一种大坝表面污垢的自动清洗装置及方法

1.本发明涉及大坝清洗的设备及技术领域，特别涉及一种大坝表面污垢的自动清洗装置及方法。


背景技术：

2.大坝在使用的过程中，其表面的污垢和淤泥以及各种杂物会遮盖住大坝渗水和裂纹等区域，不仅不利于工作人员及时发现安全隐患并采取相应措施，而且阻碍巡检和维护工作的正常开展。因此，为保证大坝能得到及时有效地维护，需要设计一种能够快速清除大坝表面污垢的清洗装置及方法来高效实现坝体表面的清洁工作。
3.常见的大坝清洗方法大多依靠工作人员手持高压水枪完成清洗作业，不仅工作强度大、难度高，而且由于大坝外壁粘结的污垢清洗困难、工程车的载水量有限、坝体表面清洗面积大等因素，导致人工清洗的工作效率较低且清洗成本较高。虽然现有很多清洗坝体表面的装置扩大了清洗范围、提高清洗效率，但在实际使用的过程中，并不能适应在不同坡度的坝体表面上进行清洗作业，而且高压喷头的清洗角度调节范围受限，导致清洗装置对大坝表面污垢的高压冲洗范围存在盲区，同时工作人员仍需进行长时间的高空作业，因此需要创新性的设计自动化清洗装置和清洗方法。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种大坝表面污垢的自动清洗装置及方法，此自动清洗装置能够适应不同坡度的坝体表面上完成清洗作业，通过摄像头收集坝体表面图像信息，自动识别污垢区域，自动调整清洗作业次数及清洗力度，达到清除大坝表面顽固污垢的目的。
5.为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种大坝表面污垢的自动清洗装置，它包括：
6.承载板体：用于连接与承载各个部件；
7.冲洗模块：置于承载板体长度一侧的前端，并利用高压水流冲洗坝面污垢；
8.储水模块：固定于承载板体上，与冲洗模块同侧，通过增大装置自重的方式使得整个自动清洗装置紧贴不同坡度的坝面，增大万向轮与坝面间的附着力，避免高压冲洗导致自动清洗装置发生移位；
9.清洗模块：安装在承载板体上的机箱内，配合高压水流冲洗，进而完成坝面清洗任务；
10.万向轮：分别安装于承载板体底面两侧，左右各两个，以装置前轮大、后轮小排布；
11.环形挂钩：固定在承载板体上表面后端两侧，左右各一个，供门式起重机牵引；
12.视觉模块：安装在承载板体上表面后端中线上，用于识别污垢区域。
13.所述承载板体是完成清洗任务的主要载体，承载板体内安装有存储硬件、无线传输模块、控制系统和压力传感器；通过第一压力传感器采集万向轮与坝面间压力，判断清洗
装置的万向轮是否悬空，作为清洗任务过程中蓄水作业开始判定的条件；第二压力传感器用于获取电动圆盘刷与坝面间的压力，并控制伸缩臂的长度；远端操作员根据清洗任务需求，借由第一压力传感器和第二压力传感器的数值适当调整清洗力度。
14.所述环形挂钩固定在承载板体两侧，左右各一个，与牵引绳和保险绳的一端相连接；所述牵引绳另一端与坝顶的拉门电机相连，控制自动清洗装置在坝体表面上的上下移动；所述保险绳另一端安装在坝顶，防止自动清洗装置失控下滑掉入水中。
15.所述冲洗模块包括增压设备，增压设备固定在承载板体沿其长度一侧的前端；所述增压设备上方接有供水管道与蓄水箱相连；所述增压设备沿其长度方向均匀安装若干喷头；若干所述喷头与地面成一定角度固定在增压设备上，远端操作员能够由内控系统控制增压设备实现喷头的水压调节。
16.所述储水模块包括蓄水箱，蓄水箱固定在承载板体的中线上，与增压设备同侧，用于增大万向轮与坝面间的附着力且避免高压冲洗导致清洗装置移位；抽水泵沿中线方向放置于蓄水箱后；集线器安装于承载板体上表面左侧，由其内置电机收放取水管，通过送水管与抽水泵相连；储水作业的开启和终止根据第一压力传感器的数值确定。
17.所述集线器借由置于滚筒内的内置电机来收放取水管，同时滚筒通过转盘与紧固件可旋转的安装在支撑杆上；送水管通过支撑杆左侧杆的外接孔与水管旋转接头连接，水管旋转接头的一端通过滚筒上的外接孔与取水管相接；为使取水管沿坝面下滑至水面下，使用配重套于取水管管口，配重外圈安有滚轮。
18.所述清洗模块包括四个电动推杆机构，并固定在承载板体底部；所述电动推杆机构包括驱动电机和伸缩臂；所述伸缩臂顶端固定安装有电动圆盘刷；所述机箱用于安装与固定电动推杆机构。
19.所述视觉模块包括光源、摄像头和马达；所述光源开启，给摄像头补光；所述摄像头与马达相配合，马达与控制系统连接用来实现摄像头的旋转操作，所述控制系统分内控系统与外控系统，内控系统由内控芯片构成，所述内控芯片用来控制电机、摄像头、光源、马达、伸缩臂、接收和发送信号；内控系统与外控系统通过无线网络的方式进行连接；外控系统用于接收承载板体发送的坝体表面图像，识别污垢区域并同时控制整体装置完成清洗任务。
20.采用大坝表面污垢的自动清洗装置进行大坝表面污垢清洗的方法，具体步骤如下：
21.步骤1，初始清洗参数并完成储水作业：
22.在对坝体表面进行清洗时，要对冲洗压力、冲洗角度以及冲洗靶距这三个参数进行确定，其具体步骤如下：
23.步骤1-1，冲洗压力的设定：
24.对于坝体表面的污垢，能否去除掉关键是，水射流对其产生的射流压力pk须大于某一临界值p
th
，以克服污垢与坝体之间的粘着力，其表达式为：
25.pk＝kap
th
26.式中：pk为射流压力；p
th
为污垢与坝体之间的粘着力；ka为常数，值为2～4；
27.步骤1-2，设定冲洗角度：
28.将喷头倾斜喷射，水射流到达靶面距离变长，水射流压力变小，剪切力变大，在泵
提供高压，想快速清洗的情况下增大喷头倾斜角度，就能够达到快速清洗目的；
29.污垢的受力的大小和方向为：
[0030][0031][0032]
式中：f1为污垢的受力；r为污垢裂纹的扩散半径；x为水射流渗透距离；e为常数指数；π为圆周率；c为修正参数；pk为射流压力；v为污垢体积；ρ为孔隙率；m为合流超比函数；ζ＝ar；ζ'＝ax；
[0033]
步骤1-3，设定冲洗靶距：
[0034]
在考虑高压水流清洗压力的同时，又确保清洗面积较大，靶面距离选择为喷头出口直径的8～12倍；
[0035]
步骤1-4，储水作业：
[0036]
位于坝顶的门式起重机通过牵引绳将自动清洗装置放至坝顶，启动集线器的内置电机放下取水管，借由取水管管口的配重，使得取水管沿坝面下滑至水面下，后启动抽水泵并根据第一压力传感器的数值完成储水作业；
[0037]
步骤2，调节摄像头的角度和伸缩臂的长度：
[0038]
对摄像头的角度进行调节使其能拍摄装置后方至少3米内的图像，同时借由第二压力传感器感应电动圆盘刷与坝面间的压力大小，调节伸缩臂的伸缩长度，选择适当洗刷的力度；
[0039]
步骤3，清洗作业：
[0040]
将高压水泵接入冲洗模块的供水管道，根据步骤1-1确定的冲洗压力和管道内损耗的水流压力，对供水管道进行加压供水；门式起重机匀速放下牵引绳，清洗装置在重力的作用下沿坝体表面向下匀速移动，位于清洗装置前端的喷头对坝体表面进行高压冲洗，位于清洗装置底部的电动圆盘刷对清洗后的区域二次洗刷；
[0041]
步骤4，采集清洗后坝体表面的图像数据：
[0042]
启动位于清洗装置后端的摄像头，对清洗后的坝体表面进行图像采集并传输到外控设备中；
[0043]
步骤5，判定清洗装置是否需进行蓄水作业：
[0044]
根据第一压力传感器传回的数值，判定清洗装置是否稳定运行，当传回数值未达到指定参数，则暂停清洗，在完成蓄水后再执行清洗作业：
[0045]
步骤6，判定清洗装置是否完成单程清洗任务：
[0046]
由操作员判定清洗装置在清洗过程中是否已到达坝底或坝顶位置，若已完成单程清洗任务，则由操作员给予完成信号，系统执行步骤7；反之，执行步骤3；
[0047]
步骤7，识别污垢区域并传回结果数值：
[0048]
步骤7-1，对图像进行预处理操作：
[0049]
由于采集的图像存在部分噪声干扰，因此在预处理阶段需对图像进行滤波去噪，并对采集的图像进行规整，使得图像中仅含有清洗后的区域，此外通过图像增强算法对清
洗后的区域进行图像增强，提高判别的准确率；
[0050]
步骤7-2，提取灰度特征参数：
[0051]
清洗后的坝体表面，若有污垢残留，通过其灰度图像进行区分，灰度反映了图像色度或亮度的分布特征，是图像中较为直观的特征，具有较高的稳定性和鲁棒性，其表达示为：
[0052][0053]
式中：p(k)为k灰度级出现的概率；n为像素点的总数；n(k)为灰度等级为k时的像素点的个数；
[0054]
根据灰度直方图计算图像的灰度均值，其表达式如下：
[0055][0056]
步骤7-3，找出污垢区域并输出结果数值：
[0057]
根据步骤7提取的灰度均值，结合k均值聚类算法实现对清洗后的区域进行污垢检测；将坝面图像检测分为两类：无污垢区域、有污垢区域；根据步骤7-2提取的灰度均值设定两类结果的初始聚类中心，经过循环迭代，更新隶属度矩阵和聚类中心得到最终得隶属度矩阵，实现对污垢的检测；当存在污垢时，向计数器传回数值1；反之，传回数值0；
[0058]
步骤8，判定是否进行回程清洗：
[0059]
根据步骤5-4得到的污垢检测结果，外控系统以“1”、“0”信号控制清洗装置的清洗任务继续与停止；计数器初始值为1，展开清洗任务后值为0，若发现污垢，则值为1传回与计数器的数值进行或运算；当清洗装置完成一次坝面清洗任务后，清洗设备回程时检查计数器数值，为1时再次展开清洗作业，由操作员调节伸缩臂增大电动圆盘刷与坝面的压力大小的同时调整冲洗水压，对坝体进行再次清洗；为0时停止清洗任务，更新计数器的数值，等待门式起重机牵引至下一坝体工作面。
[0060]
本发明有如下有益效果：
[0061]
1、本发明针对坝体表面的污垢，设计一种具有一定喷射角度的高压水射流清洗方法，能够较好的对坝体表面污垢进行清洗。采用高压水射流和电动圆盘刷相结合的清洗方式，对坝体表面的顽固污垢进行清洗，可极大限度的去除顽固污垢。利用摄像头对清洗后的坝体表面进行图像的采集并传输到外控设备中，判别是否有污垢的残留，当判定污垢存在时，清洗装置将进行再次清洗，确保对污垢进行最大限度的清洗。
[0062]
2、本发明使用高压水射流对坝体清洗，确定高压水射流的冲洗压力、喷射角度以及冲洗靶距，该方法可实现对坝体污垢的高效、快速清洗，再结合电动圆盘刷对冲洗后的区域进行二次洗刷，可极大限度的去除顽固污垢。
[0063]
3、本发明利用摄像头对清洗后的坝体表面进行图像数据的采集，并对采集的图像进行预处理，提取图像的灰度特征参数，再结合模糊k均值聚类算法对污垢进行检测，并将检测结果分为两类：无污垢区域、有污垢区域，检测结果将记入计数器；当污垢存在，计数器数值为1，由操作员调节伸缩臂增大圆盘刷与坝面的压力大小的同时调整冲洗水压，将对坝体再次执行清洗作业。
[0064]
综上，本发明基于设计的大坝表面清洗装置，通过计算清洗时高压水射流的压力、
喷射角度以及清洗靶距，实现对坝体表面污垢的高效清洗。结合清洗装置底部的电动圆盘刷对冲洗后的区域进行多次洗刷，可极大限度的清除顽固污垢，利用装置后方的摄像头对清洗后区域进行图像数据的采集，并对采集的图像进行预处理，提取图像的灰度特征参数，并将污垢检测的结果分为两类：无污垢区域、有污垢区域，结合模糊k均值聚类算法，设定两类结果的初始聚类中心，经过循环迭代，更新隶属度矩阵和聚类中心得到最终得隶属度矩阵，并将检测结果，输入计数器，污垢存在，传回数值为1；反之传回数值为0，与计数器的数值进行或运算。当一次坝体清洗结束时，根据计数器的结果判定是否再次执行清洗任务，若需执行，则由操作员调节清洗力度后再次展开清洗作业；反之，则等待清洗装置到达下一工作区域。
附图说明
[0065]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0066]
图1是本发明进行大坝表面污垢清理的工作流程图。
[0067]
图2是本发明的大坝表面污垢自动清洗装置的立体图。
[0068]
图3是本发明的大坝表面污垢自动清洗装置的后视图。
[0069]
图4是本发明的大坝表面污垢自动清洗装置的侧视图。
[0070]
图5是本发明大坝表面自动清洗装置中的集线器的主剖视图。
[0071]
图6是本发明大坝表面自动清洗装置中的集线器的主视图。
[0072]
图7是本发明装置中的前轮立体图。
[0073]
图8是本发明装置中的前轮前视图.
[0074]
图9是本发明装置中的后轮立体图。
[0075]
图10是本发明装置中的后轮侧视图。
[0076]
图11是本发明装置中的取水管上配重。
[0077]
图12是本发明污垢的受力原理图。
[0078]
图中：1承载板体、2增压设备、3蓄水箱、4清洗模块、5万向轮、6环形挂钩、7视觉模块、8第一压力传感器、9第二压力传感器、10机箱、11抽水泵、12供水管、13喷头、14送水管、15驱动电机、16伸缩臂、17电动圆盘刷、18集线器、19滚筒、20水管旋转接头、21支撑杆、22外接孔、23转盘、24紧固件、25取水管、26配重、27后轮、28前轮、29内置电机、30滚珠。
具体实施方式
[0079]
实施例1：
[0080]
请参阅图2～11，一种大坝表面污垢的自动清洗装置，它包括：承载板体1：用于连接与承载各个部件；冲洗模块：置于承载板体1长度一侧的前端，并利用高压水流冲洗坝面污垢；储水模块：固定于承载板体1上，与冲洗模块同侧，通过增大装置自重的方式使得整个自动清洗装置紧贴不同坡度的坝面，增大万向轮5与坝面间的附着力，避免高压冲洗导致自动清洗装置发生移位；清洗模块4：安装在承载板体1上的机箱10内，配合高压水流冲洗，进而完成坝面清洗任务；万向轮5：分别安装于承载板体1底面两侧，左右各两个，以装置前轮28大、后轮27小排布；环形挂钩6：固定在承载板体1上表面后端两侧，左右各一个，供门式起重机牵引；视觉模块7：安装在承载板体1上表面后端中线上，用于识别污垢区域。通过上述
的自动清洗装置能够较好的对坝体表面污垢进行清洗。采用高压水射流和电动圆盘刷相结合的清洗方式，对坝体表面的顽固污垢进行清洗，可极大限度的去除顽固污垢。利用摄像头对清洗后的坝体表面进行图像的采集并传输到外控设备中，判别是否有污垢的残留，当判定污垢存在时，清洗装置将进行再次清洗，确保对污垢进行最大限度的清洗。
[0081]
进一步的，所述承载板体1是完成清洗任务的主要载体，承载板体1内安装有存储硬件、无线传输模块、控制系统和压力传感器；通过第一压力传感器8采集万向轮5与坝面间压力，判断清洗装置的万向轮5是否悬空，作为清洗任务过程中蓄水作业开始判定的条件；第二压力传感器9用于获取电动圆盘刷17与坝面间的压力，并控制伸缩臂16的长度；远端操作员根据清洗任务需求，借由第一压力传感器8和第二压力传感器9的数值适当调整清洗力度。通过上述的承载板体1能够用于对整个自动清洗装置上的部件进行支撑。通过上述的第一压力传感器8和第二压力传感器9便于后续实现整个自动清洗装置的自动化控制。
[0082]
进一步的，所述环形挂钩6固定在承载板体1两侧，左右各一个，与牵引绳和保险绳的一端相连接；所述牵引绳另一端与坝顶的拉门电机相连，控制自动清洗装置在坝体表面上的上下移动；所述保险绳另一端安装在坝顶，防止自动清洗装置失控下滑掉入水中。通过上述的牵引绳便于实现整个装置沿着大坝行走。
[0083]
进一步的，所述冲洗模块包括增压设备2，增压设备2固定在承载板体1沿其长度一侧的前端；所述增压设备2上方接有供水管道12与蓄水箱3相连；所述增压设备2沿其长度方向均匀安装若干喷头13；若干所述喷头13与地面成一定角度固定在增压设备2上，远端操作员能够由内控系统控制增压设备2实现喷头13的水压调节。通过上述的冲洗模块便于实现污垢的高压冲洗。工作过程中，通过增压设备2进行提供高压水，再通过喷头13进行喷出，进而喷射到污垢表面，来实现污垢的冲洗。
[0084]
进一步的，所述储水模块包括蓄水箱3，蓄水箱3固定在承载板体2的中线上，与增压设备2同侧，用于增大万向轮5与坝面间的附着力且避免高压冲洗导致清洗装置移位；抽水泵11沿中线方向放置于蓄水箱3后；集线器18安装于承载板体1上表面左侧，由其内置电机29收放取水管25，通过送水管14与抽水泵11相连；储水作业的开启和终止根据第一压力传感器8的数值确定。所述储水模块代替原有清洗装置配重，既是清洗装置的供水来源，又是执行高压冲洗作业过程中清洗装置稳定运作的保障。工作过程中，通过抽水泵11将水注入到蓄水箱3进行储存，进而便于后续借助冲洗模块进行冲洗。
[0085]
进一步的，所述集线器18借由置于滚筒19内的内置电机29来收放取水管25，同时滚筒19通过转盘23与紧固件24可旋转的安装在支撑杆21上；送水管14通过支撑杆21左侧杆的外接孔22与水管旋转接头20连接，水管旋转接头20的一端通过滚筒上的外接孔22与取水管25相接；为使取水管沿坝面下滑至水面下，使用配重26套于取水管25管口，配重26外圈安有滚轮30。通过上述的配重26能够将整个取水管25进行下滑道水面以下，以便于实现取水作业。
[0086]
进一步的，所述清洗模块4包括四个电动推杆机构，并固定在承载板体2底部；所述电动推杆机构包括驱动电机15和伸缩臂16；所述伸缩臂16顶端固定安装有电动圆盘刷17；所述机箱10用于安装与固定电动推杆机构。通过伸缩臂16便于控制电动圆盘刷17的高度，进而保证最佳的刷扫作业。
[0087]
进一步的，所述视觉模块7包括光源、摄像头和马达；所述光源开启，给摄像头补
光；所述摄像头与马达相配合，马达与控制系统连接用来实现摄像头的旋转操作，所述控制系统分内控系统与外控系统，内控系统由内控芯片构成，所述内控芯片用来控制电机、摄像头、光源、马达、伸缩臂、接收和发送信号；内控系统与外控系统通过无线网络的方式进行连接；外控系统用于接收承载板体1发送的坝体表面图像，识别污垢区域并同时控制整体装置完成清洗任务。
[0088]
实施例2：
[0089]
参见图1，采用大坝表面污垢的自动清洗装置进行大坝表面污垢清洗的方法，具体步骤如下：
[0090]
步骤1，初始清洗参数并完成储水作业：
[0091]
在对坝体表面进行清洗时，要对冲洗压力、冲洗角度以及冲洗靶距这三个参数进行确定，其具体步骤如下：
[0092]
步骤1-1，冲洗压力的设定：
[0093]
对于坝体表面的污垢，能否去除掉关键是，水射流对其产生的射流压力pk须大于某一临界值p
th
，以克服污垢与坝体之间的粘着力，其表达式为：
[0094]
pk＝kap
th
[0095]
式中：pk为射流压力；p
th
为污垢与坝体之间的粘着力；ka为常数，值为2～4；
[0096]
步骤1-2，设定冲洗角度：
[0097]
将喷头倾斜喷射，水射流到达靶面距离变长，水射流压力变小，剪切力变大，在泵提供高压，想快速清洗的情况下增大喷头倾斜角度，就能够达到快速清洗目的；
[0098]
参见图12，污垢的受力的大小和方向为：
[0099][0100][0101]
式中：f1为污垢的受力；r为污垢裂纹的扩散半径；x为水射流渗透距离；e为常数指数；π为圆周率；c为修正参数；pk为射流压力；v为污垢体积；ρ为孔隙率；m为合流超比函数；ζ＝ar；ζ'＝ax；
[0102]
步骤1-3，设定冲洗靶距：
[0103]
在考虑高压水流清洗压力的同时，又确保清洗面积较大，靶面距离选择为喷头出口直径的8～12倍；
[0104]
步骤1-4，储水作业：
[0105]
位于坝顶的门式起重机通过牵引绳将自动清洗装置放至坝顶，启动集线器的内置电机放下取水管，借由取水管管口的配重，使得取水管沿坝面下滑至水面下，后启动抽水泵并根据第一压力传感器的数值完成储水作业；
[0106]
步骤2，调节摄像头的角度和伸缩臂的长度：
[0107]
对摄像头的角度进行调节使其能拍摄装置后方至少3米内的图像，同时借由第二压力传感器感应电动圆盘刷与坝面间的压力大小，调节伸缩臂的伸缩长度，选择适当洗刷的力度；
[0108]
步骤3，清洗作业：
[0109]
将高压水泵接入冲洗模块的供水管道，根据步骤1-1确定的冲洗压力和管道内损耗的水流压力，对供水管道进行加压供水；门式起重机匀速放下牵引绳，清洗装置在重力的作用下沿坝体表面向下匀速移动，位于清洗装置前端的喷头对坝体表面进行高压冲洗，位于清洗装置底部的电动圆盘刷对清洗后的区域二次洗刷；
[0110]
步骤4，采集清洗后坝体表面的图像数据：
[0111]
启动位于清洗装置后端的摄像头，对清洗后的坝体表面进行图像采集并传输到外控设备中；
[0112]
步骤5，判定清洗装置是否需进行蓄水作业：
[0113]
根据第一压力传感器传回的数值，判定清洗装置是否稳定运行，当传回数值未达到指定参数，则暂停清洗，在完成蓄水后再执行清洗作业：
[0114]
步骤6，判定清洗装置是否完成单程清洗任务：
[0115]
由操作员判定清洗装置在清洗过程中是否已到达坝底或坝顶位置，若已完成单程清洗任务，则由操作员给予完成信号，系统执行步骤7；反之，执行步骤3；
[0116]
步骤7，识别污垢区域并传回结果数值：
[0117]
步骤7-1，对图像进行预处理操作：
[0118]
由于采集的图像存在部分噪声干扰，因此在预处理阶段需对图像进行滤波去噪，并对采集的图像进行规整，使得图像中仅含有清洗后的区域，此外通过图像增强算法对清洗后的区域进行图像增强，提高判别的准确率；
[0119]
步骤7-2，提取灰度特征参数：
[0120]
清洗后的坝体表面，若有污垢残留，通过其灰度图像进行区分，灰度反映了图像色度或亮度的分布特征，是图像中较为直观的特征，具有较高的稳定性和鲁棒性，其表达示为：
[0121][0122]
式中：p(k)为k灰度级出现的概率；n为像素点的总数；n(k)为灰度等级为k时的像素点的个数；
[0123]
根据灰度直方图计算图像的灰度均值，其表达式如下：
[0124][0125]
步骤7-3，找出污垢区域并输出结果数值：
[0126]
根据步骤7提取的灰度均值，结合k均值聚类算法实现对清洗后的区域进行污垢检测；将坝面图像检测分为两类：无污垢区域、有污垢区域；根据步骤7-2提取的灰度均值设定两类结果的初始聚类中心，经过循环迭代，更新隶属度矩阵和聚类中心得到最终得隶属度矩阵，实现对污垢的检测；当存在污垢时，向计数器传回数值1；反之，传回数值0；
[0127]
步骤8，判定是否进行回程清洗：
[0128]
根据步骤5-4得到的污垢检测结果，外控系统以“1”、“0”信号控制清洗装置的清洗任务继续与停止；计数器初始值为1，展开清洗任务后值为0，若发现污垢，则值为1传回与计数器的数值进行或运算；当清洗装置完成一次坝面清洗任务后，清洗设备回程时检查计数
器数值，为1时再次展开清洗作业，由操作员调节伸缩臂增大电动圆盘刷与坝面的压力大小的同时调整冲洗水压，对坝体进行再次清洗；为0时停止清洗任务，更新计数器的数值，等待门式起重机牵引至下一坝体工作面。

技术特征：
1.一种大坝表面污垢的自动清洗装置，其特征在于，它包括：承载板体(1)：用于连接与承载各个部件；冲洗模块：置于承载板体(1)长度一侧的前端，并利用高压水流冲洗坝面污垢；储水模块：固定于承载板体(1)上，与冲洗模块同侧，通过增大装置自重的方式使得整个自动清洗装置紧贴不同坡度的坝面，增大万向轮(5)与坝面间的附着力，避免高压冲洗导致自动清洗装置发生移位；清洗模块(4)：安装在承载板体(1)上的机箱(10)内，配合高压水流冲洗，进而完成坝面清洗任务；万向轮(5)：分别安装于承载板体(1)底面两侧，左右各两个，以装置前轮(28)大、后轮(27)小排布；环形挂钩(6)：固定在承载板体(1)上表面后端两侧，左右各一个，供门式起重机牵引；视觉模块(7)：安装在承载板体(1)上表面后端中线上，用于识别污垢区域。2.根据权利要求1所述一种大坝表面污垢的自动清洗装置，其特征在于：所述承载板体(1)是完成清洗任务的主要载体，承载板体(1)内安装有存储硬件、无线传输模块、控制系统和压力传感器；通过第一压力传感器(8)采集万向轮(5)与坝面间压力，判断清洗装置的万向轮(5)是否悬空，作为清洗任务过程中蓄水作业开始判定的条件；第二压力传感器(9)用于获取电动圆盘刷(17)与坝面间的压力，并控制伸缩臂(16)的长度；远端操作员根据清洗任务需求，借由第一压力传感器(8)和第二压力传感器(9)的数值适当调整清洗力度。3.根据权利要求1所述一种大坝表面污垢的自动清洗装置，其特征在于：所述环形挂钩(6)固定在承载板体(1)两侧，左右各一个，与牵引绳和保险绳的一端相连接；所述牵引绳另一端与坝顶的拉门电机相连，控制自动清洗装置在坝体表面上的上下移动；所述保险绳另一端安装在坝顶，防止自动清洗装置失控下滑掉入水中。4.根据权利要求1所述一种大坝表面污垢的自动清洗装置，其特征在于：所述冲洗模块包括增压设备(2)，增压设备(2)固定在承载板体(1)沿其长度一侧的前端；所述增压设备(2)上方接有供水管道(12)与蓄水箱(3)相连；所述增压设备(2)沿其长度方向均匀安装若干喷头(13)；若干所述喷头(13)与地面成一定角度固定在增压设备(2)上，远端操作员能够由内控系统控制增压设备(2)实现喷头(13)的水压调节。5.根据权利要求1所述一种大坝表面污垢的自动清洗装置，其特征在于：所述储水模块包括蓄水箱(3)，蓄水箱(3)固定在承载板体(2)的中线上，与增压设备(2)同侧，用于增大万向轮(5)与坝面间的附着力且避免高压冲洗导致清洗装置移位；抽水泵(11)沿中线方向放置于蓄水箱(3)后；集线器(18)安装于承载板体(1)上表面左侧，由其内置电机(29)收放取水管(25)，通过送水管(14)与抽水泵(11)相连；储水作业的开启和终止根据第一压力传感器(8)的数值确定。6.根据权利要求5所述一种大坝表面污垢的自动清洗装置，其特征在于：所述集线器(18)借由置于滚筒(19)内的内置电机(29)来收放取水管(25)，同时滚筒(19)通过转盘(23)与紧固件(24)可旋转的安装在支撑杆(21)上；送水管(14)通过支撑杆(21)左侧杆的外接孔(22)与水管旋转接头(20)连接，水管旋转接头(20)的一端通过滚筒上的外接孔(22)与取水管(25)相接；为使取水管沿坝面下滑至水面下，使用配重(26)套于取水管(25)管口，配重(26)外圈安有滚轮(30)。
7.根据权利要求1所述一种大坝表面污垢的自动清洗装置，其特征在于：所述清洗模块(4)包括四个电动推杆机构，并固定在承载板体(2)底部；所述电动推杆机构包括驱动电机(15)和伸缩臂(16)；所述伸缩臂(16)顶端固定安装有电动圆盘刷(17)；所述机箱(10)用于安装与固定电动推杆机构。8.根据权利要求1所述一种大坝表面污垢的自动清洗装置，其特征在于：所述视觉模块(7)包括光源、摄像头和马达；所述光源开启，给摄像头补光；所述摄像头与马达相配合，马达与控制系统连接用来实现摄像头的旋转操作，所述控制系统分内控系统与外控系统，内控系统由内控芯片构成，所述内控芯片用来控制电机、摄像头、光源、马达、伸缩臂、接收和发送信号；内控系统与外控系统通过无线网络的方式进行连接；外控系统用于接收承载板体(1)发送的坝体表面图像，识别污垢区域并同时控制整体装置完成清洗任务。9.采用权利要求1-8任意一项所述大坝表面污垢的自动清洗装置进行大坝表面污垢清洗的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，初始清洗参数并完成储水作业：在对坝体表面进行清洗时，要对冲洗压力、冲洗角度以及冲洗靶距这三个参数进行确定，其具体步骤如下：步骤1-1，冲洗压力的设定：对于坝体表面的污垢，能否去除掉关键是，水射流对其产生的射流压力p
k
须大于某一临界值p
th
，以克服污垢与坝体之间的粘着力，其表达式为：p
k
＝k
a
p
th
式中：p
k
为射流压力；p
th
为污垢与坝体之间的粘着力；k
a
为常数，值为2～4；步骤1-2，设定冲洗角度：将喷头倾斜喷射，水射流到达靶面距离变长，水射流压力变小，剪切力变大，在泵提供高压，想快速清洗的情况下增大喷头倾斜角度，就能够达到快速清洗目的；污垢的受力的大小和方向为：污垢的受力的大小和方向为：式中：f1为污垢的受力；r为污垢裂纹的扩散半径；x为水射流渗透距离；e为常数指数；π为圆周率；c为修正参数；p
k
为射流压力；v为污垢体积；ρ为孔隙率；m为合流超比函数；ζ＝ar；ζ'＝ax；步骤1-3，设定冲洗靶距：在考虑高压水流清洗压力的同时，又确保清洗面积较大，靶面距离选择为喷头出口直径的8～12倍；步骤1-4，储水作业：位于坝顶的门式起重机通过牵引绳将自动清洗装置放至坝顶，启动集线器的内置电机放下取水管，借由取水管管口的配重，使得取水管沿坝面下滑至水面下，后启动抽水泵并根据第一压力传感器的数值完成储水作业；
步骤2，调节摄像头的角度和伸缩臂的长度：对摄像头的角度进行调节使其能拍摄装置后方至少3米内的图像，同时借由第二压力传感器感应电动圆盘刷与坝面间的压力大小，调节伸缩臂的伸缩长度，选择适当洗刷的力度；步骤3，清洗作业：将高压水泵接入冲洗模块的供水管道，根据步骤1-1确定的冲洗压力和管道内损耗的水流压力，对供水管道进行加压供水；门式起重机匀速放下牵引绳，清洗装置在重力的作用下沿坝体表面向下匀速移动，位于清洗装置前端的喷头对坝体表面进行高压冲洗，位于清洗装置底部的电动圆盘刷对清洗后的区域二次洗刷；步骤4，采集清洗后坝体表面的图像数据：启动位于清洗装置后端的摄像头，对清洗后的坝体表面进行图像采集并传输到外控设备中；步骤5，判定清洗装置是否需进行蓄水作业：根据第一压力传感器传回的数值，判定清洗装置是否稳定运行，当传回数值未达到指定参数，则暂停清洗，在完成蓄水后再执行清洗作业：步骤6，判定清洗装置是否完成单程清洗任务：由操作员判定清洗装置在清洗过程中是否已到达坝底或坝顶位置，若已完成单程清洗任务，则由操作员给予完成信号，系统执行步骤7；反之，执行步骤3；步骤7，识别污垢区域并传回结果数值：步骤7-1，对图像进行预处理操作：由于采集的图像存在部分噪声干扰，因此在预处理阶段需对图像进行滤波去噪，并对采集的图像进行规整，使得图像中仅含有清洗后的区域，此外通过图像增强算法对清洗后的区域进行图像增强，提高判别的准确率；步骤7-2，提取灰度特征参数：清洗后的坝体表面，若有污垢残留，通过其灰度图像进行区分，灰度反映了图像色度或亮度的分布特征，是图像中较为直观的特征，具有较高的稳定性和鲁棒性，其表达示为：式中：p(k)为k灰度级出现的概率；n为像素点的总数；n(k)为灰度等级为k时的像素点的个数；根据灰度直方图计算图像的灰度均值，其表达式如下：步骤7-3，找出污垢区域并输出结果数值：根据步骤7提取的灰度均值，结合k均值聚类算法实现对清洗后的区域进行污垢检测；将坝面图像检测分为两类：无污垢区域、有污垢区域；根据步骤7-2提取的灰度均值设定两类结果的初始聚类中心，经过循环迭代，更新隶属度矩阵和聚类中心得到最终得隶属度矩阵，实现对污垢的检测；当存在污垢时，向计数器传回数值1；反之，传回数值0；步骤8，判定是否进行回程清洗：
根据步骤5-4得到的污垢检测结果，外控系统以“1”、“0”信号控制清洗装置的清洗任务继续与停止；计数器初始值为1，展开清洗任务后值为0，若发现污垢，则值为1传回与计数器的数值进行或运算；当清洗装置完成一次坝面清洗任务后，清洗设备回程时检查计数器数值，为1时再次展开清洗作业，由操作员调节伸缩臂增大电动圆盘刷与坝面的压力大小的同时调整冲洗水压，对坝体进行再次清洗；为0时停止清洗任务，更新计数器的数值，等待门式起重机牵引至下一坝体工作面。

技术总结
本发明提供了一种大坝表面污垢的自动清洗装置及方法，包括承载板体，承载板体上安装有冲洗模块，置于承载板体长度一侧的前端，利用高压水流冲洗坝面污垢；安装有储水模块，固定于承载板体上，与冲洗模块同侧；安装有清洗模块，配合高压水流冲洗完成坝面清洗任务；安装有环形挂钩，供门式起重机牵引，使得清洗装置在坝面上移动；安装有视觉模块，采集坝面图像信息。此自动清洗装置通过增大装置自重的方式使得清洗装置紧贴不同坡度的坝面，增大万向轮与坝面间的附着力，避免高压冲洗导致清洗装置发生移位；能够通过摄像头本体进行视频观察，从而拍摄大坝表面污垢图像信息，自动调整清洗作业次数及清洗力度，达到清除大坝表面顽固污垢的目的。固污垢的目的。固污垢的目的。


技术研发人员：陈法法 邓斌 苏晨 陈保家 肖文荣
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/11