CN110133100A - 一种基于声呐的管道检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声呐的管道检测装置，用于管道检测，其包括行走装置，摄像系统，电源模块、远程控制终端、声呐系统、第一信号转换模块和第二信号转换模块。其中行走装置用于在待检测管道内移动，摄像系统和声呐系统用于采集图像，所述第一信号转换模块和第二信号转换模块为光纤交换机，用于电信号与光信号之间的相互转换，所述第一信号转换模块与所述第二信号转换模块之间采用光纤通讯，通过采用一根光纤实现控制信号的传输与控制，实现灵敏度高，适应性强，而且连接线体积小、重量轻、传输质量高，可广泛用于各种管道检测中。

Description

一种基于声呐的管道检测装置

技术领域

本发明涉及到管道检测设备，具体为一种基于声呐的管道检测装置。

背景技术

目前下水道管网的检测普遍采用管道CCTV系统和管道内窥系统，其中管道CCTV系统需要通过一根电缆外接48V的直流电源给爬行车体进行供电，控制箱与爬行车体之间的信号传输也需要通过一根电缆连接进行通信，管道内采集到的图像也采用一根同轴电缆传输，在控制箱与爬行车体之间管道CCTV普遍采用的做法是将这三类物理电缆连接整合在一起做成一条大的电缆，通常导致大电缆的直径接近20mm,当爬行车体在管道内行走到一定距离和管道内存在一定坡度时，由于电缆较长，不易弯曲，会导致阻力大，爬行车体负载加重，行走缓慢，耗费时间，影响检测效率。

另外同轴电缆来传输采集到图像，根据对同轴电缆自身特性的分析，当信号在同轴电缆内传输时其受到的衰减与传输距离和信号本身的频率有关，信号频率越高，衰减越大；视频信号的带宽很大，达到6MHz，并且，图象的色彩部分被调制在频率高端，视频信号在同轴电缆内传输时不仅信号整体幅度受到衰减，而且各频率分量衰减量相差很大，特别是色彩部分衰减最大，故导致图象质量将会明显下降，特别是色彩变得暗淡，有失真感。

而管道内窥系统只能在管道井口进行探测，无法深入管道内部和水下，探测环境受限。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种技术方案，用来解决现有技术中管道检测系统不能长时间在水下工作且电缆直径过大，不易弯曲，导致爬行车体行走距离短，行走缓慢、影响检测效率等问题。

本发明实施例提供一种基于声呐的管道检测装置，其包括：

行走装置，用于在待检测管道内移动；

摄像系统，设于行走装置上，用于采集待检测管道内部的图像数据；

电源模块，设于行走装置上，连接所述行走装置和摄像系统，用于为行走装置和摄像系统提供电力；

远程控制终端，设于待检测管道外部，用于对行走装置和摄像系统进行操作，并接收来自摄像系统的图像数据；

第一信号转换模块，设于行走装置上，与所述摄像系统和行走装置电连接，第二信号转换模块，设于远程控制终端上，与第一信号转换模块光纤连接；

第二信号转换模块，设于远程控制终端上，与第一信号转换模块光纤连接；

声呐系统，所述声呐系统与所述第一信号转换模块连接，用于采集待检测管道内部的图像数据；

所述第一信号转换模块用于将摄像系统所采集到的图像数据转换为光信号并通过光纤传输给第二信号转换模块，还接收来自第二信号转换模块的光信号并将光信号转换成电信号传输给行走装置和摄像系统。

所述第二信号转换模块用于将第一信号转换模块传输的光信号还原为电信号传输给远程控制终端，和将远程控制终端传输的电信号转换成光信号并传输给第一信号转换模块。

进一步的，所述第一信号转换模块和第二信号转换模块为光纤交换机，用于电信号与光信号之间的相互转换。

进一步的，所述电源模块包括带有充放电保护功能的锂电池。

进一步的，所述电源模块还包括：电量检测装置，用于检测锂电池电量，所述电量检测装置上设有显示装置，用于显示锂电池电量和电压。

进一步的，所述摄像系统为高清网络摄像头。

进一步的：所述行走装置包括：

控制器，用于接收远程控制终端通过第二信号转换模块和第一信号转换模块传输的信号；

动力装置，与所述控制器电连接，用于驱动行走；

照明装置，与所述控制器电连接，用于为采集工作提供照明；

水下转向装置，与所述控制器电连接，用于控制行走方位。

进一步的：所述远程控制终端包括：

发射端控制装置，与第二信号转换模块电连接，发出控制信号，通过第二信号转换模块和第一信号转换模块传输来对对行走装置和摄像系统进行操作；

频输出系统，与第二信号转换模块电连接，用于解读摄像系统通过第一信号转换模块和第二信号转换模块的传输的视频图象信号。

进一步的：所述发射端控制装置上设置有电机控制手柄或摄像头旋转摇杆，电机控制手柄操纵动力装置的启停和水下转向装置的方位，所述摄像头旋转摇杆用于控制摄像系统360°转动。

进一步的：所述远程控制终端还包括显示装置，所述显示装置与所述视频输出系统连接，用于显示影像。

进一步的：所述远程控制终端还包括硬盘存储系统，与所述视频输出系统连接，用于储存影像。

进一步的：所述声呐系统包括声呐探头，所述声呐探头具有可旋转的超声换能器，所述超声换能器投射声波到管道壁，并接收回波。

有益效果

1. 通过采用一根光纤实现控制信号的传输与控制，实现灵敏度高，不受电磁干扰，而且连接线体积小、重量轻、易弯曲，几何形状可依环境要求调整，单模双纤光信号传输容易，高带宽，通讯量大衰减小，传输距离远，传输质量高，应用高清方案匹配光纤传输图像，使终端画面更清晰和稳定，优于管道CCTV采用同轴电缆传输。

2. 行走装置的电源模块采用锂电池续航，省去电缆连接供电，减轻检测装置行走负担，保证检测装置在管道内行走通畅。

3. 搭载声呐系统用于带水管道（1/3以上液体）、检查井或地下空洞检测，自动分析提取内壁轮廓，建立三维模型，并进行量化分析，应用于管道检测时，能够准确判定较多数结构性缺陷（破裂、变形、支管暗接、脱节等）和功能性缺陷（沉积、障碍物、残墙、坝根等），自动测算淤积量并生成管底沉积状态纵断面图，解决管道有水环境，管道水下环境检测。

附图说明

图1为本发明信号采集与信号传输示意图。

图2为本发明检测装置工作检测时的示意图。

其中：1行走装置、3摄像系统、4远程控制终端、5声呐系统、11控制器、12动力装置、13照明装置、14水下转向装置、21第一信号转换模块、22第二信号转换模块、41发射端控制装置、42视频输出系统、43显示装置、44硬盘存储系统、100管道、200液体、300土层。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1、图2，本实施方式提供一种基于声呐的管道检测装置，包括有行走装置1、摄像系统3、声呐系统5、电源模块和远程控制终端4，所述电源模块和摄像系统3分别安装在行走装置1上，电源模块为行走装置1和摄像系统3提供电力，在行走装置1上设有第一信号转换模块21，行走装置1和摄像系统3分别与第一信号转换模块21连接，远程控制终端4上设有第二信号转换模块22，所述第一信号转换模块21和第二信号转换模块22之间采用光纤通信，摄像系统3采集管道100内部的图像，通过光纤传输给远程控制终端4。其中声呐系统5为了保证探测的准确性，检测管道100内壁的损伤程度。

需要说明的是，这里传输采用的光纤优选为一根单模光纤，传输优势主要体现在灵敏度高、不受电磁干扰、体积小、重量轻、寿命长、价格低廉、绝缘、耐高压、耐高温、耐腐蚀适等，而且，因为管道100处于土层300下，通过把单模光纤用于管道100内环境，可以适应管道的复杂弯曲环境，几何形状可依环境要求调整，更为重要的是信号传输容易、高带宽、通讯量大衰减小、传输距离远、传输质量高。

为了省去电缆连接供电，减轻检测装置负担，保证检测装置在管道100内通畅工作，用电源模块为整个检测装置的动作提供电力支持，所述电源模块为带有充放电保护功能的锂电池，用锂电池续航，而且，对锂电池设计有充放电保护功能，防止锂电池在使用过程中出现过充放电的问题。

为了在施工使用前操作人员能一目了然知道锂电池剩余的电量情况，确保电量能完成单次的检测工作，电源模块上设置带显示装置的电量检测装置，所述电量检测装置用于检测运行电量电压，确保处于安全状态下工作，所述显示装置具体为数码管显示频，在所述数码管显示屏上，上行八格彩条显示锂电池电量、下行显示锂电池电压。

所述摄像系统3可以采用1920x1080分辨率的高清网络摄像头，且所述高清摄像头自带防水功能，这里选择海思Hi3519AV100，应用高清网络摄像头进行对图像的采集，达到图像采集部份应用高清方案匹配光纤传输图像，使画面更清晰和稳定，采集到的图像信号通过光纤交换机，最终传输到远程控制终端4，然后通过视频输出系统42对信号数据进行解码，将图像输出到显示装置43显示，优选的，这里的显示装置为显示器，具体为图像显示屏，通过图像显示屏，操作人员可以更加直观的看到管道100内部的视频情况。

为了在后期能及时的查看相关的图像数据，方便后期数据的采集，在视频输出系统42还连接有硬盘存储系统44，用于储存影像。

操作人员通过图像显示屏观看高清网络摄像头传输回来的管道100内部的实时影像，操作电机控制手柄或摄像头旋转摇杆，发射端控制装置41采集到操作信号并转换成控制信号，通过第二信号转换模块22和单模光纤传输到第一信号转换模块21，并分别转发给控制器11和摄像系统3。

为了方便行走装置1能顺利的在水中行走运动，所述行走装置1外形为船体，行走装置1能在管道100中的液体200上移动，适应多种的有水环境；所述控制器11、动力装置12和水下转向装置14均设置于船体上，以保证顺利通行。

信号的传输方式为：

操作电机控制手柄，发出前进后退或左右转向信号，控制器11控制动力装置12和水下转向装置14，控制动力装置12的启停正，以及水下转向装置的摆动，实现方向调整，这里动力装置12优选为电机。

操作摄像头旋转摇杆，发出旋转信号，控制高清网络摄像头进行360°旋转，满足各个方位的监测，使得检测数据更加的全面完整，而且，在行走装置1上设置有照明装置，为图像的采集提供照明。

其中，所述声呐系统5设置于行走装置1的底部，声呐系统5采集到的信号通过以太网TCP /IP的协议，将信号送给第一信号转换模块21，第一信号转换模块21将信号再通过单模光纤传输给第二信号转换模块22，第二信号转换模块22将信号传输给视频输出系统42，视频输出系统42对信号进行解码，再传输给显示装置43，最终还原成图像呈现于图像显示屏上，通过图像显示屏，得知管道100的整体内部环境。

声呐系统5能整体探测到管道100内的环境，是因为声呐系统5上的声呐探头，而且声呐探头上有一个可旋转的超声换能器，该换能器一端有塑料保护壳，另一端是防水连接头；超声换能器投射声波到管道100的内壁，并接收回波，主要是换能器在1秒内完成360°连续扫描，每一个360°都会有400个发射/接收的周期，波束角为0.9°，每一个发射/接收周期采样250点，十万采样点密集的散布到管道100的内壁上，更加清晰的检测管道100内壁的损伤程度。

声呐系统5必须将声呐探头浸入液体200中才能工作，区别于摄像系统3，声呐探头和管道100成直角方向，在通过管道100时，声呐探头快速旋转，并且将一个个管道横截面显示出来，声呐探头可通过滑行、飘浮、拖行等多种方式穿过管道100，且利用色彩表示从管壁反射回来的回波强度，这些回波强度说明表面的类型（硬或软），由于声呐探头旋转360度每秒，通常的探测方式是，让声呐探头以摄像检测那样较慢的速度通过管道100时，用声呐波束描绘管道100内部一个螺旋圆周，声呐探头的移动速度取决于管道100的直径和需要探测的缺陷大小。

对于一个给定的范围，总是采集250个样本，因此固定的范围对应固定的分辨率。例如，250mm范围时，纵向分辨率是1mm。管道内壁扫描区域大小取决于换能器波束角，即能量衰减3db处角度，声呐探头波束角为1.1deg，因此，250mm范围时，波束直径为4.8mm，3000mm范围时，波束直径为57.6mm。

因此，搭载声呐系统5用于带水管道100（1/3以上液体）、检查井或地下空洞检测，能自动分析提取内壁轮廓，建立三维模型，并进行量化分析，应用于管道100的检测时，能够准确判定较多数结构性缺陷（破裂、变形、支管暗接、脱节等）和功能性缺陷（沉积、障碍物、残墙、坝根等），自动测算淤积量并生成管底沉积状态纵断面图，解决管道100中有水环境，管道100水下环境检测。

工作连接方式：

控制器11与远程控制终端4的底层控制程序采用嵌入式实时操作系统开发，芯片采用STM32系列高性能微控制器，具有高可靠的实时任务处理性能，以及便捷的可维护性和扩展升级能力，摄像系统3、控制器11和远程控制终端4之间均采用TCP/IP协议进行通讯控制传输，系统集成CAN、SPI、IIC等常用的工业控制通讯接口，系统集成了电源管理功能，通过软件采集供电，对锂电池的电压，进行实时电量计算，对于信号接收装置与信号发射装置采用uCOS实时操作系统，保证控制更加精准，便于产品升级与功能拓展。

参见图1、图2，处于土层300下方的管道100内存在一定的液体200，通过检修口把行走装置1放下到液体200上，用于在水面行走，摄像系统3设置于行走装置1上，电源模块为整个检测装置提供电力且照明装置13为摄像系统3的采集工作提供照明，远程控制终端4处于土层300上方，摄像系统3和控制器11通过第一信号转换模块21与第二信号转换模块22进行信号传输，通过发射端控制装置41对动力装置12和水下转向装置14进行控制，使行走装置1在液体200上游动，并通过显示装置进行观察。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，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的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于声呐的管道检测装置，其特征在于，包括：

行走装置（1），用于在待检测管道（100）内移动；

摄像系统（3），设于行走装置（1）上，用于采集待检测管道（100）内部的图像数据；

电源模块，设于行走装置（1）上，连接所述行走装置（1）和摄像系统（3），用于为行走装置（1）和摄像系统（3）提供电力；

远程控制终端（4），设于待检测管道（100）外部，用于对行走装置（1）和摄像系统（3）进行操作，并接收来自摄像系统（3）的图像数据；

第一信号转换模块（21），设于行走装置（1）上，与所述摄像系统（3）和行走装置（1）电连接；

第二信号转换模块（22），设于远程控制终端（4）上，与第一信号转换模块（21）光纤连接；

声呐系统（5），所述声呐系统（5）与所述第一信号转换模块（21）连接，用于采集待检测管道内部的图像数据；

所述第一信号转换模块（21）用于将摄像系统（3）所采集到的图像数据转换为光信号并通过光纤传输给第二信号转换模块（22），还接收来自第二信号转换模块（22）的光信号并将光信号转换成电信号传输给行走装置（1）和摄像系统（3）；

所述第二信号转换模块（22）用于将第一信号转换模块（21）传输的光信号还原为电信号传输给远程控制终端（4）和将远程控制终端（4）传输的电信号转换成光信号并传输给第一信号转换模块（21）。

2.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述第一信号转换模块（21）和第二信号转换模块（22）为光纤交换机，用于电信号与光信号之间的相互转换。

3.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述电源模块包括带有充放电保护功能的锂电池。

4.根据权利要求3所述的管道检测装置，其特征在于，所述电源模块还包括：

电量检测装置，用于检测锂电池电量，所述电量检测装置上设有显示装置，用于显示锂电池电量和电压。

5.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述摄像系统（3）为高清网络摄像头。

6.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述行走装置（1）包括：

控制器（11），用于接收远程控制终端（4）通过第二信号转换模块（22）和第一信号转换模块（21）传输的信号；

动力装置（12），与所述控制器（11）电连接，用于驱动行走；

照明装置（13），与所述控制器（11）电连接，用于为采集工作提供照明；

水下转向装置（14），与所述控制器（11）电连接，用于控制行走方位。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的管道检测装置，其特征在于，所述远程控制终端（4）包括：

发射端控制装置（41），与第二信号转换模块（22）电连接，发出控制信号，通过第二信号转换模块（22）和第一信号转换模块（21）传输来对对行走装置（1）和摄像系统（3）进行操作；

视频输出系统（42），与第二信号转换模块（22）电连接，用于解读摄像系统（3）通过第一信号转换模块（21）和第二信号转换模块（22）的传输的视频图象信号。

8.根据权利要求7所述的管道检测装置，其特征在于，所述远程控制终端（4）还包括：

显示装置（43），所述显示装置（43）与所述视频输出系统（42）连接，用于显示影像。

9.根据权利要求7所述的管道检测装置，其特征在于，所述远程控制终端（4）还包括：

硬盘存储系统（44），与所述视频输出系统（42）连接，用于储存影像。

10.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述声呐系统（5）包括：

声呐探头，所述声呐探头具有可旋转的超声换能器，所述超声换能器投射声波到管道壁，并接收回波。