CN109268697A - 充水管道内部检测用机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及充水管道内部检测用机器人，包括航行器、线缆组件、信号显示终端和遥控器，其特征是航行器包括筒体和翼，航行器上设置有检测机构、机器手、线缆接口、轮式行走机构和水平、垂直方向推进器，筒体的内腔设置有信号传输模块、控制单元和电池，线缆的两端分别与信号显示终端和线缆接口连接，检测机构各传感器的信号输出端分别与信号传输模块的输入端连接，信号传输模块的输出端与线缆接口连接，线缆接口与控制单元的信号输入端连接，控制单元的控制信号输出端分别与各执行机构的控制信号输入端连接，遥控器与信号显示终端实现无线通讯。采用本发明，能在高水压的管道中进行长距离高效率连续检测并且回收航行器。

Description

充水管道内部检测用机器人
技术领域
本发明涉及充水管道内部检测装置，具体而言是充水管道内部检测用机器人。
背景技术
目前我国城市供水管网漏损率普遍高达15％-30％，有的甚至超过50％。许多城市都曾开展过管网漏损的专项普查工作，均未能将漏损率控制在一个令人满意的程度，究其原因，主要存在以下两个方面的问题：一是传统的检测方法如管道听音检测、相关仪检测等难以完全发现管道存在的漏损情况，使得部分漏损情况不能被发现，因而无法有的放矢以降低供水管网的漏损率；另一方面，由于城市的不断扩张和用水质量提高的需求，供水管网往往也经过了大量扩展和改造，以致供水部门很难完全掌握管网的布置情况，不乏用水没有计入用水统计、甚至部分供水直接流向河道和污水管道的现象。
自来水管道直接关系到居民的日常生活和工业生产，为了保证正常供水，开展管道漏损检测是不可或缺的环节。管道漏损检测要对管道的运行状态包括漏损点的准确位置进行判断，以便控制管道运行中可能出现的大面积破损给居民生活和工业生产带来的灾难性影响。正由于供水对居民和工业生产的特别重要性，大面积的断水检测显然不现实，通常采用在线检测或者控制影响面积的短时局部断水检测。
现有的自来水管道漏损检测技术包括压力测量法、听音法、漏水相关检测法、管道爬行机器人视频检测方法。
压力测量法通过对管网上的压力分析，统计自来水压力在空间和时间上的变化规律，根据管网压力异常，确定漏水发生的重点区域。它简单实用，但需要在管网上加装大量的压力表，而安装压力表时，必须局部停水。进行管道压力测试时，只能分成区域开展，管网压力的变化受使用条件的限制，存在较大的波动，即便在用户变化波动不大的情况下，也只能初步判断可能存在漏损区域，难以为管道修复提供指导性意见。
听音法包括阀栓听音探测和路面听音探测，阀栓听音探测采用机械听音棒对消火栓、阀门、水表、以及管道出露点，进行听音探测；路面听音探测采用听音仪器发现漏水地面异常，定性分析漏水发生的可能性及漏水点位置。它虽然比较直接，但仅适用于有明显声音的泄漏点，对于没有明显声音的泄漏点，以及埋地管道过深、路面状况复杂的情况，则无能为力。
漏水相关检测法基于以下原理：当管道发生泄漏时，能够产生比普通水声频率高的声压波并沿管道传播，泄漏噪声频率的高低主要取决于泄漏点的大小，泄漏噪声传播速度则主要取决于管材和管道直径。通过放置在管道两端(泄漏点包围在中间)的振动传感器或声发射传感器测量泄漏信号，利用两列信号的互相关分析，可计算出泄漏点距两个传感器的距离，以此来判断泄漏点的位置。该方法的前提是需要破损位置能发出较为明显的声波，在实际应用中，需要克服各种干扰，如管道流水的声音，三通，四通处的分流，汽车经过的电磁干扰和震动噪声，附近工地等其他噪声以及由于没有适合的放置传感器的位置而造成传感器距离太远，有效噪声太微弱，信噪比低等都会干扰正常的噪声信号。另外，管道的材质，粗细，管壁的厚薄，液体压力的大小，漏点的大小，管线所在区域的土质等也将对结果产生重要影响。因此，要想获得正确可信的结果，对测量仪器的抗干扰能力有非常高的要求，操作者也需要有丰富的现场经验。
管道爬行机器人按照设定的目标或者实时控制指令，携带检测传感器对管道进行检测。一般是在管道断水的情况下，管道内无水或有少量余水，管道机器人携带视频检测装置，检测管道内部的状态及管网内部连接的情况。该方法需要对管道进行断水，并制作专门的工艺孔让机器人进入管道内部，一部机器人每天只能检测约1km。同时，由于管道机器人采用爬行器在管道中爬行，对于管道阀门等附件难以通过，制约了每次实施检测的距离，一般不超过0.5km，故需要在管道上开较多的施工孔，作业效率非常低。另外，还有一种可以在管道有水的情况下，顺着自来水水流或在自身驱动下进行爬行检测的机器人，它虽然实现了管道在有水工况下进行检测，但对管道内水压有较为严格的限定，也没有能够实现机器人通过阀门、三通等管道附件的适应性，以及一次检测中对多种管径变化的适应性，也不能够实现自来水工作状态下对检测后机器人爬行器的回收等问题。
除上述常用技术之外，管道检测还有一些应用较少的方法，如管内测漏法，电法测漏定位法，渗透法等，他们基本上是上述常用技术的延伸或拓展，同样没有从根本上解决管道带水工作状态下的漏损精确定位及管道运行状态判定的问题。
综上，工作状态下自来水管道内部检测亟待解决问题为：在自来水管道有水运行，并且不断水的情况下对管道内部进行检测；检测装置须能自主通过管道各种阀门、三通、四通等管道元件，适应检测路线中管径大小的变化；5km以上长距离高效率连续检测。
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种能在最高水压为3MPa的管道中进行5km以上长距离高效率连续检测并能实现航行器回收的充水管道内部检测用机器人。
发明内容
本发明的目的是提供一种能在最高水压为3MPa的管道中进行5km以上长距离高效率连续检测并能实现航行器回收的充水管道内部检测用机器人。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：充水管道内部检测用机器人，包括航行器、线缆组件、信号显示终端和遥控器，其特征是航行器包括筒体和对称布置在筒体两侧的翼，筒体为密封耐压结构，翼为扁平式翼展结构，航行器的尾部两侧分别设置有水平方向推进器，航行器的中部两侧分别设置有垂直方向推进器，航行器的顶部和底部分别设置有轮式行走机构，航行器的首部设置有检测机构和机器手，筒体上设置有线缆接口，筒体的内腔设置有信号传输模块、控制单元和电池，水平方向推进器和垂直方向推进器均为耐压结构，轮式行走机构包括三只以上的脚轮，脚轮分别通过密封件与轮式行走机构的转轴连接，检测机构包括视频传感器、照明器、压力传感器、超声传感器和激光定标装置，线缆组件包括线缆和线缆收放装置，线缆收放装置的收放与航行器的航行或行走相配合，线缆的一端与信号显示终端连接，线缆的另一端经过线缆收放装置后与线缆接口连接，视频传感器、压力传感器、超声传感器和激光定标装置的信号输出端分别与信号传输模块的输入端连接，信号传输模块的输出端与线缆接口连接，线缆接口与控制单元的信号输入端连接，控制单元的控制信号输出端分别与水平方向推进器、垂直方向推进器、轮式行走机构、机器手和照明器的控制信号输入端连接，信号显示终端包括显示屏、信号处理模块、通信模块和供电模块，遥控器与信号显示终端实现无线通讯。
进一步地，所述筒体为中空圆柱体，电池为锂电池组，视频传感器通过耐压透明罩封装在航行器首部的最前端，照明器对称布置在两侧的翼上，压力传感器布置在航行器的首部，机器手布置在航行器的首部并且抓爪向前。
进一步地，所述检测机构还包括成像声呐，成像声呐的控制信号输入端与控制单元的控制信号输出端连接，成像声呐的信号输出端与信号传输模块的输入端连接。
进一步地，所述翼的内部充填有浮性材料。
进一步地，所述轮式行走机构包括四只脚轮。
进一步地，所述线缆为光缆、凯夫拉纤维加强芯、充填物和PE护套组成的加强型超细漂浮线缆。
本发明采用水平方向推进器、垂直方向推进器同轮式行走机构组合，在有水管道中靠水平方向推进器和垂直方向推进器航行，在无水管道中靠轮式行走机构行走。
本发明的航行器采用扁平式的外形结构，并通过水平与垂直方向推进器的组合姿态控制，使航行器能够顺利通过管道中的蝶阀、球阀、闸阀以及三通、四通等各种管路附件。
本发明的航行器采用耐压结构和扁平式翼展结构，有效保证了水下航行的运动稳定性和在3MPa水压(或300m水深)条件下正常工作的能力。
本发明采用光缆、凯夫拉纤维加强芯、充填物和PE护套组成的加强型超细漂浮线缆，实现了航行器在充水管道中长达10km距离的通信。
采用本发明，能在高水压的管道中进行长距离高效率连续检测并且回收航行器。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的航行器的三维轴测示意图；
图3是本发明的航行器的前部结构示意图；
图4是图3的A-A剖面视图；
图5是图3的俯视图；
图6是图3的后视图；
图7是图3的左视图；
图8是本发明的线缆的结构示意图；
图9是本发明在充水管道中工作的状态示意图；
图10是本发明的信号传输及控制示意图。
图中：1-航行器；1.1-筒体；1.2-翼；1.3-水平方向推进器；1.4-垂直方向推进器；1.5-轮式行走机构；1.5.1-脚轮；1.6-检测机构；1.6.1-视频传感器；1.6.2-照明器；1.6.3-压力传感器；1.6.4-超声传感器；1.6.5-激光定标装置；1.6.6-成像声呐；1.7-机器手；1.8-线缆接口；2-线缆组件；2.1-线缆；2.1.1-光缆；2.1.2-凯夫拉纤维加强芯；2.1.3-充填物；2.1.4-PE护套；2.2-线缆收放装置；3-信号显示终端；4-遥控器；5-信号传输模块；6-控制单元；7-电池。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
如图所示的充水管道内部检测用机器人，包括航行器1、线缆组件2、信号显示终端3和遥控器4，航行器1包括筒体1.1和对称布置在筒体1.1两侧的翼1.2，筒体1.1为密封耐压结构，翼1.2为扁平式翼展结构，航行器1的尾部两侧分别设置有水平方向推进器1.3，航行器1的中部两侧分别设置有垂直方向推进器1.4，航行器1的顶部和底部分别设置有轮式行走机构1.5，航行器1的首部设置有检测机构1.6和机器手1.7，筒体1.1上设置有线缆接口1.8，筒体1.1的内腔设置有信号传输模块5、控制单元6和电池7，水平方向推进器1.3和垂直方向推进器1.4均为耐压结构，轮式行走机构1.5包括三只以上的脚轮1.5.1，脚轮1.5.1分别通过密封件与轮式行走机构1.5的转轴连接，检测机构1.6包括视频传感器1.6.1、照明器1.6.2、压力传感器1.6.3、超声传感器1.6.4、激光定标装置1.6.5和成像声呐1.6.6，线缆组件2包括线缆2.1和线缆收放装置2.2，线缆收放装置2.2的收放与航行器1的航行或行走相配合，线缆2.1的一端与信号显示终端3连接，线缆2.1的另一端经过线缆收放装置2.2后与线缆接口1.8连接，视频传感器1.6.1、压力传感器1.6.3、超声传感器1.6.4和激光定标装置1.6.5的信号输出端分别与信号传输模块5的输入端连接，信号传输模块5的输出端与线缆接口1.8连接，线缆接口1.8与控制单元6的信号输入端连接，控制单元6的控制信号输出端分别与水平方向推进器1.3、垂直方向推进器1.4、轮式行走机构1.5、机器手1.7和照明器1.6.2的控制信号输入端连接，信号显示终端3包括显示屏、信号处理模块、通信模块和供电模块，遥控器4与信号显示终端3实现无线通讯。
优选的实施例是：在上述方案中，所述筒体1.1为中空圆柱体，电池7为锂电池组，视频传感器1.6.1通过耐压透明罩封装在航行器1首部的最前端，照明器1.6.2对称布置在两侧的翼1.2上，压力传感器1.6.3布置在航行器1的首部，机器手1.7布置在航行器1的首部并且抓爪向前。
优选的实施例是：在上述方案中，所述检测机构1.6还包括成像声呐1.6.6，成像声呐1.6.6的控制信号输入端与控制单元6的控制信号输出端连接，成像声呐1.6.6的信号输出端与信号传输模块5的输入端连接。
优选的实施例是：在上述方案中，所述翼1.2的内部充填有浮性材料。
优选的实施例是：在上述方案中，所述轮式行走机构1.5包括四只脚轮1.5.1。
优选的实施例是：在上述方案中，所述线缆2.1为光缆2.1.1、凯夫拉纤维加强芯2.1.2、充填物2.1.3、涂塑钢带2.1.4和PE护套2.1.5组成的加强型超细漂浮线缆。
采用本发明对自来水管道进行检测时，在用水量底谷时段，按照计划临时断水，打开自来水管道地面检修孔、消防栓或者自来水供水口，先将航行器放入待检测水域或管道，再将线缆组件通过快速接头与上述接口进行连接，自来水恢复供水，整个操作过程不超过30分钟。
打开检测系统，开始检测。在管道中时，操纵航行器沿着管道行进，通过调节照明系统，调节视频传感器画面记录管道中的检测情况，同时，通过压力传感器记录管内压力的变化情况。在检测时，每隔约10m的距离应用超声测厚仪测量一次管壁厚度；当视频传感器检测到管中有破口或者裂纹时，启动激光定标装置，测量破口或者裂纹的尺寸；当发现管道中有异物时，启动机械手抓取异物并将异物取出；当发现前面有阀门、三通、四通等管道附件时，操作航行器，控制其姿态，使其顺利通过，继续后续管道检测。检测完成后，控制航行器沿着管道原路返回，线缆组件收起线缆。待线缆完全收回时，按照计划对管道进行再次临时断水，打开快速接头，取出线缆组件和航行器，恢复管道原先接头，恢复管道供水，完成一次完整的检测。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种充水管道内部检测用机器人，包括航行器(1)、线缆组件(2)、信号显示终端(3)和遥控器(4)，其特征在于：航行器(1)包括筒体(1.1)和对称布置在筒体(1.1)两侧的翼(1.2)，筒体(1.1)为密封耐压结构，翼(1.2)为扁平式翼展结构，航行器(1)的尾部两侧分别设置有水平方向推进器(1.3)，航行器(1)的中部两侧分别设置有垂直方向推进器(1.4)，航行器(1)的顶部和底部分别设置有轮式行走机构(1.5)，航行器(1)的首部设置有检测机构(1.6)和机器手(1.7)，筒体(1.1)上设置有线缆接口(1.8)，筒体(1.1)的内腔设置有信号传输模块(5)、控制单元(6)和电池(7)，水平方向推进器(1.3)和垂直方向推进器(1.4)均为耐压结构，轮式行走机构(1.5)包括三只以上的脚轮(1.5.1)，脚轮(1.5.1)分别通过密封件与轮式行走机构(1.5)的转轴连接，检测机构(1.6)包括视频传感器(1.6.1)、照明器(1.6.2)、压力传感器(1.6.3)、超声传感器(1.6.4)、激光定标装置(1.6.5)和成像声呐(1.6.6)，线缆组件(2)包括线缆(2.1)和线缆收放装置(2.2)，线缆收放装置(2.2)的收放与航行器(1)的航行或行走相配合，线缆(2.1)的一端与信号显示终端(3)连接，线缆(2.1)的另一端经过线缆收放装置(2.2)后与线缆接口(1.8)连接，视频传感器(1.6.1)、压力传感器(1.6.3)、超声传感器(1.6.4)、激光定标装置(1.6.5)和成像声呐(1.6.6)的信号输出端分别与信号传输模块(5)的输入端连接，信号传输模块(5)的输出端与线缆接口(1.8)连接，线缆接口(1.8)与控制单元(6)的信号输入端连接，控制单元(6)的控制信号输出端分别与水平方向推进器(1.3)、垂直方向推进器(1.4)、轮式行走机构(1.5)、机器手(1.7)和照明器(1.6.2)的控制信号输入端连接，信号显示终端(3)包括显示屏、信号处理模块、通信模块和供电模块，遥控器(4)与信号显示终端(3)实现无线通讯。
2.根据权利要求1所述的充水管道内部检测用机器人，其特征在于：所述筒体(1.1)为中空圆柱体，电池(7)为锂电池组，视频传感器(1.6.1)通过耐压透明罩封装在航行器(1)首部的最前端，照明器(1.6.2)对称布置在两侧的翼(1.2)上，压力传感器(1.6.3)布置在航行器(1)的首部，机器手(1.7)布置在航行器(1)的首部并且抓爪向前。
3.根据权利要求1或2所述的充水管道内部检测用机器人，其特征在于：所述检测机构(1.6)还包括成像声呐(1.6.6)，成像声呐(1.6.6)的控制信号输入端与控制单元(6)的控制信号输出端连接，成像声呐(1.6.6)的信号输出端与信号传输模块(5)的输入端连接。
4.根据权利要求1或2所述的充水管道内部检测用机器人，其特征在于：所述翼(1.2)的内部充填有浮性材料。
5.根据权利要求3所述的充水管道内部检测用机器人，其特征在于：所述翼(1.2)的内部充填有浮性材料。
6.根据权利要求4所述的充水管道内部检测用机器人，其特征在于：所述轮式行走机构(1.5)包括四只脚轮(1.5.1)。
7.根据权利要求5所述的充水管道内部检测用机器人，其特征在于：所述轮式行走机构(1.5)包括四只脚轮(1.5.1)。
8.根据权利要求6所述的充水管道内部检测用机器人，其特征在于：所述线缆(2.1)为光缆(2.1.1)、凯夫拉纤维加强芯(2.1.2)、充填物(2.1.3)和PE护套(2.1.4)组成的加强型超细漂浮线缆。
9.根据权利要求5所述的充水管道内部检测用机器人，其特征在于：所述线缆(2.1)为光缆(2.1.1)、凯夫拉纤维加强芯(2.1.2)、充填物(2.1.3)和PE护套(2.1.4)组成的加强型超细漂浮线缆。
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