CN106628066A - 一种泵闸水下实时探查装置 - Google Patents

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邬海军
胡能永
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杨骏
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孙鹏
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    • G—PHYSICS
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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Abstract

本发明公开了一种泵闸水下实时探查装置，它包括移动工作站、通信电缆和水下机器人。移动工作站主要包括电脑主机，电脑主机通过通讯电缆和水下机器人相连接，通信电缆为移动工作站和水下机器人建立通信；水下机器人包括有动力系统、控制系统、传感器系统、图像系统和2套蓄电池。本发明的水下机器人配置了6个水下推进器，可完成水下6个自由度的任意方向矢量移动，具有快速灵活运动且运动稳定、航向精准保持和位置悬停等优点，具备良好的水下观测平台，并解决了现有小型水下机器人水下姿态不够稳定、线缆没有零浮力设计、没有实时通信接口的技术问题，尤其适合水利工程领域中各类水泵、闸门的复杂水下隐患探查及故障探查。

Description

一种泵闸水下实时探查装置
技术领域
本发明涉及水利工程中的水下实时探查装置，具体涉及一种针对水利工程领域中各类水泵、闸门的水下部分进行实时探查的装置。
背景技术
对于水利工程领域中各类泵站、闸站的运行管理及维护来说，尤其是水泵、闸门停运后的日常维护、检查或检修，都涉及水下作业，即查看各类水泵、闸门的水下部分实际状态，进行水下隐患探查及故障探查，而这类水下作业往往是困扰管理人员的一大难题。以往我们必须使用潜水员进行水下作业，但这种方式成本较高，而且由于水下情况的复杂性对潜水员而言具有一定的危险性。同时，针对水深大于50米的地方，或水泵电动机组的水下导流部分，都是依靠潜水员无法探查的。所以，只有极少的泵站、闸站开展过水下作业。
更为先进的是采用一种泵闸水下实时探查装置进行这类水下作业，解决各类水泵、闸门水下隐患探查及故障探查的难题。水下探查装置可在高度复杂甚至危险的水域中，代替人工在水下长时间作业。
目前各类水下探查装置(水下机器人)在石油开发、海事执法取证、海洋考察和军事等领域得到广泛应用，但是现有的、能应用在水利工程领域各类水泵、闸门使用环境的小型水下机器人，仍存在水下姿态不够稳定、线缆没有零浮力设计、没有实时通信接口等技术问题。利用水下机器人技术，针对水利工程领域各类水泵、闸门使用环境，开发一种泵闸水下实时探查装置，以解决现有小型水下机器人水下姿态不够稳定、线缆没有零浮力设计、没有实时通信接口等技术问题，进行泵闸水下实时隐患探查及故障探查，代替人工水下作业变的尤为必要。
这种泵闸水下实时探查装置可以探查各类水泵的实际状态，清楚地实时展现水泵电动机组水下导流部分的总体画面及细部清晰画面，如导流部件锈蚀、损毁情况、卡阻情况、水下污物情况等；也可以探查各类闸门的实际状态，清楚地实时展现闸门水下部分的总体画面及细部清晰画面，如闸门构件锈蚀、损毁情况、卡阻情况、水下污物情况等，同时也可观察整个泵站前池，特别是拦污栅的水下污物情况。使运行管理人员在日常维护、检查或检修工作时，能及时、准确地了解、排查泵闸的各类隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泵闸水下实时探查装置，以解决水利工程领域中各类水泵、闸门的水下隐患探查及故障探查。
本发明采用的技术方案为：
一种泵闸水下实时探查装置，它包括水下机器人、通讯电缆和移动工作站。
所述水下机器人，包括动力系统、传感器系统、图像系统、控制系统、和蓄电池；所述水下机器人设置有主舱和电池舱；
所述移动工作站，主要包括电脑主机，设立于岸边工作；电脑主机实时显示和保存水下机器人的图像视频和数据(包括水下机器人姿态、电源电量、水深水温、视频等)，同时控制水下机器人的动力系统，根据探查需要调整机器人的运动速度和方向(前进、后退、上浮、下沉及转向)；
所述通信电缆，一端连接电脑主机，另一端连接水下机器人，为移动工作站和水下机器人之间建立通信。
所述通信电缆，采用零浮力设计，确保电缆在水中不会产生巨大的重量；所述通讯电缆还采用抗拉材料，以增加所能承受的拉拽力。
所述移动工作站还设置有电缆绞车，所述通讯电缆缠绕在电缆绞车上，电缆绞车功能为收放通信电缆，即根据水下机器人所行驶的距离(标配100米)来释放或回收对应长度的电缆；同时，在水下机器人出现故障时通过拖拽通信电缆取出水下机器人。以根据所述水下机器人所行驶的距离来释放或回收对应长度的电缆，并在水下机器人出现故障时拖拽电缆取出水下机器人。
所述动力系统包括6个对称分布的水下推进器，分别为位于水下机器人前部的前左推进器、前右推进器和位于水下机器人中部的左垂直推进器、右垂直推进器以及位于水下机器人后部的后左推进器、后右推进器；通过变换不同的螺旋推进器的方向，实现机器人在水中的各个方向的运动；当前左推进器、前右推进器、后左推进器、后右推进器全为一个方向做功时，水下机器人实现前后平移；当前左推进器、前右推进器分别为两个相反方向而后左推进器、后右推进器同为一个方向时，可以实现水下机器人的向前左转、向前右转或向后左转、向后右转；当前左推进器、后左推进器为同一方向而前右推进器、后右推进器为另一个方向时，水下机器人实现左、右水平移动；当左垂直推进器、右垂直推进器以相同速度、相同方向转动时，可以实现水下机器人的上、下移动。水下机器人采用6个推进器，可实现前进、后退、左转、右转、上浮、下潜、左平移、右平移，在水中运行更加稳定，方便用户观测水下目标。
所述图像系统，包括摄像机和水下LED照明灯，用于水下机器人运动过程当中录制和传输泵闸所需探查部分的视频图像；
所述传感器系统，包括陀螺仪和压力温度传感器，用于实时监测水下机器人所处的水中姿态和水深水温；
所述控制系统，采用定制嵌入式控制系统，完成电源控制、动力系统控制、载波通信控制，根据传感器系统的陀螺仪和图像系统的摄像机的反馈，通过控制动力系统完成调整水下机器人的运动速度和方向；
所述主舱内安装有水下机器人的传感器系统、摄像机、控制系统和电线接口，电线接口用于主舱内控制系统的电路板电线外接蓄电池与推进器；所述电池舱内安装有水下机器人的蓄电池；
所述蓄电池为两套，互为备用，为所述的水下机器人供电。
所述水下机器人设有缓冲机构，缓冲机构包括侧支撑板和底支撑板；侧支撑板固定设置于水下机器人的左、右两侧；底支撑板固定设置于水下机器人的底部，与侧支撑板固定连接。
当水下机器人搭载其他外部设施时，所述水下机器人设置有浮力模块，通过调整浮力模块产生的浮力，以便水下机器人在水中处于零浮力状态；浮力模块置于水下机器人的顶部四角。浮力模块材料实际使用时需长期浸泡在水中，采用耐水、耐压、耐腐蚀、耐冲击的材料，其密度通常为水密度的0.3～0.6。
当所述水下机器人搭载其他外部设施时，水下机器人设置有配重块，调节水下机器人重心，以便于水下机器人保持平稳姿态。配重块置于水下机器人的底部。配重块材料实际使用时需长期浸泡在水中，要求耐水、耐压、耐腐蚀、耐冲击，通常采用高密度的重金属材料制成，如铁，铅，铜等。
本发明的有益效果是：
本发明一种泵闸水下实时探查装置的水下机器人配置了6个水下推进器，可完成水下6个自由度的任意方向矢量移动，具有快速灵活运动且运动稳定、航向精准保持和位置悬停等优点，具备良好的水下观测平台，并解决了现有小型水下机器人水下姿态不够稳定、线缆没有零浮力设计、没有实时通信接口的技术问题，尤其适合水利工程领域中各类水泵、闸门的复杂水下隐患探查及故障探查。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图；
图2为本发明实施例的水下机器人正视图；
图3为本发明实施例的水下机器人侧视图；
图4为本发明实施例的水下机器人俯视图；
图5为本发明实施例的水下机器人后视图；
图6为本发明实施例的水下机器人仰视图；
图7是本发明实施例的系统工作原理示意图。
图中：1-移动工作站；101-电脑主机；102-电缆绞车；2-通信电缆；3-水下机器人；31-图像系统；311-LED照明灯；312-摄像机；32-动力系统；321-前左推进器；322-前右推进器；323-左垂直推进器；324-右垂直推进器；325-后左推进器；326-后右推进器；33-控制系统；34-传感器系统；35-缓冲机构；351-侧支撑板；352-底支撑板；36-配重块；37-浮力模块；38-主舱；381-电线接口；39-电池舱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至图6所示，一种泵闸水下实时探查装置，包括移动工作站1、通信电缆2和水下机器人3。
水下机器人3包括动力系统32、传感器系统34、图像系统31、控制系统33和蓄电池；所述水下机器人设置有主舱332和电池舱333，其中主舱332内部安装水下机器人的摄像机312、控制系统电路板和电线接口343，电池舱333内部安装水下机器人的蓄电池。
动力系统32，包括6个水下推进器，对水下机器人3的运动速度和方向进行控制；这6个水下推进器对称分布，包括位于所述水下机器人3前部前左推进器321，前右推进器322；位于所述水下机器人3中部的左垂直推进器323，右垂直推进器324；位于所述水下机器人3后部的后左推进器325，后右推进器326。
当前左推进器321、前右推进器322；后左推进器325、后右推进器326全为一个方向做功时，水下机器人3实现前后平移；当前左推进器321与前右推进器322分别为两个相反方向而后左推进器325、后右推进器326同为一个方向时，可以实现水下机器人3的向前左转、向前右转或向后左转、向后右转；当前左推进器321、后左推进器325为同一方向而前右推进器322、后右推进器326为另一个方向时，机器人3实现左右水平移动；当左垂直推进器323、右垂直推进器324以相同速度、相同方向转动时，可以实现水下机器人3的上下移动。由此水下机器人可实现前进，后退，左转，右转，上浮，下潜，左平移，右平移。可使水下机器人3在水平面上实现任意角度平移。结合控制系统33，可使其在水下六个自由度内完成矢量运动。
传感器系统34，包括1套陀螺仪用于实时监测水下机器人3所处的水中姿态，采用MPU9150型陀螺仪；1套压力温度传感器用于实时监测水下机器人3所处的水深水温，采用MS5803型压力温度传感器。
图像系统31，包括1个摄像机312和2个水下LED照明灯311，用于水下机器人3运动过程当中录制和传输泵闸所需探查部分的视频图像；摄像机312采用专用200万像素低照度(深圳市锐尔威视RER-USBFHD01M)的水下彩色摄像机312；水下照明灯311采用24V/30W阵列式日光型LED照明灯。
控制系统33，使用定制嵌入式系统,完成动力系统32控制(6个水下推进器控制)、电源控制和载波通信控制；同时根据传感器系统34的陀螺仪和图像系统31的摄像机312的反馈，通过控制动力系统32完成调整水下机器人3的运动速度和方向；
通信电缆2，缠绕在电缆绞车102上，为电脑主机101和水下机器人3之间建立通信，通信电缆2采用零浮力设计(淡水)，确保电缆在水中不会产生巨大的重量；通信电缆2采用抗拉材料，增加电缆的所能承受的拉拽力，确保具有足够的强度来拉拽无动力时的水下机器人3。
移动工作站1包含电脑主机101和电缆绞车102。电脑主机101，用于实时显示和保存水下机器人3的图像数据(包括水下机器人3姿态、电源电量、水深水温、视频等)，同时控制水下机器人3的控制系统33，根据探查需要调整水下机器人3的运动速度和方向(前进、后退、上浮、下沉及转向)；电缆绞车102，控制通信电缆2的收放，根据水下机器人3所行驶的距离(标配100米)来释放或回收对应长度的电缆，同时，在水下机器人3出现故障时能够拖拽电缆取出水下机器人3。
蓄电池为2套，互为备用(岸上备用)，用于水下机器人3的供电。
控制系统33根据陀螺仪得到水下姿态，通过控制前左推进器321、前右推进器322、后左推进器325、后右推进器326可使水下机器人3方向保持不变；控制系统33根据水压水温传感器得到水下深度数据，通过控制左垂直推进器323、右垂直推进器324使水下机器人3定深。
水下机器人3设有缓冲机构35，在水下机器人3与水下物体碰撞时起缓冲作用。缓冲机构35包括侧支撑板351和底支撑板352，侧支撑板344固定设置于水下机器人3的左、右两侧上；底支撑板352固定设置于水下机器人3的底部，与侧支撑板351固定连接。
当水下机器人3搭载其他外部设施(包括但不限于更多的水下探照灯、水下溶解氧、酸碱度传感器、摄像机等)时，水下机器人3设置有浮力模块37，通过调整浮力模块37产生的浮力，以便水下机器人3在水中处于零浮力状态；浮力模块37置于水下机器人3的顶部四角。浮力模块37的材料实际使用时需长期浸泡在水中，采用耐水、耐压、耐腐蚀、耐冲击的材料，其密度通常为水密度的0.3～0.6。
当所述水下机器人3搭载其他外部设施(包括但不限于更多的水下探照灯、水下溶解氧、酸碱度传感器、摄像机等)时，水下机器人的底部设置有配重块36，调节水下机器人3的重心，以便于水下机器人3保持平稳姿态。配重块36的材料实际使用时需长期浸泡在水中，要求耐水、耐压、耐腐蚀、耐冲击，通常采用高密度的重金属材料制成，如铁，铅，铜等。
如图7所示，本发明一种泵闸水下实时探查装置的工作流程为：通过移动工作站1，控制本发明水下机器人3的运动速度、运动方向、潜水深度并打开LED照明灯311后，将本水下机器人3放置于泵闸水域中，水下机器人3将潜水；水下机器人在行驶过程中通过图像系统31录制泵闸水下的所需探查部分的视频图像，实时上传到电脑主机101。电脑主机101存储水下机器人3上传的全部数据。
本发明一种泵闸水下实时探查装置的水下机器人3配置了6个水下推进器，可完成水下6个自由度的任意方向矢量移动，具有快速灵活运动且运动稳定、航向精准保持和位置悬停等优点，具备良好的水下观测平台，并解决了现有小型水下机器人水下姿态不够稳定、线缆没有零浮力设计、没有实时通信接口的技术问题，尤其适合水利工程领域中各类水泵、闸门的复杂水下(水深0～100米范围内)隐患探查及故障探查。
最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种泵闸水下实时探查装置，其特征在于：它包括水下机器人、通讯电缆和移动工作站；
所述水下机器人，包括动力系统、传感器系统、图像系统、控制系统、和蓄电池；所述水下机器人设置有主舱和电池舱；
所述移动工作站，主要包括电脑主机，设立于岸边工作；电脑主机实时显示和保存水下机器人的图像视频和数据，同时控制水下机器人的控制系统，根据探查需要调整机器人的运动速度和方向；
所述通信电缆，一端连接电脑主机，另一端连接水下机器人，为移动工作站和水下机器人之间建立通信。
2.根据权利要求1所述的泵闸水下实时探查装置，其特征在于：所述移动工作站还包括有电缆绞车，所述通讯电缆缠绕在电缆绞车上。
3.根据权利要求1所述的泵闸水下实时探查装置，其特征在于：所述通信电缆，采用零浮力设计；所述通讯电缆采用抗拉材料。
4.根据权利要求1所述的泵闸水下实时探查装置，其特征在于：
所述动力系统包括6个对称分布的水下推进器，分别为位于水下机器人前部的前左推进器、前右推进器和位于水下机器人中部的左垂直推进器、右垂直推进器以及位于水下机器人后部的后左推进器、后右推进器；通过变换不同的螺旋推进器的方向，实现机器人在水中的各个方向的运动；
所述图像系统，包括摄像机和水下LED照明灯，用于水下机器人运动过程当中录制和传输泵闸所需探查部分的视频图像；
所述传感器系统，包括陀螺仪和压力温度传感器，用于实时监测水下机器人所处的水中姿态和水深水温；
所述控制系统，采用定制嵌入式控制系统，完成电源控制、动力系统控制、载波通信控制，根据传感器系统的陀螺仪和图像系统的摄像机的反馈，通过控制动力系统完成调整水下机器人的运动速度和方向；
所述主舱内安装有水下机器人的传感器系统、摄像机、控制系统和电线接口，所述电池舱内安装有水下机器人的蓄电池；
所述蓄电池为两套，互为备用，为所述的水下机器人供电。
5.根据权利要求1所述的泵闸水下实时探查装置，其特征在于：所述水下机器人设有缓冲机构，缓冲机构包括侧支撑板和底支撑板；侧支撑板固定设置于水下机器人的左、右两侧；底支撑板固定设置于水下机器人的底部，与侧支撑板固定连接。
6.根据权利要求1所述的泵闸水下实时探查装置，其特征在于：所述水下机器人设置有浮力模块以通过调整浮力模块产生的浮力使水下机器人在水中处于零浮力状态；浮力模块置于水下机器人的顶部四角。
7.根据权利要求1所述的泵闸水下实时探查装置，其特征在于：所述水下机器人设置有配重块以调节水下机器人重心使水下机器人保持平稳姿态，配重块设置在水下机器人的底部。
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