CN106809358B - 核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统及实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统及实施方法，整套系统包括水面支持系统、中继回收笼系统、水下机器人三部分。水下机器人通过中继回收笼从地面吊放到水下，同时绞车伴随释放脐带缆，使整个回收笼调整好方位姿态坐底。水面控制系统通过脐带缆控制水下机器人达到预定的位置，机器人的机翼可以使机器人稳定地达到预定的姿态，还可以使机器人在涵洞中平移、升沉、调整以适应涵洞的斜度。本发明能快速便捷稳定的进行水下检测，水下运动平衡稳定性高，航程大、受天气影响小，可以完成多种水下任务。

Description

核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统及实施方法

技术领域

本发明涉及一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统及实施方法，具体地说是涉及一种可以为水下或海洋工程提供工作端挂载的智能平台，它可以适应多变水下环境和复杂地形，可以准确地指挥水下机器人到达水下指定位置，航程大、受天气影响小，可以通过在执行装置上搭载不同的工作端，完成多种水下任务。

背景技术

随着海洋开发和研究的不断深入，人类的脚步已从潜水层的活动迈向深海甚至海底。目前大量的工程实施或者科学研究都需要水下机器人的帮助，此时水下机器人便成为了水下的一种重要交通工具，其功能多种多样，不同类型的水下机器人用于执行不同的任务，被广泛应用于军队、海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等各个领域。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点，提供了一种可以为水下或海洋工程提供工作端挂载的智能平台，它可以适应多变水下环境和复杂地形，可以准确地指挥水下机器人到达水下指定位置，航程大、受天气影响小，可以通过在执行装置上搭载不同的工作端，完成多种水下任务，完成人所不能及的工作任务的核电站冷却水引水涵洞检测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统及实施方法，系统包括水面支持系统、中继回收笼系统、水下机器人系统三部分；所述的水面支持系统包括起吊设备、恒张力绞车、操作工作站、电源系统、液压源；所述的中继回收笼系统包括主体框架、回收笼对接头、机器人托架、脐带缆换向机构、4台水下推进器、观察摄像机、吊钩、压载配重，其中回收笼对接头位于中继回收笼主体框架的前端，机器人托架位于底面，脐带缆换向机构位于主体框架的体外前端，4台水下推进器位于主体框架内部，前后各两台，观察摄像机位于主体框架内部前端上部，吊钩位于主体框架上端中部，压载配重位于主体框架底部；所述的水下机器人系统具有艇身、机器人对接头、艏相机、照明设备、4个激光辅助高清摄像机、密封舱、光纤罗经、流速计、深度计、8个可独立控制搭载的传感器水翼，其中机器人对接头和艏相机位于艇身的艏端，照明设备和4个激光辅助高清摄像机位于机器人艇身的中部；所述的水面支持系统中的起吊设备与中继回收笼系统中的主体框架之间用液压+电力的复合脐带缆连接，水面支持系统中的恒张力绞车与水下机器人之间用光电复合脐带缆连接，水下机器人位于中继回收笼系统的机器人托架上，水下机器人系统的机器人对接头与中继回收笼系统的回收笼对接头对接。

所述的水面支持系统中的操作工作站包括主控计算机、控制系统、显示系统和水下通信接口及光电复合脐带缆、缆绳收放设备。

所述的水面支持系统中的恒张力绞车由卷筒轴、缆索卷筒、传动系统、自动张力控制系统、动力源组成。

所述的中继回收笼系统中的脐带缆换向机构是由两个滚轮和框架组成的，水下机器人的光电复合脐带缆从恒张力绞车释放，穿过脐带缆换向机构两个滚轮之间的间隙，和水下机器人的艏部相连。

所述的中继回收笼系统中的回收笼对接头内部有喇叭口锁扣结构，机器人对接头有一倒钩状结构，机器人对接头进入回收笼对接头时就会与回收笼对接头中的锁扣锁死。

所述的中继回收笼系统中的机器人托架是由连杆和托盘组成的，水下机器人释放前托盘与机器人的机身相连，释放后连杆可自动降落使整个托架安置在中继回收笼系统的笼底。

所述的水下机器人中的密封舱是由端盖、圆舱身、光端交换机、电源板、主板、密封圈、控制板、驱动板和惯性导航模块组成，端盖与圆舱身之间采用螺栓连接方式，圆舱身四周用密封圈密封，舱内空间注满变压器油。

所述的水下机器人中的8个可独立控制搭载的传感器水翼，其分布为4个艏水翼位于机器人艇身的艏端，环绕机器人艇身艏部360度方向上均布，4个尾水翼位于机器人艇身的尾端，环绕机器人艇身尾部360度方向上均布。

本发明克服了水下机器人的关键部位防水问题，能够长时间水下工作，不仅能在各种环境的水中作业，也可以在地形复杂的水底工作。

附图说明

图1为本发明提供的中继回收笼系统的结构示意图(机器人托架1、主体框架2、吊钩3、观察摄像机4、回收笼对接头5、脐带缆换向机构6、4台水下推进器7、压载配重8)；

图2为本发明提供的水下机器人系统的结构示意图(照明设备9、4个尾水翼10、艇身11、4个激光辅助高清摄像机12、4个艏水翼13、艏相机14、机器人对接头15)。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统及实施方法，其特征在于，系统包括水面支持系统、中继回收笼系统、水下机器人系统三部分；所述的水面支持系统包括起吊设备、恒张力绞车、操作工作站、电源系统、液压源；所述的中继回收笼系统包括主体框架2、回收笼对接头5、机器人托架1、脐带缆换向机构6、4台水下推进器7、观察摄像机4、吊钩3、压载配重8，其中回收笼对接头5位于中继回收笼主体框架2的前端，机器人托架1位于底面，脐带缆换向机构6位于主体框架2的体外前端，4台水下推进器7位于主体框架2内部，前后各两台，观察摄像机4位于主体框架2内部前端上部，吊钩位于主体框架2上端中部，压载配重8位于主体框架2底部；所述的水下机器人系统具有艇身11、机器人对接头15、艏相机14、照明设备9、4个激光辅助高清摄像机12、密封舱、光纤罗经、流速计、深度计、8个可独立控制搭载的传感器水翼，其中机器人对接头15和艏相机14位于艇身11的艏端，照明设备9和4个激光辅助高清摄像机12位于机器人艇身11的中部；所述的水面支持系统中的起吊设备与中继回收笼系统中的主体框架2之间用液压+电力的复合脐带缆连接，水面支持系统中的恒张力绞车与水下机器人之间用光电复合脐带缆连接，水下机器人位于中继回收笼系统的机器人托架上1，水下机器人系统的机器人对接头15与中继回收笼系统的回收笼对接头5对接。

所述的水面支持系统中的操作工作站包括主控计算机、控制系统、显示系统和水下通信接口及光电复合脐带缆、缆绳收放设备。

所述的水面支持系统中的恒张力绞车由卷筒轴、缆索卷筒、传动系统、自动张力控制系统、动力源组成。

所述的中继回收笼系统中的脐带缆换向机构6是由两个滚轮和框架组成的，水下机器人的光电复合脐带缆从恒张力绞车释放，穿过脐带缆换向机构6两个滚轮之间的间隙，和水下机器人的艏部相连。

所述的中继回收笼系统中的回收笼对接头5内部有喇叭口锁扣结构，机器人对接头15有一倒钩状结构，机器人对接头15进入回收笼对接头5时就会与回收笼对接头5中的锁扣锁死。

所述的中继回收笼系统中的机器人托架1是由连杆和托盘组成的，水下机器人释放前托盘与机器人的机身相连，释放后连杆可自动降落使整个托架安置在中继回收笼系统的笼底。

所述的水下机器人中的密封舱是由端盖、圆舱身、光端交换机、电源板、主板、密封圈、控制板、驱动板和惯性导航模块组成，端盖与圆舱身之间采用螺栓连接方式，圆舱身四周用密封圈密封，舱内空间注满变压器油。

所述的水下机器人中的8个可独立控制搭载的传感器水翼，其分布为4个艏水翼13位于机器人艇身11的艏端，环绕机器人艇身11艏部360度方向上均布，4个尾水翼10位于机器人艇身11的尾端，环绕机器人艇身11尾部360度方向上均布。

下面对该检测机器人系统及实施方法各部分做详细说明。

操纵站主要提供机器人的运动控制、中继回收笼的控制、人机交互，为整套系统提供电源与通讯的保障。数据存储与处理软件在操纵站服务器中运行。

起吊设备可以是可移动吊车或构筑物处原有的龙门起吊设备，主要用于中继回收笼的起吊。岸上同时配有该套设备专用的恒张力绞车，该绞车主要对机器人脐带缆进行收放，可根据设定的脐带缆张力进行缆绳的自动收放，机器人在涵洞中的速度由该绞车控制。

恒张力绞车具有放缆长度测量传感器，因为机器人脐带缆为一种铠装具有高强度的水下浮力电缆，在水中处于悬浮状态。机器人受到水流的力量会将脐带缆绷紧，通过绞车放缆长度数据即可获得机器人在涵洞中的相对位置。

中继回收笼是保障机器人从盾构井垂直升降的保障装置。因为中继回收笼在从盾构井中布放的时候，由于冷却水汇入并流入引水涵洞，因此在盾构井中必然会存在湍流。为了保证在该过程中回收笼的问题因此回收笼通过大质量配重来提高其自身的稳定性，并且配有4台大功率水下推进器程矢量布置来进行动态调整来保证回收笼可以稳定的在盾构井中升降。4组推力矢量组合可以实现在水平面的各个方向的驱动力和沿着垂直轴的旋转力矩。回收笼为了保证机器人布放与回收的可靠性，机器人脐带缆将穿过回收笼的对接头装置，随着收揽的进行，机器人前端会进入对接头的喇叭口，机器人艏部有一倒钩状结构，随着机器人进入对接头将会与对接笼中锁扣锁死，此时机器人托架由舵机驱动抬起，支撑与固定机器人主体。释放过程则是这个逆过程，对接头中锁扣打开，机器人受水流作用会对缆绳产生拉力，此时释放落下托架，绞车释放脐带缆机器人自动控制姿态即可出笼。

机器人不带有动力，机器人动力由涵洞来流产生。力量大小可以通过其上8个舵翼配合改变阻力面积来调整阻力，同时通过舵翼的配合可以实现机器人的俯仰、滚转、平移、升沉等运动。随着放缆机器人将深入涵洞。该过程可由人员操纵完成或根据预先设定程序设定后整套系统自主运行。操作人员手动操作时可以设定机器人的俯仰角度、横滚角度、深度，机器人可以根据设定自动稳定在相应状态。

机器人机身具有5部摄像机，机器人艏部具有一台摄像机，该摄像机主要用于机器人在释放回收过程中的操作。机体四周的4部摄像机为具有线性激光器的摄像机，该摄像机可以返回距离信息，同时配合LED水下照明系统，可以进行对洞壁高清录像与拍照。机器人尾部具有一个安装控件可以安装360°激光测距仪、全向测量声纳等。整个过程机器人的供电、控制数据、视频数据及其他传感器均有脐带缆完成。脐带缆为一种铠装密度等于水的光电复合脐带缆。

机器人的8个水翼均可以独立控制。机器人内部有高精度光纤罗经可对机器人姿态进行反馈。流速计对相对水流进行测量可获得相对流速，并且通过4个测距摄像机的检测可以获得机器人在涵洞截面中的相对位置。

进一步地，在进行具体的工作时，分为机器人的释放、运行、回收三部分。

1.释放过程为吊车下降中继回收笼，同时绞车伴随释放脐带缆，直至整个回收笼调整好方位姿态坐底为止。该过程回收笼的动力定位系统会根据水流产生的扰动自动完成补偿稳定工作。

2.机器人在涵洞中运行

调整阻力面

当需要调整机器人的牵引力时既为增大机器人的阻力面积。此时各水翼的升力在水平和数值两个方向抵消为0，同时滚转方向的力矩也将抵消为零。则实现机器人的阻力面积的增加，确不会改变机器人的状态从而达到增加拉力的目的。

调整姿态

为了令机器人可以适应涵洞的斜度，机器人需具备调整姿态的能力。在增加阻力面的基础上叠加需要调整机器人力的方向进行打舵，实现艏水翼合力不为0、尾水翼合力不为0，这两个合力与机器人在水中的重力与浮力、缆绳的牵引力合成一个合力最终让机器人在一个姿态下稳定达到调整机器人姿态的目的。

调整位置

通过调整前后水翼的合力即可令机器人在涵洞中平移、升沉、调整姿态以适应涵洞的斜度等。

3.回收过程即为布放的逆过程。

Claims (8)

1.一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统，其特征在于，系统包括水面支持系统、中继回收笼系统、水下机器人系统三部分；所述的水面支持系统包括起吊设备、恒张力绞车、操作工作站、电源系统、液压源；所述的中继回收笼系统包括主体框架、回收笼对接头、机器人托架、脐带缆换向机构、4台水下推进器、观察摄像机、吊钩、压载配重，其中回收笼对接头位于中继回收笼主体框架的前端，机器人托架位于底面，脐带缆换向机构位于主体框架的体外前端，4台水下推进器位于主体框架内部，前后各两台，观察摄像机位于主体框架内部前端上部，吊钩位于主体框架上端中部，压载配重位于主体框架底部；所述的水下机器人系统具有艇身、机器人对接头、艏相机、照明设备、4个激光辅助高清摄像机、密封舱、光纤罗经、流速计、深度计、8个可独立控制搭载的传感器水翼，其中机器人对接头和艏相机位于艇身的艏端，照明设备和4个激光辅助高清摄像机位于机器人艇身的中部；所述的水面支持系统中的起吊设备与中继回收笼系统中的主体框架之间用液压+电力的复合脐带缆连接，水面支持系统中的恒张力绞车与水下机器人之间用光电复合脐带缆连接，水下机器人位于中继回收笼系统的机器人托架上，水下机器人系统的机器人对接头与中继回收笼系统的回收笼对接头对接。

2.根据权利要求1所述的一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统，其特征在于，所述的水面支持系统中的操作工作站包括主控计算机、控制系统、显示系统和水下通信接口及光电复合脐带缆、缆绳收放设备。

3.根据权利要求1所述的一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统，其特征在于，所述的水面支持系统中的恒张力绞车由卷筒轴、缆索卷筒、传动系统、自动张力控制系统、动力源组成。

4.根据权利要求1所述的一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统，其特征在于，所述的中继回收笼系统中的脐带缆换向机构是由两个滚轮和框架组成的，水下机器人的光电复合脐带缆从恒张力绞车释放，穿过脐带缆换向机构两个滚轮之间的间隙，和水下机器人的艏部相连。

5.根据权利要求1所述的一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统，其特征在于，所述的中继回收笼系统中的回收笼对接头内部有喇叭口锁扣结构，机器人对接头有一倒钩状结构，机器人对接头进入回收笼对接头时就会与回收笼对接头中的锁扣锁死。

6.根据权利要求1所述的一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统，其特征在于，所述的中继回收笼系统中的机器人托架是由连杆和托盘组成的，水下机器人释放前托盘与机器人的机身相连，释放后连杆可自动降落使整个托架安置在中继回收笼系统的笼底。

7.根据权利要求1所述的一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统，其特征在于，所述的水下机器人中的密封舱是由端盖、圆舱身、光端交换机、电源板、主板、密封圈、控制板、驱动板和惯性导航模块组成，端盖与圆舱身之间采用螺栓连接方式，圆舱身四周用密封圈密封，舱内空间注满变压器油。

8.根据权利要求1所述的一种核电站冷却水引水涵洞检测机器人系统，其特征在于，所述的水下机器人中的8个可独立控制搭载的传感器水翼，其分布为4个艏水翼位于机器人艇身的艏端，环绕机器人艇身艏部360度方向上均布，4个尾水翼位于机器人艇身的尾端，环绕机器人艇身尾部360度方向上均布。