CN109715491A - 水下交通工具和检查方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种使用水环境机器人系统(110)对定位在水下环境中的管线(P)的目标区段执行操作的方法。所述方法包括以下步骤：将水下机器人交通工具(110)部署到水中并且在视觉上检查所述水下环境以定位所述管线和所述管线的多个焊接接头(402)。使用所述水下机器人交通工具在所述多个焊接接头中的一者处执行清洁操作。所述机器人交通工具可以在海底上着陆并且部署机器人臂(132)以检查所述清洁过的焊接接头。所述水下机器人交通工具随后可以游到下一个焊接接头，并着陆且执行清洁和检查操作，可以重复前述过程，直到检查了所有检查部位为止。

Description

水下交通工具和检查方法
技术领域
一种包括水下机器人和可再用的浮力模块的用于执行水下任务的系统、方法和装置。
背景技术
检查水下基础设施，尤其是在浅水环境中检查水下基础设施，可能比较困难。复杂的潜水支援船(DSV)难以接近浅水场所(例如，小于或等于10m深度的任何场所)，所述潜水支援船通常用于在栓系的潜水员和/或远程操作的交通工具(ROV)的帮助下在较深的水中检查水下管线。一般来说，这些船舶具有动态定位(DP)系统，所述动态定位系统使得所述船舶能够在既定的目标检查场所上方的特定位置稳定下来。典型的DP系统仅适用于10m水深以上。深水ROV配备有可以电控制或者使用液压装置和气动装置控制的机器人臂和操纵器。DSV向它们提供电力和机械动力(气动、液压)、通信信号、控制信号和清洁流体(水射流、喷砂、气蚀射流)。至于潜水员，也使用他们的栓系到DSV的脐带绳向他们提供空气和通信。
浅水环境限制了支援交通工具行驶到紧密接近被检查的结构的能力。因此，检查机器人需要与支援交通工具相距一定距离进行操作，以便在这些区域中执行检查和其他任务。支援交通工具之间的间隔导致操作所述交通工具的若干问题，包括以下问题：在一定距离上进行通信和控制、机器人需要行进从支援交通工具到待检查的结构的距离，以及在机器人处于适当位置时所述机器人执行检查和其他任务的能力。
因此，需要向水下交通工具提供用于执行这些任务的手段以及可以用于成功地实行这些任务的操作方法。可以根据本文公开的本发明来实现浅水环境水下检查。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供一种用于使用水环境机器人系统在多个位置处对水下基础设施执行操作的方法。所述方法包括在接近所述水下基础设施的位置处提供水下机器人交通工具的步骤。使所述水下机器人交通工具在水中移动到所述水下基础设施的所述多个位置中的一个位置。在所述多个位置中的所述一个位置处对所述水下基础设施执行第一操作。操纵所述水下交通工具以与海底表面接合。在所述多个位置中的所述一个位置处对所述水下基础设施执行第二操作。使所述水下机器人交通工具在水中移动到所述水下基础设施的所述多个位置中的另一位置。重复所述通过使所述交通工具移动到另一位置来执行所述第一操作的步骤，直到在所述多个位置中的所有所要的位置处执行所有所要的操作为止。所述方法还包括取回水下交通工具的步骤。
根据另一方面，所述第一操作是清洁操作并且所述第二操作是使用非破坏性传感器对先前清洁的第一位置的检查操作。
根据另一方面，所述水下基础设施是管线并且所述多个位置是沿着所述管线的焊接接头。
根据另一方面，所述操纵所述水下交通工具以与海底表面接合的步骤包括以下步骤：控制并操纵浮力模块以将所述水下交通工具的浮力特性从中性浮力改变为负浮力。
根据另一方面，所述执行第二操作的步骤包括以下步骤：延伸机器人臂并且使用非破坏性传感器进行感测。
根据另一方面，所述使所述水下机器人交通工具在水中移动到另一位置的步骤包括以下步骤：使所述水下交通工具与浮力模块重新接合以将所述水下交通工具的所述浮力特性从负浮力改变为中性浮力并且穿过水移动。
根据本发明的另一方面，提供一种使用水环境机器人系统对定位在水下环境中的管线的目标区段执行操作的方法。所述管线具有定位在沿着其长度的多个位置处的多个焊接接头。所述方法包括在接近所述水下管线的位置处提供水下机器人交通工具的步骤。所述水下机器人交通工具至少包括机器人臂、被适配成使所述水下机器人交通工具沿着海底表面移动的踏面、传感器，以及被适配成通过在水中游动来使所述水下机器人交通工具移动的推进系统。所述方法包括将所述水下机器人交通工具部署到水中的步骤。在视觉上检查对所述水下环境以使用所述水下机器人交通工具来定位所述管线和其多个焊接接头。使用水下机器人交通工具在所述多个焊接接头中的一者处执行清洁操作。操纵所述水下机器人交通工具以在海底表面上着陆并稳定下来。调整所述水下机器人交通工具在所述海底表面上的位置。所述机器人臂被部署成检查所述清洁过的焊接接头并且使用传感器来检查所述清洁过的焊接接头以收集阴极保护和超声波测试数据。将所述机器人臂收藏到适合于所述水下机器人交通工具在水中游动的折叠位置，并且所述水下机器人交通工具在执行视觉检查的同时沿着管线在水中游到所述多个焊接接头中的另一者。对所述管线的目标区段内的多个焊接接头重复所述进行清洁至游到下一个位置的步骤。所述方法还包括以下步骤：致使所述水下机器人交通工具向上游并且准许在水环境的表面处取回所述水下机器人交通工具。
根据另一方面，所述将所述水下机器人交通工具部署到水中的步骤包括从水面支援船部署所述水下机器人交通工具。
根据另一方面，所述将所述水下机器人交通工具部署到水中的步骤包括从陆上位置部署所述水下机器人交通工具并且使用踏面沿着所述海底表面缓慢行进，直到所述水下机器人交通工具移动到水具有准许水下机器人交通工具游动的足够深度的位置为止。
根据另一方面，所述水下机器人交通工具连接到通信中继器，所述通信中继器被配置成准许所述水下机器人交通工具与远程控制台之间的空中通信。
根据另一方面，所述方法还包括使用安装在所述水面支援船下方的声纳传感器来定位所述管线的步骤。
根据另一方面，所述方法还包括使用安装在所述水下机器人交通工具上的声纳传感器来定位所述管线的步骤。
根据另一方面，所述执行清洁操作的步骤包括使用气蚀系统和擦刷系统中的至少一者。
根据另一方面，所述气蚀系统包括由水面船只支持的气蚀引擎。
根据另一方面，所述擦刷系统包括具有用于减小在所述执行清洁操作的步骤期间引起的力的失稳减少构件的系统。
根据另一方面，所述操纵所述水下交通工具以在海底表面上着陆并稳定下来的步骤包括接合所述推进系统以朝向所述海底表面提供向下的力。
根据另一方面，所述调整所述水下机器人交通工具在所述海底表面上的所述位置的步骤包括使用推进器。
根据另一方面，所述调整所述水下机器人交通工具在所述海底表面上的所述位置的步骤包括使用踏面以使对所述水下环境的干扰最小化。
根据另一方面，所述水下机器人交通工具包括浮力控制模块，并且其中所述操纵所述水下机器人交通工具以在海底表面上着陆并稳定下来的步骤包括使用所述浮力控制模块以向所述水下机器人交通工具提供负净浮力特性。
根据另一方面，所述浮力控制模块包括以下各者中的至少一者：可释放的浮子装置、能够在其中压缩空气的容器，以及能够将空气和水引入其中并移除的容器。
权利要求31。如权利要求8所述的方法，其中所述水下机器人交通工具具有足以在所述海底表面上稳定下来并且还足以使用所述推进系统在水中游动的负净浮力特性。
根据另一方面，所述水下机器人交通工具包括浮力控制模块，所述方法还包括以下步骤：在所述在水中沿着管线游到所述多个焊接接头中的另一者的步骤之前使用所述浮力控制模块向所述水下机器人交通工具提供净中性浮力特性。
根据另一方面，所述水下机器人交通工具包括第一摄像机。
根据另一方面，所述水下机器人交通工具包括由所述机器人臂支持的第二摄像机以提供对所述检查传感器的改进的监测。
根据另一方面，所述水下机器人交通工具包括由所述机器人臂支持的接近度传感器和声纳传感器中的至少一者。
根据另一方面，所述水下机器人交通工具支持清洁模块和检查模块。
根据另一方面，所述水下机器人交通工具包括第一水下机器人交通工具和第二水下机器人交通工具，其中所述第一水下机器人交通工具和所述第二水下机器人交通工具中的一者执行所述在所述多个焊接接头中的一者处执行清洁操作的步骤，并且所述第一水下机器人交通工具和所述第二水下机器人交通工具中的另一者执行所述使用所述传感器来检查所述清洁过的焊接接头以收集阴极保护和超声波测试数据的步骤。
可以通过对本发明的特定实施方案的随附描述以及附图和权利要求书来了解这些和其他方面、特征和优点。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施方案的系统的细节；
图2A至图2C示出处于各种水下操作状态的系统的细节；
图3示出详述根据本发明的实施方案的操作步骤的流程图；
图4示出示例性管线；以及
图5示出示例性清洁工具。
具体实施方式
参看图1，示出水生环境机器人系统100。管线P是水下机器人交通工具110将要对其操作的目标基础设施的示例。将被操作的管线P的区段定位在浅水中。支援船SV定位在将被操作的管线P的区段附近，但由于较浅的水深而无法定位在待检查的区域正上方。因此，支援船SV定位在与管线的目标区域相距一定距离的更深的水中。水下机器人交通工具可以从SV下水并且行进到待检查的管道的区域。替代地，可以从海岸S部署水下机器人交通工具110，并且所述水下机器人交通工具在水中移动以到达待检查的管道P的区域。因此，控制台113可以定位在支援船SV和/或海岸S上并且可以取决于水下交通工具110是否是从支援船和/或海岸下水。
水下机器人交通工具110可以包括可以保持在水面上的水面船只112。水面船只112可以充当控制台113(例如，支援船SV和/或海岸S)与水下机器人交通工具110之间的中继器。可以从控制台113发送通信信号和控制信号，水面船只112接收所述通信信号和控制信号。水面船只112随后可以将所述信号中继到水下机器人110。所述信号可以用于命令和控制水下机器人交通工具110的操作。类似地，水下机器人交通工具110可以将信号(例如，反馈、位置、检查结果等)发送回到水面交通工具112，所述信号随后被中继回到控制台113。
参看图2A至图2C，以各种配置示出水下机器人110和水面交通工具112，所述配置允许所述交通工具更改其浮力配置，使得所述交通工具可以在水下更高效地执行各种操作。如图2A中所示，水面交通工具112和水下机器人110经过接合，并且所述两个交通工具具有中性净浮力。水面交通工具112可以具有正浮力，并且水下交通工具110可以具有负浮力，但当所述两个交通工具彼此接合时，所述浮力在所述两个交通工具之间传递并且导致净中性浮力。
水下机器人110可以包括下部主体部分111。水下机器人110的主要外壳可以收容被确定为是机器人的特定操作必需的各种电子器件、马达、推进器、传感器和电源。下部主体部分111可以包括轨道或踏面114，如图2中所示，所述轨道或踏面可以用于横越地下地面。
水面交通工具112充当浮力模块116并且经由系链118连接到水下机器人110。水下机器人110包括机动化的滑轮或绞车系统120。水面交通工具112可以经由一根或多根系链118连接到水下机器人110。绞车系统120包括被配置成使系链118伸出和缩回的马达和滑轮或鼓。绞车系统120包括用于缠绕和解绕系链118的马达和鼓或滑轮。举例来说，当绞车系统120的马达在第一方向上旋转时，系链118解绕并且从水下机器人伸出。当所述马达致使鼓在相反的方向上旋转时，系链118缠绕到所述鼓上并且缩回到水下机器人中。按照操作模式，绞车系统120可以在接收到输入控制命令之后使系链118伸出和缩回。状态控制装置，例如接收和提供命令的处理器或者电气或机械用户输入装置，可以连接到绞车以控制绞车的操作，这继而进行操作以使机器人系统在至少两个浮力状态之间转变，如在下文更详细地论述。
在系链118由于绞车120的操作而伸出和/或缩回时，连接到系链118的水面交通工具也分别伸出和缩回。在图2A中，系链118处于缩回位置，即，系链118缠绕在绞车系统120的鼓周围，并且水面交通工具112与水下机器人110接合。因此，系链118处于张力下并且正在将浮力传输到水下机器人。
在图1B中，示出绞车系统120处于部署包括浮力模块116的水面交通工具112的过程中，通过使系链118伸出以使得所述浮力模块延伸远离水下机器人110来部署所述水面交通工具。由于浮力模块116的正浮力，浮力模块116穿过水柱朝向水面上升。然而，系链118仍然处于张力下，并且因此浮力仍然通过在图2B中示出的配置中的系链118传递到水下机器人110。因此，浮力模块116在此配置中仍然与水下机器人110接合，因为系链118处于张力下并且向水下机器人110施加力。
在图2C中，绞车系统120已经退绕并且使系链118伸出足够长度，使得水面交通工具112(包括浮力模块116)已经穿过水柱上升到水面，并且水下机器人已经穿过水柱下降以与水下表面接触。在此条件下，系链118已经伸出到使得不再通过系链118传递浮力的程度。如图2C中所示，水面交通工具112(具有浮力模块116)自由地漂浮在水面上，并且水下机器人停留在海底表面上。系链118已经伸出大于水柱的长度，即，大于那个位置的水深，使得系链118相对于浮力模块116和水下机器人110变得松弛。在此配置中，浮力模块116从机器人110脱离，因为所述浮力模块不再向机器人110施加浮力。
在松弛条件下，系链118不再将浮力传递到机器人110。由于系链118不再将浮力传递到水下机器人110，所以水下机器人110的净浮力已经增加。因此，水下机器人110经历更大的重力，所述重力与海底表面相抵地保持所述水下机器人。由水下机器人110经历的增加的净向下力增加了水下机器人110与海底表面之间的牵引力。增加的牵引力允许机器人沿着海底机器人以更稳定的方式行进，因为维持了更好的牵引力。另外，此增加的牵引力允许水下机器人110更高效地执行任务，因为水下机器人具有更大的稳定性。举例来说，如果操作水下机器人110以从管道表面移除积垢，那么由积垢移除工具向管道施加的力将向水下机器人110产生大小相等且方向相反的力。因此，在水下机器人110对管道施加力时，存在将所述水下机器人推离所述管道的趋势。由于浮力模块116的脱离而产生的减小的浮力所导致的对水下机器人110的增加牵引力对抗此力，并且允许机器人在清洁操作期间保持在所要的位置。
因此，移动机器人系统10可以被重新配置成在特定操作期间调整水下机器人110的浮力特性，并且在需要时在其他操作期间再次调整所述浮力特性。
举例来说，当第一次将机器人系统部署到水中时，可能需要使水面交通工具112(具有浮力模块116)与水下机器人110接合，如图2A中所示。由浮力模块116与水下机器人110的接合而实现的中性浮力提高了游过水柱的效率并且准许使用推进器122来使机器人移动穿过水柱。推进器122可以用于将机器人移动到所要的位置。一旦处于所要的位置，可以启动绞车120以使系链118伸出到足够的程度，使得在系链118足够松弛的情况下浮力模块116漂浮在水面上并且水下机器人110停留在海底表面上，如图1C中所示。一旦浮力模块116已经脱离水下机器人110(即，浮力模块不向水下机器人施加力)，水下机器人110便具有适合于在海底表面上横越(即，使用踏面114或其他手段(例如，履带轮、螺旋桨、推进器))和操作(执行检查、清洁、维护操作等)的负浮力条件。轨道/踏面114可以用于减少对海底环境中的沙子/淤泥的干扰，尤其是在极浅的水中，这与螺旋桨和推进器的特定用途形成对比。对沙子和淤泥的干扰可能会降低海底环境中的可见性，这可能会不利地影响交通工具的操作。于在海洋水面上执行的缓慢行进或其他操作完成之后，绞车120可以卷起和缩回系链，进而使浮力模块116和水下机器人110重新接合(即，由浮力模块向水下机器人施加力)。以此方式，在海底地面操作完成之后，水下机器人现在再次是中性浮力并且可以通过高效的方式移动穿过水柱。一旦操作完成，水下机器人110可以游到水面以便从水中取回。
因此，在第一条件下，水下机器人可以具有第一浮力，在第二条件下，水下机器人可以具有第二浮力，并且在第三条件下，水下机器人可以具有第三浮力。举例来说，在第一条件下，水下机器人具有中性浮力特性，在第二条件下，水下机器人具有负浮力特性，并且在第三条件下，水下机器人具有中性浮力特性。
因此，可以使用例如绞车和系链的机械装置来改变水下机器人的浮力。与要求改变液压压舱物的其他系统相比，使用绞车和系链系统提供了控制交通工具的浮力的具有成本效益和高效的手段。另外，因为浮力模块通过系链而保持连接到水下交通工具，所以可以在浮力模块脱离水下机器人之后恢复并再用所述浮力模块。这提供胜过典型的下降压舱物系统的显著优点，在所述下降压舱物系统中，仅仅释放和不顾压舱物材料而无法再用压舱物材料。另外，接合、脱离和重新接合浮力模块的能力准许在整个操作中多次调整机器人的浮力。这准许使用机器人的单次下水来实现更大的灵活性和操作复杂性。举例来说，机器人可以游到第一位置；在海底上着陆以执行操作；与浮力模块重新接合以使得其可以游到另一位置；以及随后再次着陆以执行第二操作。在机器人最终浮上水面以便从水中取回之前，这可以重复多次。
如上文所述，在图2中示出的布置并入有正浮力水面交通工具112(和浮力模块116)。另外，还可以在其他布置中使用负浮力浮力模块和/或中性浮力浮力模块，如在下文更详细地论述。可以通过调整浮力模块的材料的密度和/或调整浮力模块的体积来调整所述浮力模块的浮力。举例来说，所述浮力模块可以是填充有空气的囊状物，或者是填充有泡沫油或具有低于水的密度的其他材料的囊状物。并入有较低密度材料的浮力模块将产生正浮力模块。类似地，并入有更密的材料(例如，铅坠、砂岩或比水更密的其他材料)的浮力模块将产生负浮力浮力模块。
如上文所论述，水下交通工具110和水面船只112经由系链118进行连接。当系链118处于张力下时，浮力通过系链118在交通工具之间进行传递并且交通工具被接合起来。当系链118不再处于张力下时，例如，当已经使系链伸出以使得水面交通工具112在水面上并且水下交通工具110处于海底地面上且系链118松弛时，如图2C中所示，浮力不再通过系链118进行传递并且两个交通工具脱离。
水面交通工具112还可以包括通信中继器126，所述通信中继器可以在空中从远程控制台113接收通信并且随后通过水或通过通信系链(未示出)将那些信号无线地中继到水下机器人110。通信中继器126可以是(例如)浮标、机器人船只或橡皮艇。通信中继器与交通工具之间的连接可以是有线的(例如，光纤和/或电气系链)或使用水下无线技术(例如，激光、LED、RF、声学等)。水面交通工具112还可以包括用于跟踪水下机器人110与水面交通工具112的相对位置的位置传感器124。水面交通工具112还可以包括用于计算两个交通工具的相对位置的处理器，并且可以还包括推进系统128，可以命令所述推进系统来使水面交通工具112移动，使得在水下机器人执行其各种操作时维持水下机器人110与水面交通工具112之间的相对定位。
水下机器人交通工具110可以包括第一工具130。水下机器人交通工具110可以包括机器人臂132和在机器人臂132的远端上支持的第二工具134。第一工具130可以是清洁工具，所述清洁工具可以用于从例如管线P的水下目标结构移除碎屑。所述清洁工具可以是刷子类型工具和/或喷出高压水(其可以包括砂浆)以移除碎屑的射流类型清洁工具。第二工具134可以是检查工具，所述检查工具可以用于在已经清洁管道之后检查所述管道。所述检查工具可以是阴极保护(CP)电压并且使用超声波测试(UT)来测量表面厚度，如在下文更详细地论述。然而，可以使用其他类型的检查工具，例如摄像机、传感器或非破坏性测试装置。
作为一个示例，所述清洁工具可以是清洁装置500，如图5中所示。设置在壳体中的马达502附接到可旋转的第一轴杆504的近端，所述可旋转的第一轴杆沿着第一轴线纵向延伸。马达提供动力以使所述第一轴杆围绕第一轴线旋转。第一轴杆504的远端耦合到万向节506。万向节506可以是在本领域中已知的任何常规的万向节(例如，卡丹或虎克类型)，所述万向节可以在提供至少两个移动自由度(例如，旋转运动和角运动)的同时在两个轴杆之间传递旋转动力(例如，速度和扭矩)。在示例性清洁装置500中，万向节506还耦合到可旋转的第二轴杆508的近端，所述可旋转的第二轴杆从所述万向节沿着第二轴线纵向延伸。万向节506使得第二轴杆508能够接收第一轴杆504的旋转运动，使得所述第二轴杆可以围绕第二轴线旋转并且还使得所述第二轴杆围绕在所述万向节处具有中心点的旋转轴线有角度地移位(即，俯仰)。在第二轴杆508围绕所述旋转轴线俯仰时，在第一轴杆504与第二轴杆508之间产生角度。此角度可能受到所选择的万向节506的类型约束。
具有清洁面512的清洁机构510耦合到第二轴杆508的远端。清洁机构510接收第二轴杆508围绕第二轴线的旋转运动，这继而使得清洁面512能够在基本上垂直于所述第二轴线的平面中旋转。清洁面512可以(例如)包括清洁仪器，例如刷子、刚毛或喷水器。在清洁面512旋转时，清洁仪器接触目标表面并且移除生物积垢。在一个或多个实现方式中，马达502可以提供动力以改变清洁装置500部件的旋转方向(例如，从顺时针改变为逆时针并且反之亦然)。交替的旋转方向允许(例如)具有刷子的清洁面512在两个旋转方向上交替地擦洗目标表面，从而提高清洁的效率。此运动可以机械地(例如，经由曲柄轴杆)或电控制地实现。
清洁装置500可以使清洁机构被动地对准于弯曲、非一致或不规则的水下表面以提供增强的清洁表现，并且使对水下交通工具110的失稳影响最小化。清洁装置500提供能够适配弯曲表面的轮廓的优势，所述弯曲表面例如是管线、竖管或船体。在一个方面，清洁装置500具有一个或多个移动自由度以便与目标表面基本上横向地对准所述清洁机构。清洁装置可以包括对准机构以使牵引力和重力最小化，并且进而减小失稳影响或使失稳影响最小化。更具体来说，所述对准机构可以将清洁机构的运动约束到指定范围，以便使此类牵引力和重力最小化并且使水下交通工具的稳定性最大化。在某些实施方案中，清洁机构可以具有例如刷子、刚毛或喷水器的清洁仪器。清洁机构还可以包括能够使用行星齿轮系统在交替的方向上转动的多个同心刷子。
在一个或多个实现方式中，清洁装置500可以包括粘附部件以增强其被动式自定向能力。举例来说，可以将清洁机构510或清洁面512磁化(例如，经由像钕一样的稀土磁体，或电磁体)以辅助导引清洁面相对于弯曲表面(例如，管道)的横向定向。在一个或多个实现方式中，粘附部件可以包括用于朝向非铁磁目标表面导引清洁面的抽吸机构。清洁装置500仅是清洁工具的一个示例，并且可以与水下机器人交通工具110组合地使用其他清洁工具。
如上文所论述，在特定实施方案中，检查工具是用于测量阴极保护(CP)电压并且使用超声波测试(UT)来测量表面厚度的集成探头，其中使取得每个测量结果之间的延迟最小化。以此方式，可以基本上同时执行CP测量和UT测量。举例来说，可以在特定水下表面(或者“检查表面”)处，例如在水下管线或桩材或停泊的船体的下侧处在单次触地期间执行CP测量和UT测量。
在一个方面，第二工具134可以是集成的探头，所述集成的探头可以耦合到水下交通工具110的机器人臂132。在一个或多个实施方案中，所述集成的探头系统包括中央UT传感器或换能器(例如，压电陶瓷晶体)，所述中央UT传感器或换能器具有导电性支脚的周围阵列，所述阵列具有铰接且可以被动调整的顶端或固定装置。导电支脚不是刚性的，而是相对于它们接触水下表面的方式具有某一柔性。以此方式，当导电支脚接触水下表面时，它们被动地进行调整以与检查表面横向地定向UT传感器。同时，所述支脚例如使用导电性钢顶端来传导与表面相关联的阴极保护电压，进而充当CP探头。以此方式，可以基本上同时执行CP测量和UT测量，从而减少测量检查时间、添加到机器人臂的大小和重量，并且提高ROV敏捷性。
另外，提供针对于用于测量阴极保护(CP)电压并且使用超声波测试(UT)来测量表面厚度的磁耦合的集成探头和集成探头系统的实施方案，其中使取得每个测量结果之间的延迟最小化。以此方式，可以基本上同时执行CP和UT测量。举例来说，可以在特定水下表面(或者“检查表面”)处，例如在水下管线或桩材或停泊的船体的下侧处在单次触地期间执行CP测量和UT测量。
在触地期间，为了抵消由集成探头与检查表面之间的接触而产生的反冲力，所述集成探头系统包括磁性粘附部件，所述磁性粘附部件用于将集成探头磁耦合到检查表面。典型的检查表面，例如管线，包括铁磁材料(例如，铁、钴、钢或镍)或者包括阴极保护涂层(例如，锌、镁、铝)，通过将所述表面连接到足够的电流而使所述阴极保护涂层成为电磁受体。
本文的集成探头系统提供以下优势：可以通过较小的仅具有单个机器人臂的轻量级ROV进行实施，例如电动ROV、通用级ROV、检查级ROV和观察级ROV。对于具有可接近性问题的检查表面(例如，浅水场所)，或者在存在电力供应限制的情况下，可以有利地部署较小级别的ROV。
因此，可以在根据本发明的方法中采用上文描述的机器人系统来有效地检查水下基础设施。参看图3，提供说明检查方法的实施方案的流程图300。
根据步骤310和312，将水下机器人交通工具110(远程操作的交通工具(ROV))带到接近待检查的目标结构的位置并且随后部署到水中。可以将水下交通工具110带到靠近检查场所的海岸S，且/或经由支援交通工具SV带来并且从海岸S或支援交通工具SV部署。如果从海岸S部署水下交通工具110，那么所述水下交通工具可以使用轨道114在海床上缓慢行进，直到其已经进入深到足以开始游动的水域为止。水下交通工具110可以包括可以充当中继器的水面交通工具112。水下交通工具110可以在水面附近游动或者部分疏散水面交通工具(例如，如图2B中)，使得水面交通工具112可以在水下交通工具游到所要的位置时充当中继器。
根据步骤314，一旦水下交通工具接近目标结构，便可以执行视觉检查(例如，使用车载摄像机)，以确认机器人相对于目标结构处于恰当的位置以对目标结构执行操作。举例来说，所述目标结构可以是水下管线P上的焊接接头。暂时转向图4，所述图示出管线P的可以包括通过焊接接头402连接的管道400的区段的示例性目标区段。可以在管道400的所述区段上提供混凝土加重的套管404以压低所述管线，并且维持所述管线与海底地面SF接触。如在下文更详细地论述，水下机器人交通工具可以于在水柱WC中游动时且/或于在海底表面SF上着陆时对管线执行各种操作。
在步骤316处，可以对水下目标结构执行操作。举例来说，第一工具130可以是清洁工具(例如，刷子、清洁射流、气蚀射流/引擎等)，其可以用于清洁水下管线的焊接接头。相信使用气蚀来执行清洁操作是特别有效的。在某些实施方案中，气蚀引擎(例如，驱动器、泵等)可以位于在水面上定位的支援船上，并且水下机器人交通工具可以经由支持系链而连接到所述水面支援交通工具。可以通过所述支持系链将气蚀能量输送到水下机器人交通工具，水下机器人交通工具可以将所述气蚀能量引导向待清洁的区域。所述支援交通工具可以是(例如)橡皮艇型船只或其他类似的小型船只或水面机器人交通工具/电动船只。可以在机器人交通工具110正在水柱中游动时和/或在水下机器人110已经在海底表面上着陆之后执行步骤316处的操作。
如果水下机器人110仍然处于游动配置，那么其可以在步骤318处在海底上着陆并稳定下来。可以通过使水下机器人110从水面交通工具/浮力模块112/116脱离来实现从游动配置到着陆配置的转变，如图2A至图2C中所示以及在上文论述。因此，可以发送使系链118伸出的命令，使得水下机器人110在海底上着陆并且水面交通工具112定位在水面上。如上文所论述，水面交通工具112可以用于在水下交通工具110与控制台113之间中继信号。可以通过提供与海底的正接合的水下交通工具110的负浮力来实现海底上的稳定。还可以使用推进器/螺旋桨在海床上稳定下来，但它们可能会干扰海底沉积物并且降低可见性。因此，可以使用浮力控制模块以使水下交通工具更重并且在海床上稳定下来。还可以通过一种方式将交通工具设定成略具负浮力，使得所述交通工具重到足以在海床上稳定下来，而且轻到足以通过推进器/螺旋桨进行提升，如此消除对特定配置中的浮力控制模块的需要。作为可释放和/或可再用的浮力控制模块的补充或替代，还可以通过在容器(例如，压载舱)内压缩和/或膨胀空气且/或使水和空气移入和移出容器(例如，压载舱)来控制浮力。因此，可以通过操纵浮力模块来实现从游动配置到着陆配置的转变。
在步骤320处，可以使用轨道114以在交通工具处于海底上时进一步将所述交通工具挪动到适当位置。轨道/踏面114可以用于避免对海底环境中的沙子/淤泥的干扰，尤其是在极浅的水中。
在步骤322处，可以使用机器人臂132和检查工具134来检查在步骤316处执行的操作。可以将机器人臂132操纵到适当位置，使得检查工具134可以执行检查操作。在步骤324处，可以执行检查。举例来说，如果检查工具是CP/UT传感器，那么可以使用CP/UT传感器探头来检查焊接接头。除了定位在水下交通工具110上的相机之外，可以将另一相机安装在机器人臂144的顶端处以实现顶端的更好的可见性，而不是依赖于通常远离机器人臂的延伸较长的末端执行器的交通工具相机。因此，可以将第二相机操纵到提供对检查传感器的改进的监测的位置(例如，更接近的位置、更好的观看角度、无阻碍的位置等)。可以使用接近度传感器以确保末端执行器靠近需要检查的表面。还可以使用声纳(1D、2D和3D)以便在低可见性区域中为所述臂导航。
在步骤326处，在已经在特定焊接接头处完成清洁和检查之后，可以将机器人臂132缩回到更适合于机器人交通工具110移动到另一位置的收藏位置。举例来说，如果机器人臂132在操作期间延伸，那么在水下交通工具110移动到另一位置之前，可以将机器人臂132折叠回到紧凑的配置。
在步骤328处，水下交通工具110可以移动到下一个位置以进行进一步的操作(例如，清洁和检查)。交通工具110可以通过游过水柱而移动到所述下一个位置。这可以通过重新接合水面交通工具/浮力模块112/116以向交通工具110提供净中性浮力并且随后使用推进器112游动来实现。
一旦交通工具110已经到达下一个所要的位置(例如，水下管线上的下一个焊接接头)，根据步骤330，可以重复316-326的清洁步骤和检验步骤。可以重复此过程，直到已经对所有目标区域进行操作之后(例如，已经清洁和检查了水下管线的所有焊接接头)。
在步骤332处，在已经完成所有操作之后，水下交通工具110可以游到海面。所述水下交通工具随后可以通过游到海岸S或游到支援交通工具SV而被取回。
在图3中示出的步骤提供根据一个实施方案的步骤，并且本领域技术人员将了解，可以改变特定步骤的次序且/或省略特定步骤。
如上文描述，可以使用水下交通工具110来载运清洁和检查模块。在其他实施方案中，可以使用两个水下交通工具并且可以在所述两个交通工具之间划分水下交通工具的功能。举例来说，可以使用一个水下交通工具来执行清洁操作，并且可以使用第二水下交通工具来执行检查操作。
除了前述描述之外，可以进一步将图1至图5的实施方案描述成包括以下特征。所述实施方案公开一种方法，所述方法可以包括将水下机器人交通工具部署到水中的步骤，这包括从水面支援船部署所述水下机器人交通工具。所述水面支援船可以是橡皮艇或更大的船只。另外，执行清洁操作的步骤可以包括使用气蚀进行清洁。所述系统可以包括由水面船只支持的气蚀引擎(例如，气蚀产生器)。所述水面船只可以是橡皮艇、更大的船只或电动船只，所述水面船只在水面上可以跟随水下交通工具(例如，电动船只在某些实施方案中可以是机器人水面支援船)。
应理解，虽然大部分前述描述已经针对于用于水下检查履带牵引装置的系统和方法，但可以在远远超出所参考的情景的情景、情形和环境中类似地部署和/或实施本文公开的系统和方法。应进一步理解，任何此类实现方式和/或部署处于本文描述的系统和方法的范围内。
应进一步理解，附图中的相同的数字表示若干图中的相同的元件，并且所有实施方案或布置并非需要参考图所描述和说明的所有部件和/或步骤。还应理解，可以并入本文公开的系统和方法的实施方案、实现方式和/或布置作为驻留在硬件、固件中和/或计算机可使用的介质上的软件算法、应用、程序、模块或代码(包括软件模块和浏览器插件)，可以在计算机系统或计算装置的处理器中执行所述软件算法、应用、程序、模块或代码以配置处理器和/或其他元件来执行本文描述的功能和/或操作。应了解，根据至少一个实施方案，在执行时执行本公开的方法的一个或多个计算机程序、模块和/或应用不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以按照模块化方式分布在一定数目的不同的计算机或处理器中以实施本文公开的系统和方法的各方面。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并且无意限制本发明。如在本文中所使用，除非上下文另外清楚地指示，否则希望单数形式“一”和“所述”也包括复数形式。将进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”当用于本说明书中时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。
应注意，在权利要求中使用例如“第一”、“第二”、“第三”等序数术语来修饰权利要求要素本身并非暗示一个权利要求要素优于另一权利要求要素的任何优先权、优先级或次序或执行方法的动作的时间次序，而是仅仅用作将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称(如果没有使用序数术语)的另一要素区分开以区分所述权利要求要素的标记。
而且，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应该被视为限制性。在本文使用“包括(including)”、“包括(comprising)”或者“具有”、“含有”、“涉及”和其变化是打算涵盖在其后列出的项目和其等效物以及额外的项目。
上文描述的主题仅通过说明而提供并且不应理解为具限制性。在没有遵循所说明和描述的示例性实施方案和应用的情况下并且在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对本文描述的主题作出各种修改和改变，在所附权利要求中陈述本发明的真实精神和范围。

Claims (27)

1.一种用于使用水环境机器人系统在多个位置处对水下基础设施执行操作的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在接近所述水下基础设施的位置处提供水下机器人交通工具；
b)使所述水下机器人交通工具在水中移动到所述水下基础设施的所述多个位置中的一个位置；
c)在所述多个位置中的所述一个位置处对所述水下基础设施执行第一操作；
d)操纵所述水下交通工具以与海底表面接合；
e)在所述多个位置中的所述一个位置处对所述水下基础设施执行第二操作；
f)使所述水下机器人交通工具在水中移动到所述水下基础设施的所述多个位置中的另一位置；
g)重复步骤(c)到步骤(f)，直到在所述多个位置中的所有所要的位置处执行所有所要的操作为止；以及
h)取回所述水下交通工具。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一操作是清洁操作，而所述第二操作是使用非破坏性传感器对先前清洁过的第一位置的检查操作。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述水下基础设施是管线，并且所述多个位置是沿着所述管线的焊接接头。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述操纵所述水下交通工具以与海底表面接合的步骤包括以下步骤：控制并操纵浮力模块以将所述水下交通工具的浮力特性从中性浮力改变为负浮力。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述执行第二操作的步骤包括以下步骤：延伸机器人臂并且使用非破坏性传感器进行感测。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述使所述水下机器人交通工具在水中移动到另一位置的步骤包括以下步骤：使所述水下交通工具与浮力模块重新接合以将所述水下交通工具的所述浮力特性从负浮力改变为中性浮力并且在水中移动。
7.一种用于使用水环境机器人系统对定位在水下环境中的管线的目标区段执行操作的方法，所述管线具有定位在沿着其长度的多个位置处的多个焊接接头，所述方法包括以下步骤：
a)在接近所述水下管线的位置处提供水下机器人交通工具，所述水下机器人交通工具至少包括机器人臂、被适配成使所述水下机器人交通工具沿着海底表面移动的踏面、传感器，以及被适配成通过在水中游动来使所述水下机器人交通工具移动的推进系统；
b)将所述水下机器人交通工具部署到水中；
c)在视觉上检查所述水下环境以使用所述水下机器人交通工具来定位所述管线和所述管线的多个焊接接头；
d)使用水下机器人交通工具在所述多个焊接接头中的一者处执行清洁操作；
e)操纵所述水下机器人交通工具以在海底表面上着陆并稳定下来；
f)调整所述水下机器人交通工具在所述海底表面上的位置；
g)部署所述机器人臂以检查所述清洁过的焊接接头；
h)使用所述传感器来检查所述清洁过的焊接接头以收集阴极保护和超声波测试数据；
i)将所述机器人臂收藏到适合于所述水下机器人交通工具在水中游动的折叠位置；
j)致使所述水下机器人交通工具在执行视觉检查的同时沿着所述管线在水中游到所述多个焊接接头中的另一者；
k)对所述管线的所述目标区段内的多个焊接接头重复步骤(d)到步骤(j)；
l)致使所述水下机器人交通工具向上游；以及
m)准许在所述水环境的表面处取回所述水下机器人交通工具。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述将所述水下机器人交通工具部署到水中的步骤包括从水面支援船部署所述水下机器人交通工具。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述将所述水下机器人交通工具部署到水中的步骤包括从陆上位置部署所述水下机器人交通工具，并且使用所述踏面沿着所述海底表面缓慢行进，直到所述水下机器人交通工具移动到水具有准许水下机器人交通工具游动的足够深度的位置为止。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述水下机器人交通工具连接到通信中继器，所述通信中继器被配置成准许所述水下机器人交通工具与远程控制台之间的空中通信。
11.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括使用安装在所述水面支援船下方的声纳传感器来定位所述管线的步骤。
12.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括使用安装在所述水下机器人交通工具上的声纳传感器来定位所述管线的步骤。
13.如权利要求7所述的方法，其中所述执行清洁操作的步骤包括使用气蚀系统和擦刷系统中的至少一者。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述气蚀系统包括由水面船只支持的气蚀引擎。
15.如权利要求16所述的方法，其中所述擦刷系统包括具有用于减小在所述执行清洁操作的步骤期间引起的力的失稳减少构件的系统。
16.如权利要求7所述的方法，其中所述操纵所述水下交通工具以在海底表面上着陆并稳定下来的步骤包括接合所述推进系统以朝向所述海底表面提供向下的力。
17.如权利要求7所述的方法，其中所述调整所述水下机器人交通工具在所述海底表面上的所述位置的步骤包括使用推进器。
18.如权利要求7所述的方法，其中所述调整所述水下机器人交通工具在所述海底表面上的所述位置的步骤包括使用所述踏面以使对所述水下环境的干扰最小化。
19.如权利要求7所述的方法，其中所述水下机器人交通工具包括浮力控制模块，并且其中所述操纵所述水下机器人交通工具以在海底表面上着陆并稳定下来的步骤包括使用所述浮力控制模块向所述水下机器人交通工具提供负净浮力特性。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述浮力控制模块包括以下各者中的至少一者：可释放的浮子装置、能够在其中压缩空气的容器，以及能够将空气和水引入其中并移除的容器。
21.如权利要求7所述的方法，其中所述水下机器人交通工具包括浮力控制模块，所述方法还包括以下步骤：在所述在水中沿着所述管线游到所述多个焊接接头中的另一者的步骤之前，使用所述浮力控制模块向所述水下机器人交通工具提供净中性浮力特性。
22.如权利要求7所述的方法，其中所述水下机器人交通工具具有足以在所述海底表面上稳定下来并且还足以使用所述推进系统在水中游动的负净浮力特性。
23.如权利要求7所述的方法，其中所述水下机器人交通工具包括第一摄像机。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述水下机器人交通工具包括由所述机器人臂支持的第二摄像机以提供对所述检查传感器的改进的监测。
25.如权利要求7所述的方法，其中所述水下机器人交通工具包括由所述机器人臂支持的接近度传感器和声纳传感器中的至少一者。
26.如权利要求7所述的方法，其中所述水下机器人交通工具支持清洁模块和检查模块。
27.如权利要求7所述的方法，其中所述水下机器人交通工具包括第一水下机器人交通工具和第二水下机器人交通工具，其中所述第一水下机器人交通工具和所述第二水下机器人交通工具中的一者执行所述在所述多个焊接接头中的一者处执行清洁操作的步骤，并且所述第一水下机器人交通工具和所述第二水下机器人交通工具中的另一者执行所述使用所述传感器来检查所述清洁过的焊接接头以收集阴极保护和超声波测试数据的步骤。
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