CN111948632A - 一种水工管涵中机器人的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工管涵中机器人的定位方法，首先对管涵内部进行充水，减小流场对机器人的干扰；将两台机器人分别固定于桩号a、b，通过重力传感器保证机器人连线水平；通过缆线外包不同密度的附加层，防止缆线缠绕；通过管涵传导的超声波测量a、b的水平间距；将第一台机器人移动至更深的桩号c，重复上述过程，完成整个管涵的检测工作。本方法可在管涵内部拐点处实现检测路径的转向，并通过管涵内部构造的位置修正每站的测距结果。本发明能在封闭管涵阻挡机器人定位信号的情况下，建立管涵内部的局部坐标，实现机器人定位，避免机器人跌落陡坡、卡组、失联，并保证检测结果与结构位置对应。

Description

一种水工管涵中机器人的定位方法

技术领域

本发明属于管涵检测技术领域，具体涉及一种水工管涵中机器人的定位方法。

背景技术

水利工程中含有大量压力钢管、隧洞、涵洞等结构，由于水体的腐蚀、冲击作用，上水水工管涵容易发生劣化失效，定期对水工管涵展开检测，是提升工程可靠度和安全性的有效方法。

目前在工程中较为成熟、可靠的技术是潜水员人工检查，通过潜水员携带摄像机、测量工具、检测仪等，深入水工管涵内部开展检查、检测。然而，由于潜水员的作业时间、作业深度均有限制，采用人工潜水的方式检测存在局限性，对于超长管涵、深水管涵等，人工潜水难以开展且危险性大。为此，采用机器人代替人工潜水，成为了一种可行的技术方案。

水下拖曳机器人（ROV）和自主潜航器（AUV），已经在海洋环境下开展了多种作业，取得了良好的效果，能够有效收集结构的光学、声学信息。但采用机器人对水工管涵开展检测时，难点在于水工管涵的长度长，部分管涵超过1公里，且内部充水，外部被土、水、混凝土等介质包裹。机器人进入封闭的管涵后，自带的定位装置受到屏蔽、干扰，能以正常工作，无法获知机器人的准确位置。这将导致检测结果无法与结构位置对应，甚至机器人可能会进跌落陡坡，卡组在狭窄部位，与操控器失联等。因此，机器人在水工管涵内部的定位，成为了一个亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种水工管涵中机器人的定位方法，首先对管涵内部进行充水，减小流场对机器人的干扰；将两台机器人分别固定于桩号a、b，通过重力传感器保证机器人连线水平；通过缆线外包不同密度的附加层，防止缆线缠绕；通过管涵传导的超声波测量a、b的水平间距；将第一台机器人移动至更深的桩号c，重复上述过程，完成整个管涵的检测工作。本方法可在管涵内部拐点处实现检测路径的转向，并通过管涵内部构造的位置修正每站的测距结果。本发明能在封闭管涵阻挡机器人定位信号的情况下，建立管涵内部的局部坐标，实现机器人定位，避免机器人跌落陡坡、卡组、失联，并保证检测结果与结构位置对应。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种水工管涵中机器人的定位方法，包括以下步骤：

（1）关闭管涵的出口，对管涵内部进行充水，当水充满管涵后开始检测，此时管涵内部完全被水充满，通过控制入口闸门开度的方法，保证管涵内部的流场最小化，在该环境中，机器人利用自身动力在管涵断面的任意高度悬停、作业；

（2）设置两台机器人配合作业，第一台机器人位于管涵入口，记为桩号a，机器人固定在管涵右侧的表面或者左侧的表面；

在机器人内部设有超声波探头，探头固定于一根可以自动伸缩的杆件上；对于压力钢管，探头为电磁换能器，对于混凝土或砌石衬砌的管涵，探头为压电陶瓷换能器；

机器人内部搭载有重力传感器，保证机器人处于水平位置，通过机器人自带的推进器，调整机器人的姿态，保证超声波探头朝向与坐标轴一致。在完成姿态调整后，对机器人开展固定；

对于压力钢管中机器人的固定，采用通电线圈产生的电磁力吸附于压力钢管表面，对于混凝土或砌石衬砌表面的机器人固定，采用砂轮或毛刷打磨管涵表面，采用真空吸盘吸附在管涵表面，通过抽出吸盘内的水，实现机器人与管涵表面的稳定连接，每个机器人配有不少于4根固定支架；

另操控一台机器人，进入管涵入口更深的位置，记为桩号b，采用同样的方式固定；若采用拖拽缆线的ROV机器人，需对两台机器人的缆线进行密度上的区分，通过在缆线外包裹不同密度的附加层，使两条缆线悬浮于不同的高度；同时在机器人移动时，避免两台机器人移动路径的高程发生交叉；

（3）第一台机器人内部设有超声波探头1，另外一台机器人内部设有超声波探头2，在桩号a处，通过探头1向管涵内壁激发超声波，超声波通过水耦合作用进入管涵结构内部，并沿管涵结构的内表面以瑞丽波形式传播；当超声波传递至桩号b处时，通过探头2接收超声波信号；两台机器人将探头采集的超声波信号同时传递至水面上的示波器中，能够采集到两个超声波的波包；第1个波包为发射信号，第2个波包为接收信号，根据超声波在管涵内部传播的速度，结合两个波包的传播时间，测量出两个探头的间距x1，由于步骤1中的固定方法，该站测距x1是沿水平路径的距离，故得知桩号b距离桩号a的相对长度；由于桩号a位于管涵入口，最终推算出桩号b的位置；

当管涵内部出现T、L型拐点时，将桩号b设置在拐弯处，桩号a与桩号b水平设置，在桩号a与桩号b处各设置机器人，测量水平距离x1，并将a点的机器人移至桩号b的垂直位置，测量垂直距离x2，完成检测路径的转向；

（4）在完成一站的测量后，将桩号b的机器人固定，移动桩号a处的机器人至更深的位置，并重复上述过程，测量第2站的距离x2，以此类推，完成整个管涵的检测工作。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种水工管涵中机器人的定位方法，首先对管涵内部进行充水，减小流场对机器人的干扰；将两台机器人分别固定于桩号a、b，通过重力传感器保证机器人连线水平；通过缆线外包不同密度的附加层，防止缆线缠绕；通过管涵传导的超声波测量a、b的水平间距；将第一台机器人移动至更深的桩号c，重复上述过程，完成整个管涵的检测工作。本方法可在管涵内部拐点处实现检测路径的转向，并通过管涵内部构造的位置修正每站的测距结果。本发明能在封闭管涵阻挡机器人定位信号的情况下，建立管涵内部的局部坐标，实现机器人定位，避免机器人跌落陡坡、卡组、失联，并保证检测结果与结构位置对应。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的坐标轴的设置图（1是Y轴，2是Z轴，3是X轴）；

图3为探头工作效果图；

图4为超声波传播效果图；

图5为T、L型管涵机器人移动示意图；

图6为水平管涵机器人移动示意图；

图7为机器人在管涵右侧表面固定的效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图所示，本发明所述的一种水工管涵中机器人的定位方法，包括以下步骤：

（1）关闭管涵的出口，对管涵内部进行充水，当水充满管涵后开始检测，此时管涵内部基本完全被水充满。通过控制入口闸门开度等方法，保证管涵内部的流场最小化。在该环境中，机器人可利用自身动力（推进器）在管涵断面的任意高度悬停、作业。

（2）设置两台机器人配合作业，第一台机器人位于管涵入口（记为桩号a）。由于管涵底部通常有泥沙淤积，机器人携带的超声波探头不易接触到管涵底部，而管涵顶部可能无法被水充满，超声波探头虽然能接触到管涵顶部，但无法通过水耦合作用在管涵表面充分激发出超声波，故将机器人固定在管涵右侧的表面（也可以固定在管涵的左表面）。

在机器人内部设有超声波探头，探头固定于一根可以自动伸缩的杆件上。对于压力钢管，探头可以为电磁换能器，对于混凝土或砌石衬砌的管涵，探头为压电陶瓷换能器，换能器的入射角度、入射频率等，根据管涵表面的材质优化确定。如，混凝土衬砌的管涵，推荐换能器为压电换能器，中心频率为150kHz。

机器人内部搭载有重力传感器，保证机器人处于水平位置，通过机器人自带的推进器，调整机器人的姿态，保证超声波探头朝向与坐标轴一致。在完成姿态调整后，对机器人开展固定。如图7所示。

对于压力钢管中机器人的固定，采用通电线圈产生的电磁力吸附于压力钢管表面，对于混凝土或砌石衬砌表面的机器人固定，采用砂轮或毛刷打磨管涵表面，采用真空吸盘吸附在管涵表面，通过抽出吸盘内的水，实现机器人与管涵表面的稳定连接，每个机器人配有不少于4根固定支架。

另操控一台机器人，进入管涵入口更深的位置（记为桩号b），采用同样的方式固定。若采用拖拽缆线的ROV机器人，需对两台机器人的缆线进行密度上的区分，通过在缆线外包裹不同密度的附加层，使两条缆线悬浮于不同的高度。同时在机器人移动时，避免两台机器人移动路径的高程发生交叉。

（3）在桩号a处，通过探头1向管涵内壁激发超声波，超声波通过水耦合作用进入管涵结构内部，并沿管涵结构的内表面以瑞丽波形式传播。当超声波传递至桩号b处时，通过探头2接收超声波信号。两台机器人将探头采集的超声波信号同时传递至水面上的示波器中，可以采集到两个超声波的波包。第1个波包为发射信号，第2个波包为接收信号，根据超声波在管涵内部传播的速度，结合两个波包的传播时间，可以测量出两个探头的间距x1（如图3、4和6所示）。由于步骤1中的固定方法，该站测距x1是沿路径1（而非路径2）的距离（如图2所示，水平方向），故得知桩号b距离桩号a的相对长度。由于桩号a位于管涵入口，最终推算出桩号b的位置。

当管涵内部出现T、L型连接点时，如图5所示，可在连接点a、b各设置机器人，测量水平距离x1，并将a点的机器人移至c点（垂直方向），测量垂直距离x2，完成检测路径的转向。

根据管涵的图纸，确定管涵内的特征位置，如管涵的分封接口、坡段连接点的桩号、闸门位置等。根据机器人采集的图像，识别上述特征点，校正机器人的当前位置，并对超声波的波速进行修正。

（4）在完成一站的测量后，将桩号b的机器人固定，移动桩号a处的机器人至桩号c位置，并重复上述过程，测量第2站的距离x2，然后移动桩号b处的机器人至桩号d位置，测量第3站的距离x3，以此类推，完成整个管涵的检测工作，如图6所示。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (1)

1.一种水工管涵中机器人的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）关闭管涵的出口，对管涵内部进行充水，当水充满管涵后开始检测，此时管涵内部完全被水充满，通过控制入口闸门开度的方法，保证管涵内部的流场最小化，在该环境中，机器人利用自身动力在管涵断面的任意高度悬停、作业；

（2）设置两台机器人配合作业，第一台机器人位于管涵入口，记为桩号a，机器人固定在管涵右侧的表面或者左侧的表面；

在机器人内部设有超声波探头，探头固定于一根可以自动伸缩的杆件上；对于压力钢管，探头为电磁换能器，对于混凝土或砌石衬砌的管涵，探头为压电陶瓷换能器；

机器人内部搭载有重力传感器，保证机器人处于水平位置，通过机器人自带的推进器，调整机器人的姿态，保证超声波探头朝向与坐标轴一致；在完成姿态调整后，对机器人开展固定；

对于压力钢管中机器人的固定，采用通电线圈产生的电磁力吸附于压力钢管表面，对于混凝土或砌石衬砌表面的机器人固定，采用砂轮或毛刷打磨管涵表面，采用真空吸盘吸附在管涵表面，通过抽出吸盘内的水，实现机器人与管涵表面的稳定连接，每个机器人配有不少于4根固定支架；

另操控一台机器人，进入管涵入口更深的位置，记为桩号b，采用同样的方式固定；若采用拖拽缆线的ROV机器人，需对两台机器人的缆线进行密度上的区分，通过在缆线外包裹不同密度的附加层，使两条缆线悬浮于不同的高度；同时在机器人移动时，避免两台机器人移动路径的高程发生交叉；

（3）第一台机器人内部设有超声波探头1，另外一台机器人内部设有超声波探头2，在桩号a处，通过探头1向管涵内壁激发超声波，超声波通过水耦合作用进入管涵结构内部，并沿管涵结构的内表面以瑞丽波形式传播；当超声波传递至桩号b处时，通过探头2接收超声波信号；两台机器人将探头采集的超声波信号同时传递至水面上的示波器中，能够采集到两个超声波的波包；第1个波包为发射信号，第2个波包为接收信号，根据超声波在管涵内部传播的速度，结合两个波包的传播时间，测量出两个探头的间距x1，由于步骤1中的固定方法，该站测距x1是沿水平路径的距离，故得知桩号b距离桩号a的相对长度；由于桩号a位于管涵入口，最终推算出桩号b的位置；

当管涵内部出现T、L型拐点时，将桩号b设置在拐弯处，桩号a与桩号b水平设置，在桩号a与桩号b处各设置机器人，测量水平距离x1，并将a点的机器人移至桩号b的垂直位置，测量垂直距离x2，完成检测路径的转向；

（4）在完成一站的测量后，将桩号b的机器人固定，移动桩号a处的机器人至更深的位置，并重复上述过程，测量第2站的距离x2，以此类推，完成整个管涵的检测工作。

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