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记者 王 拓
3 M+ o( z, z0 T( s" Z+ T/ O 夏日的黄海之滨,水面波涛万顷,一排排百米高的白色风机迎风高耸。水下暗流涌动,硕大的风机桩嵌入海底,一个黄色的方形机器人正吸附在风机桩上,完成它的又一次水下巡检作业。 + H2 K4 y6 i+ [- v7 J3 \
水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限,近年来水下机器人已成为开发海洋的重要工具。这款集目标识别、表面清理、无损探伤和湿法焊接多功能于一体的智能水下检修机器人,由南通大学电气工程学院研发成功,为海工企业未来的检修工作提供了新的方向。 , t$ x1 X" l7 H" N3 s
“水下焊接的实现在现阶段还是依靠人力。”项目团队负责人、南通大学电气工程学院学生言淳恺说,焊接本身就是一个辛苦的工作,更何况是在水下进行焊接,其难度不言而喻。工人们往往需要经过专业的潜水培训,下水前,焊条焊机、潜水头盔、潜水服、铅块腰带、空压机、氧气瓶、对讲机等全部都要配备齐全。在水下,他们不仅要面临高水压和温度的挑战,如果水质污浊,还会成为“睁眼瞎”。
& x0 C$ G) z0 M4 T& y4 Z 智能机器人进行水下作业的首要步骤是进行目标识别。系统会根据图片原理,基于先验机制,依次划分海底线和目标结构件,实现粗定位。“我们曾经去江苏一家企业进行实地考察,发现海底的水比较浑浊,直接影响到水下能见度。”言淳恺说。为了解决这个问题,团队在原有的视觉识别基础上,运用声呐增强声信号,并且在机器上添加辅助光源和偏振片,在后期图像上也做了增强处理。
$ B- W/ U: f+ Z0 g' E; p0 l O 由于长时间的浸泡,风电桩基础和船只底板的表面会有海洋生物附着,因此目标识别结束后需要用高压水射流清理表面后再进行无损探伤。一开始,团队尝试用单一的超声波技术进行探伤,但效果不佳。后来,他们将超声波和视觉探视相结合,有效提高了探伤精度。在智能水下检修机器人的研发过程中,团队利用结构光来增强焊缝特征,以便摄像头快速找到缺陷处,离线焊缝跟踪后进行焊接作业。“因为操作相对繁琐,我们在湿法焊接方面耗费了将近一年的时间。”言淳恺说,通过不断试错推演,团队终于克服了水下焊接修复的难点,实现了水深小于5米的稳定焊接作业。 , e: S% j# P& e8 ]0 R1 h+ m- E
“一代机器人水下作业时,水流影响较大,最初,我们设计了2个臂,通过磁吸附的方式将机器人固定于风电桩。通过实验,发现稳定性还有待提高。于是在机器人下方位置增加了1个臂,并将3个臂设计为可前后伸缩,三角形的构造让机器人更稳定。”指导老师、南通大学教师杨慧说,改进后的第二代机器人,相较于第一代有了不少改进,今年上半年,团队与大连中远海运海事工程技术有限公司南通分公司合作,对万吨级船舶进行检修,大大提高了检修作业效率,在船侧板的检修中发挥了重要作用。 0 [2 D" F+ M0 i6 i# d2 e) x4 h, U+ w
“智能机器人在海洋领域的应用越来越广泛。特别是海水养殖领域。”江苏海洋大学海洋技术与测绘学院教授周立说,水下智能机器人所搭载的光学摄像设备可通过光学图像处理技术,进行海洋生物的识别与物种自动分类。声呐设备可实现渔网、缆绳和栈桥等渔业设备的受损检测。声学定位设备,能够反映出其地理位置信息,用于后期的数据融合。此外,机械臂等设备可以清理海洋垃圾,以减少海洋生物所受的危害。“可见,在海底信息获取、海水养殖辅助和海洋环境保护方面,智能机器人起着重要的作用。”
$ a; b; G" u- H+ Z9 G5 J 水下智能机器人在未来的大量应用,将逐渐形成水面水下立体化自动化动态数据采集体系。“无人化技术的潮流给海洋测绘带来了新的发展机遇。借助云计算、物联网、人工智能和地理空间信息技术等,可以完成海洋空间大数据采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用等一系列工作,这是一种前所未有的无人化海洋测绘新体系。”周立说。 % _5 S( m5 G, n, z2 F
“海洋工程产业已涉及油气、风电等多个领域,对人类社会经济生活的影响日益广泛和深入,将智能机器人成功运用于船舶行业能够有力推动海工装备产业的高质量发展。目前设备服务对象主要针对船体和海上风电桩,未来有望延伸至核电站塔架等多种场景中。”杨慧说。
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