一种钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统及方法与流程

1.本发明属于岩溶探测技术领域，具体涉及一种钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在岩溶发育地区选择桩基础来处理工程问题时，由于钻孔灌注桩不受地层变化限制、不需要接桩和截桩、节省钢材、噪声小、适合大型工程、施工安全，且不会产生由抽水引起地面沉降等优点，从而得到广泛的应用。但是在大量岩溶地区的应用实践中，特别在大直径工程桩中，发明人发现一桩一孔施工勘察难以判断桩底是否存在溶洞、软弱夹层等不良地质体。通常除施工勘察外，还辅以物探手段来确认粧底是否存在不良地质体。
4.当处于地区地形地质情况复杂，溶洞等地质病害众多地区修建桥梁，其桩底是否存在溶洞、溶洞规模、洞内充填情况、以及桩基与溶洞所处位置关系等，均严重影响桥梁桩基的安全性能，也是公路建设者极为关心的问题。因此，为消除工程的安全隐患，需要在成桩前后对桩底溶洞的发育情况进行探测，而目前对此类问题尚缺乏行之有效的解决方法。虽然一些科技工程者在此方面进行了一些探索，提出了地质雷达、高密度电法仪及瞬变电磁仪等探测方法，也在不同的工程中进行了实际应用，但效果均不理想。因此，有必要在此方面开展深入的研究工作。
5.处于岩溶区的桥梁桩基在勘察，施工和检测阶段利用“一桩一钻探孔”的小钻孔勘测，对于桩基直径较大的钻孔灌注桩桩底的溶洞和其他异常地质体的位置、大小、形态等情况不能完全清楚地反映出来，在不能摸清地下地质形态的情况下施工可能会发生卡钻、重锤掉落、泥浆漏失、孔壁坍塌等一系列的问题，大大增加了桩基的施工难度，从而对桩基的施工质量有很大的影响并且为桥梁安全埋下了隐患。如果用补充钻孔再次验证，如沿桩基四周设置 4～5孔，无形中增加了工程量，拖后了施工工期。
6.如何解决特殊地质引起的安全问题和如何解决完工后的工程质量问题，值得研究。许多工程需要处理地下岩溶问题。在岩溶发育地区选择桩基础来处理工程问题时，由于钻孔灌注桩不受地层变化限制、不需要接桩和截桩、节省钢材、噪声小、适合大型工程、施工安全，且不会产生由抽水引起地面沉降等优点，从而得到广泛的应用。但是在大量岩溶地区的应用实践中，特别在大直径工程桩中，发明人发现一桩一孔施工勘察难以判断桩底是否存在溶洞、软弱夹层等不良地质体。通常除施工勘察外，还辅以物探手段来确认桩底是否存在不良地质体。传统的地震反射法和探地雷达法难以在桩孔中的泥浆中工作，不常应用于钻孔灌注桩桩底溶洞的探测。弹性波ct法和管波测试法可以用于钻孔灌注桩桩底溶洞探测，但前者探测时至少需要桩周2个钻孔，且探测干扰大；后者对桩底溶洞的探测依然需要超前钻孔，且难以分辨溶洞的方位，使得这些方法在工程中未得到广泛的应用。实际工程中大多还是采用一桩一孔，这样极易漏判，而采用一桩多孔则工作过于繁琐。所以，当下在施
工勘察阶段，需要有效、快捷的探测手段对钻孔灌注桩桩底溶洞进行探测是目前需要解决的难题，以实现确保每根桩桩底3倍桩径不小于5m范围内没有溶洞。


技术实现要素：

7.本发明为了解决上述问题，本发明提出一种钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统及方法，探索将声呐技术应用于桩底溶洞探测，利用桩孔中的泥浆作为声波传播和耦合的介质来探测桩底的溶洞发育情况。
8.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统，包括运动模块、惯性测量模块、声呐探测模块、驱动模块和控制模块；
10.所述运动模块包括水平运动单元和垂直运动单元，水平运动单元用于水平运动，垂直运动单元用于上下运动；
11.所述惯性测量模块用于检测运动模块的姿态并反馈至控制模块；
12.所述声呐探测模块利用桩孔中的泥浆作为声波传播和耦合的介质来采集声呐数据并反馈至控制模块；
13.所述控制模块用于获取声呐探测模块的数据并处理后输出控制指令至驱动模块，所述驱动模块用于根据控制指令驱动运动模块进行运动。
14.第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统的工作方法，包括：
15.通过运动模块的水平运动单元带动探测系统实现水平运行，通过垂直运动单元实现上下运动；
16.通过惯性测量模块检测运动模块的姿态并反馈至控制系统；
17.通过声呐探测模块采集声呐数据并反馈至控制模块；
18.通过控制模块获取声呐探测模块的数据并处理后输出控制指令至驱动模块，驱动模块根据控制指令驱动运动模块的运动。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
20.1、本发明提供的钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统，通过运动模块、惯性测量模块、声呐探测模块、驱动模块和控制模块配合作用，其中的运动模块可采用机器人，随着机器人在桩底岩溶中运动，声呐探测模块可以判断水下机器人的运动方向或者是否受到障碍阻挡，并且可以采集到各种各样的数据，包括桩底基岩的质量检测的数据、珠串状的多层溶洞探测数据，将声呐技术应用于桩底溶洞探测，利用桩孔中的泥浆作为声波传播和耦合的介质来探测桩底的溶洞发育情况，解决了如何有效、快捷的对钻孔灌注桩桩底溶洞进行探测的技术问题，以确保每根桩桩底3倍桩径不小于5m范围内没有溶洞。
21.2、本发明钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统的工作方法中采用先进行钻探方式进行初步勘测，然后在对作业区实施物探来勘测溶洞的大概所处位置和溶洞的分布、埋藏深度以及大小，结合无损声呐探测系统的声呐探测模块和运动模块，有效深入桩底岩溶，可以判断是否受到障碍阻挡，并且可以采集到各种各样的数据，包括桩底基岩的质量检测的数据、珠串状的多层溶洞探测数据，同时可以获取多个方向的探测数据，多范围内的障碍物信息，提高探测的效率，这样不仅能快速而且较为准确的了解岩溶的发育和地层的分
布，还能为桩基的施工提供详细可靠的地质勘察资料也为以后的质量检测提供有效的手段，从而施工进度得到了保证，工程质量也得到了提高，同时节省了大量人力物力。
22.2、本发明的运动模块采用水下机器人，其周边采用圆环形保护框架，可避免与钻孔灌注桩壁碰撞造成机器人损伤，设置四个浮力块，可以达到水中浮力、重力的平衡调节，便于机器人动力设计，并且浮力块采用低密度复合材料，在水中具有较大的正浮力，可用于完成水下机器人的配平，水下机器人底部安装有清理淤泥的装置，可以使得去除桩孔的淤泥，利用桩孔中的泥浆作为声波传播和耦合的介质来探测桩底的溶洞发育情况。
23.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
25.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
26.图1为本发明的无损声呐探测系统的结构示意图；
27.图2为本发明的无损声呐探测系统的水下机器人的结构示意图；
28.图3为本发明的无损声呐探测系统的水下机器人的主视图；
29.图4为本发明的无损声呐探测系统的水下机器人的俯视图；
30.图5为本发明的无损声呐探测系统的水下机器人的仰视图；
31.图6为本发明的无损声呐探测系统的水下机器人的坐标系示意图；
32.图7为本发明的水下机器人的水平面运动示意图；
33.图8为本发明的声呐探测模块的结构示意图；
34.图9为本发明的控制模块的主控电路示意图；
35.图10为本发明的无损声呐探测系统的输出稳压电路结构示意图；
36.图11为本发明的复位电路示意图；
37.图12为本发明的时钟电路示意图；
38.图13为本发明的水下机器人主控序框图；
39.图14为本发明的pid控制系统原理图；
40.图15为本发明的通过角速度数据的pid控制算法流程图；
41.图16为本发明的通过角度数据的pid控制算法流程图；
42.图17为本发明的水下机器人航向理想控制流程图；
43.图18为本发明的驱动系统软件流程图；
44.图19为本发明的声呐探测模块的系统电路图；
45.图20为本发明的声呐探测模块的发射电路的结构示意图；
46.图21为本发明的声呐探测模块的接收电路的结构示意图；
47.其中，1、浮力块，2、圆环形保护框架，3、声呐探头，4、声呐震源，5、控制舱，6、水平螺旋桨，7、上螺旋桨，8、下螺旋桨；
48.11、控制模块(stm32f1032e单片机控制系统)12、电源模块；13、稳压模块(n路稳压
电路)；14、惯性测量模块(imu模块)；15、第一驱动单元；16、水下推进器；17、水下移动状态；18、水下悬停状态；19、第二驱动单元；20、淤泥清除装置；21、去除淤泥干扰状态；22、声呐探测模块。
具体实施方式：
49.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
50.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
51.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
52.实施例一：
53.本实施例提供了一种钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统，包括控制模块、惯性测量模块、运动模块、驱动模块和声呐探测模块；
54.所述运动模块包括水平运动单元和垂直运动单元，水平运动单元用于水平运动，垂直运动单元用于上下运动，以使得运动模块能够将整个声呐探测系统带入桩底岩溶进行探测；
55.所述惯性测量模块用于检测运动模块的姿态并反馈至控制系统，以保持运动平衡；
56.所述声呐探测模块用于采集声呐数据并反馈至控制模块；
57.所述控制模块用于获取声呐探测模块的数据并处理后输出控制指令至驱动模块，所述驱动模块用于根据控制指令驱动运动模块进行运动。
58.作为一种实施方式，所述声呐探测模块包括声呐检测装置以及单片机，所述声呐检测装置包括水声换能器，所述水声换能器的t型矢量听水器接收水中的声信号经过接收电路传输至接收信号处理模块，接收信号处理模块与单片机相连，所述单片机还与发射信号处理模块相连，电路信号转换为发射信号经过功放电路的放大，进而传输至发射电路，所述发射电路与换能器的发射传感器相连，实现信号的传输。所述单片机与收发转换电路相连，所述收发电路连接于声呐检测装置，所述单片机串口连接于上位机；所述单片机还与其他电路相连。整体由电源模块、stm32芯片、wifi模块、can通信模块、声呐检测装置、flash存储模块以及上位机组成，声呐检测装置由单片机控制和采集数据，单片机供电以后，将声呐检测装置连接至单片机，其中还包括其他串口，该串口主要连接外界移动机器人，随着机器人在桩底岩溶中运动，声呐探测子系统可以判断水下机器人的运动方向或者是否受到障碍阻挡，并且可以采集到各种各样的数据，包括桩底基岩的质量检测的数据、珠串状的多层溶洞探测数据。
59.声呐探测系统独立与移动机器人系统工作，也接收移动机器人的开始工作命令，并且工作停止之后的状态能回传给机器人，机器人子系统和声呐探测系统之间采用can总线通信，设备取出地面之后，通过wifid导出数据到上位机，采集到的数据通过wifi通信传
送至上位机，在上位机上进行数据的分析。
60.另外，所述声呐检测装置包括水声换能器、接收机与发射机，所述水声换能器通过收发转换电路与接收机和发射机相连，声纳通过识别目标的回声信号来获取位置和状态参数。根据回波的幅度，相位和其他参数的数据变化，还可以估算目标的性质，大小和运动规律。反射的声音信号与噪声信号混合。在被水声换能器接收之后，反射的声音信号被转换为相应的电信号，该电信号被处理发送给接收机，接收机中的信号在信号处理模块之后，发送至显示设备进行显示。
61.所述声呐检测装置还包括信号处理模块，信号处理模块与接收机和发射机相连。信号处理模块收到接收机中的信号进行信号处理，形成可显示的数据，在显示设备上进行显示。
62.进一步的，所述收发转换电路的发射电路由开关和led指示灯构成，单片机pa1端口输出的10khz的脉冲信号一路经pnt9012送到换能器的另一个电极，pnt9012在这里起到开关作用，如果有信号发出，则d1灯亮。
63.进一步的，所述收发转换电路的接收电路包括水听器和控制开关两部分，所述换能器经发射电路通过放大电路连接于接收电路。接收电路包括水听器rx，q，rq1和rq2控制开关2部分，t型水听器可接收到信号的频率范围为100hz～30khz。由于换能器tx发射出的信号非常微弱，因此，必须经放大电路放大，当水听器rx接收到信号时，q，rq2导通， rq1不导通，则rd1灯亮。
64.进一步的，所述声呐检测装置还包括存储模块，所述存储模块无线连接于上位机，导出数据至上位机，所述信号处理模块还与存储模块相连。经信号处理模块对数据进行处理后，存储声呐检测装置检测到的数据，用于分析，并可随时在上位机上进行提取观测，有利于对数据的精准分析和确定。
65.其他电路中，所述其他电路还包括电源电路、时钟电路、复位电路、jtag电路以及sram 电路。电源电路、晶振电路、提示电路、下载电路和复位电路等等，使其构成一个完整的可操作的电路系统。
66.其中，本实施例中的电源电路中的电源采用了5v以及3v两种，因为各个模块所需的电源大小不同。
67.所述声呐检测模块还包括蜂鸣器模块，用于报警。若是串口连接外界移动机器人，当机器人或者移动设备的移动过程中存在障碍物会造成威胁时，及时传输数据并报警，保护移动机器人以及声呐检测装置，保证信息采集的安全进行。
68.声呐设备由单片机控制和采集数据，单片机供电以后，将声呐设备连接至单片机，密封起来放到水下机器人上。随着机器人在桩底岩溶中运动，声呐探测子系统可以判断水下机器人的运动方向或者是否受到障碍阻挡，并且可以采集到各种各样的数据，包括桩底基岩的质量检测的数据、珠串状的多层溶洞探测数据。
69.声呐探测模块可独立于控制模块工作，接收控制模块的开始工作命令，并且工作停止之后的状态能回传给控制模块，控制模块和声呐探测模块之间采用can总线通信。设备取出到地面之后，通过wifi导出数据到计算机(上位机pc)，采集到的数据通过wifi模块传送给上位机，在上位机上分析数据。
70.作为一种实施方式，声呐电源模块根据变换电源系统根据变换方式，可以分为ac/
dc 电源，dc/dc电源，dc/ac电源和ac/ac电源。目前只将ac/dc电源和dc/dc电源称为开关电源，而将dc/ac电源和ac/ac电源称为逆变器和变频器。除了专业的电源系统设计外，一般的硬件系统设计中最常见的电源变换类型就是直流转直流(也叫电源的斩波)，ldo 和dc/dc是常用的两种电源电路。但对电源进行设计时需要考虑实际情况对其大小进行选择。本文设计的系统中主控芯片以及其他部件例如通讯模块、定位模块所需的电源大小都不同，因此电源设计了5v、3.3v两种。
71.作为一种实施方式，所述主控芯片采用的型号为stm32f103rbt6。
72.作为一种实施方式，所述外部flash存储电路，外部存储电路具有诸多优势，比如是在不加电的情况下能长期保持存储的信息。就其本质而言，flash存储器属于eeprom(电擦除可编程只读存储器)类型。它既有rom的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小。而且由于flash memory集成度不断提高，价格降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能。
73.其探测原理如下：
74.现场主机发出指令，驱动电信号经功率放大器后发送到声呐发射换能器中，然后转换成超声波信号，垂直的超声波信号发射到灌注桩桩底。因为桩底泥浆声和基岩阻抗相近，所以上下介质间的声耦合率得到了提高，从而使声呐弹性波在基岩中能够更好地传播。
75.桩底岩体的波阻抗与桩底溶洞和软弱岩层的波阻抗存在一定的差异，从而会逐渐形成一个个变化明显的波阻抗面，使声呐发出的弹性波转换成较强的反射回波。声呐发射换能器能够通过四周的4个不同方向的声呐接收换能器接收到声呐反射波，然后把声呐反射波再转换成电信号进行功率放大、再滤波被处理并被转换成数字信号，并且转换而成的数字信号被传输到现场主机进行处理和显示，其准确位置和相应的特性可在处理水下目标物体后显示。
76.目前，单频信号实在声呐中应用最广泛的信号，被通称为高频脉冲波和脉冲调制波。一般，脉冲调制波可表示为：
[0077][0078]
式(1)中，s(t)为发射信号；e为发射信号的能量；τ为发射脉冲的宽度；f0为发射载频的中心频率；t为时间变量。
[0079]
根据不同的探测目标和距离，e可在数瓦到几千瓦之间，τ可在几百微秒到几十毫秒之间变化。为保证声呐具有一定的距离分辨率、发射能量，一般来说其发射脉冲的τ都不大。声纳通过识别目标的回声信号来获取位置和状态参数。根据回波的幅度，相位和其他参数的数据变化，还可以估算目标的性质，大小和运动规律。反射的声音信号与噪声信号混合。在被换能器接收之后，反射的声音信号被转换为相应的电信号，该电信号被处理并发送到显示设备。
[0080]
声呐在t0时刻发射波声脉冲信号，经水下目标反射后形成回波。根据发射和返回信号的时间间隔δt，可计算得到水下目标和声呐装置之间的距离：
[0081][0082]
式(2)中，c为水中的声速；t1为接收的时间。只要准确测定了δt的数值，就可以计算出水下目标的深度或距离。
[0083]
作为一种实施方式，所述水平运行单元包括多个水平设置的水平螺旋桨，所述垂直运行单元包括多个垂直设置的上下螺旋桨。具体的，所述运动模块包括框架、浮力块和螺旋桨，框架顶部安装有若干个浮力块，框架内部安装有多个水平方向配置的螺旋桨和多个竖直方向配置的螺旋桨。具体的，所述框架采用圆环形保护框架。为了达到水中浮力、重力的平衡调节，以便于动力设计，框架配置四个浮力块，浮力块使用低密度复合材料，在水中具有较大的正浮力，可用于完成水下运行的配平。水平方向配置4个螺旋桨，上下方向配置2个螺旋桨，螺旋桨由直流无刷电机驱动。控制系统电路板放置在控制舱中，控制舱采用防水密闭设计。所述声呐探测模块布置在最下方，使用一个声呐震源，4个声呐探头，可以同时采集 4个测试点的声呐数据。所述运动模块采用水下机器人。
[0084]
具体的，在所述圆环形保护框架2的内部共设置6个螺旋桨，其水平方向安装的螺旋桨设置有四个并分布在所述圆环形保护框架的内部靠外侧，为水平螺旋桨6；上下安装方向的螺旋桨其中一个设置在所述圆环形保护框架的最上层，一个设置在圆环形保护框架的最下层，为上螺旋桨7和下螺旋桨8；水平方向配置4个螺旋桨，上下方向配置2个螺旋桨，可以实现机器人的水平方向的左右转，前进以及后退的运动，灵活性较高。
[0085]
所述圆环形保护框架2最下层设置声呐探测装置，声呐探测装置包括一个声呐震源4 和四个声呐探头3，所述声呐探测装置呈十字交叉状，所述声呐震源4安装在声呐探测装置十字的正中间，四个声呐探头3分别安装在十字的四端，使用一个声呐震源4，4个声呐探头3，可以同时采集4个测试地点的声呐数据。
[0086]
进一步的，参考图2－图4，所述圆环形保护框架2包括三层圆形钢管和最下层的环形钢板，并由两个对应的镂空钢板固定连接成一体，组成可保护内部结构的框架，防止机器人碰撞钻孔灌注桩壁造成损伤。
[0087]
所述圆环形保护框架的整体为镂空结构，所述最下层的环形钢板上固定安装一个镂空底盘，框架由钢管以及环形钢板组成为镂空的结构，便于螺旋桨的踩水设置，在水中进行移动，需要能在框架中通过水，便于机器人的浮力运动。
[0088]
所述圆环形保护框架2的最下层中间设置控制舱5，所述控制舱5内部为控制系统的电路板，所述控制舱5的电路板引出导线连接直流无刷电机并控制直流无刷电机工作，螺旋桨与直流无刷电机相连，螺旋桨由直流无刷电机驱动，所述控制舱采用防水密闭设计，由于机器人是在水下工作内部含有电路，所以机器人的密封性要求较为严格，机器人正常工作的前提是不能漏水，将其采用防水密封设计，水下机器人实现任意水平方向的运动和垂直上升、下潜运动。
[0089]
另外，水下机器人长度为30～50cm，上下潜、左右转、前进后退均能灵活运行。
[0090]
另外，上下运动就是机器人在水中的上下潜即垂直与水平面的运动，前后运动就是机器人在水下或水面某一高度的运动，左右运动就是转向运动。上下运动由电机控制上下安装的螺旋桨来实现，两个上下安装的螺旋桨控制的电路并联，当电机正转时推动机器
人上浮，电机反转时推动机器人下潜。水平方向的运动依靠4个水平方向电机控制水平方向螺旋桨实现。
[0091]
如图6所示：(1)固定坐标系，定坐标系原点e固定在地面上，规定eζ轴垂直地面指向地心，eξ轴在水平面内并以水下机器人主航向作为正方向，最后由右手螺旋法则确定en轴方向。(2)运动坐标系，运动坐标系原点o固定在水下机器人载体上，跟随机器人运动。规定ox轴正向为水下机器人的头部朝向(艏向)，oy轴在水下机器人横剖面内与 ox轴垂直指向艇艏右侧，oz轴在水下机器人纵剖面内通过右手螺旋法则确定。
[0092]
由于水下机器人空间运动时的严重交叉耦合，其准确的运动模型非常复杂难以完整建立。本发明的水下机器人在水中的整体运动速度较低且多数情况下均在同一平面内进行运动，因此在研究水下机器人运动学模型时，将其空间运动分成水平面(ξeη)运动和垂直面(ξ eζ)运动两部分，如图5所示。水平面内只考虑水下机器人进退、横移运动，垂直面内只考虑进退、浮潜运动，同时忽略两个平面内的运动耦合，以此简化运动模型。在分平面考虑的基础上，可完成对水下机器人重要运动形式的具体运动模型搭建。
[0093]
如图7所示，上下运动就是机器人在水中的上下潜即垂直与水平面的运动，前后运动就是机器人在水下或水面某一高度的运动，左右运动就是转向运动。上下运动由上下潜电机来实现，两个上下潜电机并联，当电机正转时推动机器人上浮，电机反转时推动机器人下潜。水平方向的运动依靠4个水平方向电机控制水平方向螺旋桨实现。
[0094]
作为一种实施方式，所述驱动模块包括第一驱动单元和第二驱动单元，第一驱动单元用于控制t550推进器实现水下机器人的运动和悬停，第二驱动单元用于控制气嘴的启动，当水下机器人来到桩底时开启气嘴去除水下淤泥干扰，气泵驱动气嘴吹出高速气流，可将淤泥吹动，桩底淤泥是松散的、悬混的，吹动后的淤泥形成泥浆可作为介质传导声波；气泵与气嘴可通过气管连通，气管的一端可伸出上方水面与空气导通。
[0095]
所述声呐探测系统还包括水下淤泥清除装置，作为一种实施方式，所述水下淤泥清除装置包括桨叶和电机，桨叶与电机连接，通过第二驱动单元驱动电机转动，当水下机器人来到桩底时开启桨叶的电机，桨叶通过旋转运动去除水下淤泥干扰；作为另一种实施方式，所述水下淤泥清除装置为气嘴，气嘴通过第二驱动单元进行驱动，当水下机器人来到桩底时开启气嘴去除水下淤泥干扰。
[0096]
所述声呐探测系统还包括电源和稳压模块，所述稳压模块具有n路，n与需要供电的单元数相一致，电源模块与稳压模块连接，通过稳压模块与各个模块连接，为各个模块供电。
[0097]
作为一种实施方式，所述惯性测量模块包括imu传感器，imu传感器用于检测水下机器人姿态，在水下运动悬停时是否平衡，桩底测量数据时是否处于水平状态。具体的。imu 传感器包括三个微控制器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘，分别用于测量加速度、方向以及磁感应强度。其中x轴、y轴是水平方向的，z轴是垂直方向的。所述三轴陀螺仪可采用陀螺仪itg3200/itg3205，三轴电子罗盘可采用hmc5883l，所述三轴加速度计可采用adxl345。
[0098]
水下机器人在水下运动时有三个自由度，分别是roll、pitch、yaw，如果翻译成中文的话，可以分别叫做横滚、俯仰、航向，roll是围绕x轴旋转，也叫做俯仰角；pitch是围绕y 轴旋转，也叫偏航角；yaw是围绕z轴旋转，也叫翻滚角。该imu传感器是通过i2c总线与
stm32f103进行通信的，stm32f103中两个i2c接口的引脚映射为i2c1和i2c2，在本实施例中用的是i2c2，pb10作为scl，pb11作为sda。
[0099]
作为一种实施方式，所述控制模块包括stm32f103单片机，stm32f系列属于中低端的32位arm微控制器，该系列芯片是意法半导体(st)公司出品，其内核是cortex-m3，以stm32f103为核心的开发板来作为水下机器人的中控系统，它具有质量小，安全可靠，综合性能好等优点，同时他具有多路pwm能够在接收到传感器传回的信号后，再将信号传给智能处理器，当中央处理器通过计算最后得出方案后，再将信号传给控制系统，从而实现机器人运动处理，为水下机器人提供多方面协调统筹能力。如图9所示，控制模块采用了意法半导体公司出品的stm32f103芯片，stm32f103含有5个usart、4个16位定时器、 2个基本定时器、3个spi、2个i2s、2个i2c、usb、can、2个pwm定时器、3个adc、 1个dac、1个sdio、fsmc(100和144脚)。
[0100]
所述稳压模块采用lm2596系列是德州仪器生产的3a电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150khz)和基准稳压器(1.23v)，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供的有：3.3v、5v、12v及可调等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。输出稳压电路如图10所示。
[0101]
给系统连接通电时，电容两侧相当于短路，微控制器芯片的运行状态出现程序跑飞或死机的问题。为了解决上述问题，设计的复位电路中的rst引脚为高电平，经过一定时间电容电阻的充电，rst引脚的电平慢慢下降，下降到一个特定值，即可保证电路能够正常工作，复位电路如图11所示。
[0102]
系统时钟电路如图12所示，时钟电路相当于整个系统的脉搏，时钟启动后处理器内核开始执行相应操作，外设部件在时钟的驱动下完成各种工作，比如串口开始传输数据、数字信号转换为模拟信号、计时器开始计时等等，因此时钟的作用不容忽视，当时钟出现异常，很可能致使整个系统瘫痪。系统的时钟源信号由外部的8mhz晶振和32.768khz的谐振器生成。其中8mhz的晶振作为系统主时钟的信号源，可以由stm32f103中的pll锁相环产生，让系统的工作频率高达160mhz。谐振器的功用是一个低速时钟信号源，它用来给其他定时单元提供一个准确的实时时钟信号。
[0103]
实施例二
[0104]
本实施例公开了一种钻孔灌注桩桩底岩溶无损声呐探测系统的工作方法，包括：
[0105]
通过运动模块的水平运动单元带动探测系统实现水平运行，通过垂直运动单元实现上下运动；
[0106]
通过惯性测量模块检测运动模块的姿态并反馈至控制系统；
[0107]
通过声呐探测模块采集声呐数据并反馈至控制模块；
[0108]
通过控制模块获取声呐探测模块的数据并处理后输出控制指令至驱动模块，驱动模块根据控制指令驱动运动模块的运动。
[0109]
本设计采用的芯片stm32f103，其配套的软件开发环境为keil mdk，在keil mdk 软件开发环境下，开发stm32f103的软件部分，采用通用的c语言作为主要的编程语言，并给用户提供了丰富的运算符，方便对运算对象进行操作，对数据进行处理。整个软件的每个功能实现采用模块化设计，各个单一功能的子程序组成了一个完整的程序整体。水下机器人
的控制主程序框架如图13所示。
[0110]
水下机器人的航行控制是其底层控制的重要内容之一，航行控制主要包括：航向角控制，深度控制，高度控制，航行速度控制和位置控制等。为了更好地达到控制效果，常设计一系列独立的单回路闭环控制器，来覆盖整个水下机器人的操纵功能。
[0111]
pid控制器以其算法简单、易实现、鲁棒性强的优点，一直被广泛应用于各种工业过程控制。
[0112]
pid控制是对系统偏差进行比例、积分和微分的一种线性控制方法，其控制系统的原理框图如图14所示。
[0113]
图中，e(t)为系统输入给定值r(t)与实际输出值y(t)的偏差，即e(t)＝r(t)-y(t)。对偏差进行比例、积分和微分运算后，相加得控制器的输出u(t)，再作用于控制对象得系统输出值，构成闭环系统。随着计算机控制技术的发展，数字pid算法成为常用的一种基本控制算法，由于计算机控制进行的是一种采样控制，所以需要对连续pid进行离散化处理。
[0114]
pid控制器的整个控制环节作用如下：
[0115]
(1)比例环节：引入比例环节是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号，加快系统的响应速度，提高其调节精度。比例系数k。越大，系统的响应速度越快，但易产生超调；取值过小，则会使响应速度缓慢，降低调节精度。
[0116]
(2)积分环节：积分环节的作用是消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。积分系数k，的取值越大，消除系统的静态误差效果越强，反之则越弱。
[0117]
(3)微分环节：微分环节反映了偏差信号的变化率，在响应过程中抑制偏差向任意方向的变化，误差突变时，能够及时控制。增大微分系数kg，可以加快系统的响应速度，减少调节时间。
[0118]
根据不同的被控对象合理地选择pid三个整定参数，可以获得比较满意的控制效果。
[0119]
pid参数的整定就是确定控制器的比例系数k。积分系数k，和微分系数kg，一般可以通过建立被控对象的模型进行理论计算来确定，但由于有些控制模型较难确定且在实际应用中误差太大，目前，应用最多的还是工程整定法，如常规z-n整定法、经验法、临界比例法、衰减曲线法等。本文中通过角速度数据的pid算法流程图和角度数据的pid算法流程图主要实现的功能流程如图15和图16所示。
[0120]
如图17所示为水下机器人航向理想控制流程图。程序开始后会等待串口读事件的发生，接收数据从数据中可以看到系统显示的输出，就可以计算出航向角度与系统输出角度的差值，设为pid_x。当角度差pid_x在第二象限时，系统会向水下机器人推进器发送饱和控制信号0x941e，推进器使机器人尽快向右边转动来缩小pid_x的绝对值，接近目标角度；相反当角度差pid_x在第三象限时，系统会向水下机器人发送饱和控制信号0x6be2，推进器让机器人向左转动来缩小pid_x的绝对值；而当pid_x为其他情况时，控制器利用pid 算法计算出需要推力大小，以此来实现改变机器人航行角度。使其回归设定角度附近。在实验过程中程序是一直循环工作的，会不断的调整推进器推力大小，使机器人在理想条件下航行角度在设定的航行角度。
[0121]
水下机器人控制算法采用数字pid控制器。数字pid控制器具有结构简单、参数整
定方便、能满足大多数控制性能要求等优点回。水下机器人控制的核心是姿态控制，因此pid 控制效果直接决定了机器人能否平稳运行。水下机器人控制对象包括俯仰角(pitch)控制、横滚角(roll)控制、偏航角(yaw)控制、深度控制，另外水下机器人需要对遥控器控制指令做出响应。
[0122]
本驱动系统主要包括主程序、pwm脉宽调制程序、过流保护采样程序、程序中断和定时程序。其中位置检测程序使用三个输入捕获中断程序完成的，充分利用了stm32f103的pt口，它具有优良的输入捕获功能，可以自动的检测到过零换相信号，并产生相应的中断，使电机快速正确的换相。其中程序流程图如图18所示。
[0123]
初始化主要完成的工作为：stm32f103事件管理模块的初始化以及各类系统中断和所有变量的初始化。软件系统的核心是中断函数，它主要完成控制电机的控制算法，该系统以捕获到的电压信号作为标准，不断的执行中断服务程序，让电机不停地换相。pwm模块也同样重要，它主要完成的是控制电机转速，并接收.上位机所发送的控制pwm信号，此功能有专门的pwm模块完成，下面就分别介绍一下中断程序和pwm产生的过程：
[0124]
(1)中断程序：
[0125]
mcu提供了丰富的中断源：2～122个可屏蔽中断向量、1个不可屏蔽软件中断向量、1 个指令陷阱中断向量、3个系统复位向量。本程序的中断函数使用的是普通的可屏蔽中断，其主要的操作流程为：首先接到中断请求，暂停主程序响应中断，进入中断程序，处理完毕后返回主程序。
[0126]
中断请求：当mcu的外部设备或者内部模块发生中断事件，需要s12为其服务时，首先向s12发出中断请求信号，如果该中断未被屏蔽，中断允许触发器被置位时，表示允许发出中断请求。
[0127]
中断响应：中断源的中断请求是随机的，s12一般都会在现行指令结束时去检查中断请求。当检测到有中断请求时，如果满足进入中断的条件，则在当前指令完成后开始执行中断事件。中断程序处理：执行中断服务程序，完成要处理的功能，通常要求中断处理程序的设计力求简短。
[0128]
中断返回：中断程序的最后一条指令必须是中断返回指令rti，s12执行中断返回指令时，自动将保存现行堆栈中的标志寄存器内容和断点地址弹出，使程序回到中断前的地址继续执行，即s12从中断服务程序返回而继续执行被中止的原来正常运行的程序。
[0129]
(2)产生pwm程序的过程
[0130]
本设计所使用的stm32f103中的pwm通道均可单独输出占空比从0～100变化的 pwm波形；分别拥有一个计数器、一个周期控制寄存器以及两个时钟源。首先设置pwme 寄存器，为1时可对外输出波形，为0时不对外输出；然后选择时钟，通过寄存器pwmclk 进行选择，为1时选通道0，为0时选通道2；在设置计数寄存器pwmcntx和周期寄存器 pwmperx，最后设置占空比寄存器pwmdtyx完成后就可以产生自己想要的pwm波形。
[0131]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0132]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和 /或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和 /或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0133]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0134]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0135]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。