CN105129054A - 一种引水隧洞水下监测机器人及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引水隧洞水下监测机器人及其监测方法，水下监测机器人包括潜水机器人，潜水机器人包括外壳和仿生海龟头，仿生海龟头内设置有红外摄像头，外壳的两侧分别设置有升降水翼和转向尾翼，外壳的顶面上设置有太阳能板，太阳能板的一侧设置有动力推进槽，外壳的内部设置有机械动力机构、主电能存储箱和备用电箱，其监测方法是基站发射信号通过移动式信号转换装置将信号放大后传递了潜水机器人，控制潜水机器人对引水隧洞进行水下监测。本发明不仅有效解决了潜水机器人动力供给不足和信号转换接收强度弱的两大问题，而且有效减轻了潜水机器人的重量，降低劳动强度，增大了潜水机器人的监测工作半径和操控性能。

Description

一种引水隧洞水下监测机器人及其监测方法

技术领域

本发明涉及水下监测领域，尤其涉及一种引水隧洞水下监测机器人及其监测方法。

背景技术

引水隧洞由于长时间的裸露容易出现裂缝，而产生这些裂缝的原因包括设计因素、施工因素、温度因素和衬砌外水压力因素等等。水面以上的隧洞洞壁的裂缝可以直观的进行监测，但是在水下部分的裂缝则需要专门的仪器进行监测。现有技术中通常采用潜水机器人进行监测，由于隧洞中的信号较差，一般采用带有线缆的机器人进行水下监测工作，使得潜水机器人的监测范围受到限制，而且线缆给潜水机器人带来一定的阻力，降低潜水机器人的监测效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的诸多不足，提供一种引水隧洞水下监测机器人及其监测方法，不仅有效解决了潜水机器人动力供给不足和信号转换接收强度弱的两大问题，而且有效减轻了潜水机器人的重量，降低劳动强度，增大了潜水机器人的监测工作半径和操控性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种引水隧洞水下监测机器人，水下监测机器人包括潜水机器人，潜水机器人包括外壳和仿生海龟头，仿生海龟头转动连接在外壳上，仿生海龟头内设置有红外摄像头，外壳的两侧分别设置有升降水翼和转向尾翼，其特征在于：红外摄像头的两侧均设置有深度感应器，外壳的顶面上设置有太阳能板，太阳能板的一侧设置有至少两个动力推进槽，太阳能板的另一侧设置有信号接收装置，外壳的内部设置有机械动力机构、主电能存储箱和备用电箱，机械动力机构和备用电箱均位于主电能存储箱的两侧，机械动力机构的上方设置有水平感应器，主电能储存箱的下方设置有第二密封室，第二密封室的下方设置有锥齿轮箱；深度感应器可以有效控制潜水机器人与引水隧洞河床底部的距离，防止潜水机器人下潜深度过低而撞击河床底部的积石，太阳能板可以实现潜水机器人的动力供给，当主电能存储箱的电能用完时，通过太阳能板可以将太阳能转化为电能存储到主电能存储箱中，为潜水机器人的水下连续工作提供动力。

进一步，动力推进槽内设置有助推螺旋扇，助推螺旋扇可以为潜水机器人处于逆流中前行时提供足够的动力，加速潜水机器人前进，同时可以在逆流中稳定潜水机器人。

进一步，信号接收装置包括两个转动板和一个升降杆，两个转动板对称分布在升降杆的两侧，转动板通过固定杆连接升降杆，转动板上设置有信号接收板，转动板可以根据潜水机器人的下潜深度进行调节，提高信号接收板接收信号的强度，满足对潜水机器人水下远距离的无线操控，大大提高了潜水机器人的工作半径范围。

进一步，转动板与水平面之间的转角为a，转角a的范围为0゜～75゜，在此转角范围内的信号强度达到最强，使潜水机器人运行更稳定。

进一步，机械动力机构包括固定支架和第一密封室，固定支架位于第一密封室的上方，第一密封室内设置有第一电机和减速器，固定支架与减速器之间设置有往复旋转轴，减速器通过第一传动轴连接往复旋转轴，往复旋转轴上套接有支撑夹套，支撑夹套固定连接升降水翼，机械动力机构可以有效延长升降水翼的使用寿命，通过减速器和往复旋转轴可以减小升降水翼对潜水机器人的冲击，提高稳定性。

进一步，第二密封室内设置有第二电机，锥齿轮箱内设置有第一锥齿轮和第二锥齿轮，第一锥齿轮通过第二传动轴连接第二电机，第二锥齿轮位于第一锥齿轮的两侧，第二锥齿轮上设置有连接轴，连接轴通过机械摇杆固定连接转向尾翼，第二电机通过锥齿轮连接转向尾翼，可以使潜水机器人在转弯或调头时更平稳。

如上述的一种引水隧洞水下监测机器人的监测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)首先在离引水隧洞洞口1000米范围内的地面上设置基站，在基站上设置增高架，将第一信号发射器安装在增高架上，使第一信号发射器的发射天线对准引水隧洞的洞口，用钢绞线将增高架进行固定，并在基站的铁塔位置设置避雷防护系统，做好安全防护检查，同时在基站上建设应急配套系统；

2)检查引水隧洞的隧洞洞顶深度，根据引水隧洞需要监测的路线，在隧洞洞顶的直线方向上均匀设置悬挂支架，然后用导向滑杆从隧洞洞口依次穿过悬挂支架，使导向滑杆呈直线设置，并在导向滑杆的洞口端安装信号接收盒，将信号接收盒固定连接在引水隧洞的洞壁上，接着在信号接收盒上安装信号接收塔，将信号接收塔转向第一信号发射器的方向；

3)在导向滑杆上套接移动式信号转换装置，并清理导向滑杆上的阻碍物，使移动式信号转换装置能在导向滑杆上自由地来回滑动；

4)将水下监测机器人放入引水隧洞的水体中，通过基站发出信号，将信号通过第一信号发射器传递至洞口端的信号接收塔，信号接收塔将信号传递至信号接收盒，通过导向滑杆传递至移动式信号转换装置中，移动式信号转换装置将信号放大后传递给水下监测机器人，水下监测机器人接收信息、反馈信息，并控制水下监测机器人运行；

5)水下监测机器人启动后，使升降水翼上下摆动，并带动潜水机器人前进，同时转向尾翼控制潜水机器人的方向，水平感应器使潜水机器人保持水平状态，使潜水机器人往设定的位置移动；到达设定位置后，红外摄像头将拍摄到的引水隧洞的水下信息通过信息交换反馈至基站，并通过深度感应器，监测潜水机器人的水下深度，同时提供监测位置的深度信息；

6)监测完毕后，通过移动式信号转换装置的引导，使潜水机器人离开监测区域；当主电能存储箱内的电能使用完后，备用电箱提供辅助电能，使潜水机器人上升至水面，通过太阳能板进行充电，电能通过主电能存储箱进行存储。

进一步，移动式信号转换装置包括平衡块、信号放大装置和第二信号发射器，平衡块套接在导向滑杆上，信号放大装置固定连接在平衡块的底部，信号放大装置内设置有第三电机，第三电机上设置有导轮，导轮通过线缆连接第二信号发射器，移动式信号转换装置可以在平衡块的作用下移动，使移动式信号转换装置更靠近潜水机器人，同时经信号放大装置放大后通过第二信号发射器输出信号，第二信号发射器在线缆的作用下可以延长至水中或悬浮在空气中，不仅增大了信号传输的强度，而且可以使信号发射源更接近潜水机器人，提高操控的稳定性。

进一步，第二信号发射器内设置有降噪薄膜，降噪薄膜可以有效减少水流等外界信号对第二信号发射器造成干扰。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

1、通过在潜水机器人的外壳上设计太阳能板，可以满足潜水机器人长时间水下工作的动力供给，不需要线缆，减轻了潜水机器人的重量，使潜水机器人的工作半径更大，实用性更强；

2、在潜水机器人和地面基站之间设置移动式信号转换装置，大大提高了信号传输的稳定性，同时在引水隧洞中，移动式信号转换装置可以满足信号在空气和水中进行传播和接收，使移动式信号转换装置更靠近潜水机器人，提高信号传输的稳定性和潜水机器人的操控稳定性；

3、提高了引水隧洞水下监测的效率和安全性，降低了劳动强度，同时有效弥补了现有技术中潜水机器人动力供给不足和信号转换接收强度弱的问题；

本发明监测方法简单，不仅有效解决了潜水机器人动力供给不足和信号转换接收强度弱的两大问题，而且有效减轻了潜水机器人的重量，降低劳动强度，增大了潜水机器人的监测工作半径和操控性能。

附图说明

图1为本发明一种引水隧洞水下监测机器人及其监测方法中潜水机器人的效果图；

图2为本发明中潜水机器人的结构示意图；

图3为本发明中动力推进槽的结构示意图；

图4为本发明中信号接收装置的结构示意图；

图5为本发明中信号转换装置的连接示意图；

图6为本发明中监测方法的原理图。

图中：1-外壳；2-仿生海龟头；3-动力推进槽；4-太阳能板；5-升降水翼；6-转向尾翼；7-信号接收装置；8-红外摄像头；9-深度感应器；10-水平感应器；11-主电能存储箱；12-备用电箱；13-固定支架；14-往复旋转轴；15-支撑夹套；16-第一密封室；17-第一电机；18-减速器；19-第一传动轴；20-第二密封室；21-锥齿轮箱；22-第二电机；23-第二传动轴；24-第一锥齿轮；25-第二锥齿轮；26-连接轴；27-机械摇杆；28-助推螺旋扇；29-转动板；30-信号接收板；31-固定杆；32-升降杆；33-导向滑杆；34-信号接收盒；35-信号接收塔；36-平衡块；37-信号放大装置；38-第三电机；39-线缆；40-导轮；41-第二信号发射器；42-降噪薄膜；43-潜水机器人；44-移动式信号转换装置；45-第一信号发射器；46-隧洞洞顶；47-悬挂支架。

具体实施方式

如图1至图4所示为本发明一种引水隧洞水下监测机器人，水下监测机器人包括潜水机器人43，潜水机器人43包括外壳1和仿生海龟头2，仿生海龟头2转动连接在外壳1上，仿生海龟头2内设置有红外摄像头8，外壳1的两侧分别设置有升降水翼5和转向尾翼6，红外摄像头8的两侧均设置有深度感应器9，深度感应器9可以有效控制潜水机器人43与引水隧洞河床底部的距离，防止潜水机器人43下潜深度过低而撞击河床底部的积石。

外壳1的顶面上设置有太阳能板4，太阳能板4可以实现潜水机器人43的动力供给，当主电能存储箱11的电能用完时，通过太阳能板4可以将太阳能转化为电能存储到主电能存储箱11中，为潜水机器人43的水下连续工作提供动力，太阳能板4的一侧设置有至少两个动力推进槽3，动力推进槽3内设置有助推螺旋扇28，助推螺旋扇28可以为潜水机器人43处于逆流中前行时提供足够的动力，加速潜水机器人43前进，同时可以在逆流中稳定潜水机器人43，太阳能板4的另一侧设置有信号接收装置7，信号接收装置7包括两个转动板29和一个升降杆32，两个转动板29对称分布在升降杆32的两侧，转动板29通过固定杆31连接升降杆32，转动板29上设置有信号接收板30，转动板29可以根据潜水机器人43的下潜深度进行调节，提高信号接收板30接收信号的强度，满足对潜水机器人43水下远距离的无线操控，大大提高了潜水机器人43的工作半径范围，转动板29与水平面之间的转角为a，转角a的范围为0゜～75゜，在此转角范围内的信号强度达到最强，使潜水机器人43运行更稳定。

外壳1的内部设置有机械动力机构、主电能存储箱11和备用电箱12，机械动力机构和备用电箱12均位于主电能存储箱11的两侧，机械动力机构包括固定支架13和第一密封室16，固定支架13位于第一密封室16的上方，第一密封室16内设置有第一电机17和减速器18，固定支架13与减速器18之间设置有往复旋转轴14，减速器18通过第一传动轴19连接往复旋转轴14，往复旋转轴14上套接有支撑夹套15，支撑夹套15固定连接升降水翼5，机械动力机构可以有效延长升降水翼5的使用寿命，通过减速器18和往复旋转轴14可以减小升降水翼5对潜水机器人43的冲击，提高稳定性，机械动力机构的上方设置有水平感应器10，主电能储存箱的下方设置有第二密封室20，第二密封室20内设置有第二电机22，锥齿轮箱21内设置有第一锥齿轮24和第二锥齿轮25，第一锥齿轮24通过第二传动轴23连接第二电机22，第二锥齿轮25位于第一锥齿轮24的两侧，第二锥齿轮25上设置有连接轴26，连接轴26通过机械摇杆27固定连接转向尾翼6，第二电机22通过锥齿轮连接转向尾翼6，可以使潜水机器人43在转弯或调头时更平稳，第二密封室20的下方设置有锥齿轮箱21。

如上述的一种引水隧洞水下监测机器人的监测方法(如图5和6所示)，包括如下步骤：

1)首先在离引水隧洞洞口1000米范围内的地面上设置基站，在基站上设置增高架，将第一信号发射器45安装在增高架上，使第一信号发射器45的发射天线对准引水隧洞的洞口，用钢绞线将增高架进行固定，并在基站的铁塔位置设置避雷防护系统，做好安全防护检查，同时在基站上建设应急配套系统；基站设备配置如表1所示：

表1基站设备配置

2)检查引水隧洞的隧洞洞顶46深度，根据引水隧洞需要监测的路线，在隧洞洞顶46的直线方向上均匀设置悬挂支架47，然后用导向滑杆33从隧洞洞口依次穿过悬挂支架47，使导向滑杆33呈直线设置，将导向滑杆33的两端进行固定，并在导向滑杆33的洞口端安装信号接收盒34，将信号接收盒34固定连接在引水隧洞的洞壁上，接着在信号接收盒34上安装信号接收塔35，将信号接收塔35转向第一信号发射器45的方向；

3)在导向滑杆33上套接移动式信号转换装置44，并清理导向滑杆33上的阻碍物，使移动式信号转换装置44能在导向滑杆33上自由地来回滑动；

移动式信号转换装置44包括平衡块36、信号放大装置37和第二信号发射器41，平衡块36套接在导向滑杆33上，信号放大装置37固定连接在平衡块36的底部，信号放大装置37内设置有第三电机38，第三电机38上设置有导轮40，导轮40通过线缆39连接第二信号发射器41，移动式信号转换装置44可以在平衡块36的作用下移动，使移动式信号转换装置44更靠近潜水机器人43，同时经信号放大装置37放大后通过第二信号发射器41输出信号，第二信号发射器41在线缆39的作用下可以延长至水中或悬浮在空气中，不仅增大了信号传输的强度，而且可以使信号发射源更接近潜水机器人43，提高操控的稳定性，第二信号发射器41内设置有降噪薄膜42，降噪薄膜42可以有效减少水流等外界信号对第二信号发射器41造成干扰。

4)将水下监测机器人放入引水隧洞的水体中，通过基站发出信号，将信号通过第一信号发射器45传递至洞口端的信号接收塔35，信号接收塔35将信号传递至信号接收盒34，通过导向滑杆33传递至移动式信号转换装置44中，移动式信号转换装置44将信号放大后传递给水下监测机器人，水下监测机器人接收信息、反馈信息，并控制水下监测机器人运行，移动式信号转换装置44可以根据信号的实际强度调节第二信号发射器的位置，可以悬浮在水面以上，也可以通过线缆39下放至水中，提高信号转换的稳定性；

5)水下监测机器人启动后，使升降水翼5上下摆动，并带动潜水机器人43前进，当前方遇到洞壁或障碍物时，转向尾翼6控制潜水机器人43的方向开始转动，使潜水机器人43改变前进方向，水平感应器10使潜水机器人43保持水平状态，防止潜水机器人43由于左右高低不平而影响监测效果，并控制潜水机器人43往设定的位置移动；到达设定位置后，红外摄像头8将拍摄到的引水隧洞的水下信息通过信息交换反馈至基站，并通过深度感应器9，监测潜水机器人43的水下深度，同时提供监测位置的深度信息，便于操作员对引水隧洞的裂缝采取必要的处理；

6)监测完毕后，通过移动式信号转换装置44的引导，使潜水机器人43离开监测区域；当主电能存储箱11内的电能使用完后，备用电箱12提供辅助电能，使潜水机器人43上升至水面，通过太阳能板4进行充电，电能通过主电能存储箱11进行存储。

本发明方法的工作原理是：将潜水机器人放置在引水隧洞洞口的水中，基站发出信号，通过第一信号发射器可以将信号传递至洞壁上的信号接收塔，信号接收塔将信号储存在信号接收盒中，并通过导向滑杆传递至信号放大装置，信号放大装置将信号放大的同时跟随潜水机器人移动，确保传输信号持续稳定，同时根据信号的传输频率可以改变第二信号发射器的位置，使第二信号发射器悬挂在空中或浸没在水中，为潜水机器人提供清晰、稳定的信号源；潜水机器人根据基站发出的信号轨迹进行水下监测，当遇到急流或逆流时，启动动力推进槽内的助推螺旋扇，可以为潜水机器人提供前进的动力，满足不同恶劣环境下的监测工作；当主电能存储箱内的电能用完时，可以通过备用电箱，使潜水机器人上浮至水面，通过太阳能板进行充电，充满电后继续进行水下监测，不仅实现了能量的供给，而且提高了水下监测的范围。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种引水隧洞水下监测机器人，所述水下监测机器人包括潜水机器人，所述潜水机器人包括外壳和仿生海龟头，所述仿生海龟头转动连接在所述外壳上，所述仿生海龟头内设置有红外摄像头，所述外壳的两侧分别设置有升降水翼和转向尾翼，其特征在于：所述红外摄像头的两侧均设置有深度感应器，所述外壳的顶面上设置有太阳能板，所述太阳能板的一侧设置有至少两个动力推进槽，所述太阳能板的另一侧设置有信号接收装置，所述外壳的内部设置有机械动力机构、主电能存储箱和备用电箱，所述机械动力机构和所述备用电箱均位于所述主电能存储箱的两侧，所述机械动力机构的上方设置有水平感应器，所述主电能储存箱的下方设置有第二密封室，所述第二密封室的下方设置有锥齿轮箱。

2.根据权利要求1所述的一种引水隧洞水下监测机器人，其特征在于：所述动力推进槽内设置有助推螺旋扇。

3.根据权利要求1所述的一种引水隧洞水下监测机器人，其特征在于：所述信号接收装置包括两个转动板和一个升降杆，两个所述转动板对称分布在所述升降杆的两侧，所述转动板通过固定杆连接所述升降杆，所述转动板上设置有信号接收板。

4.根据权利要求3所述的一种引水隧洞水下监测机器人，其特征在于：所述转动板与水平面之间的转角为a，所述转角a的范围为0゜～75゜。

5.根据权利要求1所述的一种引水隧洞水下监测机器人，其特征在于：所述机械动力机构包括固定支架和第一密封室，所述固定支架位于所述第一密封室的上方，所述第一密封室内设置有第一电机和减速器，所述固定支架与所述减速器之间设置有往复旋转轴，所述减速器通过第一传动轴连接所述往复旋转轴，所述往复旋转轴上套接有支撑夹套，所述支撑夹套固定连接所述升降水翼。

6.根据权利要求1所述的一种引水隧洞水下监测机器人，其特征在于：所述第二密封室内设置有第二电机，所述锥齿轮箱内设置有第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述第一锥齿轮通过第二传动轴连接所述第二电机，所述第二锥齿轮位于所述第一锥齿轮的两侧，所述第二锥齿轮上设置有连接轴，所述连接轴通过机械摇杆固定连接所述转向尾翼。

7.如权利要求1所述的一种引水隧洞水下监测机器人的监测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)首先在离引水隧洞洞口1000米范围内的地面上设置基站，在基站上设置增高架，将第一信号发射器安装在所述增高架上，使所述第一信号发射器的发射天线对准引水隧洞的洞口，用钢绞线将所述增高架进行固定，并在基站的铁塔位置设置避雷防护系统，做好安全防护检查，同时在基站上建设应急配套系统；

2)检查引水隧洞的隧洞洞顶深度，根据引水隧洞需要监测的路线，在隧洞洞顶的直线方向上均匀设置悬挂支架，然后用导向滑杆从隧洞洞口依次穿过所述悬挂支架，使所述导向滑杆呈直线设置，并在所述导向滑杆的洞口端安装信号接收盒，将所述信号接收盒固定连接在引水隧洞的洞壁上，接着在所述信号接收盒上安装信号接收塔，将所述信号接收塔转向所述第一信号发射器的方向；

3)在导向滑杆上套接移动式信号转换装置，并清理所述导向滑杆上的阻碍物，使所述移动式信号转换装置能在所述导向滑杆上自由地来回滑动；

4)将水下监测机器人放入引水隧洞的水体中，通过基站发出信号，将信号通过所述第一信号发射器传递至洞口端的所述信号接收塔，所述信号接收塔将信号传递至所述信号接收盒，通过所述导向滑杆传递至所述移动式信号转换装置中，所述移动式信号转换装置将信号放大后传递给水下监测机器人，水下监测机器人接收信息、反馈信息，并控制水下监测机器人运行；

5)水下监测机器人启动后，使升降水翼上下摆动，并带动潜水机器人前进，同时转向尾翼控制潜水机器人的方向，水平感应器使潜水机器人保持水平状态，使潜水机器人往设定的位置移动；到达设定位置后，红外摄像头将拍摄到的引水隧洞的水下信息通过信息交换反馈至基站，并通过深度感应器，监测潜水机器人的水下深度，同时提供监测位置的深度信息；

6)监测完毕后，通过移动式信号转换装置的引导，使潜水机器人离开监测区域；当主电能存储箱内的电能使用完后，备用电箱提供辅助电能，使潜水机器人上升至水面，通过太阳能板进行充电，电能通过主电能存储箱进行存储。

8.根据权利要求7所述的一种引水隧洞水下监测机器人的监测方法，其特征在于：所述移动式信号转换装置包括平衡块、信号放大装置和第二信号发射器，所述平衡块套接在所述导向滑杆上，所述信号放大装置固定连接在所述平衡块的底部，所述信号放大装置内设置有第三电机，所述第三电机上设置有导轮，所述导轮通过线缆连接所述第二信号发射器。

9.根据权利要求8所述的一种引水隧洞水下监测机器人的监测方法，其特征在于：所述第二信号发射器内设置有降噪薄膜。