CN111239746A - 一种堤坝裂缝检测水下机器人及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种堤坝裂缝检测水下机器人及使用方法，它涉及一种机器人及使用方法，具体涉及一种堤坝裂缝检测水下机器人及使用方法。本发明为了解决当前水下堤坝裂缝检测难度大、精度低的问题。本发明所述水下机器人包括载体框架、动力系统、裂缝检测系统、导航定位系统、浮力平衡系统、耐压舱及下位机系统；所述动力系统、所述裂缝检测系统、所述导航定位系统、所述浮力平衡系统、耐压舱及下位机系统均安装在所述载体框架内。本发明属于水下机器人领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人及使用方法，具体涉及一种堤坝裂缝检测水下机器人及使用方法，属于水下机器人领域。
背景技术
智能水下机器人Autonomous Underwater Vehicle，AUV作为一种水下关键技术装备，在海洋民用、军用和科研等领域已经成为实用有效的开发工具，是海洋开发探索的重要手段，在水利工程中具有十分重要的作用。
在水利工程中，堤坝是一种十分常见的工程项目，由于建筑工程的所用材料不同，堤坝也有很多种类，比如混凝土坝、干砌石坝、土石坝、土坝等，由于建筑成本及地理特点等因素，土质堤坝相比于其他种类的堤坝相对要多一些，因为其施工容易，成本较低，许多地方可以就地取材进行施工，而且周期也较短，但土质堤坝也相对容易出现裂缝、渗漏、背水滑塌、临水崩塌、漫溢和决口等险情。裂缝是堤坝常见的病害，水下裂缝的产生破坏混凝土结构整体性，会加速堤坝的老化，准确了解水下裂缝的位置及其形态是水下堤坝维护的必要条件。
采用遥控式水下机器人ROV进行裂缝检测是目前水下堤坝检测最有效的手段之一。通过对水下机器人的遥控操作，可以准确到达预定位置，可实现水下全方位扫描检测，重点部位可以“驻足”观测，不仅可以快速检测到大坝的整体情况，而且可以仔细检查局部病变的细节。水下机器人可以代替潜水员作业，保障人员安全。水下机器人可搭载水下摄像头和前视声纳，实现光学和声学相结合，实现堤坝裂缝检测。
发明内容
本发明为解决当前水下堤坝裂缝检测难度大、精度低的问题，进而提出一种堤坝裂缝检测水下机器人及使用方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述水下机器人包括载体框架、动力系统、裂缝检测系统、导航定位系统、浮力平衡系统、耐压舱及下位机系统；所述动力系统、所述裂缝检测系统、所述导航定位系统、所述浮力平衡系统、耐压舱及下位机系统均安装在所述载体框架内。
进一步的，所述载体框架包括底板、上面板、两个侧面固定板和四个拉筋，上面板、底板由上至下依次水平设置，两个侧面固定板竖直并排设置在上面板与底板之间，且侧面固定板的上边缘与上面板固定连接，侧面固定板的下边缘与底板固定连接，四个拉筋分别拉住底板中心与上面板的四个角。
进一步的，所述动力系统包括两个垂向推进器和四个水平推进器，两个垂向推进器分别安装在两个侧板上，四个水平推进器分别安装在上面板的四个角。
进一步的，所述裂缝检测系统包括多波束声纳、水下灯、测距声纳、摄像头和云台，水下灯、测距声纳和摄像头安装在云台上，云台安装在所述载体框架的前端，多波束声纳安装在上面板的前端。
进一步的，所述导航定位系统包括深度计、高度计、USBL超短基线定位系统、GPS定位系统和磁罗经，深度计、高度计安装在底板上，USBL超短基线定位系统、GPS定位系统、磁罗经安装在上板面的上表面上。
进一步的，所述浮力平衡系统包括浮力材和四个压载，浮力材安装在上面板的上表面上，四个压载分别安装在底板的四个角。
本发明所述水下机器人使用方法的具体步骤如下：
步骤一：首先在待检测建筑物附近布置机器人岸基设备，包括：水面控制台、图像处理系统及释放回收装置，释放机器人载体，通过机器人所搭载的摄像装置查看水下环境，利用控制台或遥控器遥控机器人到达指定位置；
步骤二：通过上位机将预知信息及检测要求，包括：海洋环境信息、需要扫描的区域、扫描时间、扫描精度，发送给机器人载体；
步骤三：调整机器人的姿态，使其视觉成像以及视觉成像设备与建筑物相对状态达到要求；然后根据裂缝检测的精度要求以及声学和光学传感器参数确定机器人距水下结构物表面的距离；
步骤四：规划机器人自上而下，从左至右以S形路线梳状扫描建筑物结构，利用自动控制算法实现自主检测作业；
步骤五：在扫描过程中，机器人将检测到的光学图像及声学图像数据、机器人的位置实时上传至上位机，供操作人员观察。
本发明的有益效果是：堤坝裂缝检测水下机器人采用自主控制作业的形式对堤坝进行检测，检测效率更高更稳定，节省了操作人员的时间；堤坝裂缝检测水下机器人配备四个水平面推进器和两个垂直面推进器，并成角度布置，再结合自动控制算法，机器人的运动更稳定，对观察设备的影响很小；本发明采用声学和光学相结合的方式实现堤坝裂缝的检测，相比于单一的检测方式，可以发现细小的裂缝和隐藏的裂缝；本发明的载体框架采用铝合金结构并用铝合金拉筋固定，相比于其他塑料框架机器人结构强度更高更稳定。
附图说明
图1是本发明所述水下机器人的结构示意图；
图2是机器人水平面推进器布置示意图；
图3是堤坝裂缝检测水下机器人系统示意图；
图4是机器人作业流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种堤坝裂缝检测水下机器人包括载体框架、动力系统、裂缝检测系统、导航定位系统、浮力平衡系统、耐压舱及下位机系统19；所述动力系统、所述裂缝检测系统、所述导航定位系统、所述浮力平衡系统、耐压舱及下位机系统19均安装在所述载体框架内。
本实施方式中耐压舱及下位机系统19的耐压舱由5A06铝合金管材加工而成，表面进行防水氧化处理，配有2根肋骨加强结构，利用轴向密封的方式用O型密封圈密封，可以承受100米水深压力；耐压舱及下位机系统19的下位机系统由开发板、电源模块、串口以及各种电路系统等组成，固定于耐压舱内，以使其防水并隔绝水下压力，下位机系统用于接收解算上位机下发的控制指令，并将解算的指令发给动力系统、通讯系统和裂缝检测系统等。
本实施方式中，上位机与下位机通过一根100米长的零浮力抗拉线缆连接，实现下位机的供电以及上位机与下位机的信息传递，线缆自耐压舱艉部延伸出，并套有侧拉缆套，再利用U型环将缆套与底板固定以防止线缆受到拉扯力而受损。
具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种堤坝裂缝检测水下机器人的载体框架包括底板1、上面板13、两个侧面固定板7和四个拉筋4，上面板13、底板1由上至下依次水平设置，两个侧面固定板7竖直并排设置在上面板13与底板1之间，且侧面固定板7的上边缘与上面板13固定连接，侧面固定板7的下边缘与底板1固定连接，四个拉筋4分别拉住底板1中心与上面板13的四个角。
底板1、上面板13、两个侧面固定板7均是由6mm厚的铝合金板制作的，如此设置，可以稳定机器人结构，且整个载体框架表面进行防水氧化处理。
其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种堤坝裂缝检测水下机器人的动力系统包括两个垂向推进器5和四个水平推进器6，两个垂向推进器5分别安装在两个侧板3上，四个水平推进器6分别安装在上面板13的四个角。
本实施方式中水平面推进器6分别布置于机器人四角，与机器人纵轴线成45度夹角，实现机器人前进后退、左右横移、转艏运动，垂向推进器5布置于机器人两侧，与机器人重心浮心纵向坐标相同，与垂线成15度角，实现机器人升沉、横摇运动。
水平推进器6布置于机器人结构框架的四角，与纵中线成45度角，桨叶向后布置，使得机器人在转艏时更加容易操控，推进器桨叶处使用不锈钢网罩住以防水草等缠绕。
其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种堤坝裂缝检测水下机器人的裂缝检测系统包括多波束声纳12、水下灯15、测距声纳16、摄像头17和云台18，水下灯15、测距声纳16和摄像头17安装在云台18上，云台18安装在所述载体框架的前端，多波束声纳12安装在上面板13的前端。
本实施方式中摄像头17、水下灯15及测距声纳16固定于云台18上，布置于机器人艏部中间，实现全方位视觉裂缝检测；多波束声纳12布置于云台18正上方，实现声学裂缝检测。
其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种堤坝裂缝检测水下机器人的导航定位系统包括深度计2、高度计3、USBL超短基线定位系统9、GPS定位系统10和磁罗经11，深度计2、高度计3安装在底板1上，USBL超短基线定位系统9、GPS定位系统10、磁罗经11安装在上板面12的上表面上。
本实施方式中磁罗经11、GPS定位系统10和USBL超短基线定位系统10布置于机器人顶部中纵线依次排列，用于确定机器人位置和姿态，高度计3和深度计2布置于机器人底部中纵线依次排列，用于确定机器人深度和高度。
其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种堤坝裂缝检测水下机器人的浮力平衡系统包括浮力材8和四个压载14，浮力材8安装在上面板13的上表面上，四个压载14分别安装在底板1的四个角。
本实施方式中浮力材8布置于机器人顶部，压载14布置于机器人底部四角，通过相互抵消，调节机器人水下浮态，达到浮力与重力平衡且浮心与重心在同一纵轴线。
浮力材8根据其形状及安装位置切割成9块，压载切割成若干个大小相等的长方体，可根据搭载设备的不同或作业水域密度的不同，调节机器人浮态。
其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种堤坝裂缝检测水下机器人使用方法的具体步骤如下：
步骤一：首先在待检测建筑物附近布置机器人岸基设备，包括：水面控制台、图像处理系统及释放回收装置，释放机器人载体，通过机器人所搭载的摄像装置查看水下环境，利用控制台或遥控器遥控机器人到达指定位置；
步骤二：通过上位机将预知信息及检测要求，包括：海洋环境信息、需要扫描的区域、扫描时间、扫描精度，发送给机器人载体；
步骤三：调整机器人的姿态，使其视觉成像以及视觉成像设备与建筑物相对状态达到要求；然后根据裂缝检测的精度要求以及声学和光学传感器参数确定机器人距水下结构物表面的距离；
步骤四：规划机器人自上而下，从左至右以S形路线梳状扫描建筑物结构，利用自动控制算法实现自主检测作业；
步骤五：在扫描过程中，机器人将检测到的光学图像及声学图像数据、机器人的位置实时上传至上位机，供操作人员观察。
工作原理
本发明在工作时，上下位机间通过光缆连接，通过光端机转化为网络信号获取摄像头信息，同时经由串口转网络模块将外置设备与嵌入式控制板与上位机进行通讯。控制板具有控制外部设备开关、进行推进器驱动和调整水下照明灯亮度的功能。水面通过电缆为水下提供400V直流电供电，水下有两个48V电源模块及一个24V电源模块，电源模块供电通过电源滤波器进行整流滤波，并对各电源模块进行电压检测与电流检测，电源检测的信号连接至嵌入式控制板，将检测信号发送给上位机。48V电源模块为六个推进器供电，舱内其他设备由24V电源模块供电。嵌入式控制板供电为24V，其内涵12V供电功能，为深度计、测距声纳和高度声纳供电，并对深度计供电时具有AD采集功能以获取深度信息。其余外部设备经过继电器供电，继电器可由嵌入式控制板进行控制。配有24V转5V的电源模块为光端机、交换机、GPS模块和罗经供电。
水下裂缝检测机器人拥有相应的检测策略实现对水下结构裂缝的自动控制检测，如图4所示。首先在待检测建筑物附近布置机器人岸基设备，包括：水面控制台、图像处理系统及释放回收装置，然后释放机器人载体，通过机器人所搭载的摄像装置查看水下环境，利用控制台或遥控器遥控机器人到达指定位置；通过上位机将预知信息及检测要求发送给机器人载体，包括：海洋环境信息、需要扫描的区域、扫描时间、扫描精度等；调整机器人的姿态，使其视觉成像以及视觉成像设备与建筑物相对状态达到要求；然后根据裂缝检测的精度要求以及声学和光学传感器参数确定机器人距水下结构物表面的距离；规划机器人自上而下，从左至右以S形路线梳状扫描建筑物结构。
扫描检测过程中，根据探测传感器开角等参数确定梳状路线之间的距离；根据海流等环境信息以及机器人姿态与结构物表面夹角信息确定机器人艏向，使其探测传感器设备与结构物表面垂直；根据扫描时间要求及环境信息确定航行速度；将规划的控制指令传递给控制系统，打开探测传感器以及执行机构开始扫描；通过摄像头观测水下建筑物表面情况，若搭载成像声纳，则可以用其检测建筑物深层结构情况；利用USBL确定机器人位置信息；通过光缆将扫描到的图像信息以及定位信息实时发送到上位机及试验操作人员，利用基于深度学习的图像识别及优化算法对图像进行优化处理。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种堤坝裂缝检测水下机器人，其特征在于：所述一种堤坝裂缝检测水下机器人包括载体框架、动力系统、裂缝检测系统、导航定位系统、浮力平衡系统、耐压舱及下位机系统(19)；所述动力系统、所述裂缝检测系统、所述导航定位系统、所述浮力平衡系统、耐压舱及下位机系统(19)均安装在所述载体框架内。
2.根据权利要求1所述一种堤坝裂缝检测水下机器人，其特征在于：所述载体框架包括底板(1)、上面板(13)、两个侧面固定板(7)和四个拉筋(4)，上面板(13)、底板(1)由上至下依次水平设置，两个侧面固定板(7)竖直并排设置在上面板(13)与底板(1)之间，且侧面固定板(7)的上边缘与上面板(13)固定连接，侧面固定板(7)的下边缘与底板(1)固定连接，四个拉筋(4)分别拉住底板(1)中心与上面板(13)的四个角。
3.根据权利要求1或2所述一种堤坝裂缝检测水下机器人，其特征在于：所述动力系统包括两个垂向推进器(5)和四个水平推进器(6)，两个垂向推进器(5)分别安装在两个侧板(3)上，四个水平推进器(6)分别安装在上面板(13)的四个角。
4.根据权利要求1或2所述一种堤坝裂缝检测水下机器人，其特征在于：所述裂缝检测系统包括多波束声纳(12)、水下灯(15)、测距声纳(16)、摄像头(17)和云台(18)，水下灯(15)、测距声纳(16)和摄像头(17)安装在云台(18)上，云台(18)安装在所述载体框架的前端，多波束声纳(12)安装在上面板(13)的前端。
5.根据权利要求1或2所述一种堤坝裂缝检测水下机器人，其特征在于：所述导航定位系统包括深度计(2)、高度计(3)、USBL超短基线定位系统(9)、GPS定位系统(10)和磁罗经(11)，深度计(2)、高度计(3)安装在底板(1)上，USBL超短基线定位系统(9)、GPS定位系统(10)、磁罗经(11)安装在上板面(12)的上表面上。
6.根据权利要求1或2所述一种堤坝裂缝检测水下机器人，其特征在于：所述浮力平衡系统包括浮力材(8)和四个压载(14)，浮力材(8)安装在上面板(13)的上表面上，四个压载(14)分别安装在底板(1)的四个角。
7.一种堤坝裂缝检测水下机器人使用方法，其特征在于：所述一种堤坝裂缝检测水下机器人使用方法的具体步骤如下：
步骤一：首先在待检测建筑物附近布置机器人岸基设备，包括：水面控制台、图像处理系统及释放回收装置，释放机器人载体，通过机器人所搭载的摄像装置查看水下环境，利用控制台或遥控器遥控机器人到达指定位置；
步骤二：通过上位机将预知信息及检测要求，包括：海洋环境信息、需要扫描的区域、扫描时间、扫描精度，发送给机器人载体；
步骤三：调整机器人的姿态，使其视觉成像以及视觉成像设备与建筑物相对状态达到要求；然后根据裂缝检测的精度要求以及声学和光学传感器参数确定机器人距水下结构物表面的距离；
步骤四：规划机器人自上而下，从左至右以S形路线梳状扫描建筑物结构，利用自动控制算法实现自主检测作业；
步骤五：在扫描过程中，机器人将检测到的光学图像及声学图像数据、机器人的位置实时上传至上位机，供操作人员观察。
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