较于传统方法,信号拟合效果将误差分别减小了36.24%,14.44%和4.878%,目标检测准确率达到83.3%。因此,加入Attention机制的CNN-GRU模型检测性能比CNN,LSTM和CNN-GRU模型更优异,作为辅助手段,能有效解决工频磁场探测中扰动信号微弱、扰动规律不明确、背景噪声多等问题,实现对水下目标造成的工频磁场扰动信号的拟合与检测。     

基于滑模控制的ROV深度方向轨迹跟踪研究

未知海流等外界干扰,系统的不确定性信息对小型ROV深度控制造成不利影响。针对该问题,本文首先建立小型ROV深度方向运动数学模型,在理想和有干扰的情况下设计相应地滑模变结构控制器来实现水下机器人的位置轨迹的跟踪,利用李雅普洛夫定理在理论上证明了所设计的控制器是稳定的。仿真结果验证了跟踪控制系统的全局渐进稳定性,及对有界外部扰动的鲁棒性。     

水下机器人数字光纤传输系统的研究与设计

针对某探坝遥控式水下机器人(ROV,remotely operated vehicles)在水下作业时需要与岸基之间完成导航、动力控制和探测信息收集等大量的数据交换的问题,文中设计了一种在1根光纤中传输所有信息的数字光纤传输系统,整个系统的设计核心是基于一片FPGA芯片的高速串行收发器.在高速串行收发器的设计过程中,分别介绍了发送器与接收器的整体结构和功能,利用QuartusII和Modelsim等仿真软件分别对高速串行收发器的各功能模块进行仿真验证,并将该模块应用于整个传输系统中,完成了系统数据传输的要求.该FPGA芯片在系统中的应用不但可以降低系统板级的体积和复杂度,而且实验证明,系统的抗干扰性得到了很大的提高.