CN109625219A - 有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统及方法 - Google Patents

有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统及方法，涉及海底电缆巡检领域。目前的水下机器人不能兼顾工作的可靠性和巡检效果。本发明包括水下机器人、工作船，工作船通过脐带缆与水下机器人相连；所述的水下机器人包括ROV本体、浮体、推进器、照明及摄影装置、机械臂、水下定位装置、底脚；本技术方案中采用ROV水下机器人，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆被绞入螺旋桨中；且ROV水下机器由工作船直接供电，水下机器人获取的巡检信息通过脐带缆传回工作船，工作可靠，防止丢失，同时水下机器人可携带机械臂等仪器，有效提高巡检质量，对于不确定的情况，可以采用仪器进行确定。

Description

有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统及方法
技术领域
本发明涉及海底电缆巡检领域，尤其涉及有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统及方法。
背景技术
国内沿海区域水下情况复杂，渤海、黄海、东海与南海的水下地质条件差异很大，已敷设海底电缆根据工程实际情况，水下敷设地点和敷设环境各不相同。由于早年水下工程设备的限制，早期敷设的海底电缆几乎都是以明敷的方式布置的海床上，未施加相应的保护措施，极易遭受自然环境和人类活动的破坏。
海底电力海底电缆在投运后需要定时维护，由于人体机能与潜水设备的限制，海底电缆运维作业人员很难下潜到40m以下水底对海底电缆的运行工作情况进行检查维修。
近年来，随着水下机器人的可靠性、稳定性和安全性不断提高，使用无人水下机器人进行海底电缆运维巡检及故障探测成为了可能。无人水下机器人(U U V ，U nmannedUnderwater Vehicle)也被称作无人水下航行器，是一种工作于水下进行极限作业的无人机器人系统，可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业。无人水下机器人通常分为有缆遥控水下机器人(ROV，Remote Operated Vehicle)和自主水下机器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)两大类。它们最大的区别是，ROV通过脐带海底电缆与水面母船连接，以实现能源供给及信号快速传输，因此操作者可以通过水面母船监视器看到ROV拍摄的实时水下画面或其他探测数据，并控制机器人的水中航行，但其受到脐带海底电缆限制，通常作业范围有限且航行灵活度差，易受海洋船只活动影响，还可能发生海底电缆缠绕、断裂导致机器人损坏或丢失。AUV则可以脱离水面母船支持，具有能源独立、机动灵活、隐蔽性强等优点，但其对通过无线与主机相连，一旦通讯模块的损坏，或受到干扰，便有可能丢失，可靠性差；另外，AUV由蓄电池供电，供电有限，在水下时间受到限制，且也无法携带大重量的机械臂等仪器，影响对海底电缆的巡检效果，以上两种水下机器人的故障点检测不理想；不能兼顾工作的可靠性和巡检效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统及方法，以达到兼顾工作的可靠性和巡检效果，且故障点检测准确的目的。为此，本发明采取以下技术方案。
有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统，其特征在于：包括水下机器人及与水下机器人相连的工作船，工作船通过脐带缆与水下机器人相连以控制水下机器人并提供电能给水下机器人；所述的水下机器人包括ROV本体、设于ROV本体上部的浮体、设于ROV本体上的推进器、设于ROV本体的照明及摄影装置、设于ROV本体前部的电磁感应探测仪器和机械臂、用于水下机器人定位的水下定位装置、设于ROV本体下方的底脚；工作时， 根据预先的海底电缆路由图，结合工作船GNSS装置和水下机器人水下定位装置，将水下机器人驶至巡检作业点附近位置；由频谱分析仪器中寻找频率最弱的点，利用信号发生器在被测电缆终端施加该频率信号；电磁感应探测仪器探测载波信号；当搜寻到海底电缆后，工作船控制水下机器人的方位，使电磁感应探测仪器的两组线圈处于被测海底电缆上方；当电磁感应探测仪器两组线圈处于被测海底电缆上方后，根据电磁感应探测仪器搜集的信号，跟踪海底电缆，当信号消失，则信号消失点确定为海缆故障点位置，发现海底电缆故障点时，水下机器人停止前进，利用光学设备和/或声学设备对异常点近观检测、摄影、记录坐标；工作船跟随水下机器人航行，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆被绞入螺旋桨中，同时脐带缆每间隔一定距离配置重物，以减少脐带缆受推力或浮力影响；水下机器人的信息通过脐带缆传输到工作船，工作船及时将数据保存至存储器中。本技术方案中采用ROV水下机器人，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆被绞入螺旋桨中；且ROV水下机器由工作船直接供电，水下机器人获取的巡检信息通过脐带缆传回工作船，工作可靠，防止丢失，同时水下机器人可携带机械臂等仪器，有效提高巡检质量，对于不确定的情况，可以采用仪器进行确定。本技术方案通过工作船、水下机器人实现故障点的准确判断，现场直接显示故障点的信息，利于当场处理，有效提高工作效率，加快维修速度，保证用电。
作为优选技术手段：所述的底脚由左右两对称设置支脚组成，两支脚的前后两端向上翘起。支脚可以防止水下机器人陷入淤泥中，两头的翘起，可减少阻力。
作为优选技术手段：所述的ROV本体的前部设有第一机械臂和第二机械臂，所述的第一机械臂、第二机械臂与ROV本体可拆卸式连接。视任务的不同，选择对应的机械臂，使用灵活、方便。
作为优选技术手段：所述的第一机械臂的头部设有两对卡钳，每对卡钳由两个弧形卡爪组成，两卡爪相对交错设置。弧形的卡爪可推、举、拉、锯等。
作为优选技术手段：两卡爪的相对侧设有锯齿。锯齿可以用于锯线缆等。
作为优选技术手段：所述的工作船的螺旋浆的外侧设有保护罩以防止螺旋桨绞断脐带缆。
本发明的另一个目的是提供一种有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检方法，其包括以下步骤：
1） 工作船搭载水下机器人到达指定海域；
2） 水下机器人检查完毕后，入水缓慢下潜；脐带缆每间隔一定距离配置重物，以减少脐带缆受推力或浮力的负面影响；
3） 根据预先的海底电缆路由图，结合工作船GNSS装置和水下机器人水下定位装置，将水下机器人驶至巡检作业点附近位置；
4）从工作船的频谱分析仪器中寻找频率最弱的点，利用信号发生器在被测电缆终端施加该频率信号；打开电磁感应探测仪器搜寻海底电缆，当搜寻到海底电缆后，工作船控制水下机器人的方位，使电磁感应探测仪器的两组线圈处于被测海底电缆上方；
5）当电磁感应探测仪器两组线圈处于被测海底电缆上方后，跟踪海底电缆；
6） 在巡检中水下机器人所有仪器参数和视频信息通过脐带缆传输到水下机器人控制室和工作船驾驶室，并及时保存数据；
7）根据预先的海底电缆路由图及电磁感应探测仪器的指示，工作船通过脐带缆控制水下机器人沿海底电缆巡航，工作船随水下机器人航行；
8） 工作船利用电磁感应探测仪器搜集的信号控制ROV前进，当信号消失，则信号消失点为海缆故障点位置；
9）发现海底电缆故障点时，水下机器人停止前进，利用光学设备和/或声学设备对故障点近观检测、摄影、记录坐标；若水下机器人携带机械臂，则利用机械臂清除故障点的小型障碍物，并进行对应修理、维护；
10） 工作完毕后，回收水下机器人；
11） 将水下机器人回收到甲板；检查水下机器人本体及附件是否完好，并用淡水冲洗，避光保存。
作为优选技术手段： 巡检作业时水下机器人悬浮于海底电缆的正上方，并离开海床一定高度； 水下机器人作业时前进速度小于2kn，根据水下能见度和设备采样率，调整前进速度。
作为优选技术手段：水下机器人沿海底电缆路由巡检时，工作船跟随水下机器人航行，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆被绞入螺旋桨中。
作为优选技术手段：工作时，4个推进器根据矢量原理控制水下机器人前、后、左、右四个方向运行，1个推进器控制上、下运行。
有益效果：本技术方案中采用ROV水下机器人，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆被绞入螺旋桨中；且ROV水下机器由工作船直接供电，水下机器人获取的巡检信息通过脐带缆传回工作船，工作可靠，防止丢失，同时水下机器人可携带机械臂等仪器，有效提高巡检质量，对于不确定的情况，可以采用仪器进行确定。本技术方案实现对海底电缆本体及周边情况的观测，证明其本体未受外力破坏、周边未有影响其正常工作的障碍物，提高海底电缆运行维护的可靠性和安全性；
本技术方案通过工作船、水下机器人实现故障点的准确判断，现场直接显示故障点的信息，利于当场处理，有效提高工作效率，加快维修速度，保证用电。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的流程图。
图中：1-ROV本体；2-浮体；3-推进器；4-照明及摄影装置；5-机械臂；6-海底电缆；7-脐带缆；8-声纳；9-底脚；10-电磁感应探测仪器。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统，其特征在于：包括水下机器人及与水下机器人相连的工作船，工作船通过脐带缆7与水下机器人相连以控制水下机器人并提供电能给水下机器人；所述的水下机器人包括ROV本体1、设于ROV本体1上部的浮体2、设于ROV本体1上的推进器3、设于ROV本体1的照明及摄影装置4、设于ROV本体1前部的电磁感应探测仪器10和机械臂5、用于水下机器人定位的水下定位装置、设于ROV本体1下方的底脚9；工作时， 根据预先的海底电缆6路由图，结合工作船GNSS装置和水下机器人水下定位装置，将水下机器人驶至巡检作业点附近位置；由工作船上的频谱分析仪器中寻找频率最弱的点，利用信号发生器在被测电缆终端施加该频率信号；电磁感应探测仪器10探测载波信号；当搜寻到海底电缆6后，工作船控制水下机器人的方位，使电磁感应探测仪器10的两组线圈处于被测海底电缆6上方；当电磁感应探测仪器10两组线圈处于被测海底电缆6上方后，根据电磁感应探测仪器10搜集的信号，跟踪海底电缆6，当信号消失，则信号消失点确定为海缆故障点位置，发现海底电缆故障点时，水下机器人停止前进，利用光学设备和/或声学设备对异常点近观检测、摄影、记录坐标；工作船跟随水下机器人航行，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆7被绞入螺旋桨中，同时脐带缆7每间隔一定距离配置重物，以减少脐带缆7受推力或浮力影响；水下机器人的信息通过脐带缆7传输到工作船，工作船及时将数据保存至存储器中。本技术方案中采用ROV水下机器人，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆7被绞入螺旋桨中；且ROV水下机器由工作船直接供电，水下机器人获取的巡检信息通过脐带缆7传回工作船，工作可靠，防止丢失，同时水下机器人可携带机械臂5等仪器，有效提高巡检质量，对于不确定的情况，可以采用仪器进行确定。本技术方案通过工作船、水下机器人实现故障点的准确判断，现场直接显示故障点的信息，利于当场处理，有效提高工作效率，加快维修速度，保证用电。
为了防止水下机器人陷入淤泥中，所述的底脚9由左右两对称设置支脚组成，两支脚的前后两端向上翘起。两头的翘起，可减少阻力。
为提高使用的灵活性，所述的ROV本体1的前部设有第一机械臂5和第二机械臂5，所述的第一机械臂5、第二机械臂5与ROV本体1可拆卸式连接。视任务的不同，选择对应的机械臂5，使用灵活、方便。
为提高机械臂5的功能，所述的第一机械臂5的头部设有两对卡钳，每对卡钳由两个弧形卡爪组成，两卡爪相对交错设置。弧形的卡爪可推、举、拉、锯等。
为实现大直径海底电缆6的巡检和维护，两卡爪的相对侧设有锯齿。锯齿可以用于锯线缆等。
为进一步防止绞断脐带缆7，所述的工作船的螺旋浆的外侧设有保护罩以防止螺旋桨绞断脐带缆7。
有缆遥控水下机器人对海底电缆的巡检方法，其包括以下步骤：
1） 工作船搭载水下机器人到达指定海域；
2） 水下机器人检查完毕后，入水缓慢下潜；脐带缆7每间隔一定距离配置重物，以减少脐带缆7受推力或浮力的负面影响；
3） 根据预先的海底电缆6路由图，结合工作船GNSS装置和水下机器人水下定位装置，将水下机器人驶至巡检作业点附近位置；
4）从工作船的频谱分析仪器中寻找频率最弱的点，利用信号发生器在被测电缆终端施加该频率信号；打开电磁感应探测仪器10搜寻海底电缆6，当搜寻到海底电缆6后，工作船控制水下机器人的方位，使电磁感应探测仪器10的两组线圈处于被测海底电缆6上方；
5）当电磁感应探测仪器10两组线圈处于被测海底电缆6上方后，跟踪海底电缆6；
6） 在巡检中水下机器人所有仪器参数和视频信息通过脐带缆7传输到水下机器人控制室和工作船驾驶室，并及时保存数据；
7）根据预先的海底电缆6路由图及电磁感应探测仪器10的指示，工作船通过脐带缆7控制水下机器人沿海底电缆6巡航，工作船随水下机器人航行；
8） 工作船利用电磁感应探测仪器10搜集的信号控制ROV前进，当信号消失，则信号消失点为海缆故障点位置；
9）发现海底电缆故障点时，水下机器人停止前进，利用光学设备和/或声学设备对故障点近观检测、摄影、记录坐标；若水下机器人携带机械臂5，则利用机械臂5清除故障点的小型障碍物，并进行对应修理、维护；
10） 工作完毕后，回收水下机器人；
11） 将水下机器人回收到甲板；检查水下机器人本体及附件是否完好，并用淡水冲洗，避光保存。
水下机器人的巡检方法主要步骤如图2所示。
巡检作业时水下机器人悬浮于海底电缆6的正上方，并离开海床一定高度； 水下机器人作业时前进速度小于2kn，根据水下能见度和设备采样率，调整前进速度。
水下机器人沿海底电缆6路由巡检时，工作船跟随水下机器人航行，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆7被绞入螺旋桨中。
工作时，4个推进器3根据矢量原理控制水下机器人前、后、左、右四个方向运行，1个推进器3控制上、下运行。
以上图1、2所示的有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统及方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (10)

1.有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统，其特征在于：包括水下机器人及与水下机器人相连的工作船，工作船通过脐带缆（7）与水下机器人相连以控制水下机器人并提供电能给水下机器人；所述的水下机器人包括ROV本体（1）、设于ROV本体（1）上部的浮体（2）、设于ROV本体（1）上的推进器（3）、设于ROV本体（1）的照明及摄影装置（4）、设于ROV本体（1）前部的电磁感应探测仪器（10）和机械臂（5）、用于水下机器人定位的水下定位装置、设于ROV本体（1）下方的底脚（9）；工作时， 根据预先的海底电缆（6）路由图，结合工作船GNSS装置和水下机器人水下定位装置，将水下机器人驶至巡检作业点附近位置；由工作船上的频谱分析仪器中寻找频率最弱的点，利用信号发生器在被测电缆终端施加该频率信号；电磁感应探测仪器（10）探测载波信号；当搜寻到海底电缆（6）后，工作船控制水下机器人的方位，使电磁感应探测仪器（10）的两组线圈处于被测海底电缆（6）上方；当电磁感应探测仪器（10）两组线圈处于被测海底电缆（6）上方后，根据电磁感应探测仪器（10）搜集的信号，跟踪海底电缆（6），当信号消失，则信号消失点确定为海缆故障点位置，发现海底电缆故障点时，水下机器人停止前进，利用光学设备和/或声学设备对异常点近观检测、摄影、记录坐标；工作船跟随水下机器人航行，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆（7）被绞入螺旋桨中，同时脐带缆（7）每间隔一定距离配置重物，以减少脐带缆（7）受推力或浮力影响；水下机器人的信息通过脐带缆（7）传输到工作船，工作船及时将数据保存至存储器中。
2.根据权利要求1所述的有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统，其特征在于：所述的底脚（9）由左右两对称设置支脚组成，两支脚的前后两端向上翘起。
3.根据权利要求2所述的有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统，其特征在于：所述的ROV本体（1）的前部设有第一机械臂（5）和第二机械臂（5），所述的第一机械臂（5）、第二机械臂（5）与ROV本体（1）可拆卸式连接。
4.根据权利要求3所述的有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统，其特征在于：所述的第一机械臂（5）的头部设有两对卡钳，每对卡钳由两个弧形卡爪组成，两卡爪相对交错设置。
5.根据权利要求4所述的有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统，其特征在于：两卡爪的相对侧设有锯齿。
6.根据权利要求5所述的有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统，其特征在于：所述的工作船的螺旋浆的外侧设有保护罩以防止螺旋桨绞断脐带缆（7）。
7.采用权利要求1-6任一权利要求所述的有缆遥控水下机器人对故障海底电缆的巡检系统的巡检方法，其特征在于包括以下步骤：
1） 工作船搭载水下机器人到达指定海域；
2） 水下机器人检查完毕后，入水缓慢下潜；脐带缆（7）每间隔一定距离配置重物，以减少脐带缆（7）受推力或浮力的负面影响；
3） 根据预先的海底电缆（6）路由图，结合工作船GNSS装置和水下机器人水下定位装置，将水下机器人驶至巡检作业点附近位置；
4）从工作船的频谱分析仪器中寻找频率最弱的点，利用信号发生器在被测电缆终端施加该频率信号；打开电磁感应探测仪器（10）搜寻海底电缆（6），当搜寻到海底电缆（6）后，工作船控制水下机器人的方位，使电磁感应探测仪器（10）的两组线圈处于被测海底电缆（6）上方；
5）当电磁感应探测仪器（10）两组线圈处于被测海底电缆（6）上方后，跟踪海底电缆（6）；
6） 在巡检中水下机器人所有仪器参数和视频信息通过脐带缆（7）传输到水下机器人控制室和工作船驾驶室，并及时保存数据；
7）根据预先的海底电缆（6）路由图及电磁感应探测仪器（10）的指示，工作船通过脐带缆（7）控制水下机器人沿海底电缆（6）巡航，工作船随水下机器人航行；
8） 工作船利用电磁感应探测仪器（10）搜集的信号控制ROV前进，当信号消失，则信号消失点为海缆故障点位置；
9）发现海底电缆故障点时，水下机器人停止前进，利用光学设备和/或声学设备对故障点近观检测、摄影、记录坐标；若水下机器人携带机械臂（5），则利用机械臂（5）清除故障点的小型障碍物，并进行对应修理、维护；
10） 工作完毕后，回收水下机器人；
11） 将水下机器人回收到甲板；检查水下机器人本体及附件是否完好，并用淡水冲洗，避光保存。
8.根据权利要求7所述的巡检方法，其特征在于： 巡检作业时水下机器人悬浮于海底电缆（6）的正上方，并离开海床一定高度； 水下机器人作业时前进速度小于2kn，根据水下能见度和设备采样率，调整前进速度。
9.根据权利要求8所述的巡检方法，其特征在于：水下机器人沿海底电缆（6）路由巡检时，工作船跟随水下机器人航行，船的螺旋桨和侧推器始终连续运转，防止水下机器人的脐带缆（7）被绞入螺旋桨中。
10.根据权利要求8所述的巡检方法，其特征在于：工作时，4个推进器（3）根据矢量原理控制水下机器人前、后、左、右四个方向运行，1个推进器（3）控制上、下运行。
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