河道水下根石探测一直都是黄河防洪中急需解决的关键技术难题,本课题旨在研究开发一种机动灵活、高效、准确、使用安全方便的新型水下根石探测技术装备,借助非接触式探测技术和机、电、液一体化控制技术来提高根石探测的科技水平和防汛抢险预案的有效性,保护人民生命财产安全,保障经济建设成果。在对济南黄河典型坝体分析的基础上,提出河道工程根石智能化探测系统的总体设计方案。河道根石探测系统探测臂的伺服控制是课题研究的重点,只有满足换能器沿水平面匀速直线运动,才能保证探测数据准确的反映水下根石的分布情况。课题对探测臂和变幅机构进行了优化设计,满足根石探测对机械结构部分的性能要求;利用ADAMS和MATLAB软件的无缝连接实现探测系统伺服控制的动态仿真,满足根石探测对液压控制部分的性能要求。对河道根石探测系统伸缩臂和变幅机构进行分析计算,应用MATLAB优化工具箱对油缸和支撑铰点进行优化设计。以变幅过程液压缸的压力和伸缩臂危险截面的弯矩为目标函数,建立了变幅机构三铰点位置优化设计的数学模型,利用线性加权法为多目标优化问题构建了统一的目标函数。通过优化分析,获得了变幅机构三铰点位置的优化设计参数,得出优化后变幅过程液压缸的最大工作压力和伸缩臂危险截面的最大弯矩值,改进机械结构设计,满足根石探测作业对机械结构的性能要求。探测系统机械模型采用布尔运算简化结构,受力部件钢丝绳采用集中力代替柔性体施加到各节臂中,各节臂和变幅油缸添加移动约束副,油缸和支撑铰点处添加转动约束副,不影响仿真运动结果的零件施加固定约束副来简化样机模型的自由度和计算量。利用ADAMS动力学和运动学仿真功能真实的模拟探测臂在动力和外负载作用下的运动情况,通过修改仿真参数不断完善样机设计,为联合仿真建立正确的机械样机模型。课题建立变幅油缸和电液流量伺服阀的传递函数模型,通过探测臂运动方程联立导出阀控缸的传递函数,利用MATLAB分析其动态特性从而建立探测系统的液压控制模型。联合仿真的输出状态变量通过ADAMS的Measure传感器获得。Measure传感器依据测距传感器和角度传感器设定相应的测量精度和采样周期,输出探测臂的长度和角度信号。输入状态变量由MATLAB控制模型产生,设置接口参数将机械样机模型和液压控制模型集成,设置仿真参数实现探测系统的联合仿真,根据仿真曲线不断完善液压控制模型,最终得到满足设计指标的河道工程根石智能化探测系统。