CN108082424A - 一种用于低能见度水域的水下检测机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低能见度水域的水下检测机器人，包括：主体结构，为开放式框架结构；动力系统，实现机器人在水中位置的精准控制及各个方向的运动；传感器系统，用于实时监测水下机器人所处的水中姿态和水深；控制系统，完成调整水下机器人的运动速度和方向；图像系统，用于水下机器人运动过程当中录制和传输水下所需检测部分的视频图像。本发明配置了浑水探测简易装置，可以在低能见度水域(浑水)中，录制和传输水下所需检测部分的清晰视频图像，观测水下结构物的外形结构，解决了现有水下机器人在低能见度水域(浑水)中，无法开展各类建筑物的水下隐患探测，尤其适合水利工程领域中各类水工建筑物的复杂水下隐患检测及故障检测。

Description

一种用于低能见度水域的水下检测机器人
技术领域
本发明涉及水利工程领域中各类水工建筑物的水下检测机器人，具体涉及一种针对低能见度水域(浑水)中各类水工建筑物的水下部分进行实时检测的机器人。
背景技术
对于水利工程领域中各类水工建筑物的运行管理及维护来说，进行水下隐患检测及故障排查，是日常运行管理及维护必不可少的工作。现有的水下隐患检测及故障排查方式，主要是使用潜水员进行水下作业，但这种方式成本较高，并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，依靠潜水员是无法检测的。所以，依托计算机技术和信息技术快速发展，采用水下检测机器人，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将是必然发展趋势。
现有的能应用在水利工程领域中的水下检测机器人，一般采用水下摄像机和水下LED照明灯，录制和传输水下所需检测部分的视频图像。但在低能见度水域(浑水)中时，录制和传输水下所需检测部分的清晰视频图像，开展各类建筑物的水下隐患检测有困难。因此，开发一种用于低能见度水域的水下检测机器人，以解决现有水下检测机器人在低能见度水域(浑水)中无法开展各类建筑物的水下隐患探测的技术问题，变得尤为必要。
这种用于低能见度水域的水下检测机器人，在其主体结构上设置了浑水探测简易装置，可以在低能见度水域(浑水)中，录制和传输水下所需检测部分的清晰视频图像，对于水利工程领域中各类水工建筑物进行水下隐患检测及故障排查，包括检测各类水库大坝水下部位的实际运行情况、各类水轮机或水泵电动机组的实际水下状态、各类闸门的实际状态，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、排查各类水工建筑物的水下隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于低能见度水域的水下检测机器人，以解决水利工程领域中各类水工建筑物的水下隐患检测及故障检测。
本发明采用的技术方案为：
一种用于低能见度水域的水下检测机器人，它包括主体结构、动力系统、传感器系统、控制系统和图像系统；所述动力系统、传感器系统、控制系统和图像系统搭载于主体结构上。
所述主体结构，为开放式框架结构，包括：主舱、缓冲机构、浮力模块、配重块、蓄电池舱、浑水探测简易装置。
所述主舱内安装有水下机器人的传感器系统、图像系统的摄像机、控制系统和电线接口。
所述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。
所述浮力模块置于水下机器人的顶部四角；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。
所述配重块置于水下机器人的底部；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。
所述浑水探测简易装置，包括：半球罩、透明框架、进水孔、排水孔。
半球罩为近似半球形，与水下机器人主舱有良好的曲面配合度，采用亚克力UV无影胶水与透明框架粘接成一个完整的密封体，以达到隔离污水提高观测的效果。透明框架用于将水下悬浮物等影响摄像机观测效果的水中杂质隔离开，使水下机器人可以录制到清晰的水下观测视频图像。透明框架的材料必须具有良好的透明度、良好的化学稳定性、耐候性(常温室外或水下不会变形、不会老化)、较高的力学性能(硬度高，一般硬物很难在它表面留下划痕)、防水、使用寿命长(长期使用也不会变污)，并且材料密度尽可能与水接近。通常可选用亚克力或人造水晶等满足以上要求的高分子材料。
进水孔设于透明框架的顶部，用于水下机器人开始检测工作前，注入足量的清水直至充满整个透明框架，来防止水下机器人在水中运动时，整体浮力与重心位置发生大的偏移，并影响水下机器人的运动控制。
排水孔设于透明框架的底部，用于水下机器人完成检测工作后，排出透明框架内的清水，以备下一次检测使用。
所述主体结构设有蓄电池舱，内装蓄电池为整个水下机器人提供电源，以支持整套系统正常工作。
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；通过变换不同的推进器的方向，实现机器人在水中位置的精准控制及各个方向的运动。
所述传感器系统，包括陀螺仪和压力传感器，用于实时监测水下机器人所处的水中姿态和水深。
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水下所需检测部分的视频图像。
所述控制系统，根据图像系统摄像机的反馈，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；根据传感器系统陀螺仪和水压传感器的反馈，通过控制动力系统使水下机器人方向保持不变和定深。
本发明的工作流程为：为防止水下机器人在水中的整体浮力与重心位置发生大的偏移，并影响水下机器人的运动控制，在检测工作开始前，先通过浑水探测简易装置的进水孔，注入足量的清水直至充满整个透明框架。将本水下机器人放置于低能见度水域(浑水)中，水下机器人将潜水行驶并开展检测工作。在整个检测工作过程中，岸上的移动工作站通过通信电缆对水下机器人的控制系统传输各种指令，实现对水下机器人动力系统、传感器系统和图像系统的控制。浑水探测简易装置将水下悬浮物等影响观测效果的水中杂质隔离开，使得水下机器人可以通过图像系统录制到清晰的水下观测视频图像。同时水下机器人通过通信电缆，将图像系统录制的所需检测部分的清晰视频图像和传感器系统检测的相关数据，实时上传到岸上的移动工作站。水下机器人完成检测工作后，需打开浑水探测简易装置的排水孔，排出清水以备下一次使用。
本发明的有益效果是：
本发明的水下检测机器人主体结构上配置了浑水探测简易装置，可以在低能见度水域(浑水)中，录制和传输水下所需检测部分的清晰视频图像，使水下检测机器人在低能见度水域下观测水下结构物的外形结构，解决了现有水下机器人在低能见度水域(浑水)中，无法开展各类建筑物的水下隐患探测，尤其适合水利工程领域中各类水工建筑物的复杂水下隐患检测及故障检测。
附图说明
图1为本发明实施例的水下机器人整体结构示意图；
图2为本发明实施例的水下机器人的仰视图；
图3为本发明实施例的水下机器人的俯视图；
图4为本发明实施例的水下机器人的前视图；
图5为本发明实施例的水下机器人主舱内部结构示意图；
图6是本发明实施例的水下机器人的工作原理示意图。
图中：
1-主体结构；11-主舱；12-缓冲机构；121-侧支撑板；122-底支撑板；13-浮力模块；14-配重块；15-浑水探测简易装置；151-半球罩；152-透明框架；153-进水孔；154排水孔；16-蓄电池舱；2-动力系统；21-前左推进器；22-前右推进器；23-左垂直推进器；24-右垂直推进器；25-后左推进器；26-后右推进器；3-传感器系统；4-控制系统；5-图像系统；51-LED照明灯；52-摄像机。
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5所示，一种用于低能见度水域的水下检测机器人，包括主体结构1、动力系统2、传感器系统3、控制系统4和图像系统5。
主体结构1包括：主舱11、缓冲机构12、浮力模块13、配重块14、浑水探测简易装置15、蓄电池舱16。
主舱11内部安装水下机器人的传感器系统3、图像系统5的摄像机52、控制系统4的电路板和电线接口。
缓冲机构12，在水下机器人与水下物体碰撞时起缓冲作用。缓冲机构12包括侧支撑板121和底支撑板122，侧支撑板121固定设置于水下机器人的左、右两侧上；底支撑板122固定设置于水下机器人的底部，与侧支撑板121固定连接。
当所述水下机器人搭载其他外部设施(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，水下机器人设置有浮力模块13，通过调整浮力模块13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13置于水下机器人的顶部四角。浮力模块13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14，调节水下机器人的重心，以便于水下机器人保持平稳姿态。配重块14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。
浑水探测简易装置15包括：半球罩151、透明框架152、进水孔153、排水孔154。
半球罩151为近似半球形，需与水下机器人主舱11有良好的曲面配合度，采用亚克力UV无影胶水与透明框架152粘接成一个完整的密封体，以达到隔离污水提高观测的效果。
透明框架152用于将水下悬浮物等影响摄像机52观测效果的水中杂质隔离开，使水下机器人可以录制到清晰的水下观测视频图像。因此，根据实际使用需求，透明框架152的材料必须具有良好的透明度、良好的化学稳定性、耐候性(常温室外或水下不会变形、不会老化)、较高的力学性能(硬度高，一般硬物很难在它表面留下划痕)、防水、使用寿命长(长期使用也不会变污)，并且材料密度尽可能与水接近。通常可选用亚克力或人造水晶等满足以上要求的高分子材料。其中，亚克力又叫PMMA或有机玻璃，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，拥有良好的透光度和加工性能，完全满足以上实际使用需求，可用亚克力UV无影胶水将整个透明框架152和半球罩151粘接成一个密封体；人造水晶即高铅玻璃，即在普通玻璃(成分是二氧化硅)中加入24％的氧化铅，得到亮度和透明度与天然水晶类似的人造水晶，完全满足以上实际使用需求，可采用亚克力UV无影胶水将整个透明框架152和半球罩151粘接成一个密封体。
进水孔153设于透明框架152的顶部，用于水下机器人开始检测工作前，注入足量的清水直至充满整个透明框架152，来防止水下机器人在水中运动时，整体浮力与重心位置发生大的偏移，并影响水下机器人的运动控制。
排水孔154设于透明框架152的底部，用于水下机器人完成检测工作后，排出透明框架152内的清水，以备下一次使用。
蓄电池舱16，内装蓄电池为整个水下机器人提供电源，以支持整套系统正常工作。
动力系统2，包括6个水下推进器，对水下机器人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前部前左推进器21，前右推进器22；位于所述水下机器人3中部的左垂直推进器23，右垂直推进器24；位于所述水下机器人后部的后左推进器25，后右推进器26。通过前左推进器21、前右推进器22、后左推进器25、后右推进器26的配合实现水下机器人的前进、后退、左平移、右平移、顺时针旋转和逆时针旋转的运动功能。通过左垂直推进器23和右垂直推进器24的配合实现水下机器人的上浮和下潜运动功能。可实现水下运机器人的位置精准控制，从而保障摄像机52在水下不同位置的观测。
传感器系统3，包括1套(多组)陀螺仪用于实时监测水下机器人所处的水中姿态，采用MPU6000型陀螺仪；1套压力传感器用于实时监测水下机器人所处的水深，采用MS5837型压力传感器。
图像系统5，包括1个摄像机52和2个水下LED照明灯51；摄像机52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52；水下LED照明灯51采用24V/30W阵列式日光型LED照明灯。
控制系统4，根据图像系统5的摄像机52的反馈，通过控制动力系统2完成调整水下机器人的运动速度和方向；根据传感器系统3的陀螺仪反馈的方位和角速度信息，通过控制动力系统2前左推进器21、前右推进器22、后左推进器25、后右推进器26可使水下机器人方向保持不变；根据传感器系统3的水压传感器得到水下深度数据，通过控制动力系统2左垂直推进器23、右垂直推进器24使水下机器人定深。
如图6所示，本发明一种用于低能见度水域的水下检测机器人的工作流程为：为防止水下机器人在水中的整体浮力与重心位置发生大的偏移，并影响水下机器人的运动控制，在检测工作开始前，先通过浑水探测简易装置15的进水孔153，注入足量的清水直至充满整个透明框架152。将本水下机器人放置于低能见度水域(浑水)中，水下机器人将潜水行驶并开展检测工作。在整个检测工作过程中，岸上的移动工作站通过通信电缆对水下机器人的控制系统4传输各种指令，实现对水下机器人动力系统2、传感器系统3和图像系统5的控制。浑水探测简易装置15将水下悬浮物等影响观测效果的水中杂质隔离开，使得水下机器人可以通过图像系统5录制到清晰的水下观测视频图像。同时水下机器人通过通信电缆，将图像系统5录制的所需检测部分的清晰视频图像和传感器系统3检测的相关数据，实时上传到岸上的移动工作站。水下机器人完成检测工作后，需打开浑水探测简易装置15的排水孔154，排出清水以备下一次使用。
本发明一种用于低能见度水域的水下检测机器人的主体结构1上配置了浑水探测简易装置15，可以在低能见度水域(浑水)中，录制和传输水下所需检测部分的清晰视频图像，使水下检测机器人在低能见度水域下观测水下结构物的外形结构，解决了现有水下机器人在低能见度水域(浑水)中，无法开展各类建筑物的水下隐患探测，尤其适合水利工程领域中各类水工建筑物的复杂水下隐患检测及故障检测。
最后应说明的是：以上实施方式仅用于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精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于低能见度水域的水下检测机器人，其特征在于：它包括主体结构、动力系统、传感器系统、图像系统和控制系统；所述动力系统、传感器系统、图像系统和控制系统搭载于所述主体结构上；
所述主体结构，为开放式框架结构，包括：主舱、缓冲机构、浮力模块、配重块、蓄电池舱、浑水探测简易装置；
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；通过变换不同的推进器的方向，以实现机器人在水中位置的精准控制及各个方向的运动；
所述传感器系统，包括陀螺仪和压力传感器，用于实时监测水下机器人所处的水中姿态和水深；
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水下所需检测部分的视频图像；
所述控制系统，根据图像系统摄像机的反馈，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；根据传感器系统陀螺仪和水压传感器的反馈，通过控制动力系统使水下机器人方向保持不变和定深。
2.根据权利要求1所述的用于低能见度水域的水下检测机器人，其特征在于：所述主舱内安装有传感器系统、摄像机、控制系统和电线接口。
3.根据权利要求1所述的用于低能见度水域的水下检测机器人，其特征在于：所述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。
4.根据权利要求1所述的用于低能见度水域的水下检测机器人，其特征在于：所述浮力模块置于水下机器人的顶部四角；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。
5.根据权利要求1所述的用于低能见度水域的水下检测机器人，其特征在于：所述配重块设置在水下机器人的底部，以调节水下机器人重心使水下机器人保持平稳姿态。
6.根据权利要求1所述的用于低能见度水域的水下检测机器人，其特征在于：所述浑水探测简易装置包括半球罩、透明框架、进水孔、排水孔；透明框架用于将影响摄像机观测效果的水中杂质隔离开，使水下机器人录制到清晰的水下观测视频图像；半球罩采用亚克力UV无影胶水与透明框架粘接成一个完整的密封体，以达到隔离污水提高观测的效果；进水孔设于透明框架的顶部，用于水下机器人开始检测工作前，注入足量的清水直至充满整个透明框架，以防止水下机器人在水中运动时，整体浮力与重心位置发生偏移而影响运动控制；排水孔设于透明框架的底部，用于水下机器人完成检测工作后，排出透明框架内的清水，以备下一次检测使用。
7.根据权利要求1所述的用于低能见度水域的水下检测机器人，其特征在于：所述蓄电池舱内装有蓄电池。
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