CN111452939A - 一种用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机 - Google Patents
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Abstract
一种用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，包括直升机本体，直升机本体上设有检测系统、传输系统、巡线系统、导航系统、驱动系统、避障系统、控制系统和电源。控制系统中树莓派3B+通过巡线系统实时获取光带的路径作为巡线路径，并通过串口发送给STM32单片机；STM32单片机通过串口接收导航系统传输的位置信息，通过I2C接收树莓派3B+传输的巡线路径指令，并生成相应的电机控制指令，控制驱动系统，使得直升机本体沿着光带巡线行驶；行驶过程中，通过避障系统，控制直升机本体的上升或下潜，使其稳定保持在隧洞的洞心位置；树莓派3B+通过检测系统获得隧洞的内部环境情况，并记录于储存卡中。利用本发明，可实现自主寻迹避障，进行引水隧洞检测。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人自主寻迹避障领域，尤其是涉及一种用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机。
背景技术
引水隧洞以运量大、价格低和可靠性高的优点，成为水资源输送的主要方式。但在带来巨大经济效益的同时，引水隧洞存在着安全隐患。由于水流长时间的冲刷，环境载荷、自身振动、河水的腐蚀、材料疲劳、地壳变动、水生物附着等原因，将可能会导致引水隧洞破损。引水隧洞一旦发生破损，则会引起水资源泄漏和隧洞塌方，造成巨大的环境污染和经济损失，甚至威胁到人类的生命安全。所以需要定期进行检测，及时发现破损情况并展开维修，从而降低事故发生风险，防患于未然。
可见，引水隧洞的检测是至关重要的，但隧洞是由山脉凿出，外部是石块砌成，所以难以从外部对隧洞进行检测，只能通过侧扫声呐、磁力探测仪和浅剖面仪等不同原理的常规工程物探设备，对引水隧洞内壁的状况进行分析，精确探明破损位置，并向及时向管理人员进行反馈。
目前，引水隧洞检测主要分为人工检测和水下机器人检测。人工检测可分为排空检测和潜水检测，水下机器人检测可分为ROV检测和AUV检测。
排空检测是将引水隧洞内部的水排空后，工作人员携带检测设备，行走于隧洞内部，进行检测。存在工期长、影响正常调水工作、费时费力等缺点。
潜水检测是潜水员携带检测设备，潜入引水隧洞内部进行检测。存在定位难度大、速度控制难、检测效率低、检测和操作控制困难等问题。
ROV检测是工作人员操作有缆水下机器人(携带检测设备)，操控ROV潜入引水隧洞进行检测。其具有数据传输快速可靠的优点，然而由于需要人工控制，易发生操作不当，碰壁，且脐带缆易发生缠绕，活动范围受到电缆长度的限制。
AUV检测潜水员将无缆水下机器人(携带检测设备)放在隧洞入口处，AUV将自主对隧洞进行检测。其具有活动范围广、不受电缆限制的优点。然而目前研究大多固化在流线型潜水器，而这类潜水器虽适用于远距离航行工作，但机动性和操作性较差，对于小范围的引水隧洞检测任务，流线形的潜水器并不擅长。因此，急需涉及一种专门用于引水隧洞检测的潜水器。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，可实现自主寻迹避障，进行引水隧洞检测作业。
本发明的技术方案如下：
一种用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，包括直升机本体，所述的直升机本体上设有：
检测系统，设置在直升机本体的前端，用于连续获取隧洞内360°剖面数据，并将数据记录于树莓派3B+的存储卡中；
传输系统，用于将存储卡上的记录的数据传输至上位机；
巡线系统，包括设置在直升机本体下端的水下照明灯和水下摄像头，所述的水下照明灯用于照亮隧洞底部的光带，所述的水下摄像头用于拍摄光带的图像信息并传输至树莓派3B+中进行图像处理，实时获取光带的路径作为巡线路径；
导航系统，包括姿态传感器和惯导装置，用于实时获取直升机本体的姿态数据、瞬时速度和瞬时位置数据；
驱动系统，包括设置在直升机本体上的水平推进器以及用于控制水平推进器速度的电机调速器；
避障系统，包括设置在直升机本体上的测距传感器和浮力调节器，测距传感器用于探测直升机本体与隧洞的顶、底距离，浮力调节器用于控制直升机本体运动时始终稳定在隧洞的洞心位置；
控制系统，包括设置在直升机本体内的树莓派3B+和STM32单片机，所述的树莓派3B+通过巡线系统实时获取光带的路径作为巡线路径，并通过串口发送给STM32单片机；所述的STM32单片机通过串口接收导航系统传输的位置信息，通过I2C接收树莓派3B+传输的巡线路径指令，并生成相应的电机控制指令，控制驱动系统，使得直升机本体沿着光带巡线行驶；行驶过程中，通过避障系统，控制直升机本体的上升或下潜，使其稳定保持在隧洞的洞心位置；同时，树莓派3B+通过检测系统获得隧洞的内部环境情况，并记录于储存卡中。
作为优选，所述的直升机本体为圆碟形。该外形使得本发明的水下直升机在低航行速度下具有较高的稳定性，可以低阻尼水平前进、零阻尼全周转向；同时，竖直方向的高阻尼利于实现悬停和定深控制。
所述的检测系统采用检测声呐。检测声呐可以采用BlueView T2250Tunnnelprofiler，其可以利用高频低功率声学多波束技术，获取连续的360°剖面数据，实时建立密集的3D点云，可以在三个平面上进行视觉损伤评估和测量。
传输系统包括无线数传，所述无线数传采用LORA数传的E32-170T30D，可通过无线传输的方式，将树莓派3B+中存储卡记录的数据传输至上位机。
树莓派3B+中进行图像处理的具体过程为：树莓派3B+上安装有Opencv，其将水下摄像头拍摄的光带图像进行依次二值化、边缘检测、边缘提取、设定阈值、对比数据库后，最终输出巡线路径的指令于STM32单片机。
导航系统中，所述的姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统，包含三轴陀螺仪、三轴加速度计(即IMU)和三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过内嵌的低功率ARM处理器对角速度、加速度和磁数据进行校准，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量；所述的惯导装置通过姿态传感器测量直升机本体的三轴加速度，并自动进行积分运算，获得直升机本体的瞬时速度和瞬时位置数据。
组成导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。
考虑到水下直升机在流体中的流体力学和重力联合作用下的运动与刚体的运动相同，在确定姿态数据和瞬时位置数据时，首先需要建立6DOF的坐标系、惯性参考坐标系和运动坐标系；其中，惯性参考坐标系的坐标原点设置在海平面线上一点，固定于地球；运动坐标系为固定水下直升机的附件坐标系，与水下直升机一起运动。
所述的驱动系统包含两个水平推进器，对称设置在直升机本体的两侧，每个水平推进器由对应的电机调速器控制推进速度。
进一步地，所述的水平推进器可以采用T200水下推进器。
所述的测距传感器分别设置在直升机本体的顶部和底部，所述的浮力调节器为两个对称设置在直升机本体前后位置的垂直推进器，每个垂直推进器由STM32单片机控制正转或反转。
所述的避障系统中，通过模糊自适应PID控制算法控制浮力调节器，使直升机本体运动时始终稳定在隧洞的洞心位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的水下直升机采用圆碟形的外形，配合安装在直升机本体上的各种系统，无需人为控制，可自主巡线避障对引水隧道进行检测，活动范围广、移动性大、轻便、不费时、不费力，可以实现在引水隧洞内的全周转向、定点悬停，且不会发生ROV一样的绳线缠绕现象。
2、本发明通过在引水隧道底部布置光带，同时配合巡线系统的水下摄像头以及图像处理算法分析，使得水下直升机可以进行自主巡线检测。
3、本发明的水下直升机通过模糊自适应控制算法，结合多个测距传感器，使其可以稳定水平保持于引水隧洞的洞心，达到了避障效果。
附图说明
图1为本发明引水隧洞的示意图；
图2为本发明水下直升机的系统示意图；
图3为本发明的水下直升机在引水隧洞内部工作示意图；
图4为本发明对拍摄的光带进行图像处理的流程示意图；
图5为本发明水下直升机的水平推进器和垂直推进器分布图；
图6为本发明水下直升机巡线运动时的控制示意图；
图7为本发明水下直升机的测距传感器的工作示意图；
图8为本发明水下直升机中采用的模糊自适控制算法流程示意图；
图9为本发明水下直升机中维持洞心位置的控制示意图；
图10为本发明水下直升机的整体结构示意图；
图11为本发明水下直升机水平推进器的工作原理图；
图12为本发明中建立的坐标系示意图。
图中：1-山脉，2-引水隧洞，3-水下直升机，4-光带，5-检测声呐，6-破损位置，7-水下照明灯，8-水下摄像头，9-测距传感器，10-充电调试接口，11-支撑杆，12-垂直推进器，水平推进器13。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，引水隧洞2位于山脉1内部，内部注满了水，底部布置有光带4，水下直升机3在引水隧洞内部工作，主要分为巡线，避障，以及检测。
一种用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，如图2所示，包括安装在直升机本体上的检测系统、传输系统、巡线系统、导航系统、驱动系统、避障系统、控制系统和电源。下面分别对每个系统的组成以及工作过程进行详细说明。
检测系统，包括检测声呐5，采用的是BlueView T2250Tunnnel profiler，其可以利用高频低功率声学多波束技术，获取连续的360°剖面数据，实时建立密集的3D点云；可以在三个平面上对引水隧洞2进行视觉损伤评估和测量，并将数据记录于树莓派3B+主控板的存储卡中，数据采集速度更快、空间分辨率更高。
传输系统，包括无线数传模块，采用LORA数传的E32-170T30D，可通过无线传输的方式，将树莓派3B+中存储卡记录的数据传输至上位机，这些数据包括检测声呐5、水下直升机各时间的位置信息、水下视频图像。
巡线系统，包括水下摄像头8和水下照明灯7。水下摄像头8可提供高清HD1080P分辨率的视频图像和视频内容，并且具有特殊设计的环氧树脂保护设计，耐海水腐蚀，抗震设计高，可在恶劣环境下使用；水下摄像头8可将引水隧洞2底部光带4的图像信息传输至树莓派3B+，其中水下照明灯7是为水下摄像头8提供光照，有助于清晰地拍摄出底部的光带4的图像信息。然后通过树莓派中的OpenCV，进行水下图像处理，图像处理过程如图4所示，提取光带的特征点，进行路径规划。
导航系统，包括姿态传感器和惯导装置。姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统，包含三轴陀螺仪、三轴加速度计(即IMU)，三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过内嵌的低功率ARM处理器校准过的角速度，加速度，磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，可实时获取水下直升机3的姿态数据。惯导装置采用JY901，通过姿态传感器测量水下直升机的三轴加速度(即IMU)，并自动进行积分运算，可实时获得水下直升机瞬时速度和瞬时位置数据。两者数据相互结合，组成一种自主式导航系统，实现获取水下直升机3各个时间的位置信息，从而结合检测声呐5所获取的数据，可估算出引水隧洞2破损位置6的位置。建立6DOF的坐标系，如图12所示，惯性坐标系(E-ξηζ)，固定于地球；运动坐标系(G-xyz)，固定于水下直升机3。
驱动系统，包括水平推进器13和电机调速器。直流电机调速器，利用脉宽调制原理(即PWM)，通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100％变化，从而改变水平推进器13的速度，如图11所示。当两个水平推进器13形成速度差时，水下直升机3将做偏转运动；当两个水平推进器的速度相同时，水下直升机3将做直线运动。
本实施例中，水平推进器13采用T200推进器，这是12V直流无刷电机的水下推进器，它的推力是5kgf，自重0.35kg，长度10cm，可以正反转，最大转速是3800r/min，稳定性好，可驱动水下直升机前进或后退。
避障系统，包括测距传感器9和垂直推进器12，一共有三个测距传感器9，两个位于顶部，一个位于底部，频率是1MHz，量程是0.05m-3m，其利用声波信号探测水下直升机3与隧壁上下两侧的距离，如图7所示。垂直推进器12只能以300r/m的转速进行正反转，不能进行速度调节。当两个垂直推进器12同时正转时，水下直升机3做上升运动；当两个垂直推进器12同时反转时，水下直升机3做下降运动。通过模糊自适应PID控制算法，如图8和图9所示，令STM32单片机控制垂直推进器12，使水下直升机稳定地水平保持在隧洞的洞心。
控制系统，包括树莓派3B+和STM32单片机。
树莓派3B+是3代B型单板计算机，搭载了Cortex-A7四核处理器和2GB RAM，单个核心频率高达900MHz。具备4个USB接口和一个千兆以太网接口，一个摄像头接口、和多个GPIO接口等，这些接口为外接多种传感器提供了方便，如声呐、姿态传感器、摄像头等，可在接收到单片机的命令后，对这些传感器收集的数据进行处理操作。同时它搭载了高分频显卡，具备良好的显示性能，可使基于它的软件开发在可视化环境下进行。由于采用了ARM体系构架，该板还可以运行各种风格的Linux系统。
STM32单片机，是基于ARM Cortex内核的32位微控制器，其具有高性能、实时性、数字信号处理、低功率、低电压，同时保持高度集成度和开发简易的等特点。其可用的外设包括以太网MAC，全速USB器件，一个外设DMA控制器、多层高速总线架构，10位ADC、SPI、SSC、双线接口(I2C)、UART串口、以及脉宽调制器(PWM)等。
树莓派3B+和STM32单片机，两主控制板间可互传数据，接收相应传感器数据，控制相应系统，完成操作指令；树莓派3B+控制检测系统、传输系统和巡线系统；STM32单片机控制导航系统，驱动系统以及避障系统。
树莓派3B+，主要功能是通过巡线系统获取水下高清摄像头的图像，并进行实时处理，得到导航基线的位置，通过串口发送给STM32主控板，然后STM32主控板控制驱动系统实现自主巡线行驶；通过检测系统，获得引水隧洞的内部环境情况，并记录于储存卡中。
STM32单片机，主要功能包括根据压力传感器来控制整机的供电；通过串口接收导航系统传输的位置信息，通过I2C接收树莓派3B+传输的巡线路径指令，并生成相应的电机控制指令，控制驱动系统，使得水下直升机沿着光带巡线行驶；通过避障系统，控制水下直升机的上升或下潜，使水下直升机稳定地水平保持在引水隧的洞心处，此处是巡线系统和检测系统效果最佳的位置。
电源采用24V的锂电池，给水下直升机3整个设备进行供电，可反复充电，可通过充电调试接口10对其进行程序调试和充电。
本发明的水下直升机的整体结构如图10所示，图中，(a)为主视图，(b)侧视图，(c)为俯视图。水下直升机的外形为圆碟形，其在低航行速度下具有较高的稳定性。充电调试接口10设置在水下直升机3的顶端，检测声呐5设置在水下直升机的前端，水平推进器13分别设置在水下直升机的左右两端，垂直推进器12分别设置在水下直升机的前后两端，水下照明灯7和水下摄像头8设置在水下直升机的下端，三个测距传感器9分别设置在水下直升机的上端和下端，其中，上端设有两个，下端设有一个。另外，水下直升机的下端还设有支撑杆11。
本发明的水下直升机具有巡线、避障和检测三种功能。
巡线时，如图3所示，水下直升机3通过水下摄像头8拍摄底部光带4的图像信息，并传输至树莓派进行图像处理和图像分析，然后树莓派发送控制指令至STM32单片机，最后根据控制指令，STM32单片机控制水平推进器13，使水下直升机沿着光带4做直线或者偏转运动。图像处理和图像分析过程，如图4所示。推进器如图5所示，A1和A2为垂直推进器12，分别设置在水下直升机的前后两端；B1和B2为水平推进器13，分别设置在水下直升机的左右两端。垂直推进器12用于控制水下直升机的升沉运动，水平推进器13控制水下直升机前进运动。垂直推进器12是定速电机，只能以一定的速率正反转，水平推进器13是调速电机，通过电机调速器，调节速率，以不同的速率正反转。水下直升机沿着光带4做直线或者偏转运动，如图6所示，对光带进行图像处理后，若光带落于A区，则向右偏转，若光带落于B区则直线运动，若光带落于C区则向左偏转。
避障时，水下直升机3通过三个测距传感器9获得与隧壁顶、底之间的距离，如图7所示，并传输至STM32单片机，结合自适应模糊PID控制算法，使水下直升机3稳定地以水平状态处于引水隧洞的洞心，这可防止碰壁现象，便于实现避障和巡线、以及维稳。自适应模糊PID控制算法，如图8和图9所示。m和n两个控制器都是自适应模糊PID控制器，以hd作为输入，hd是预定差值，h1和h2作为输入，e是误差，ec是误差变化率，以水下直升机作为被控对象，以测距传感器作为检测装置，从而使得水下直升机3稳定地以水平状态处于引水隧洞的洞心。
检测时，水下直升机3携带检测声呐5，通过自主寻迹避障，从引水隧洞2的洞口到洞尾，隧洞检测声呐5全程开启，检测引水隧洞2是否存在破损位置6，并将数据记录并存储于树莓派的内存卡中。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，包括直升机本体，其特征在于，所述的直升机本体上设有：
检测系统，设置在直升机本体的前端，用于连续获取隧洞内360°剖面数据，并将数据记录于树莓派3B+的存储卡中；
传输系统，用于将存储卡上的记录的数据传输至上位机；
巡线系统，包括设置在直升机本体下端的水下照明灯和水下摄像头，所述的水下照明灯用于照亮隧洞底部的设置的光带，所述的水下摄像头用于拍摄光带的图像信息并传输至树莓派3B+中进行图像处理，实时获取光带的路径作为巡线路径；
导航系统，包括姿态传感器和惯导装置，用于实时获取直升机本体的姿态数据、瞬时速度和瞬时位置数据；
驱动系统，包括设置在直升机本体上的水平推进器以及用于控制水平推进器速度的电机调速器；
避障系统，包括设置在直升机本体上的测距传感器和浮力调节器，测距传感器用于探测直升机本体与隧洞的顶、底距离，浮力调节器用于控制直升机本体运动时始终稳定在隧洞的洞心位置；
控制系统，包括设置在直升机本体内的树莓派3B+和STM32单片机，所述的树莓派3B+通过巡线系统实时获取光带的路径作为巡线路径，并通过串口发送给STM32单片机；所述的STM32单片机通过串口接收导航系统传输的位置信息，通过I2C接收树莓派3B+传输的巡线路径指令，并生成相应的电机控制指令，控制驱动系统，使得直升机本体沿着光带巡线行驶；行驶过程中，通过避障系统，控制直升机本体的上升或下潜，使其稳定保持在隧洞的洞心位置；同时，树莓派3B+通过检测系统获得隧洞的内部环境情况，并记录于储存卡中。
2.根据权利要求1所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，所述的直升机本体为圆碟形。
3.根据权利要求1所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，所述的检测系统采用检测声呐。
4.根据权利要求1所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，树莓派3B+中进行图像处理的具体过程为：树莓派3B+上安装有Opencv，其将水下摄像头拍摄的光带图像进行依次二值化、边缘检测、边缘提取、设定阈值、对比数据库后，最终输出巡线路径的指令于STM32单片机。
5.根据权利要求1所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，所述的姿态传感器包含三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴电子罗盘，通过内嵌的低功率ARM处理器对角速度、加速度和磁数据进行校准，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量；所述的惯导装置通过姿态传感器测量直升机本体的三轴加速度，并自动进行积分运算，获得直升机本体的瞬时速度和瞬时位置数据。
6.根据权利要求1所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，所述的导航系统中，在确定姿态数据和瞬时位置数据时，建立6DOF的坐标系、惯性参考坐标系和运动坐标系；其中，惯性参考坐标系的坐标原点设置在海平面线上一点，固定于地球；运动坐标系为固定水下直升机的附件坐标系，与水下直升机一起运动。
7.根据权利要求1所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，所述的驱动系统包含两个水平推进器，对称设置在直升机本体的两侧，每个水平推进器由对应的电机调速器控制推进速度。
8.根据权利要求7所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，所述的水平推进器采用T200水下推进器。
9.根据权利要求1所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，所述的测距传感器分别设置在直升机本体的顶部和底部，所述的浮力调节器为两个对称设置在直升机本体前后位置的垂直推进器，每个垂直推进器由STM32单片机控制正转或反转。
10.根据权利要求1所述的用于引水隧洞检测的自主巡线水下直升机，其特征在于，所述的避障系统中，通过模糊自适应PID控制算法控制浮力调节器，使直升机本体运动时始终稳定在隧洞的洞心位置。
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