CN103926448A - 一种高效智能寻管线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效智能寻管线检测系统，水下机器人自动航迹控制系统用于探测海底管道的铺设路径，进行水下定位，控制沿海底管道的铺设路径运动，水下机器人自动定高及姿态平衡控制系统用于控制水下机器人在距离海底管道的设定高度下运行，并实现姿态自动平衡，水下机器人自动航迹控制系统由基于S2CR超短基线水下定位系统及脉冲介导金属探测器构成，水下机器人自动定高及姿态平衡控制系统由自动定高控制子系统及姿态平衡控制子系统构成；水下机器人能探测到海底管道，并自动定高，利用自身动力自定位和纠偏功能跟踪管线路径，由水下机器人尾部的矩阵式电位传感器对海底管道空间点位进行非接触检测，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

Description

一种高效智能寻管线检测系统

技术领域

本发明属于海底管道电位非接触检测技术领域，尤其涉及一种高效智能寻管线检测系统。

背景技术

国外已有海底管道阴极保护调查技术，并经不断完善后，得到了广泛应用。如Subspection公司(现已被StorkTechnicalServices公司兼并)的“SubseaCathodicProtectionSurveySystem”，仅2006年至2009年四年间，Subspection公司就利用该技术调查了近15000km的海底管道，可见该技术的市场潜力。该系统1999年作业费用为50000$(动复员费)+30000$×d(作业天数)。Iicorr公司也有类似技术，该公司也已被StorkTechnicalServices公司兼并。目前ISIS公司已形成了《GuidelinesforSubseaPipelineCathodicProtectionSurvey》。经了解，以上公司均采用接触式检测方法，国外尚无非接触式检测技术及其应用的报道。

2010年，采技服公司采用接触式方法对W11-1至W12-1海管泄漏点附近400m管道的电位进行了检测。检测结果显示，漏点处电位明显异常。因此，通过对海底管道电位进行检测发现海底管道阴极保护薄弱点及明显局部外腐蚀点是可行的。

现有技术提供的管线检测系统第一种方法是接触式检测方法，需要割开海管的防腐层使用电极与海管或者保护阳极接触进行检测作业，作业难度大，成本高、速度慢、电场检测点不连续，不能实现海底管道电位空间分布连续性检测；第二种方法是使用声学检测仪器，比如数字调频式浅地层剖面仪，该仪器适用于大范围的油管调查，但是该设备要求沿油管的切向方向运动，并且检测高度距海底4米以上，此外对油管的定位精度过低。

发明内容

本发明提供了一种高效智能寻管线检测系统，旨在解决现有技术提供的寻管线检测系统未能实现对海底管道电位进行非接触检测的问题。

本发明的目的在于提供一种高效智能寻管线检测系统，该高效智能寻管线检测系统包括：

水下机器人(ROV)；

水下机器人(ROV)自动航迹控制系统，与所述水下机器人(ROV)相连接，用于探测海底管道的铺设路径，并对水下机器人(ROV)进行水下定位，控制水下机器人(ROV)沿海底管道的铺设路径运动；

水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统，与所述水下机器人(ROV)相连接，用于控制水下机器人(ROV)在距离海底管道的设定高度下运行，并实现姿态自动平衡。

进一步，所述水下机器人(ROV)包括：

水下机器人(ROV)主体框架；

矩阵式电位传感器，用于采用非接触式方式检测海底管道的电位信号，并对所获取的电位信号进行输出；

数据采集模块，与所述矩阵式电位传感器相连接，用于采集所述矩阵式电位传感器输出的电位信号，并对采集的电位信号进行输出；

ARM主控制器，与所述数据采集模块相连接，用于接收所述数据采集模块输出的电位信号，对电位信号处理后进行输出；

通信模块，与所述ARM主控制器相连接，用于对所述ARM主控制器输出的电位信号进行传输；

动力推进系统，由安装在所述水下机器人(ROV)主体框架上的前垂向推进器、左后垂向推进器、右后垂向推进器、前侧推进器、后侧推进器构成，用于控制水下机器人(ROV)运动轨迹及姿态；

电机驱动模块，输入端与所述ARM主控制器相连接，输出端与所述动力推进系统相连接，用于接收所述ARM主控制器输出的控制信号，输出电机驱动信号，驱动动力推进系统运动；

摄像机；

视频传输模块，与所述摄像机相连接，用于接收所述摄像机输出的视频信号，对视频信号进行传输；

高压DC-DC供电模块；

稳压模块，输入端与所述高压DC-DC供电模块相连接，输出端与所述ARM主控制器及摄像机相连接，用于为所述高压DC-DC供电模块及摄像机提供稳定电源供应；

照明系统，由左照明灯、右照明灯及主照明灯构成；

照明亮度调节模块，输入端与所述ARM主控制器相连接，输出端与所述照明灯相连接，用于接收所述ARM主控制器输出的控制信号，对所述照明灯的亮度进行调节；

所述水下机器人(ROV)自动航迹控制系统包括：

基于S2CR超短基线水下定位系统，与所述ARM主控制器相连接，用于对水下机器人(ROV)进行水下定位，并将获取的水下机器人(ROV)水下定位信号传输至所述ARM主控制器；

脉冲介导金属探测器，与所述ARM主控制器相连接，用于探测海底管道的铺设路径，并将获取的海底管道铺设路径信号传输至所述ARM主控制器；

所述水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统进一步包括：

水下机器人(ROV)自动定高控制子系统，与所述ARM主控制器相连接，采用基于PA500高精度高度计实时获取水下机器人(ROV)运行高度，用于控制水下机器人(ROV)在距离海底管道的设定高度下运行；

水下机器人(ROV)姿态平衡控制子系统，与所述ARM主控制器相连接，采用基于高精度姿态方位参考系统MTI实时获取并调整水下机器人(ROV)的姿态。

进一步，所述矩阵式电位传感器设计成鞭式，单一组合体为在鞭式主体尾部间隔1m布局2个敏感电位探头构成，3个组合体构成3×2探头矩阵，同时在敏感电位探头端面防污处理。

进一步，所述水下机器人(ROV)自动航迹控制系统通过增量式PID算法控制动力推进系统中驱动电机的正反转运动，实现水下机器人(ROV)自动跟踪海底管道，所述水下机器人(ROV)自动航迹控制系统通过方向控制算法，根据脉冲介导金属探测器检测的数据，一方面通过调节后侧推进器正反转动控制量调整水下机器人(ROV)的方向，另一方面通过前侧推进器驱动水下机器人(ROV)前行，消除水下机器人(ROV)与海底管道中心的偏差；为消除水下机器人(ROV)方向控制中的过冲，采用根据水下机器人(ROV)方向的变化率对后侧推进器控制量进行修正的微分控制方式。

进一步，所述水下机器人(ROV)自动定高控制子系统采用基于负反馈原理的PID控制，所述水下机器人(ROV)姿态平衡控制子系统采用基于负反馈模糊控制；

所述水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统采用串级控制，以水下机器人(ROV)自动定高控制子系统为主，以水下机器人(ROV)姿态平衡控制子系统为辅。

进一步，所述水下机器人(ROV)自动航迹控制系统采用基于S2CR超短基线水下定位系统对水下机器人(ROV)进行水下定位，采用脉冲介导金属探测器探测海底管道的铺设路径。

进一步，该高效智能寻管线检测系统还设置有定深器、防缠桨水面浮球、主拖曳零浮力电缆，所述定深器、防缠桨水面浮球与所述主拖曳零浮力电缆相连接。

进一步，所述主拖曳零浮力电缆内部设置有Kevlar丝，可承受300公斤拉力，内部为6芯电缆，2根电源线380VDC/5A，2根双绞485通讯线，2根视频线。

本发明提供的高效智能寻管线检测系统，水下机器人(ROV)自动航迹控制系统用于探测海底管道的铺设路径，并对水下机器人(ROV)进行水下定位，控制水下机器人(ROV)沿海底管道的铺设路径运动，水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统用于控制水下机器人(ROV)在距离海底管道的设定高度下运行，并实现姿态自动平衡，水下机器人(ROV)自动航迹控制系统由基于S2CR超短基线水下定位系统及脉冲介导金属探测器构成，水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统由水下机器人(ROV)自动定高控制子系统及水下机器人(ROV)姿态平衡控制子系统构成；水下机器人(ROV)能探测到海底管道，并自动定高，利用自身动力自定位和纠偏功能跟踪管线路径，由水下机器人(ROV)尾部的矩阵式电位传感器对海底管道空间点位进行非接触检测，结构简单，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高效智能寻管线检测系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的高效智能寻管线检测系统的控制流程图；

图3是本发明实施例提供的电场传感数据接收中断的流程图；

图4是本发明实施例提供的控制指令接收中断的流程图；

图5是本发明实施例提供的脉冲介导金属探测器数据接收中断的流程图；

图6是本发明实施例提供的高度数据接收中断的流程图；

图7是本发明实施例提供的姿态传感数据接收中断的流程图；

图8是本发明实施例提供的水下机器人(ROV)自动航迹控制系统的控制框图；

图9是本发明实施例提供的水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统的控制框图；

图中：11、水下机器人(ROV)；11-1、矩阵式电位传感器；11-2、数据采集模块；11-3、ARM主控制器；11-4、通信模块；11-5、电机驱动模块；11-6、动力推进系统；11-7、摄像机；11-8、视频传输模块；11-9、高压DC-DC供电模块；11-10、稳压模块；11-11、照明亮度调节模块；11-12、照明系统；12、水下机器人(ROV)自动航迹控制系统；12-1、基于S2CR超短基线水下定位系统；12-2、脉冲介导金属探测器；13、水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统；13-1、水下机器人(ROV)自动定高控制子系统；13-2、水下机器人(ROV)姿态平衡控制子系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例提供的高效智能寻管线检测系统的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

该高效智能寻管线检测系统包括：

水下机器人(ROV)11；

水下机器人(ROV)自动航迹控制系统12，与水下机器人(ROV)11相连接，用于探测海底管道的铺设路径，并对水下机器人(ROV)11进行水下定位，控制水下机器人(ROV)11沿海底管道的铺设路径运动；

水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统13，与水下机器人(ROV)11相连接，用于控制水下机器人(ROV)11在距离海底管道的设定高度下运行，并实现姿态自动平衡。

在本发明实施例中，水下机器人(ROV)11包括：

水下机器人(ROV)主体框架；

矩阵式电位传感器11-1，用于采用非接触式方式检测海底管道的电位信号，并对所获取的电位信号进行输出；

数据采集模块11-2，与矩阵式电位传感器11-1相连接，用于采集矩阵式电位传感器11-1输出的电位信号，并对采集的电位信号进行输出；

ARM主控制器11-3，与数据采集模块11-2相连接，用于接收数据采集模块11-2输出的电位信号，对电位信号处理后进行输出；

通信模块11-4，与ARM主控制器11-3相连接，用于对ARM主控制器11-3输出的电位信号进行传输；

动力推进系统11-6，由安装在水下机器人(ROV)主体框架上的前垂向推进器、左后垂向推进器、右后垂向推进器、前侧推进器、后侧推进器构成，用于控制水下机器人(ROV)11运动轨迹及姿态；

电机驱动模块11-5，输入端与ARM主控制器11-3相连接，输出端与动力推进系统11-6相连接，用于接收ARM主控制器11-3输出的控制信号，输出电机驱动信号，驱动动力推进系统11-6运动；

摄像机11-7；

视频传输模块11-8，与摄像机11-7相连接，用于接收摄像机11-7输出的视频信号，对视频信号进行传输；

高压DC-DC供电模块11-9；

稳压模块11-10，输入端与高压DC-DC供电模块11-9相连接，输出端与ARM主控制器11-3及摄像机11-7相连接，用于为高压DC-DC供电模块11-9及摄像机11-7提供稳定电源供应；

照明系统11-12，由左照明灯11-12、右照明灯11-12及主照明灯11-12构成；

照明亮度调节模块11-11，输入端与ARM主控制器11-3相连接，输出端与照明灯11-12相连接，用于接收ARM主控制器11-3输出的控制信号，对照明灯11-12的亮度进行调节；

水下机器人(ROV)自动航迹控制系统12包括：

基于S2CR超短基线水下定位系统12-1，与ARM主控制器11-3相连接，用于对水下机器人(ROV)11进行水下定位，并将获取的水下机器人(ROV)11水下定位信号传输至ARM主控制器11-3；

脉冲介导金属探测器12-2，与ARM主控制器11-3相连接，用于探测海底管道的铺设路径，并将获取的海底管道铺设路径信号传输至ARM主控制器11-3；

水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统13进一步包括：

水下机器人(ROV)自动定高控制子系统13-1，与ARM主控制器11-3相连接，采用基于PA500高精度高度计实时获取水下机器人(ROV)11运行高度，用于控制水下机器人(ROV)11在距离海底管道的设定高度下运行；

水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2，与ARM主控制器11-3相连接，采用基于高精度姿态方位参考系统MTI实时获取并调整水下机器人(ROV)11的姿态。

在本发明实施例中，矩阵式电位传感器11-1设计成鞭式，单一组合体为在鞭式主体尾部间隔1m布局2个敏感电位探头构成，3个组合体构成3×2探头矩阵，同时在敏感电位探头端面防污处理。

在本发明实施例中，水下机器人(ROV)自动航迹控制系统12通过增量式PID算法控制动力推进系统11-6中驱动电机的正反转运动，实现水下机器人(ROV)11自动跟踪海底管道，水下机器人(ROV)自动航迹控制系统12通过方向控制算法，根据脉冲介导金属探测器12-2检测的数据，一方面通过调节后侧推进器正反转动控制量调整水下机器人(ROV)11的方向，另一方面通过前侧推进器驱动水下机器人(ROV)11前行，消除水下机器人(ROV)11与海底管道中心的偏差；为消除水下机器人(ROV)11方向控制中的过冲，采用根据水下机器人(ROV)11方向的变化率对后侧推进器控制量进行修正的微分控制方式。

在本发明实施例中，水下机器人(ROV)自动定高控制子系统13-1采用基于负反馈原理的PID控制，水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2采用基于负反馈模糊控制；

水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统13采用串级控制，以水下机器人(ROV)自动定高控制子系统13-1为主，以水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2为辅。

在本发明实施例中，水下机器人(ROV)自动航迹控制系统12采用基于S2CR超短基线水下定位系统12-1对水下机器人(ROV)11进行水下定位，采用脉冲介导金属探测器12-2探测海底管道的铺设路径。

在本发明实施例中，该高效智能寻管线检测系统还设置有定深器、防缠桨水面浮球、主拖曳零浮力电缆，定深器、防缠桨水面浮球与主拖曳零浮力电缆相连接。

在本发明实施例中，主拖曳零浮力电缆内部设置有Kevlar丝，可承受300公斤拉力，内部为6芯电缆，2根电源线380VDC/5A，2根双绞485通讯线，2根视频线。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

矩阵式电位传感器11-1为主动无源电位传感器，为尽可能减少海底地貌对矩阵式电位传感器11-1的影响，将矩阵式电位传感器11-1设计成鞭式。单一组合体为在鞭式主体尾部间隔1m布局2个敏感电位探头构成，3个组合体构成3×2探头矩阵。为避免海泥等污物对矩阵式电位传感器11-1的影响，特在敏感电位探头端面进行防污设计处理；

主拖曳零浮力电缆的内部结构：电缆内有Kevlar丝，可承受300公斤拉力，内部为6芯电缆，2根电源线380VDC/5A，2根双绞485通讯线，2根视频线，主拖曳零浮力缆在水中比较稳定，受水流的影响较小；

定深器及防缠桨水面浮球：

(1)采用分段式拖曳方式时，这个与水下机器人(ROV)11分开的定深器不仅起到对系统定深的作用，同时也起到隔离水面拖船扰动的作用，从而保证水下机器人(ROV)11能够稳定地拖曳；

(2)考虑到船体在运动过程中主拖曳零浮力电缆可能缠绕船的动力桨的情况，在水面上外加一个防缠桨水面浮球，使得主拖曳零浮力电缆远离船的螺旋桨，避免缠绕。

缓冲定深器纵荡和升沉效应的短拖缆：拖缆段可以缓和定深器的纵荡和升沉效应，随着拖缆的加长，对水下机器人(ROV)11的扰动逐渐减小，为了使拖缆的形态接近于水平拖曳，并且为了使水下机器人(ROV)11与定深器之间的垂向距离最小，即拖缆段在连接到定深器处的水平夹角应等于零，根据此要求来确定拖缆的长度。

水下机器人(ROV)11组成部分：水下机器人(ROV)主体框架、矩阵式电位传感器11-1、摄像机11-7、照明系统11-12、动力推进系统11-6；

水下机器人(ROV)11主要实现的功能：

(1)通过基于S2CR超短基线水下定位系统12-1获知水下机器人(ROV)11在水下的位置，与实际管道铺设的位置作比较，ARM主控制器11-3驱动前侧推进器和后侧推进器使得水下机器人(ROV)11到达管线的正上方，脉冲介导金属探测器12-2探测海管在水下机器人(ROV)11下放的位置，通过控制前侧推进器和后侧推进器使得水下机器人(ROV)11沿着管道的中心线行走，辅助基于S2CR超短基线水下定位系统12-1完成自动探的功能；

(2)由母船通过脐带缆拖着水下机器人(ROV)11完成检测的前进的功能；

(3)高精度水下机器人(ROV)自动定高控制子系统13-1实时检测水下机器人(ROV)11距离海底的高度，通过基于负反馈的PID控制调节3个推进器(前垂向推进器、左后侧推进器、右后侧推进器)完成自动定高的功能；

(4)高精度水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2实时检测水下机器人(ROV)11的水平状态，通过模糊控制控制调节3个推进器(前垂向推进器、左后侧推进器、右后侧推进器)完成自动姿态平衡的功能；

(5)采集海底的温度、深度、压力、高度、姿态、位置、矩阵传感器数据，并向外传输。

水下机器人(ROV)11动力推进系统11-6推力设计及计算：

(1)水下机器人(ROV)11阻力计算原理及方法

水下机器人(ROV)11装备的动力推进系统11-6主要用来克服运行过程中受到的阻力，水下机器人(ROV)11阻力主要包括:摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。

摩擦阻力R_f由与机体表面相切的切应力τ构成。切向应力的产生是由于水的粘性作用，使机体周围有一薄层水，即所谓附面层或叫边界层，被带动随同运动，此边界层内的流体有较大的速度梯度，水流速度随边界层厚度增加而增大。由于边界层的存在，水和机体接触表面及边界层内部各层水之间的相互作用，对机体表面产生切向应力。粘压阻力R_pv和兴波阻力Rw统称为压差阻力，由作用于机体表面法线方向的压力p构成。由于设计机体左右对称，在中、低速时，纵倾力矩和升力不产生显著影响，可以只考虑水平方向的阻力。

在模型试验中，低速时摩擦阻力所占的比例最大，约70％～80％，甚至更多；粘压阻力一般不足10％；行波阻力随航速的增高，其所占比例增大。当水下机器人(ROV)11在距水面大于1/2机体长度的水域航行时，可以认为不再受自由表面的影响，兴波阻力可以忽略不计。此时，摩擦阻力约占总阻力的80％，其中粗糙度附加约占30％；粘压阻力约占总阻力的5％，附体阻力约占15％。

摩擦阻力R_f＝0.5ρC_fSν₀ ²   (1)

水下机器人(ROV)11总阻力R＝R_f/80％    (2)

(2)水下机器人(ROV)11侧向阻力对动力推进系统11-6总推力的要求

当水下机器人(ROV)11侧向移动时，水下机器人(ROV)11迎流面积S＝0.42m²，速度取2节即1m/s(工作时船速为0.5m/s，并选取流速为0.5m/s的流速下作业，则要求水下机器人(ROV)11具备最大2节的抗流能力)，C_f取0.3可得在速度为2节的时候水对拖体的摩擦阻力为R_f≈100N，拖体总阻力R＝R_f/80％≈125N，为保险起见，总阻力需要加一个安全系数a＝1.5,的水阻这样水下机器人(ROV)11可以保持稳定，此时R＝125*1.5＝187N；

所以动力推动系统的总推力至少为18.7kg。

(3)水下机器人(ROV)11垂向阻力对动力推动系统总推力的要求

当水下机器人(ROV)11上下移动时，水下机器人(ROV)11迎流面积S＝0.8m²，速度取2节即1m/s，C_f取0.3可得在速度为2节的时候水对拖体的摩擦阻力为R_f≈190N，拖体总阻力R＝R_f/80％≈237N，为保险起见，总阻力需要加一个安全系数a＝1.5,的水阻这样水下机器人(ROV)11可以保持稳定，此时R＝137*1.5＝355.5N。

所以动力推进系统11-6的总推力至少为35.5kg。

(4)动力推动系统推力计算方法及推力设计

在稳定排水过程中，动力推动系统对出水口处水的力为一个恒力

$T_1=m{\stackrel{\‾}{v}}_2-m{\stackrel{\‾}{v}}_1---\left(3\right)$

其中，表示入口水流平均速度，表示出口水流平均速度

在理想状态下，出水口瞬时排出的水的质量

$m=\mathrm{\ρQ}={\mathrm{\ρA}}_2{\stackrel{\‾}{V}}_2=\mathrm{\ρ}{A}_1{\stackrel{\‾}{V}}_1$

故式(3)可写为 $T_i=\mathrm{\ρQ}(v_2-v_1)={\mathrm{\ρA}}_2{\stackrel{\‾}{v}}_2^2={\mathrm{\ρA}}_1{\stackrel{\‾}{v}}_1^2---\left(4\right)$

其中，A₁表示水流入口截面积，A₂表示水流出口截面积；

根据导流罩内流体的两个截面，根据一维不可压缩流体的连续性方程v₁A₁＝v₂A₂，由上式可得：

则式(4)可写成： $T_i=\mathrm{\ρQ}(\frac{A_1}{A_2}-1){\stackrel{\‾}{v}}_1=\mathrm{\ρ}(\frac{A_1^2}{A_2}-A_1){\stackrel{\‾}{v_1}}^2---\left(6\right)$

在螺旋桨旋转过程中，v₁和v₂的方向相同。假设在近导流罩出口处某一截面水流速度v₁的平均值为则其中，R₁为动力推进系统11-6减速箱齿轮半径，取电机转速n＝300r/min，则ω₁＝10πrad/s。

则由上式得匀速状态下

$T_i=\mathrm{\ρ}(\frac{A_1^2}{A_2}-A_1){{\stackrel{\‾}{v}}_1}^2=\frac{4{\mathrm{\ρR}}_1^2{\mathrm{\ω}}_1^2(\frac{A_1^2}{A_2}-A_1)}{{\mathrm{\π}}^2}---\left(7\right)$

当机体平稳前进时，由作用力与反作用力定理可知，此时动力推进系统11-6对导流罩出口处水的力不和水对机体的推力(即动力推进系统11-6的推力)乃互为作用力与反作用力，大小相等，方向相反。

T_j＝-T_i   (8)

当动力推进系统11-6的主要参数确定以后，水对机体的推力与电机的速度有关。电机转速越高，即行星架的转速越高，则推力也越大。

将各参数带入可得：

$T_i=\mathrm{\ρ}(\frac{A_1^2}{A_2}-A_1)\stackrel{\‾}{{v_1}^2}=1000*({1.65}^2*{10}^{-4})/(3.3*{10}^{-3})-1.65*{10}^{-2})*{1.6}^2\≈168.3N$

则理想状态下，以上设计方案的动力推进系统11-6的推力：

T_j＝-T_i＝-168.3N；

负号表示动力推进系统11-6推理的方向和导流罩出口水流的方向相反。

则动力推进系统11-6推力为：17.17kg，所选择动力推进系统11-6厂家给定参数为17.3kg，符合要求。

ARM主控制器11-3：

1)采用ARM处理器，通过数据采集模块11-2采集多路矩阵式电位传感器11-1，同时读取高度计、压力传感器、温度传感器、海管探测器、姿态传感器数据，并通过通信模块11-4将数据通过485总线对外传输；

2)ARM主控制器11-3通过电机驱动模块11-5，控制前垂向推进器、左后垂向推进器、右后垂向推进器、前侧推进器、后侧推进器，根据高度计、海管探测器、姿态传感器等反馈信号，调整水下机器人(ROV)11的运动状态和轨迹，使水下机器人(ROV)11自动跟踪海管并保持定高运动；

3)接收控制指令，通过照明亮度调节模块11-11调节左照明灯11-12、右照明灯11-12及主照明灯11-12的亮度，摄像机11-7把图像通过视频传输模块11-8对外传输。

水下机器人(ROV)11通信软件架构主要由主程序(如图2所示)及5个中断(分别如图3所示)组成，五个串口接收中断分别接收电场传感的数据、控制指令、高度计数据、姿态传感数据和脉冲介导金属探测器12-2的数据；其中中断优先级顺序由高到低为：电场传感器数据接收中断、甲板单元控制指令接收中断、脉冲介导金属探测器12-2数据接收中断、高度计数据接收中断、姿态传感器数据接收中断。

水下机器人(ROV)自动航迹控制系统12：

1、基于S2CR超短基线水下定位系统12-1的主要技术参数：

(1)频带48-78kHz；

(2)倾斜范围精确度0.01m；

(3)方位角分辨度0.1度；

2、脉冲介导金属探测器12-2主要技术参数：

(1)最大探测距离淡水中4.8米深，7.2米宽；

(2)灵敏度不会受矿化的盐水、珊瑚、高铁含量的岩石以及高铁含量的沙的影响；

(3)探测距离也不受探测器和探测对象间的介质的影响；

(4)拖曳速度1-4mph；

(5)输入电压24伏直流电；

3、主要使用的控制算法：增量式PID算法

水下水下机器人(ROV)11前进的动力主要来自主拖曳零浮力电缆的拖拽作用，主拖曳零浮力电缆的作用给水下水下机器人(ROV)11一个向前的力或者一个力的分量，使用基于S2CR超短基线水下定位系统12-1进行水下定位，通过与埋管的位置进行比较初步的确定水下机器人(ROV)11水下位置与海管之间的偏差，驱动前侧推进器及后侧推进器，使得水下水下机器人(ROV)11移动到海管附近，同时将水下机器人(ROV)11在水下的位置显示出来，便于与实际埋管的位置进行比较确定水下机器人(ROV)11是否在海管上方行驶，通过基于S2CR超短基线水下定位系统12-1粗略的定位之后，由脉冲介导金属探测器12-2保证水下机器人(ROV)11沿着管道上方行驶。

在航迹控制中，主程序主要通过增量式PID算法实现控制动力推进系统

11-6中电机的正反转运动自动跟踪管道，方向控制算法根据脉冲介导金属探测器12-2检测到数据来后侧推进器正反转动控制量，通过前推进器驱动水下机器人(ROV)11消除与管道中心的偏差，通过后侧推进器调整水下机器人(ROV)11的方向，再加上水下机器人(ROV)11前行运动，可以逐步消除水下机器人(ROV)11距离中心线的距离差别。这个过程是一个积分过程，因此水下机器人(ROV)11的控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成水下机器人(ROV)11方向控制；但是由于水下机器人(ROV)11本身具有很大的转动惯量，在调整过程中会出现水下机器人(ROV)11转向过冲现象，如果不加以抑制，会使得水下机器人(ROV)11冲出管道中心。为了消除水下机器人(ROV)11方向控制中的过冲，需要增加微分控制。微分控制就是根据水下机器人(ROV)11方向的变化率对后侧推进控制量进行修正的控制方式，因此需要增加水下机器人(ROV)11的转动速度检测传感器，自动跟踪管道算法框图如图8所示。

手动控制水下机器人(ROV)11寻管线：

实现的功能：作为自动寻管线的补充，可以通过摇杆及键盘可以手动控制水下水下机器人(ROV)11的运动，一旦水下机器人(ROV)11意外的驶出航迹，可以人为的切换到手动控制状态操作水下机器人(ROV)11进行寻管线动作。

水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统13：

水下机器人(ROV)自动定高控制子系统13-1的主要技术参数：

(1)工作频率：500K；

(2)波速宽度：6°圆锥形；

(3)量程：0.1-10米；

(4)数字分辨率：1mm；

(5)通信方式RS232或者RS485；

水下机器人(ROV)自动定高控制子系统13-1采用基于负反馈原理的PID控制，首先设定水下机器人(ROV)11需要定位的高度，此高度与实际检测到的高度做差送给PID控制器，这个过程是一个负反馈的过程，经过反复试验选择最合适的PID参数实现水下机器人(ROV)11保持在距海底一定的高度(由于检测的需要以及海里控制的复杂性，暂且设定自动定高的高度为1m，控制精度在±0.5m)，自动定高的系统控制框图如图6所示

水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2：

1、通过受力分析计算水下机器人(ROV)11自恢复力矩设计水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2

受力分析目的：通过分析水下机器人(ROV)11姿态来确定调节姿态的动力推进系统11-6能否满足要求，通过计算水下机器人(ROV)11自恢复力矩，来判断水下机器人(ROV)11在不需要动力推进系统11-6辅助的情况下的可承受的最大干扰力。

由于海流影响水下机器人(ROV)11会有一定的横滚和俯仰角度，重力和浮力产生的力矩会使水下机器人(ROV)11趋于原平衡状态，但是当海流达到一定速度时会给水下机器人(ROV)11增加一个干扰的力，为使水下机器人(ROV)11恢复原平衡状态，需要动力推进系统11-6给水下机器人(ROV)11提供一个力，动力推进系统11-6提供推力大小会影响水下机器人(ROV)11能否回复原平衡状态。

1)固定坐标系E-ξηζ:固定坐标系(定系)习惯称为大地坐标系，是水下机器人(ROV)11做空间运动的惯性参考系。取海面上或海中一固定点为定系的原点E，Eζ轴的正向直向地心，Eξ轴与Eη轴在水平面内相互垂直，各轴的正向可以任选。

2)运动坐标系0-xyz:运动坐标系又称艇体坐标系，是固定在水下机器人(ROV)11本体上的坐标系，原则上坐标原产O可以取艇体上的任一点，纵轴Ox平行于艇体基线指向艇首，横轴Oy平行于基面指向右舷，垂轴0z指向艇底部。

在水下机器人(ROV)11动坐标系下设重心坐标为(x_G，y_G，z_G)，对应的位置向量为R_G＝(x_G，y_G，z_G)^T，水下机器人(ROV)11相对运动速度U_R＝(uvw)^T角速度Ω＝(pqr)^T，海流速度U_w＝(u_x，u_y，u_z)^T，水下机器人(ROV)11绝对速度U＝U_R+U_W。在理想流体假设下(粘性力被视为外力)，对于机器人系统应用动量定理和动量矩定理，可推出水下机器人(ROV)11运动模型如下:

平动方程：

$M_T\stackrel{.}{U}+A_T{\stackrel{.}{U}}_R+({M^T}_{\mathrm{RT}}+{A^T}_{\mathrm{RT}})\stackrel{.}{\mathrm{\Ω}}+\mathrm{\Ω}\×[M_{T}U+A_T{U}_R+({M^T}_{\mathrm{RT}}+{A^T}_{\mathrm{RT}})\mathrm{\Ω}]=F---\left(1\right)$

转动方程为：

$\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{RT}}\stackrel{.}{U}+(M_R+A_R)\stackrel{.}{\mathrm{\Ω}}+\mathrm{\Ω}\×[M_{\mathrm{RT}}U+A_{\mathrm{RT}}{U}_R+(M_R+A_R)\mathrm{\Ω}]+A_{\mathrm{RT}}{U}_R+U\×(M_{T}U+\\ {M^T}_{\mathrm{RT}}\mathrm{\Ω})+U_R\×(A_T{U}_R+{A^T}_{\mathrm{RT}}\mathrm{\Ω})=L\end{array}---\left(2\right)$

其中，M_T为对称的质量矩阵，M_R为对称的转动惯量阵，M_RT为与R_G有关的反对称阵：

$M_T=\left[\begin{array}{ccc}m& & \\ & m& \\ & & m\end{array}\right],M_R=\left[\begin{array}{ccc}{I}_X& J_{\mathrm{xy}}& J_{\mathrm{zx}}\\ J_{\mathrm{xy}}& I_y& J_{\mathrm{yz}}\\ J_{\mathrm{xz}}& J_{\mathrm{yz}}& I_z\end{array}\right],M_{\mathrm{RT}}=\left[\begin{array}{ccc}0& {-\mathrm{mz}}_G& {\mathrm{my}}_G\\ {\mathrm{mz}}_G& 0& {-\mathrm{mx}}_G\\ {-\mathrm{my}}_G& {\mathrm{mx}}_G& 0\end{array}\right]$

与附加水动力有关的系数矩阵有对称的附加质量阵A_T，对称的附加转动惯量阵A_R和非对称的附加静矩阵A_RT：

$A_T=-\left[\begin{array}{ccc}{X}_{\stackrel{.}{u}}& X_{\stackrel{.}{v}}& X_{\stackrel{.}{w}}\\ Y_{\stackrel{.}{u}}& Y_{\stackrel{.}{v}}& Y_{\stackrel{.}{w}}\\ Z_{\stackrel{.}{u}}& Z_{\stackrel{.}{v}}& Z_{\stackrel{.}{w}}\end{array}\right],A_R=-\left[\begin{array}{ccc}{K}_{\stackrel{.}{p}}& K_{\stackrel{.}{q}}& K_{\stackrel{.}{r}}\\ M_{\stackrel{.}{p}}& M_{\stackrel{.}{q}}& M_{\stackrel{.}{r}}\\ N_{\stackrel{.}{p}}& N_{\stackrel{.}{q}}& N_{\stackrel{.}{r}}\end{array}\right]$

$A_{\mathrm{RT}}=-\left[\begin{array}{ccc}{K}_{\stackrel{.}{u}}& K_{\stackrel{.}{v}}& K_{\stackrel{.}{w}}\\ M_{\stackrel{.}{u}}& M_{\stackrel{.}{v}}& M_{\stackrel{.}{w}}\\ N_{\stackrel{.}{u}}& N_{\stackrel{.}{v}}& N_{\stackrel{.}{w}}\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{ccc}{X}_{\stackrel{.}{p}}& X_{\stackrel{.}{q}}& X_{\stackrel{.}{r}}\\ Y_{\stackrel{.}{p}}& Y_{\stackrel{.}{q}}& Y_{\stackrel{.}{r}}\\ Z_{\stackrel{.}{p}}& Z_{\stackrel{.}{q}}& Z_{\stackrel{.}{r}}\end{array}\right]$

其中元素等为水下机器人(ROV)11的惯性水动力系数。

将重力浮力等带入方程(1)、(2)并整理得：

其中：

$E=\left[\begin{array}{cccccc}m-X_{\stackrel{.}{u}}& 0& 0& 0& {\mathrm{mz}}_G& 0\\ 0& m-Y_{\stackrel{.}{v}}& \mathrm{mx}-Y& -\mathrm{mz}-Y& 0& 0\\ 0& 0& m-z_{\stackrel{.}{w}}& 0& -{\mathrm{mx}}_G-Z_{\stackrel{.}{q}}& 0\\ 0& -\mathrm{mz}-k_{\stackrel{.}{v}}& 0& I_x-k_{\stackrel{.}{p}}& 0& -k_p\\ {\mathrm{mz}}_G& 0& -{\mathrm{mx}}_G-M_{\stackrel{.}{w}}& 0& I_y-M_{\stackrel{.}{q}}& 0\\ 0& \mathrm{mx}-N_{\stackrel{.}{v}}& 0& -N_p& 0& I_z-N_p\end{array}\right]$

F_eq为等效力。通过水下机器人(ROV)模式识别方式可得到下表：水下机器人(ROV)11水动力系数表

水下机器人(ROV)11姿态控制分为横滚和俯仰姿态控制，为了简化计算，可将两部分控制所需动力推进系统11-6推力分别计算。

水下机器人(ROV)11自恢复力矩计算：

设水下机器人(ROV)11倾角为θ，则重力作用线与稳心之间垂直距离为l_G，那么水下机器人(ROV)11恢复力矩为M＝G*l_G，其中，G为水下机器人(ROV)11重力；

水下机器人(ROV)11设计时重心与稳心之间距离为已知的d，则水下机器人(ROV)11倾斜θ时有l_G＝d*sinθ，将水下机器人(ROV)11重量20kg以及稳心高d＝0.3米代入公式得恢复力距为60sinθN*M，当取水流产生的阻力作用线与稳心垂直距离最大为0.1米，由上面计算得阻力最大为187N，则由18.7＝60sinθ可得：

水下机器人(ROV)11可自恢复平衡的角度在±18°之间。对于在此区间之外的情况，可使用动力推进系统11-6辅助来调节水下机器人(ROV)11的平衡。

当海流所产生的阻力作用于水下机器人(ROV)11最右侧时，此时的阻力力矩最大，取最极端情况计算动力推进系统11-6推力，看能否实现姿态自动调节。此时水下机器人(ROV)11恢复原平衡状态会同时受到重力和动力推进系统11-6推力两种力提供的回复力矩，促使水下机器人(ROV)11克服因海流引起的阻力力矩。对于分别计算横滚和俯仰姿态控制所需推力，可以将平动方程即式(1)和转动方程即式(2)简化为二维空间内方程。

将所设计水下机器人(ROV)11各参数带入式(3)，可得当海流2节时，水下机器人(ROV)11需要恢复水平状态时横滚推进器推力为8.7KG。采用同样的方法，可推出俯仰动力推进系统11-6推力为10.2KG与前面计算所得推进其参数相比，所选动力推进系统11-6满足设计要求。

水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2，采用基于高精度姿态方位参考系统MTI，基于高精度姿态方位参考系统MTI的主要技术参数：

(1)360度全方位输出姿态和航向；

(2)输出三轴方位角、三轴加速度、三轴角速度、三轴地磁场；

(3)横滚/俯仰：<0.5°；

(4)航向角：<1°；

(5)通信方式RS232或者RS485。

水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2采用基于负反馈模糊控制控制，采用负反馈的原理，姿态数据经过模糊控制算法得出三个电机的电压值，最后输出电压到三个请对电机上实现姿态的水平，控制框图如图7所示。

水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统13的总体方案：串级控制，自动定高为主，自动姿态平衡为辅；

自动定高和自动状态平衡任务各自独立进行控制，由于最终都是对同一个控制对象(水下水下机器人(ROV)11)进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如定高时，需要水下机器人(ROV)11已经能够保持姿态平衡；在调节姿态时假设水下机器人(ROV)11已经能够保持在一定的高度。这两个任务中保持水下机器人(ROV)11的高度是关键，水下机器人(ROV)11的姿态就成了扰动信号，因此对水下机器人(ROV)11的姿态控制应该尽量的平滑以减少对高度的影响，此控制器属于串级控制，自动定高为主，自动姿态平衡为辅，在保证自动定高的大反馈系统下加上一个内部的小反馈，使得同时实现自动定高及自动平衡的功能，总的系统框图如图9所示。

本发明实施例提供的高效智能寻管线检测系统，水下机器人(ROV)自动航迹控制系统12用于探测海底管道的铺设路径，并对水下机器人(ROV)11进行水下定位，控制水下机器人(ROV)11沿海底管道的铺设路径运动，水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统13用于控制水下机器人(ROV)11在距离海底管道的设定高度下运行，并实现姿态自动平衡，水下机器人(ROV)自动航迹控制系统12由基于S2CR超短基线水下定位系统12-1及脉冲介导金属探测器12-2构成，水下机器人(ROV)自动定高及姿态平衡控制系统13由水下机器人(ROV)自动定高控制子系统13-1及水下机器人(ROV)11姿态平衡控制子系统13-2构成；水下机器人(ROV)11能探测到海底管道，并自动定高，利用自身动力自定位和纠偏功能跟踪管线路径，由水下机器人(ROV)11尾部的矩阵式电位传感器11-1对海底管道空间点位进行非接触检测，结构简单，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效智能寻管线检测系统，其特征在于，该高效智能寻管线检测系统包括：

水下机器人；

水下机器人自动航迹控制系统，与所述水下机器人相连接，用于探测海底管道的铺设路径，并对水下机器人进行水下定位，控制水下机器人沿海底管道的铺设路径运动；

水下机器人自动定高及姿态平衡控制系统，与所述水下机器人相连接，用于控制水下机器人在距离海底管道的设定高度下运行，并实现姿态自动平衡。

2.如权利要求1所述的高效智能寻管线检测系统，其特征在于，所述水下机器人包括：

水下机器人主体框架；

矩阵式电位传感器，用于采用非接触式方式检测海底管道的电位信号，并对所获取的电位信号进行输出；

数据采集模块，与所述矩阵式电位传感器相连接，用于采集所述矩阵式电位传感器输出的电位信号，并对采集的电位信号进行输出；

ARM主控制器，与所述数据采集模块相连接，用于接收所述数据采集模块输出的电位信号，对电位信号处理后进行输出；

通信模块，与所述ARM主控制器相连接，用于对所述ARM主控制器输出的电位信号进行传输；

动力推进系统，由安装在所述水下机器人主体框架上的前垂向推进器、左后垂向推进器、右后垂向推进器、前侧推进器、后侧推进器构成，用于控制水下机器人运动轨迹及姿态；

电机驱动模块，输入端与所述ARM主控制器相连接，输出端与所述动力推进系统相连接，用于接收所述ARM主控制器输出的控制信号，输出电机驱动信号，驱动动力推进系统运动；

摄像机；

视频传输模块，与所述摄像机相连接，用于接收所述摄像机输出的视频信号，对视频信号进行传输；

高压DC-DC供电模块；

稳压模块，输入端与所述高压DC-DC供电模块相连接，输出端与所述ARM主控制器及摄像机相连接，用于为所述高压DC-DC供电模块及摄像机提供稳定电源供应；

照明系统，由左照明灯、右照明灯及主照明灯构成；

照明亮度调节模块，输入端与所述ARM主控制器相连接，输出端与所述照明灯相连接，用于接收所述ARM主控制器输出的控制信号，对所述照明灯的亮度进行调节；

所述水下机器人自动航迹控制系统包括：

基于S2CR超短基线水下定位系统，与所述ARM主控制器相连接，用于对水下机器人进行水下定位，并将获取的水下机器人水下定位信号传输至所述ARM主控制器；

脉冲介导金属探测器，与所述ARM主控制器相连接，用于探测海底管道的铺设路径，并将获取的海底管道铺设路径信号传输至所述ARM主控制器；

所述水下机器人自动定高及姿态平衡控制系统进一步包括：

水下机器人自动定高控制子系统，与所述ARM主控制器相连接，采用基于PA500高精度高度计实时获取水下机器人运行高度，用于控制水下机器人在距离海底管道的设定高度下运行；

水下机器人姿态平衡控制子系统，与所述ARM主控制器相连接，采用基于高精度姿态方位参考系统MTI实时获取并调整水下机器人的姿态。

3.如权利要求2所述的高效智能寻管线检测系统，其特征在于，所述矩阵式电位传感器设计成鞭式，单一组合体为在鞭式主体尾部间隔1m布局2个敏感电位探头构成，3个组合体构成3×2探头矩阵，同时在敏感电位探头端面防污处理。

4.如权利要求2所述的高效智能寻管线检测系统，其特征在于，所述水下机器人自动航迹控制系统通过增量式PID算法控制动力推进系统中驱动电机的正反转运动，实现水下机器人自动跟踪海底管道，所述水下机器人自动航迹控制系统通过方向控制算法，根据脉冲介导金属探测器检测的数据，一方面通过调节后侧推进器正反转动控制量调整水下机器人的方向，另一方面通过前侧推进器驱动水下机器人前行，消除水下机器人与海底管道中心的偏差；为消除水下机器人方向控制中的过冲，采用根据水下机器人方向的变化率对后侧推进器控制量进行修正的微分控制方式。

5.如权利要求2所述的高效智能寻管线检测系统，其特征在于，所述水下机器人自动定高控制子系统采用基于负反馈原理的PID控制，所述水下机器人姿态平衡控制子系统采用基于负反馈模糊控制；

所述水下机器人自动定高及姿态平衡控制系统采用串级控制，以水下机器人自动定高控制子系统为主，以水下机器人姿态平衡控制子系统为辅。

6.如权利要求1所述的高效智能寻管线检测系统，其特征在于，所述水下机器人自动航迹控制系统采用基于S2CR超短基线水下定位系统对水下机器人进行水下定位，采用脉冲介导金属探测器探测海底管道的铺设路径。

7.如权利要求1所述的高效智能寻管线检测系统，其特征在于，该高效智能寻管线检测系统还设置有定深器、防缠桨水面浮球、主拖曳零浮力电缆，所述定深器、防缠桨水面浮球与所述主拖曳零浮力电缆相连接。

8.如权利要求7所述的高效智能寻管线检测系统，其特征在于，所述主拖曳零浮力电缆内部设置有Kevlar丝，可承受300公斤拉力，内部为6芯电缆，2根电源线380VDC/5A，2根双绞485通讯线，2根视频线。