河道工程根石智能化探测系统的研究

论文摘要

黄河洪水历来被人们视为江河洪灾之首,洪水泛滥的范围北抵津沽、南达江淮,给黄淮海地区的人民群众带来深重的灾难。对于黄河的洪水问题,国家投入了巨大的人力物力,多次加修堤防,进行河道整治。 河道整治工程是黄河防洪工程的重要组成部分,而根石是坝、垛、护岸最重要的组成部分,为了保证垛坝安全,必须及时了解根石分布情况,以便做好抢护准备。 长期以来,根石探测技术一直是困扰黄河下游防洪安全的重大难题之一。根石一般位于浑水下面,由于黄河含沙量大,冲淤变化迅速,并且河势变化快,已抛投的根石又常被埋于淤泥层之下。几十年来,水下根石状况完全靠人工探摸估计。这种方法虽然简捷、直观、要求低、易掌握,但人工探摸范围小,速度慢,难度大,探摸人员水上作业还有一定危险性,难以满足防洪保安全的要求,因此,加强防洪工程建设,寻求一个解决根石探测问题的有效方法势在必行。 论文首先介绍了根石探测技术的研究现状,分析了传统探测方法的特点及其在实际探测过程中存在的不足。在此系统中,机器人技术被引入根石探测装置的研制工作中,开发了一种自动化程度高,高效安全,简便实用的河流护坝根石探测机械臂。由于超声波能够穿透河水、淤泥层,并清晰反映河水、淤泥、根石的界面,可以实现准确探测,因此我们在机械臂的末端安装超声波发射接收探测器,通过机械臂控制换能器在水面作水平运动,对根石进行测量。然后,通过图像处理的方法对根石分布情况进行分析。在第二章中介绍了机械臂水平定位系统的组成及原理。我们采用单片机模拟GPS接收机,获取探测点的地理坐标信息,然后,测深仪将探测点的根石分布信息通过RS-232串口,以串行通讯的方式传送给PC机。第三章在传统的图像处理方法基础上提出了一种利用小波变换进行图像处理的方法。通过对图像进行噪声处理,边缘检测以及界面识别,作出根石的断面图。最后一章通过对大量试验数据的整理分析,得出本系统能够较好地分辨出水与淤泥、淤泥与根石的界面分布情况,为防汛抢险预案的制定提供可靠依据,显著提高河流防汛抢险的技术水平和有效性。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 河道整治工程结构
• 1.3 根石的作用
• 1.4 根石走失原因
• 1.5 水下基础探测技术研究状况
• 1.5.1 常规探测方法
• 1.5.2 根石探测存在的问题
• 1.5.3 根石探测实验研究情况
• 1.6 课题研究内容及意义
• 第二章 根石探测系统设计
• 2.1 系统介绍
• 2.1.1 系统结构
• 2.1.2 系统各部分功能
• 2.2 超声波发射接收探测器工作原理
• 2.2.1 超声波简介
• 2.2.2 回声测深原理
• 2.3 探测臂自动定位系统设计
• 2.3.1 探测臂自动定位系统原理框图
• 2.3.2 探测臂自动定位系统功能
• 2.3.3 工作原理
• 2.3.4 精度计算
• 2.4 单片机与PC机的串行通讯设计
• 2.4.1 GPS模拟器与测深仪的串行通讯
• 2.4.2 单片机与PC机的串行通讯
• 2.5 小结
• 第三章 根石断面图的处理算法研究
• 3.1 图像去噪
• 3.1.1 中值滤波去噪方法
• 3.1.2 小波去噪方法
• 3.2 图像边缘检测
• 3.2.1 传统边缘检测方法
• 3.2.2 小波变化边缘检测
• 3.3 图像边界识别
• 3.3.1 阈值化处理
• 3.3.2 区域定位
• 3.3.3 界面识别
• 3.4 上位机程序设计
• 3.4.1 用户界面
• 3.4.2 上位机主要功能
• 3.4.3 用户界面菜单功能说明
• 3.5 小结
• 第四章 根石智能化探测系统实验结果分析
• 4.1 系统性能测试
• 4.1.1 试验场地的选择
• 4.1.2 试验条件
• 4.1.3 试验数据整理分析
• 4.2 根石剖面扫描测量试验
• 4.2.1 4号坝的扫描测量
• 4.2.2 65号坝的扫描测量
• 4.2.3 66号坝的扫描测量
• 4.3 小结
• 第五章 结术语
• 5.1 本文总结
• 5.2 推广应用前景
• 5.3 课题研究的展望与设想
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表