CN112858308A - 一种输水管道运行期病害水下检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输水管道运行期病害水下检测装置，包括检测本体，检测本体的前部设有病害检测系统，底部设有行走轮，检测本体还安装有推进机构和定位系统，检测本体沿前后方向设有至少两组伸缩臂，伸缩臂的底端与检测本体铰接，伸缩臂与检测本体的铰接位置两侧设有第一驱动件，第一驱动件一端与检测本体铰接，另一端与伸缩臂底端铰接，伸缩臂顶端与弧形板铰接，伸缩臂与弧形板的铰接位置两侧设有第二驱动件，第二驱动件一端与伸缩臂顶端铰接，另一端与弧形板铰接，本发明的检测装置提高效率，安全性好。

Description

一种输水管道运行期病害水下检测装置

技术领域

本发明涉及管道检测设备技术领域，具体涉及一种输水管道运行期病害水下检测装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

重大引水工程具有输水规模大、距离长、水头压力高、供水区域广、运行环境复杂的特点。长距离输水管道是保障供水工程正常运行的重要设施，如果长距离输水管道在运行期出现开裂、渗水、剥落等病害，将会造成巨大的社会经济损失。

传统方式一般是采用人工巡检手段，派遣检查人员进入管道巡检，发明人发现，检修期间管道必须处于停水状态，停水人工检测存在速度慢、危险性高等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种输水管道运行期病害水下检测装置，无需停水检测，检测速度快，安全性好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种输水管道运行期病害水下检测装置，包括检测本体，检测本体的前部设有病害检测系统，底部设有行走轮，检测本体还安装有推进机构和定位系统，检测本体沿前后方向设有至少两组伸缩臂，伸缩臂的底端与检测本体铰接，伸缩臂与检测本体的铰接位置两侧设有第一驱动件，第一驱动件一端与检测本体铰接，另一端与伸缩臂底端铰接，伸缩臂顶端与弧形板铰接，伸缩臂与弧形板的铰接位置两侧设有第二驱动件，第二驱动件一端与伸缩臂顶端铰接，另一端与弧形板铰接，弧形板能够贴合管道内侧面。

进一步的，所述伸缩臂的底端中部位置与第一铰接杆的一端铰接，第一铰接杆的另一端与检测本体固定连接，两个第一驱动件对称设置在铰接杆的前、后两侧。

进一步的，所述伸缩臂的顶端中部与第二铰接杆的一端固定连接，第二铰接杆的另一端与弧形板的内弧面中部位置铰接，两个第二驱动件对称设置在第二铰接杆的前、后两侧。

进一步的，所述病害检测系统设置在检测本体前部的半椭球体结构中，包括与控制系统连接的360°摄像头、补光仪及三维成像声呐仪。

进一步的，所述定位系统包括多普勒计程仪及IMU惯性导航定位件。

进一步的，所述伸缩臂采用电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的固定部壳体及伸缩部均采用半圆柱型结构，半圆柱型结构的平面朝下设置。

进一步的，所述推挤机构采用安装在检测本体后部和底部的多个螺旋桨推进器。

进一步的，所述检测本体上还安装有与控制系统连接的速度检测件。

进一步的，所述检测本体上还安装有压电单晶片，所述压电单晶片与安装在检测本体的蓄电池连接，能够将水的压力转换为电能对蓄电池进行充电。

进一步的，所述伸缩臂上安装有与控制系统连接的压力检测件，用于检测水流对伸缩臂的压力信息。

本发明的有益效果：

1.本发明的检测装置，能够利用推进机构或支撑臂在管道内行进，检测时无需人工巡检，实现了在不停水状态下对管道的检修，避免了影响引水工程的正常运行。

2.本发明的检测装置，利用推进机构或支撑臂在管道内行进，利用病害检测系统进行检测，并能够利用定位系统得到病害的位置信息，检测速度快，效率高，无需工作人员进入管道，安全性好。

3.本发明的检测装置，伸缩臂采用半圆柱型机构，且半圆柱型结构的平面朝下，从相对运动来看，当水流沿伸缩臂流动时。由于伸缩臂上下侧的形状不同，在相同时间内，伸缩上侧的水流比下侧的水流流过了较多的路程(曲线长于直线)，也即伸缩臂上侧的水流流动得比下侧的水流快，根据流动力学的原理，伸缩臂上侧的压力小于下侧，使伸缩臂产生了一个向上的浮力，减少了底部螺旋桨推进器所需要的能耗从而达到节约能源延长工作时间的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1整体结构仰视图；

图3为本发明实施例1整体结构侧视图；

图4为本发明实施例1控制系统分部示意图；

图5为本发明实施例1伸缩臂与巡检本体装配示意图；

图6为本发明实施例1伸缩臂与弧形板装配示意图；

图7为本发明实施例1检修装置示意图。

其中，1.巡检本体，2.腔体，3.摄像头，4.补光仪，5.三维成像声呐仪，6. 多普勒计程仪，7.VG300垂直陀螺仪，8.螺旋桨推进器，9.行走轮，10.伸缩臂，11.第一铰接杆，12.第一驱动件，13.第二铰接杆，14.弧形板，15.第二驱动件，16. OMEGA压力传感器，17.ZLS-C50测速传感器，18.压电单晶片，19.相机图像存储单元，20.声纳图像存储单元，21.镍氢蓄电池，22.检修管道，23.标识物，24.检修出口，25.主控单元。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

正如背景技术所介绍的，目前的输水管道采用人工巡检，检修期间管道必须处于停水状态，停水人工检测存在速度慢、危险性高等问题，针对上述问题，本申请提出了一种输水管道运行期病害水下检测装置。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-图6所示，一种输水管道运行期病害水下检测装置，包括巡检本体1，所述巡检本体采用铝合金或不锈钢材质制成的空心圆柱体结构，所述铝合金或不锈钢材质制作巡检本体腔通过外施阳极电流使其表面形成氧化保护膜。

所述巡检本体的前段固定有半椭球型的由透明材质制成的腔体2，优选的，所述腔体采用耐高压玻璃材质制成，所述腔体内部安装有病害检测系统，本实施例中，所述病害检测系统包括360°摄像头3、补光仪4及三维成像声呐仪5。

所述360°摄像头安装在巡检本体的前端，可保证相机180°无阻碍拍照检测范围，摄像头可变焦，且单方向拍照距离为3.3m。所述360°摄像头与设置在巡检本体内部的控制系统连接，能够将采集的图像传输给控制系统。

所述补光仪设置两个，两个补光仪对称设置在360°摄像头的两侧，安装在巡检本体的前端，补光强度为1030Lux，可以有效保障拍照所需光强，所述补光仪与控制系统连接，能够接收控制系统的指令进行工作。

所述三维成像声呐仪安装在腔体的底部，所述三维成像声呐仪与控制系统连接，三维成像声呐仪的声呐发射脉冲信号，并接收目标反射信号，反射信号由控制系统的信号接收器进行接收并存储，通过波束振幅和相位检测对反射信号进行处理，得到反射面的扇形位置信息，从而生成三维声呐图像，当管道存在凸起、开裂时，声呐图像会出现明显变化，从而实现管道病害声呐探测识别。

所述巡检本体内部的前部安装有定位系统，所述定位系统与控制系统连接，能够将巡检本体的位置信息传输给控制系统，所述定位系统包括计程仪和IMU 惯性导航定位件，优选的，所述计程仪采用多普勒计程仪6，安装在三维成像声呐仪后方，用于确定水下机器人的水底绝对速度信息与深度信息，优选的，所述IMU惯性导航定位件采用VG300垂直陀螺仪7，安装在计程仪后方，能够测量巡检本体的姿态参数、加速度和角速度信息，与计程仪结合确定巡检本体在管道内具体三维定位及运动信息。

所述巡检本体安装有推进机构，所述推进机构用于推动巡检本体在管道内行进。

所述推进机构采用多个安装在巡检本体底部和后部的螺旋桨推进器8，优选的，所述巡检本体的后部安装三个螺旋桨推进器，所述巡检本体的底部安装四个螺旋桨推进器，且巡检本本体底部的四个螺旋桨推进器设置在巡检本体的底部中部位置。

所述螺旋桨推进器采用现有的螺旋桨推进器即可，包括螺旋桨、伺服电机等元件，其具体结构在此不进行详细叙述，所述伺服电机通过伺服电机控制模块与控制系统连接，能够接收控制系统的指令进行工作，通过多个螺旋桨推进器，能够带动巡检本体在管道内行进，也可以调节巡检本体的位姿。

巡检本体后部安装三个螺旋桨推进器，三个螺旋桨推进器呈三角形分布，底部安装四个螺旋桨推进器，四个螺旋桨推进器沿直线分布，巡检本体的角度可根据速度变化自动调整；后部安装三个螺旋桨推进器提供前进或后退的反作用力实现水下作业机器人的前后运动,可通过控制伺服电机的转速来控制反作用力的大小从而控制速度,还可以通过控制后部三个螺旋桨推进器中左右对称的两个推进器的转速差来形成两个具有相同方向而大小不一的力,从而使得巡检本体可以完成转向运动；巡检本体底部安装四个推进器提供向上的反作用力来使得巡检本体可以向上运动和通过这个力和水的浮力以及巡检本体自身重力来保持平衡以及运动稳定性。

所述巡检本体的底部还安装有多个行走轮9，所述行走轮对称设置在螺旋桨推进器的两侧，优选的，所述行走轮采用丁腈橡胶材料制成，

沿巡检本体的前后方向，巡检本体的固定有至少两组伸缩臂10，优选的，所述巡检本体上设置有两组伸缩臂，每组设有四个伸缩臂，共八个伸缩臂，巡检本体的两侧分别对称设置有四个伸缩臂同一组中位于巡检本体同一侧的两个伸缩臂的轴线呈设定的锐角设置。

优选的，所述伸缩臂采用电动推杆，包括固定部和伸缩部，与现有电动推杆的区别在于所述固定部和伸缩部为半圆柱型结构，半圆柱型结构的圆弧面朝上设置，平面超下设置。

当水流沿伸缩臂流动时。由于伸缩臂上下侧的形状不同，在相同时间内，伸缩上侧的水流比下侧的水流流过了较多的路程(曲线长于直线)，也即伸缩臂上侧的水流流动得比下侧的水流快，根据流动力学的原理，伸缩臂上侧的压力小于下侧，使伸缩臂产生了一个向上的浮力，减少了底部螺旋桨推进器所需要的能耗从而达到节约能源延长工作时间的目的。

所述固定部的底端中部位置通过耳板与第一铰接杆11的顶端铰接，第一铰接杆的底端与巡检本体固定连接，所述第一铰接杆设置在巡检本体设置的安装槽内，所述第一铰接杆的前后两侧设置有第一驱动件12，所述第一驱动件可采用电动伸缩杆或柱塞缸等，只要能够输出直线运动即可，优选的，所述第一驱动件采用柱塞缸，所述柱塞缸的缸体与巡检本体铰接，柱塞缸的活塞杆与固定部的底端铰接。

两个第一驱动件配合工作，能够实现电动推杆沿巡检本体的前后方向摆动。

所述电动推杆的伸缩部顶端中部位置与第二铰接杆13的一端固定连接，第二铰接杆的另一端通过耳板与弧形板14的中部位置铰接，所述第二铰接杆的前后两侧设置有第二驱动件15，所述第二驱动件可采用电动伸缩杆或柱塞缸等，只要能够输出直线运动即可，优选的，所述第二驱动件采用柱塞缸，所述柱塞缸的缸体与伸缩部铰接，柱塞缸的活塞杆与弧形板铰接。

通过两个第二驱动件配合工作，能够实现弧形板沿巡检本体前后方向摆动。使得弧形板在伸缩臂前后摆动时，都能够与管道的内侧面相贴合。

所述弧形板与管道形状相匹配，其外侧弧面为有突刺凹凸不平的粗糙面，用于增大弧形板与管道内侧面的摩擦力，且适应管道圆形衬砌断面形式。

所述伸缩臂上还安装有压力检测件，本实施例中，所述压力检测件采用压力传感器，优选的，所述压力传感器采用OMEGA压力传感器16，所述压力传感器与控制系统连接，能够将采集得到的水流对伸缩臂的压力传输给控制系统。

所述巡检本体的上部前侧还安装有速度检测件，所述速度检测件采用速度传感器，优选的，所述速度传感器采用ZLS-C50测速传感器17，能够获取巡检本体的行进速度和左右摆动量，并将信号传输给控制系统，配合定位系统信息获取巡检本体的实时速度；当加速度较大时表明管道内流速激增，此时采用伸缩臂方式保持巡检本体平稳行进，另外通过速度传感器数据辅助伸缩臂调整角度，保障姿态平稳，当水流速度减缓时，根据压力传感器数据获得的阻力变化情况，控制伸缩臂的收缩。

本实施例中，所述巡检本体的底部还安装有30mm×60mm的压电单晶片 18，所述压电单晶片安装在巡检本体底部不易磕碰的安全位置，所述压电单晶片作为压电振子，与安装在巡检本体的蓄电池连接，蓄电池与控制系统、病害检测系统、推进机构等元件连接，用于进行供电，优选的，所述蓄电池采用镍氢蓄电池。当巡检本体潜入水下之后水压激励压电振子，压电振子弯曲变形发出电量，经收集后储存在镍氢蓄电池中，镍氢蓄电池21置于巡检本体内可用于为巡检本体提供能源延长使用周期。

本实施例中，所述控制系统与远程监控终端连接，能够将采集的信息传输给远程监控终端，也可以接收远程监控终端下发的指令，所述控制系统包括主控单元25、相机图像存储单元19、声纳图像存储单元20、信号接收单元；主控单元采用AM5718多核异构处理器，安装在机器人腔体中央，与相机图像存储单元、声纳图像存储单元、信号接收单元集成在主控板上；信号接收单元负责接收各类传感器信号，使用MAX232电平转换模块实现信息接收模块与上位机之间的信号转换，以完成串口通讯任务，为长距离主控单元通讯提供保障；采用异步半双工位方式的RS-485进行远距离信息传输，实现检测检测装置在管道内部长距离的通讯功能。

采用本实施例的检测装置，能够利用推进机构或伸缩臂在管道内行进，检测时无需人工巡检，实现了在不停水状态下对管道的检修，避免了影响引水工程的正常运行，而且能够利用病害检测系统进行检测，并能够利用定位系统得到病害的位置信息，检测速度快，效率高，无需工作人员进入管道，安全性好。

如图7所示，本实施例的检测装置的工作方法包括以下步骤：

S1、启动控制系统与巡检本体，在检修洞口放置巡检本体，并通过远程监控终端向控制系统下达控制命令，准备进行检测；

S2、巡检本体进入检修管道22内，根据压力传感器数据获得水流阻力变化情况，依据水流速度控制伸缩臂的收缩，当水流速度较慢时，采用行走轮与螺旋桨推进器控制机器人姿态并向前推进，并采用压电晶片将流体的部分动能转换为电能储存在蓄电池内，将管道内压能和动能转化为电能，为机器人在管道内部长时间的自主稳定航行及其他模块正常工作提供能源基础；当水流速度较快时，通过压力传感器数据控制支撑臂装置伸缩，采用支撑臂方式保持机器人平稳行进，另外通过速度传感器数据辅助支撑臂调整角度，保障姿态平稳；

具体的，当前侧的伸缩臂通过弧形板撑住管道内侧面时，后方的伸缩臂收缩，并向前摆动，然后后方的伸缩臂支撑住管道内侧面，然后前方的伸缩臂收缩，向前摆动，然后支撑住管道内侧面，后方的伸缩臂收缩，前方伸缩臂带动巡检本体向前移动，然后后方伸缩臂再撑住管道内壁，完成巡检本体的行走。

S3、检测机器人保持姿态稳定后，通过远程控制终端向控制系统发送指令，控制系统控制病害检测系统工作，开启补光仪、360°摄像头、三维成像声呐仪进行病害检测，同时启用定位模块的计程仪与导航系统确定机器人与病害所处具体位置；

S4、在水下运行期间，检测装置通过信号接收单元接收陆上电脑的控制指令，通过电平转换模块实现信息接收模块与上位机之间的信号转换，实现检测装置在管道内部长距离的通讯功能，进而实时控制病害检测系统进行检测工作，并将相机拍摄的图像存储在机器人巡检本体中央的相机图像存储单元内，三维声呐成像仪扫面的数据存储在声纳图像存储单元内；

S5、在检测输水管道出口处布置标识物23和捕捉网，检测装置通过360°摄像头对标识物进行自主识别，并通过推进机构向检修出口24处推进，最终通过捕捉网实现检测机器人的自主回收；

S6、提取检测装置检测的相关数据，进行图像和数据处理，实现长距离大型输水管道运行期病害水下检测工作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，包括检测本体，检测本体的前部设有病害检测系统，底部设有行走轮，检测本体还安装有推进机构和定位系统，检测本体沿前后方向设有至少两组伸缩臂，伸缩臂的底端与检测本体铰接，伸缩臂与检测本体的铰接位置两侧设有第一驱动件，第一驱动件一端与检测本体铰接，另一端与伸缩臂底端铰接，伸缩臂顶端与弧形板铰接，伸缩臂与弧形板的铰接位置两侧设有第二驱动件，第二驱动件一端与伸缩臂顶端铰接，另一端与弧形板铰接。

2.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述伸缩臂的底端中部位置与第一铰接杆的一端铰接，第一铰接杆的另一端与检测本体固定连接，两个第一驱动件对称设置在铰接杆的前、后两侧。

3.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述伸缩臂的顶端中部与第二铰接杆的一端固定连接，第二铰接杆的另一端与弧形板的内弧面中部位置铰接，两个第二驱动件对称设置在第二铰接杆的前、后两侧。

4.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述病害检测系统设置在检测本体前部的半椭球体结构中，包括与控制系统连接的360°摄像头、补光仪及三维成像声呐仪。

5.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述定位系统包括多普勒计程仪及IMU惯性导航定位件。

6.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述伸缩臂采用电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的固定部壳体及伸缩部均采用半圆柱型结构，半圆柱型结构的平面朝下设置。

7.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述推进机构采用安装在检测本体后部和底部的多个螺旋桨推进器。

8.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述检测本体上还安装有与控制系统连接的速度检测件。

9.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述检测本体上还安装有压电单晶片，所述压电单晶片与安装在检测本体的蓄电池连接，能够将水的压力转换为电能对蓄电池进行充电。

10.如权利要求1所述的一种输水管道运行期病害水下检测装置，其特征在于，所述伸缩臂上安装有与控制系统连接的压力检测件，用于检测水流对伸缩臂的压力信息。

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