CN109436255B - 一种水下长距离隧洞检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利工程机器人领域，更具体地说，它涉及一种水下长距离隧洞检测机器人，旨在解决现有水下机器人难以适用于隧洞的问题，其技术方案要点是：包括多个主舱、连接于主舱的电池舱、安装于电池舱的水下定位模组、安装于主舱及电池舱的观测模组、连接主舱与电池舱的伸缩固定架、安装于伸缩固定架且推进机器人运动的推进模组、连接于主舱且自悬浮于水体中的线缆，其中电池舱内设有储能模块。本发明通过线缆、储能模块、电池舱与舱体的设计，达到长距离检测隧洞情况的目的。

Description

一种水下长距离隧洞检测机器人

技术领域

本发明涉及水利工程机器人领域，更具体地说，它涉及一种水下长距离隧洞检测机器人。

背景技术

城市生活用水和工农业生产用水都要求有稳定、可靠的供水。采用输水隧洞进行跨区域长距离调水是当前保障城市用水的一个重要手段，输水隧洞在运行一段时间后，随着时间累积、地质条件变化、沉降等多种因素的影响，在洞壁处会产生裂缝、裂纹、坍塌等。如不能及时的发现问题并进行评估和补救，会直接影响隧洞调水的安全运营，所以输水隧洞检测一直都是一个重要的研究课题。

现有的一种检测方法是对隧洞进行断水排空后，派遣检查人员进入隧洞进行观察。但输水隧洞断水排空检查会出现诸多问题，第一，输水隧洞结构环境在断水前长期处在有压的状态下，突然的断水排空，会导致隧洞内部的应力场发生变化；第二，输水隧洞多为长距离且内径大、流量大，断水排空需耗费大量的人力、物力和财力。第三，输水隧洞断水排空会影响城市的供水。

综上所述，断水排空造成的影响巨大，这也造成了多数的输水隧洞为保证不间断供水而无法检测的现状。

另一种检测方法是通过水下机器人进行检测，现有的水下机器人受所携带通讯线缆的限制在检测距离上有限，并且不具备抗流能力，在水利工程中多应用在坝体、发电洞等短距离检测的场景；另外，部分工业级水下机器人能够在水下环境较为恶劣的情况下检测工作，但多应用于广域水域中，难以适应隧洞洞径各不相同的复杂环境。

工业级水下机器人的能源和控制指令都由水面控制台提供，通过脐带缆传递给水下机器人。其优点在于动力充足可以支撑复杂或大型的探测设备，信息采集和数据传送工作快捷方便，数据采集量大。其主要缺陷就是自身的生命线--脐带缆，在短程操作中问题不大，但是在长距离水下作业中，随着脐带缆长度的大幅增加，缆线上面能量的损耗是巨大的，无法为机器人提供足够的动力。

因此，需要一种新的水下机器人，来解决输水隧洞安全检测的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种水下长距离隧洞检测机器人，通过线缆、储能模块、电池舱与舱体的设计，达到长距离检测隧洞情况的目的。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种水下长距离隧洞检测机器人，包括多个主舱、连接于主舱的电池舱、安装于电池舱的水下定位模组、安装于主舱及电池舱的观测模组、连接主舱与电池舱的伸缩固定架、安装于伸缩固定架且推进机器人运动的推进模组、连接于主舱的线缆，其中电池舱内设有储能模块，所述主舱、所述电池舱的舱体均为流线圆柱形设计，且舱体的两端迎流面均设有球形罩。

长距离检测需要超长的线缆作为通讯介质，若线缆同时提供能源，在线缆上能量损耗巨大，故本专利采用机身携带能源的方式，由电池舱内携带的能源模块提供能源，同时，在不通过线缆提供能源后，线缆的重量也将会大大减轻，从而可以通过增大线缆与水体接触面积的方式自悬浮于水体中，不需要机体提供额外的拉力。

本发明进一步设置为：所述主舱、所述电池舱的舱体均为流线圆柱形设计，且舱体的两端迎流面均设有球形罩。

在使用储能模块的情况下，能源损耗是需要注意的问题，能源的消耗很大程度上取决于航速以及所受阻力，在一定的航速条件下，阻力大小则成为影响能耗的决定因素，航行中机器所受的阻力与载体型线各相关参数关系密切，因此，为减小行进阻力，减少动力消耗，机身的迎流面设置为球形罩，舱体为流线圆柱形壳体的形状。同时，此种结构设计内部空间较大，易于放置更大的能源模块以适应更长的航行距离，并可灵活安排观测模组的布局。

本发明进一步设置为：所述主舱内设有储存模块、控制器，可切换为ROV和AUV两种工作模式。

由于隧洞的形状可以从建筑图纸中得出，所以可以通过预设运行行程的方式，保证机器具备ROV和AUV两种工作模式，既能通过水面设备连接线缆完成水下机器人的控制功能，又能由水下机器人本体自带控制器完成自身功能控制，执行狭窄水域的水下作业任务，一方面节约了人力，另一方面是由于有缆水下机器人的电缆在水下容易发生缠绕，不适合水下环境复杂和作业空间受限的区域，当用于长距离处于隧洞中时，存在断缆失控风险，而无缆水下机器人工作模式由自带储能模块供电，自主完成水下作业任务，活动范围受空间限制较小；

当水下机器人自主进行水下作业任务时，信息储存于储存模块中，并在作业任务执行完毕后，由工作人员取出。

本发明进一步设置为：所述线缆使用光纤线缆。

光纤通信是一种以光波为载体、光导纤维为传输媒质的通讯方式，ROV工作模式下，水下机器人执行水下作业任务时需要实时向岸基传输图像及状态信息，同时岸基根据传回的信息进行判断后进行精确控制，这就要求整个机器人的图像、数据和控制命令传输具有较高的实时性，同时传输系统必须具备很低的误码率和强大的抗干扰能力，光纤通信系统作为长距离检测理想的技术手段被采用，同时光纤线缆体积小重量轻，为自悬浮线缆制作提供有利条件。

本发明进一步设置为：所述伸缩固定架可调整电池舱与主舱的间距、主舱之间的间距；所述主舱设有偶数个，所述伸缩固定架包括安装于主舱之间的水平伸缩固定杆、固定于水平伸缩固定杆中央且连接电池舱的竖直伸缩固定杆，其中竖直伸缩固定杆与水平伸缩固定杆垂直设置，主舱与水平伸缩固定杆连接后的整体重心、电池舱的重心位于同一铅锤线上。

水下检测机器人在进行工作前，可以通过伸缩固定架调节主舱之间、主舱与电池舱之间的间距，从而使整个水下检测机器人的大小发生改变，以适应不同孔径的隧洞；

通过主舱与电池舱的设计，使得机器人整体重心平稳向下，浮心与重心位于同一铅垂线上，其位置远高于重心，进而使得机器人在水中可以更轻易的保持平衡，从而方便的在推进器的推进下进行多维度灵活、平稳运动。

本发明进一步设置为：所述水平伸缩固定杆包括连接主舱且开设有滑槽的伸缩承力杆、滑动连接于滑槽且开设有螺纹孔的伸缩接续杆，其中，伸缩承力杆开设有与螺纹孔相配合的通孔，且设置有贯穿通孔并螺纹连接于螺纹孔的固定螺栓；所述竖直伸缩固定杆与水平伸缩固定杆连接方式相同。

通过固定螺栓的设计，使得水下机器人的高度与宽度能够在进入隧洞前进行调节，调整完成之后，再将水下机器人放入水中进行水下检测。

本发明进一步设置为：推进模组包括多个朝向不同方向推进的推进器，所述推进器采用正向旋转与反向旋转推力一致的桨叶，推进器包括安装于伸缩固定架的推进器固定架、连接于推进器固定架内的直流无刷电机、连接于直流无刷电机输出轴的螺旋桨、固定于推进器固定架的导流罩，其中螺旋桨的桨叶设有三片，且桨叶各小段曲面均具有弯曲弧度。

通过采用正向旋转与反向旋转推力一致的桨叶，使得桨叶正向旋转时，在桨叶上产生向前的推进力，桨叶反方向运动时，在桨叶上产生向后的推进力，水下检测机器人需要正反方向运动时，均产生同等运动效果，使得水下检测机器人可以提供更加灵活的推力，从而适应隧洞中的不同环境，有利于水下检测机器人的长距离检测；

螺旋桨由直流无刷电机直接带动，直流无刷电机体积小但输出力大，并且通过安装自主研制的螺旋桨，推进器的正反转推力一致，使得推进器的动力充足，机器人水下的最高时速能达到3节；

同时直流无刷电机效率高、能耗低，能支持机器人长时间运行，有利于机器人长距离检测；

桨叶各小段曲面具有弯曲弧度，保证各剖面在升阻较大的迎角工作，水流过桨叶各小段时产生较大的水动力，以获得较大的拉力，提高效率。

本发明进一步设置为：所述推进器沿不同方向分为多个升降推动器、多个水平推动器，其中水平推动器的推进方向不经过水下机器人的重心。

通过采用上述技术方案，推进器动力充足且分布结构合理，机器人可以完成前进、后退、上浮、下潜、左右偏转和左右平移等动作，从而达到具有足够动力且灵活运动的目的。

本发明进一步设置为：所述观测模组包括测距声呐、摄像头-照明灯模组，其中测距声呐于每个主舱外壁水平朝外各设有至少一个，同时测距声呐还于电池舱中心位置竖直向下设有至少一个，测距声呐与主舱、测距声呐与电池舱均相切安装。

为了降低水阻、防止测距声呐的安装破坏水下机器人的整体形状，将测距声呐与主舱、电池舱相切安装，同时测距声呐于机器人的各方向均设有，使得机器人对于周围环境的掌握程度更高，探测的更加完整。

本发明进一步设置为：每个所述主舱中间位置上朝外侧相切安装有多个摄像头-照明灯模组，其中一部分与水平方向向上成45度角，另一部分与水平方向向下成45度角；电池舱上也安装有多个摄像头-照明灯模组，其中一部分在电池舱距前端球形罩四分之一的位置竖直朝下安装，另一部分安装在电池舱前端球形罩处，且与水平方向上向下呈45度角。

通过摄像头-照明灯模组进行摄像，有利于操作人员分析隧洞内情况，从而解决隧洞产生的问题；同时通过多个摄像头-照明灯模组，于多个方向进行观测，使得得到的数据更加准确。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一，通过伸缩固定架的设计，使得水下检测机器人的大小可以根据隧洞大小进行调节；

其二，通过桨叶的设计，使得水下检测机器人能够方便灵活的进行移动；

其三，通过ROV和AUV两种工作模式的切换，不仅节约了人力，还提高了水下机器人对于复杂环境的适应能力；

其四，通过光纤线缆与电池舱的配合，使得线缆的总重量得以减轻，不再为水下机器人增加额外的重量负担；

其五，通过主舱壳体、电池舱壳体的形状设计，使得水下机器人受到的阻力大大降低。

附图说明

图1为本实施例一的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为水平伸缩固定杆的结构示意图；

图4为推进器的结构示意图一；

图5为推进器的结构示意图二。

图中：1、主舱；11、舱体；12、球形罩；2、电池舱；3、伸缩固定架；31、推进延长杆；32、水平伸缩固定杆；33、垂直伸缩固定杆；34、伸缩承力杆；341、滑槽；35、伸缩接续杆；36、固定螺栓；37、螺纹孔；38、通孔；4、推进器；41、螺旋桨固定架；42、直流无刷电机；43、螺旋桨；431、桨叶；44、升降推动器；45、水平推动器；47、导流罩；5、摄像头-照明灯模组；6、测距声呐；7、水下定位模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一：一种水下长距离隧洞检测机器人，如图1所示，包括两个主舱1、连接于两主舱1之间的电池舱2、连接主舱1与电池舱2的伸缩固定架3、安装于伸缩固定架3且推进机器人运动的推进器4、安装于电池舱2内的储能模块，其中储能模块为电池组。

如图1、图3所示，伸缩固定架3包括连接两主舱1的水平伸缩固定杆32、一端固定于水平伸缩固定杆32中央且另一端连接电池舱2顶部的垂直伸缩固定杆33；水平伸缩固定杆32、垂直伸缩固定杆33各设有两根，垂直伸缩固定杆33安装于水平伸缩固定杆32的下方，且与水平伸缩固定杆32垂直设置。

如图2、图3所示，水平伸缩固定杆32由伸缩承力杆34、伸缩接续杆35组成，伸缩承力杆34一端安装于主舱1，沿伸缩承力杆34长度方向开设有滑槽341，滑槽341开设于伸缩承力杆34远离主舱1的一端，且滑槽341呈长方体状。伸缩接续杆35滑动连接于滑槽341内，且伸缩接续杆35表面开设有多个螺纹孔37，伸缩承力杆34开设有与伸缩接续杆35相配合的通孔38且设置有穿过通孔38并螺纹连接于螺纹孔37的固定螺栓36；通过拧紧固定螺栓36，使得伸缩承力杆34与伸缩接续杆35位置相对固定；垂直伸缩固定杆33与水平伸缩固定杆32的连接结构相同，垂直伸缩固定杆33的伸缩承力杆34固定于水平伸缩固定杆32中伸缩承力杆34的底侧，垂直伸缩固定杆33的伸缩接续杆35固定于电池舱2。

如图1所示，主舱1有两个且两主舱1之间保持水平，主舱1中间为舱体11部分，舱体11部分为线圆柱形设计，主舱1两端为与舱体11部分同轴同直径设置的球形罩12；电池舱2安装于垂直伸缩固定杆33远离主舱1的一端，电池舱2与主舱1结构相同，由舱体11部分和两个球形罩12组成。

水下长距离隧洞检测机器人上共安装有六组摄像头-照明灯模组5，摄像头-照明灯模组5由一个摄像头和两个照明灯组成，照明灯位于摄像头两侧。

每个主舱1中间位置上朝外侧相切安装有两组摄像头-照明灯模组5，其中一组与水平方向上成45度角，另一组与水平方向上成负45度角。

电池舱2上也安装有两组摄像头-照明灯模组5，其中一个在电池舱2四分之一的位置朝正下方安装，另一个安装在电池舱2前端球形罩12处，与水平方向成负45度角。

水下长距离隧洞检测机器人上共安装有三个测距声呐6，每个主舱1中间位置上朝外侧相切安装有一个测距声呐6，角度为沿水平方向向外；最后一个测距声呐6在电池舱2中间位置朝正下方安装。

水下长距离隧洞检测机器人上安装有一个水下定位模块7，安装在电池舱2前端的正上方。

如图4、图5所示，推进器4由螺旋桨固定架41、直流无刷电机42、螺旋桨43、导流罩47组成；螺旋桨固定架41固定于伸缩固定架3（图1）上，螺旋桨固定架41内安装有直流无刷电机42，直流无刷电机42的输出轴与螺旋桨43同轴固定，且穿过螺旋桨43并连接有导流罩47，导流罩47抵紧于螺旋桨固定架41。

螺旋桨43包括连接于直流无刷电机42输出轴的轮毂、固定于轮毂周壁的桨叶431；桨叶431有三片，且桨叶431的正向旋转与反向旋转推力一致，螺旋桨43为导管螺旋桨43，并且采用铝合金材质。

如图1、图2所示，水下长距离隧洞检测机器人共有六个推进器4，两个升降推动器44分别朝外固定在两根水平伸缩固定杆32中间处，且为前后对称安装；两根竖直伸缩固定杆中心处皆连接有推进延长杆31，推进延长杆31与水平伸缩固定杆32平行，四个水平推动器45分别固定于两根推进延长杆31的两端，且与主舱1的轴线方向分别呈45度、135度、负45度、负135度，水平推动器45的推进方向不经过水下机器人的重心，而是与水下机器人的重心有一定间距，从而得到更好的转向效果。在对水下机器人进行伸缩调节时，同时需要对推进器4的位置进行调节，以使重心与推进器4的推进方向始终处于同一平面上。

水下长距离隧洞检测机器人还包括设置于水面的控制系统，控制系统通过光纤线缆与主舱1连接。主舱1内设有储存模块、控制器，可切换为ROV（有缆操作模式）和AUV（无缆操作模式）两种工作模式，当使用R0V模式时，工作人员正常操作，通过光纤线缆收到信息、发送指令；当使用AUV模式时，需要使用储存模块，即储存芯片，将观测模组收集到的信息储存起来，以便工作人员使用。AUV模式通过控制器进行智能控制，控制器一方面根据隧洞的分布预先设计运行轨迹，来对水下机器人进行指导与智能控制，同时该控制器还通过观测模组实时控制水下机器人与隧洞洞壁的距离，从而控制推进器4，使水下机器人执行升降、转动、平移等操作。

工作过程：当通过技术手段检测到输水隧洞洞径之后，根据洞径大小，滑动伸缩接续杆35，调整伸缩接续杆35与伸缩承力杆34之间长度，使得主舱1与电池舱2之间的距离能够通过洞径大小；

启动推进器4，同时打开摄像头及照明灯，然后启动升降推动器44、水平推动器4，驱动水下长距离隧洞检测机器人准确地深入隧洞中，贴近洞壁查看。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：包括多个主舱（1）、连接于主舱（1）的电池舱（2）、安装于电池舱（2）的水下定位模组、安装于主舱（1）及电池舱（2）的观测模组、连接主舱（1）与电池舱（2）的伸缩固定架（3）、安装于伸缩固定架（3）且推进机器人运动的推进模组、连接于主舱（1）且自悬浮于水体中的线缆，其中电池舱（2）内设有储能模块；

所述推进模组包括多个朝向不同方向推进的推进器（4），所述推进器（4）采用正向旋转与反向旋转推力一致的桨叶（431），推进器（4）包括安装于伸缩固定架（3）的推进器固定架，所述推进器（4）沿不同方向分为多个升降推动器（44）、多个水平推动器（45），所述多个水平推动器（45）与主舱（1）的轴线方向分别呈45度、135度、负45度、负135度，水平推动器（45）的推进方向不经过水下机器人的重心，在对水下机器人进行伸缩调节时，对推进器（4）的位置进行调节，以使重心与推进器（4）的推进方向始终处于同一平面上。

2.根据权利要求1所述的一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：所述主舱（1）、所述电池舱（2）的舱体（11）均为流线圆柱形设计，且舱体（11）的两端迎流面均设有球形罩（12）。

3.根据权利要求1所述的一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：所述线缆使用光纤线缆。

4.根据权利要求3所述的一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：所述主舱（1）内设有储存模块、控制器，可切换为ROV和AUV两种工作模式。

5.根据权利要求1所述的一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：所述伸缩固定架（3）可调整电池舱（2）与主舱（1）的间距、主舱（1）之间的间距；所述主舱（1）设有偶数个，所述伸缩固定架（3）包括安装于主舱（1）之间的水平伸缩固定杆（32）、固定于水平伸缩固定杆（32）中央且连接电池舱（2）的竖直伸缩固定杆，其中竖直伸缩固定杆与水平伸缩固定杆（32）垂直设置，主舱（1）与水平伸缩固定杆（32）连接后的整体重心、电池舱（2）的重心位于同一铅锤线上。

6.根据权利要求5所述的一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：所述水平伸缩固定杆（32）包括连接主舱（1）且开设有滑槽（341）的伸缩承力杆（34）、滑动连接于滑槽（341）且开设有螺纹孔（37）的伸缩接续杆（35），其中，伸缩承力杆（34）开设有与螺纹孔（37）相配合的通孔（38），且设置有贯穿通孔（38）并螺纹连接于螺纹孔（37）的固定螺栓（36）；所述竖直伸缩固定杆与水平伸缩固定杆（32）连接方式相同。

7.根据权利要求1所述的一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：所述推进器（4）还包括连接于推进器固定架内的直流无刷电机（42）、连接于直流无刷电机（42）输出轴的螺旋桨（43）、固定于推进器固定架的导流罩（47），其中螺旋桨（43）的桨叶（431）设有三片，且桨叶（431）各小段曲面均具有弯曲弧度。

8.根据权利要求1所述的一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：所述观测模组包括测距声呐（6）、摄像头-照明灯模组（5），其中测距声呐（6）于每个主舱（1）外壁水平朝外各设有至少一个，同时测距声呐（6）还于电池舱（2）中心位置竖直向下设有至少一个，测距声呐（6）与主舱（1）、测距声呐（6）与电池舱（2）均相切安装。

9.根据权利要求8所述的一种水下长距离隧洞检测机器人，其特征在于：每个所述主舱（1）中间位置上朝外侧相切安装有多个摄像头-照明灯模组（5），其中一部分与水平方向向上成45度角，另一部分与水平方向向下成45度角；电池舱（2）上也安装有多个摄像头-照明灯模组（5），其中一部分在电池舱（2）距前端球形罩（12）四分之一的位置竖直朝下安装，另一部分安装在电池舱（2）前端球形罩（12）处，且与水平方向上向下呈45度角。