CN110082353A - 一种有压输水隧洞无缆水下检测机器人及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有压输水隧洞无缆水下检测机器人及检测方法。检测机器人包括机身壳体、检测仓、荷载仓、距离仓、动力系统、前视高清水下摄像机、水深仪，机身壳体为流线型，沿机身壳体周向均匀布置多条稳定防撞条鳍，前视高清水下摄像机布置于机身最前端。检测机器人在隧洞内随水流漂流前进，利用高清水下摄像机采集并存储隧洞内壁图像，同时通过距离仪和动力系统来调整检测机器人，使其始终处于输水隧洞截面中心附近，最终利用置于最前端的前视高清水下摄像机采集出洞信息，实现自动回收。本发明结构原理可靠，操作性强，适用于在不排空不停水时对输水隧洞内壁的检测，大幅降低了检测和维修成本，可广泛应用于长距离有压输水隧洞的洞壁检测。

Description

一种有压输水隧洞无缆水下检测机器人及检测方法

技术领域

本发明涉及水下建筑物的机器人检测技术领域，尤其涉及一种适用于有压输水隧洞的无缆水下检测机器人及检测方法。

背景技术

随着水资源的日渐匮乏，城市引水、输水隧洞项目日渐增多，其为城市日常供水提供了重要的保障，但输水隧洞长期有压运行、运行周期临近，加之洞壁水压侵蚀破坏，容易造成输水隧洞洞壁开裂，影响输水隧洞的安全性，威胁城市日常供水安全，对其日常常态化检测极为迫切。

现有输水隧洞的检测，主要采用停水排空人工检测、潜水检测、有缆水下检测机器人检测等，但受到长距离有压输水隧洞特殊的工程特性，往往存在一定的局限性：

1、停水排空人工检测：由于输水隧洞为城市供水重要组成部分，停水排空成本代价较高，仅日供水量成本高达千百万，排水-检测期间经济和社会成本巨大，非重大隧洞破损和特殊工况，一般不采用。

2、潜水检测：由于水下光线不佳，人工检测的安全性(一般潜水作业仅2～3小时)，加之人工潜水需供氧管线和停水作业，人工潜水检测难以全面覆盖长距离有压隧洞，一般仅对输水隧洞进出口进行安全排查。

3、有缆水下机器人检测：有缆水下机器人的供电和操控通过电缆完成，检测距离受限于成捆电缆的长度，一般检测极限距离仅达3～6km，难以满足长距离输水隧洞检测需求，再之机器人姿态和位置需要人工操作，受到水流扰动，摄像质量波动较大，检测距离和检查效率有待提高。

综上所述，输水隧洞停水排空代价高、人工潜水安全性以及有缆检测又具有局限性，因此研制长距离有压输水隧洞无缆水下检测机器人极其迫切。

发明内容

为了适应长距离有压输水隧洞的特殊检测工况，减少停水排空损失，以及提高检测效率，本发明提供了一种适用于有压输水隧洞的无缆水下检测机器人及检测方法。

本发明的技术方案为：一种有压输水隧洞无缆水下检测机器人，包括机身壳体、检测仓、荷载仓、距离仓、动力系统、前视高清水下摄像机、水深仪；

机身壳体采用低阻力的流线型外形，沿机身壳体周向均匀布置多条稳定防撞条鳍，机身壳体和稳定防撞条鳍均采用高强度纤维复合材料；所述的前视高清水下摄像机布置于机身的最前端，前视高清水下摄像机主要为采集检测机器人前端出洞信息，并经动力系统实现自主出洞，实现自主回收。

检测仓为圆柱形舱体，载有高清水下摄像机和照明灯；检测仓布置于机身壳体内的最中间位置，高清水下摄像机和照明灯临近布置，以便为高清水下摄像机提供照明，高清水下摄像机和照明灯沿检测仓内壁周向等间距布置。

荷载仓由多节圆柱形舱体组成，载有控制系统和舰载硬盘；荷载仓沿检测仓两端均匀分布，中间内部贯通，两端连接距离仓；控制系统和舰载硬盘按照质量平衡原理均布在荷载仓内。

距离仓为短距圆柱形舱体，载有距离仪；距离仓在荷载仓前、后各布置一个；沿距离仓内壁周向等距布置多支距离仪，以便实时测量检测机器人到洞壁距离，掌握检测机器人运行体态。

动力系统包括前端水平动力机、前端纵向动力机、尾部纵向动力机、尾部水平动力机、尾部主推器和槽道；尾部主推器布置于机身尾部，为主要的推进动力来源；前端水平动力机、前端纵向动力机布置于机身距离仓和前视高清水下摄像机之间，前端水平动力机、前端纵向动力机均布置于槽道中心；尾部水平动力机、尾部纵向动力机布置于机身距离仓和尾部主推器之间，尾部水平动力机、尾部纵向动力机均布置于槽道中心；槽道为薄壁中空圆筒，与机身壳体平滑连接；前端水平动力机、前端纵向动力机、尾部纵向动力机、尾部水平动力机主要用于机身运行体态调节，使其始终处于输水隧洞截面中心附近，最大化保证观测效率。

水深仪，按照舰体质量平衡原理布置于舰体前、后端，水深仪主要采集检测机器人行进过程中的水深变化，为检测机器人后续检测分析提供参考依据。

机身壳体、检测仓、荷载仓、距离仓、动力系统、前视高清水下摄像机、水深仪均采用密封连接和固定。

本发明一种有压输水隧洞无缆水下检测机器人的检测方法，它包括以下步骤：

S1、检测前期，在陆地上，给检测机器人下达任务指令，开启距离仪和动力系统，并在上游洞口或检修支洞布放检测机器人；

S2、检测机器人根据前期设置参数，通过动力系统进入检修洞口截面中心附近，检测机器人到达输水隧洞截面中心附近后自主关闭动力系统，开启照明灯、高清水下摄像机、前视高清水下摄像机和水深仪，开始正常检测；

S3、检测机器人自主关闭动力系统依靠输水隧洞内水流自主在隧洞截面中心漂流，距离仪实时测量检测机器人距离洞壁的数据，并经荷载仓内的控制系统对数据进行实时处理，如发现检测机器人偏移洞径中心较大，开启动力系统调整检测机器人运行体态，使检测机器人始终处于输水隧洞截面中心附近，最大化保证观测效率；漂流过程中高清水下摄像机实时采集周向摄像范围图像，前视高清水下摄像机实时采集前端摄像范围图像，水深仪始终开启自主采集输水隧洞侧壁高清图像，并存储在荷载仓舰载硬盘上；

S4、在检测输水隧洞出口处布置标识物和捕捉网，检测机器人通过前视高清水下摄像机对标识物进行自主识别，并通过荷载仓内控制系统开启动力系统向检修支洞或出口处推进，最终通过捕捉网实现检测机器人的自主回收；

S5、提取检测机器人摄像、水深以及行程数据，进行图像和数据处理，实现有压输水隧洞的常态化检测。

本发明有益效果：

本发明的检测机器人采用低阻力的流线型机身外壳在隧洞内随水流漂流前进，利用检测机器人中部部位周向布置的高清水下摄像机采集并存储隧洞侧壁图像，实现有压隧道的常态化检测，适用于在不排空输水隧洞内水甚至是正常输水时，对隧洞内部进行检测，可大幅降低检测和维修成本，广泛应用于长距离有压输水隧洞的内壁检测。

附图说明

图1是本发明的检测机器人机身结构俯视图；

图2是本发明的检测机器人机身壳体内的结构示意图；

图3是本发明的检测机器人机身前视图；

图4是本发明的检测机器人机身后视图；

图5是本发明的检测机器作业流程示意图。

图中：1-机身壳体；11-稳定防撞条鳍；2-检测仓；21-高清水下摄像机；22-照明灯；3-荷载仓；31-控制系统；32-舰载硬盘；4-距离仓；41-距离仪；5-动力系统；51-前端水平动力机；52-前端纵向动力机；53-尾部纵向动力机；54-尾部水平动力机；55-尾部主推器；56-槽道；6-前视高清水下摄像机；7-水深仪；81-输水隧洞；82-检修支洞；83-标识物；84-检测机器人；85-周向摄像范围；86-前端摄像范围。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1至图4所示，本发明一种长距离有压输水隧洞无缆水下检测机器人，包括机身壳体1、检测仓2、荷载仓3、距离仓4、动力系统5、前视高清水下摄像机6、水深仪7。机身壳体1采用低阻力的流线型外形，沿机身壳体1的周向均匀布置多条稳定防撞条鳍11，机身壳体1和稳定防撞条鳍11均采用高强度纤维复合材料；所述的前视高清水下摄像机6布置于机身的最前端，前视高清水下摄像机6主要为采集检测机器人前端出洞信息，并经动力系统5实现自主出洞，实现自主回收；所述的检测仓2为圆柱形舱体，载有高清水下摄像机21和照明灯22；检测仓2布置于机身壳体1内的最中间位置，高清水下摄像机21和照明灯22临近布置，以便为高清水下摄像机21提供照明，高清水下摄像机21和照明灯22沿检测仓2内壁周向等间距布置；所述的荷载仓3由多节圆柱形舱体组成，载有控制系统31和舰载硬盘32；荷载仓3沿检测仓2两端均匀分布，中间内部贯通，两端连接距离仓4；控制系统31和舰载硬盘32按照质量平衡原理均布在荷载仓3内；所述的距离仓4为短距圆柱形舱体，载有距离仪41；距离仓4在荷载仓3前、后各布置一个；沿距离仓4内壁周向等距布置多支距离仪41，以便实时测量检测机器人到洞壁距离，掌握检测机器人运行体态；所述的动力系统5包括前端水平动力机51、前端纵向动力机52、尾部纵向动力机53、尾部水平动力机54、尾部主推器55和槽道56；尾部主推器55布置于机身尾部，为主要的推进动力来源；前端水平动力机51、前端纵向动力机52布置于机身距离仓4和前视高清水下摄像机6之间，前端水平动力机51、前端纵向动力机52均布置于槽道56中心；尾部水平动力机54、尾部纵向动力机53布置于机身距离仓4和尾部主推器55之间，尾部水平动力机54、尾部纵向动力机53均布置于槽道56中心；槽道56为薄壁中空圆筒，与机身壳体1平滑连接；前端水平动力机51、前端纵向动力机52、尾部纵向动力机53、尾部水平动力机54主要用于机身运行体态调节，使其始终处于输水隧洞81截面中心附近，最大化保证观测效率；所述的水深仪7，按照舰体质量平衡原理布置于舰体前、后端，水深仪7主要采集检测机器人行进过程中的水深变化，为检测机器人后续检测分析提供参考依据；所述的机身壳体1、检测仓2、荷载仓3、距离仓4、动力系统5、前视高清水下摄像机6、水深仪7均采用密封连接和固定。

如图5所示，本发明一种有压输水隧洞无缆水下检测机器人的检测方法，包含如下步骤：

S1、检测前期，在陆地上，给检测机器人84下达任务指令，开启距离仪41和动力系统5，并在上游洞口或检修支洞82布放检测机器人84；

S2、检测机器人84根据前期设置参数，通过动力系统5进入检修洞口截面中心附近，检测机器人84到达输水隧洞81截面中心附近后自主关闭动力系统5，开启照明灯22、高清水下摄像机21、前视高清水下摄像机6和水深仪7，开始正常检测；

S3、检测机器人84自主关闭动力系统5依靠输水隧洞81内水流自主在隧洞截面中心漂流，距离仪41实时测量检测机器人84距离洞壁的数据，并经荷载仓3内的控制系统31对数据进行实时处理，如发现检测机器人84偏移洞径中心较大，开启动力系统5调整检测机器人84运行体态，使检测机器人84始终处于输水隧洞81截面中心附近，最大化保证观测效率；漂流过程中高清水下摄像机21实时采集周向摄像范围85图像，前视高清水下摄像机6实时采集前端摄像范围86图像，水深仪7始终开启自主采集输水隧洞81侧壁高清图像，并存储在荷载仓3舰载硬盘32上；

S4、在检测输水隧洞81出口处布置标识物83和捕捉网，检测机器人84通过前视高清水下摄像机6对标识物83进行自主识别，并通过荷载仓3内控制系统31开启动力系统5向检修支洞82或出口处推进，最终通过捕捉网实现检测机器人84的自主回收；

S5、提取检测机器人84摄像、水深以及行程数据，进行图像和数据处理，实现有压输水隧洞81的常态化检测。

上述实施例结合附图对本发明进行了描述，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种有压输水隧洞无缆水下检测机器人，包括机身壳体、检测仓、荷载仓、距离仓、动力系统、前视高清水下摄像机和水深仪，其特征在于：所述的机身壳体采用低阻力的流线型外形，沿机身壳体周向均匀布置有若干条稳定防撞条鳍；所述的前视高清水下摄像机布置于机身的最前端，前视高清水下摄像机采集检测机器人前端出洞信息，检测机器人通过动力系统实现自主出洞，最终实现自主回收。

2.根据权利要求1所述的有压输水隧洞无缆水下检测机器人，其特征在于：所述的检测仓为圆柱形舱体，载有高清水下摄像机和照明灯；检测仓布置于机身壳体内的最中间位置，高清水下摄像机和照明灯临近布置，以便为高清水下摄像机提供照明，高清水下摄像机和照明灯沿检测仓内壁周向等间距布置。

3.根据权利要求1所述的有压输水隧洞无缆水下检测机器人，其特征在于：所述的荷载仓由多节圆柱形舱体组成，载有控制系统和舰载硬盘；荷载仓沿检测仓两端均匀分布，中间内部贯通，两端连接距离仓；控制系统和舰载硬盘按照质量平衡原理均布在荷载仓内。

4.根据权利要求1所述的有压输水隧洞无缆水下检测机器人，其特征在于：所述的距离仓为短距圆柱形舱体，载有距离仪；距离仓在荷载仓前、后各布置一个；沿距离仓内壁周向等距布置多支距离仪，以便实时测量检测机器人到洞壁距离，掌握检测机器人运行体态。

5.根据权利要求1所述的有压输水隧洞无缆水下检测机器人，其特征在于：所述的动力系统包括前端水平动力机、前端纵向动力机、尾部纵向动力机、尾部水平动力机、尾部主推器和槽道；尾部主推器布置于机身尾部，为主要的推进动力来源；前端水平动力机、前端纵向动力机布置于机身距离仓和前视高清水下摄像机之间，前端水平动力机、前端纵向动力机均布置于槽道中心；尾部水平动力机、尾部纵向动力机布置于机身距离仓和尾部主推器之间，尾部水平动力机、尾部纵向动力机均布置于槽道中心；槽道为薄壁中空圆筒，与机身壳体平滑连接；前端水平动力机、前端纵向动力机、尾部纵向动力机、尾部水平动力机用于机身运行体态调节，使其始终处于输水隧洞截面中心附近，最大化保证观测效率。

6.根据权利要求1所述的有压输水隧洞无缆水下检测机器人，其特征在于：所述的水深仪，按照舰体质量平衡原理布置于舰体前、后端，水深仪主要采集检测机器人行进过程中的水深变化，为检测机器人后续检测分析提供参考依据。

7.根据权利要求1所述的有压输水隧洞无缆水下检测机器人，其特征在于：所述的机身壳体、检测仓、荷载仓、距离仓、动力系统、前视高清水下摄像机、水深仪均密封连接和固定。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的有压输水隧洞无缆水下检测机器人的检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、检测前期，在陆地上，给检测机器人下达任务指令，开启距离仪和动力系统，并在上游洞口或检修支洞布放检测机器人；

S2、检测机器人根据前期设置参数，通过动力系统进入检修洞口截面中心附近，检测机器人到达输水隧洞截面中心附近后自主关闭动力系统，开启照明灯、高清水下摄像机、前视高清水下摄像机和水深仪，开始正常检测；

S3、检测机器人自主关闭动力系统依靠输水隧洞内水流自主在隧洞截面中心漂流，距离仪实时测量检测机器人距离洞壁的数据，并经荷载仓内的控制系统对数据进行实时处理，如发现检测机器人偏移洞径中心较大，开启动力系统调整检测机器人运行体态，使检测机器人始终处于输水隧洞截面中心附近，最大化保证观测效率；漂流过程中高清水下摄像机实时采集周向摄像范围图像，前视高清水下摄像机实时采集前端摄像范围图像，水深仪始终开启自主采集输水隧洞侧壁高清图像，并存储在荷载仓舰载硬盘上；

S4、在检测输水隧洞出口处布置标识物和捕捉网，检测机器人通过前视高清水下摄像机对标识物进行自主识别，并通过荷载仓内控制系统开启动力系统向检修支洞或出口处推进，最终通过捕捉网实现检测机器人的自主回收；

S5、提取检测机器人摄像、水深以及行程数据，进行图像和数据处理，实现有压输水隧洞的常态化检测。