CN115341592B - 一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法和***，该方法确定待检测区域后，确定多个扫描区域，包括外圆环区域和内圆环区域，首先建立外圆环区域，当多个外圆环区域无法覆盖所有的检测区域时，设置内圆环区域，保证整个待检测区域都能够被覆盖住；然后投放机器人，机器人通过机械扫描声呐模块在每一个扫描区域扫描后，最终获得冲刷图像。

Description

一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法和***

技术领域

本发明属于海上风电水下检测技术领域，具体涉及一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法和***。

背景技术

海上风电场建成后，浪、流等水动力作用会对风机基础产生严重地局部冲刷，从而影响风机基础的稳定性，进而影响到风机的安全运行及运行寿命。目前采取的冲刷定期监测方式主要为采用船舶搭载单波束或多波束声呐测量设备进行扫测，多波束测深***适用测量海上风电机组及升压站基础附近海床的冲刷情况，包括冲刷深度、范围等，而单波束测深***可针对整个海上风电场区域范围内水下地形进行扫测，生成整场范围的水下地形图。

尽快船舶搭载的多波束声呐设备和侧扫声呐具有作业效率高的特点，但由于声呐设备固定在船上，波浪对船舶的动态影响会对测量精度产生一定影响，船舶在海上也难以固定在某个位置对基础冲刷进行持续性观察，声呐测量只能生成类似点云图像，缺乏的近距离可见光成像辅助观察。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法和***，以解决现有的海上风电基础冲刷检测手段单一，精细化程度不足的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，包括以下步骤：

步骤1，根据船载多波束和侧扫声呐扫测的扫测图，结合多波束图像声呐模块获得的水下声呐图像，确定待检测区域；

步骤2，确定机械扫描声呐垂直扫描的N个外圆环区域，每一个外圆环区域的圆心在待检测区域的边界线上；

步骤3，判断所有的外圆环区域是否将待检测区域覆盖完成，如果覆盖完成，则执行步骤5，如果没有覆盖完成，则建立内圆环区域，然后执行步骤4；所述内圆环区域的圆心在待检测区域中；

步骤4，判断所有内圆环区域和外圆环区域是否将待检测区域覆盖完全，如果没有则重复步骤3，直至待检测区域被内圆环区域和外圆环区域覆盖完全；

步骤5，获得所有内圆环区域和外圆环区域的中心点的经纬度坐标，所述中心点为机器人的坐底位置；

步骤6，投放水下机器人，机器人前往设定的坐底位置后，通过机械扫描声呐进行扫测；移动机器人至下一个坐底位置，通过机械扫描声呐进行扫测，直至机器人将所有的坐底位置游历完成；

步骤7，判断机器人是否将所有的坐底位置扫描完成，如果没有重复步骤6，如果完成了，将所有扫描获得的图像拼接，获得目标检测区域的冲刷图像。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤2中，外圆环区域的数量确定时，选用最少的外圆环区域将待检测区域覆盖。

优选的，步骤3中，所述内圆环区域的盲区被外圆环区域或其他内圆环区域覆盖。

优选的，步骤5中，所述机器人坐底位置通过半正矢公式计算后获得水下机器人坐底位置对应的经纬度坐标。

优选的，所述内圆环区域和外圆环区域的中心点处的地形要求为无凹坑和凸出。

优选的，步骤6中，机器人到达坐底位置后，对坐底位置处的地形是否满足条件判断，如果不满足条件，在坐底位置附近寻找地形满足条件的位置作为新的坐底位置，记录绝对坐标位置，将绝对坐标位置通过半正矢公式计算获得相对坐标位置。

优选的，步骤6中，通过可见光成像模块和图像声呐模块对坐底位置处的地形是否满足要求进行判断。

一种用于实现上述任意一项检测方法的基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测***，包括水下线缆机器人和船舶搭载，所述水下线缆机器人和船舶搭载之间通过脐带缆连接；

所述水下线缆机器人包括动力模块、水下定位模块机器人端、可见光成像模块、图像声呐模块和机械扫描声呐模块；所述船舶搭载包括船载控制模块、水下定位模块船载端和卫星定位模块；

所述动力模块用于驱动水下线缆机器人移动；所述水下定位模块机器人端和水下定位模块船载端配合获得水下线缆机器人和船舶之间的距离；所述可见光成像模块和图像声呐模块用于获得水下的地形；所述机械扫描声呐模块用于对风电桩基进行扫描；

所述船载控制模块用于控制船舶的移动；所述卫星定位模块用于获得船舶的位置。

优选的，所述水下定位模块机器人端和水下定位模块船载端组成水下定位模块，所述水下定位模块和卫星定位模块配合获得水下线缆机器人的位置。

优选的，所述机械扫描声呐模块包括二维机械扫描声呐和3D机械扫描声呐。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，该方法确定待检测区域后，确定多个扫描区域，包括外圆环区域和内圆环区域，首先建立外圆环区域，当多个外圆环区域无法覆盖所有的检测区域时，设置内圆环区域，保证整个待检测区域都能够被覆盖住；然后投放机器人，机器人通过机械扫描声呐模块在每一个扫描区域扫描后，最终获得冲刷图像。该方法相对于船舶搭载多波束***扫测具有更高的测量精度，机器人携带的光学摄像头、补光灯、激光标尺在水质较好的环境下可以对冲刷进行补充可见光条件下的观察和测量，弥补声呐图像的缺陷，同时该方法相对人工选择机器人坐底测点方法，可以对测量点进行优化，确保采用采用较少的扫描区域即可以完整覆盖水下的待检测区域，保证检测效果。

进一步的，在设计扫描区域时，以扫描区域数量最少且要求全覆盖为基本原则，在保证都能扫描到的同时，提高扫描速度。

进一步的，因为每一个扫描区域均有各自的盲区，为了保证桩基内部扫描完全，因此每一个扫描区域的盲区都能够被扫描到。

进一步的，为了保证扫描过程准确，获得的图片清洗，要求机器人底部所站的区域无凹坑和凸出。

本发明还公开了一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测***，该***包括水下线缆机器人和船舶搭载，水下线缆机器人和船舶搭载之间通过脐带缆连接，完成数据的传输和指令的传输。

附图说明

图1为一种海上风电基础冲刷精细化检测***构成图；

图2一种海上风电基础冲刷精细化检测方法流程图；

图3为水下机器人坐底位置示意图(在检测区域外)。

1-风电机组基础；2-第一次坐底位置；3-第二次坐底位置；7-待检测区域；8-扫描区域。

图4为水下机器人坐底位置示意图(在检测区域内)。

1-风电机组基础；2-第一次坐底位置；3-第二次坐底位置；4-第三次坐底位置；5-第四次坐底位置；6-内坐底位置；7-待检测区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种海上风电桩基冲刷检测***，参见图1，该检测***的主体设备包括水下缆控机器人、脐带缆和船舶搭载；水下缆控机器人和船舶搭载通过脐带缆连接。

具体的，水下缆控机器人设置有动力模块、水下定位模块机器人端、可见光成像模块、图像声呐模块、机械扫描声呐模块。船舶搭载包含船载控制模块、水下定位模块船载端和卫星定位模块。

船载控制模块，用于控制船舶的航行过程。

水下定位模块机器人端包含高度计、惯性导航单元、多普勒计程仪和超短基线定位应答器，上述装置均安装在水下机器人上；水下定位模块船载端包括超短基线定位发射器和接收器，水下定位模块和水下定位模块船载端共同组成水下定位模块。水下定位模块的使用能够精确获取水下机器人在水中和船舶之间的相对位置以及和水下机器人和海底之间的距离；高度计用于测量水下机器人相对于海平面的高度，惯性导航单元用于获取机器人的具***置，多普勒计程仪用于测量机器人在水下的行驶距离，超短基线定位应答器和船载端上的超短基线定位发射器和接收器配合，获得水下机器人和船舶之间的距离。

通过卫星定位模块能够确定船舶的精确定位，结合水下定位模块，能够获得水下机器人的绝对经纬度位置。

可见光成像模块主要由可见光摄像头、激光标尺和补光灯构成，能够在水下环境较好的情况下通过实时获得水下的视频数据。补光灯可以在水下照明条件不足的情况下为可见光摄像头补充照明，激光标尺可以用于在可见光条件下对海底冲刷情况进行测量。

图像声呐模块主要包括2D多波束图像声呐和高频图像声呐，从而在可见光条件不足的情况下获取水下情况。

机械扫描声呐主要包括垂直布置二维机械扫描声呐，3D机械扫描声呐。机械扫描声呐由于其装置本身的限制，使得其扫描区域为环状区域，扫描区域的截面为一个环形，靠近机械扫描声呐本身的区域为机械扫描声呐区域的盲区，同时机械扫描声呐本身有量程，使得扫描区域为一个环状区域。

动力模块用于根据指令移动机器人。

水下线缆机器人中的所有模块均通过脐带缆将水下线缆机器人中水下定位模块机器人端、可见光成像模块、图像声呐模块和机械扫描声呐模块中采集得到的图片或数据传递至***的控制终端，进一步的使用图片或数据。同时脐带缆用于传递控制终端对水下线缆机器人中各个模块的参数调节，并对动力模块传递水下线缆机器人的移动的命令指令。

基于上述装置，本发明还公开本发明公开了一种海上风电桩基冲刷检测方法，具体步骤如下：

S1、根据船载多波束和侧扫声呐扫测的扫测图，将机器人放入至水中，结合多波束图像声呐模块获得的水下声呐图像，确定需要精细化测量的待检测区域，区域是以海上风电机组为中心的二维相对位置。

S2、机械扫描声呐垂直扫描的情况下测量范围为一个内半径为r外半径为R的圆环区域，圆心为水下机器人的搭载的机械扫描声呐的中心位置。圆环区域包括内圆环区域和外圆环区域，外圆环区域的圆心在被检测区域的边界处或外部，内圆环区域的圆心在被检测区域的内部。首先建立外圆环区域，首先在确保内环位置在检测区域外，通过人工方式使机械扫描声呐扫测的圆环区域覆盖待检测区域，圆环区域不能跨越海上风电机组基础获得基础背后情况，确保选用最少的圆环区域可覆盖所有的待检测区域，圆环区域的中心点即为水下机器人的坐底位置，坐底位置需要避开海底崎岖位置和凹坑位置。优选的，外圆环区域的中心设置在待检测区域的边部上。

S3、如果扫描区域过大，在测扫区域外无法覆盖全部区域，机器人需要在测扫区域内坐底，建立内圆环区域，选择区域内地形相对平缓区域，同时确保坐底中心盲区，也就是半径为r的圆环能够被其它测扫区域覆盖。在确定圆环的中心时，首先将沿着待检测区域的边部设置圆环的中心，当待检测区域边部设置完成后，待检测区域内仍然有部分没有被所有的圆环区域所涉及时，则在靠近未测量部分设置一个圆环区域的中心。

S4、判断所有的圆环区域是否能够完成待检测区域的覆盖，如果不能建立新的内圆环区域，机器人在新的内环区域内坐底，选择区域内地形相对平缓区域，同时保证内圆环区域的盲区能被其他位置有效扫测区域覆盖，该步骤完成后，重复该步骤本身，直至所有的圆环区域将待检测区域覆盖，执行下一个步骤。

S5、确定坐底的相对坐标位置后，根据海上风电机组的中心经纬度坐标，通过半正矢公式计算得到水下机器人坐底位置对应的经纬度坐标。

S6、投放水下机器人，通过水下机器人的水下定位模块和船载控制模块，控制水下机器人前往预设坐标点，通过可见光成像模块和图像声呐模块观测预设位置是否具备坐底条件，如具备坐底条件，坐底通过机械扫描声呐对重点区域进行扫测，并将坐底位置进行记录；如需要对冲刷位置进行补充观测，可通过可见光成像、图像声呐；如不具备条件，在预设位置附近寻找合适位置坐底，记录绝对坐标位置，通过半正矢公式计算得到相对坐标位置，确认剩余目标位置是否能满足覆盖条件，如不满足，返回步骤s2，继续按照步骤进行确定剩余坐底位置，然后执行S7。

S7、按照剩余预设位置控制水下机器人进行坐底并通过机械扫描声呐对重点区域进行扫测，扫描完成后，判断是否完成所有预设点检测，如果没有完成，则返回步骤S6，如果完成所有扫测后水下机器人回收至船舶上。将所有地点的扫测图像按照扫测位置进行拼接，获得目标检测区域的冲刷图像。

实施例1

参见图3，为具体的扫描实施例之一，具体的包括以下步骤：

S1、根据船载多波束和侧扫声呐扫测的扫测图，将机器人放入至水中，结合多波束图像声呐模块扫获得的水下声呐图像，确定需要精细化测量的待检测区域，如图3所示，待检测区域7为不规则的内部有点的区域，图像声呐模块将采集区域通过脐带缆传递至控制终端。

S2、根据待检测区域的结构形状，设置两个外圆环区域，每一个外圆环区域的圆心均在待检测区域的边部，分别为第一次坐底位置2和第二次坐底位置3，在待检测区域边部的一个位置设置有风电机组基础，两个外圆环区域在待检测区域7的两侧，保证两个外圆环区域即能够将待检测区域覆盖完，两个外圆环区域组成扫描区域8

S3、判断所有的外圆环区域是否能够完成待检测区域的覆盖，如果不能建立新的内圆环区域，该实施例中因为待检测区域7较小，因此只需要两个相对的外圆环区域即能够将所有的待检测区域7的覆盖。

S5、确定两个坐底的相对坐标位置后，根据海上风电机组的中心经纬度坐标，通过Haversine Formula方法计算得到水下机器人坐底位置对应的经纬度坐标。

S6、投放水下机器人，通过水下机器人的水下定位模块和船载控制模块，控制水下机器人前往预设坐标点，通过可见光成像模块和图像声呐模块观测预设位置是否具备坐底条件，如具备坐底条件，坐底通过机械扫描声呐对重点区域进行扫测，并将坐底位置进行记录；如需要对冲刷位置进行补充观测，可通过可见光成像、图像声呐；如不具备条件，在预设位置附近寻找合适位置坐底，记录绝对坐标位置，通过Haversine Formula方法计算得到相对坐标位置，确认剩余目标位置是否能满足覆盖条件，如不满足，返回步骤s2，继续按照步骤进行确定剩余坐底位置，如满足则重复该步骤，然后执行S7。

S7、按照剩余预设位置控制水下机器人进行坐底并通过机械扫描声呐对重点区域进行扫测，扫描完成后，判断是否完成所有预设点检测，如果没有完成，则返回步骤S6，如果完成所有扫测后水下机器人回收至船舶上。将所有地点的扫测图像按照扫测位置进行拼接，获得目标检测区域的冲刷图像。

实施例2

S1、将机器人放入至水中，通过图像声呐模块扫获得的多波束图，确定需要精细化测量的待检测区域，如图4所示，待检测区域7为不规则的内部有点的区域，图像声呐模块将采集区域通过脐带缆传递至控制终端。

S2、该实施例中，待检测区域的面积较大，且不规则，因此围绕待检测区域的边部结构设置了4个外圆环区域，分别设置了第一次坐底位置2、第二次坐底位置3、第三次坐底位置4和第四次坐底位置5，每一个外圆环区域的圆心均在待检测区域7的边界线上，同时在待检测区域7的边界线上设置风电机组基础1。

S3、因在测扫区域外无法覆盖全部的待检测区域7，待检测区域7的中心有一部分未扫描到，机器人需要在待检测区域7内设置内圆环区域，选择区域内地形相对平缓区域，同时确保坐底中心盲区，也就是半径为r的圆环能够被其它测扫区域覆盖，因此设置了内坐底位置6。在确定圆环区域的中心时，首先将沿着待检测区域7的边界线设置外圆环区域的中心，当待检测区域7的边部设置完成后，待检测区域7内仍然有部分没有被所有的外圆环区域所涉及时，则在靠近未测量部分设置一个内圆环区域的中心。

S4、判断所有的圆环区域是否能够完成待检测区域7的覆盖，如果不能建立新的内圆环区域，机器人在新的内圆环区域内坐底，选择区域内地形相对平缓区域，同时保证内环区域的盲区能被其他位置有效扫测区域覆盖，该步骤完成后，重复该步骤本身，直至所有的圆环区域将待检测区域覆盖，执行下一个步骤。

S5、确定坐底的相对坐标位置后，根据海上风电机组的中心经纬度坐标，通过Haversine Formula方法计算得到水下机器人坐底位置对应的经纬度坐标。

S6、投放水下机器人，通过水下机器人的水下定位模块和船载控制模块，控制水下机器人前往预设坐标点，通过可见光成像模块和图像声呐模块观测预设位置是否具备坐底条件，如具备坐底条件，坐底通过机械扫描声呐对重点区域进行扫测，并将坐底位置进行记录；如需要对冲刷位置进行补充观测，可通过可见光成像、图像声呐；如不具备条件，在预设位置附近寻找合适位置坐底，记录绝对坐标位置，通过Haversine Formula方法计算得到相对坐标位置，确认剩余目标位置是否能满足覆盖条件，如不满足，返回步骤s2，继续按照步骤进行确定剩余坐底位置，如满足则重复该步骤，然后执行S7。

S7、按照剩余预设位置控制水下机器人进行坐底并通过机械扫描声呐对重点区域进行扫测，扫描完成后，判断是否完成所有预设点检测，如果没有完成，则返回步骤S6，如果完成所有扫测后水下机器人回收至船舶上。将所有地点的扫测图像按照扫测位置进行拼接，获得目标检测区域的冲刷图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据船载多波束和侧扫声呐扫测的扫测图，结合多波束图像声呐模块获得的水下声呐图像，确定待检测区域；

步骤2，确定机械扫描声呐垂直扫描的N个外圆环区域，每一个外圆环区域的圆心在待检测区域的边界线上；

步骤3，判断所有的外圆环区域是否将待检测区域覆盖完成，如果覆盖完成，则执行步骤5，如果没有覆盖完成，则建立内圆环区域，然后执行步骤4；所述内圆环区域的圆心在待检测区域中；

步骤4，判断所有内圆环区域和外圆环区域是否将待检测区域覆盖完全，如果没有则重复步骤3，直至待检测区域被内圆环区域和外圆环区域覆盖完全；

步骤5，获得所有内圆环区域和外圆环区域的中心点的经纬度坐标，所述中心点为机器人的坐底位置；

步骤6，投放水下机器人，机器人前往设定的坐底位置后，通过机械扫描声呐进行扫测；移动机器人至下一个坐底位置，通过机械扫描声呐进行扫测，直至机器人将所有的坐底位置游历完成；

步骤7，判断机器人是否将所有的坐底位置扫描完成，如果没有重复步骤6，如果完成了，将所有扫描获得的图像拼接，获得目标检测区域的冲刷图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，其特征在于，步骤2中，外圆环区域的数量确定时，选用最少的外圆环区域将待检测区域覆盖。

3.根据权利要求1所述的一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，其特征在于，步骤3中，所述内圆环区域的盲区被外圆环区域或其他内圆环区域覆盖。

4.根据权利要求1所述的一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，其特征在于，步骤5中，所述机器人坐底位置通过半正矢公式计算后获得水下机器人坐底位置对应的经纬度坐标。

5.根据权利要求1所述的一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，其特征在于，所述内圆环区域和外圆环区域的中心点处的地形要求为无凹坑和凸出。

6.根据权利要求5所述的一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，其特征在于，步骤6中，机器人到达坐底位置后，对坐底位置处的地形是否满足条件判断，如果不满足条件，在坐底位置附近寻找地形满足条件的位置作为新的坐底位置，记录绝对坐标位置，将绝对坐标位置通过半正矢公式计算获得相对坐标位置。

7.根据权利要求6所述的一种基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测方法，其特征在于，步骤6中，通过可见光成像模块和图像声呐模块对坐底位置处的地形是否满足要求进行判断。

8.一种用于实现权利要求1-7任意一项检测方法的基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测***，其特征在于，包括水下线缆机器人和船舶搭载，所述水下线缆机器人和船舶搭载之间通过脐带缆连接；

所述水下线缆机器人包括动力模块、水下定位模块机器人端、可见光成像模块、图像声呐模块和机械扫描声呐模块；所述船舶搭载包括船载控制模块、水下定位模块船载端和卫星定位模块；

所述动力模块用于驱动水下线缆机器人移动；所述水下定位模块机器人端和水下定位模块船载端配合获得水下线缆机器人和船舶之间的距离；所述可见光成像模块和图像声呐模块用于获得水下的地形；所述机械扫描声呐模块用于对风电桩基进行扫描；

所述船载控制模块用于控制船舶的移动；所述卫星定位模块用于获得船舶的位置。

9.根据权利要求8所述的一种用于基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测***，其特征在于，所述水下定位模块机器人端和水下定位模块船载端组成水下定位模块，所述水下定位模块和卫星定位模块配合获得水下线缆机器人的位置。

10.根据权利要求8所述的一种用于基于水下机器人的海上风电桩基冲刷检测***，其特征在于，所述机械扫描声呐模块包括二维机械扫描声呐和3D机械扫描声呐。