CN112962780B - 城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人及工作方法，涉及隧道检测与清淤技术领域。该智能机器人包括隧道结构检测装置、清淤作业装置、机器人水中定位装置、机器人水中行走装置和机器人通讯控制装置；隧道结构检测装置包括浑水摄像机和声呐；清淤作业装置包括搭载于机器人本体前部的淤泥铲；机器人水中定位装置包括陀螺仪；机器人通讯控制装置包括水下线缆及控制器，控制器通过水下线缆与地面控制平台连接。本发明的智能机器人可实现在城市深层污水隧道中完成对隧道结构本体、隧道结构附着淤泥的全方位质量检测与清淤，促进城市深层污水隧道检测与清淤作业的智能化发展。
Description
技术领域
本发明属于隧道检测与清淤技术领域，更具体地，涉及一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人系统及工作方法。
背景技术
随着城市人口的不断增多，城市污水体量越来越大；原有小直径浅埋管道难以满足大量污水的蓄积排放能力，现有城市给排水系统逐渐向大直径深层污水传输隧道发展。作为城市的重要基础设施，在长期运营过程中，需要定期进行隧道结构本体安全、隧道结构附着淤泥、污水浓度的检测和清淤工作，避免隧道发生衬砌掉落、淤泥沉积堵塞以及污水浓度未达标排放等质量安全问题，影响城市深层污水传输隧道的蓄污排污能力。
目前，为提高清淤工作的效率，相应的清淤机器人逐渐替代人工进行作业。然而，随着城市深层污水传输隧道的不断发展，现有的清淤机器人功能比较单一，没有实现水上水下一体化结构安全检测与清淤工作。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明旨在提供一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人及其工作方法，实现对隧道结构本体安全、隧道结构附着淤泥的一体化检测和清淤工作，及时发现并处理隧道结构安全及淤泥沉积堵塞问题，并及时清污，提高城市深层污水传输隧道的蓄污排污效率，促进城市深层污水隧道检测与清淤作业的智能化发展。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人，包括：机器人本体以及搭载于机器人本体上的隧道结构检测装置、清淤作业装置、机器人水中定位装置、机器人水中行走装置和机器人通讯控制装置；
所述隧道结构检测装置包括搭载于机器人本体前部的浑水摄像机和声呐；浑水摄像机用于污水下方模糊场景的清晰成像，声呐用于隧道结构本体以及附着淤积物情况的轮廓成像；
清淤作业装置包括搭载于机器人本体前部的淤泥铲，工作状态下淤泥铲贴地，在机器人水中行走装置工作产生的前进推力下铲松淤积物；
机器人水中定位装置包括陀螺仪；
机器人通讯控制装置包括水下线缆及控制器，控制器通过水下线缆与地面控制平台连接，用于控制各个装置。
进一步地，隧道结构检测装置还包括搭载于机器人本体上部的激光雷达，用于通过点云扫描成像技术生成污水面上方隧道结构及附着淤积物轮廓图像。
进一步地，清淤作业装置还包括推进器；所述淤泥铲后部镂空，所述推进器设于淤泥铲上方或后方，且所述推进器的轴线与隧道底面呈一夹角，以通过推进器的推进叶片正反转产生推力和吸力将铲松的淤积物打散扬起，进而随水流向下游排出。
进一步地，还包括污水浓度检测装置。
进一步地，所述声呐还用于机器人水中定位；机器人水中定位装置采用陀螺仪+声呐融合定位技术，通过陀螺仪感知智能机器人的姿态变化，通过声呐发射和接收目标回波，进而实现智能机器人水中高精度定位；
机器人水中定位装置还包括姿态校准和纠偏程序模块，用于在智能机器人吊装下水过程中按照预设的姿态对智能机器人进行姿态校准和纠偏。
进一步地，机器人水中行走装置包括履带式爬行机构，其通过伺服直流电机带动行星齿轮减速器驱动履带，从而提供前后行走的推力。
进一步地，机器人水中行走装置还包括充气气囊、空气泵和储气罐，充气气囊通过输气管和空气泵连接至储气罐，通过充气气囊的充放气实现智能机器人在污水面的上浮和下沉。
为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人的工作方法，通过隧道结构检测装置的声呐和浑水摄像机检测污水下方的隧道结构本体及附着淤积物情况；启动机器人水中行走装置产生前进推力，启动清淤作业装置的推进器，由机器人水中行走装置推动清淤作业装置的淤泥铲以铲松淤积物，由推进器的推进叶片正反转产生推力和吸力将铲松的淤积物打散扬起，从而随水流向下游排出。
进一步地，在清淤过程中，机器人通讯控制装置通过组网编组自动执行预先设置轨迹路线，完成城市深层污水传输隧道检测与清淤作业。
进一步地，在智能机器人吊装下水过程中，机器人通讯控制装置根据陀螺仪感知机器人的姿态变化，按照预设的吊装下水姿态进行姿态校准和纠偏。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明利用声呐+浑水摄像机感知污水面下方隧道结构本体以及附着淤积物情况，可实现对隧道结构本体安全、隧道结构附着淤泥的一体化检测和清淤工作，及时发现并处理隧道结构安全及淤泥沉积堵塞问题。
2、考虑到淤泥主要沉积在隧道底部，但隧道的水上部分也有存在淤积物的可能，本发明进一步利用激光雷达感知污水面上方隧道结构本体以及附着淤积物情况，从而实现对隧道结构本体安全、隧道结构附着淤泥的水上水下一体化检测，便于全面了解随带结构本体安全及淤泥附着情况。
3、本发明的清淤作业装置采用淤泥铲、推进器将淤泥松动并打散，通过淤泥铲与推进器的协同工作，一次推进同时具备铲松和打散的效果，能够大幅提高清污效率，更有利于淤积物自行随水流向下游排出。
4、通过污水浓度检测装置监测污水浓度，便于及时掌控污染程度并及时排放至污水厂。
5、本发明采用陀螺仪+声呐融合定位技术；陀螺仪感知机器人的姿态变化，声呐系统通过发射和接收目标回波，进而实现机器人水中高精度定位，并可在智能机器人吊装下水过程中进行姿态校准和纠偏，保证智能机器人精准下水并顺利执行隧道作业。
6、本发明采用履带爬行+充气气囊实现智能机器人的前后行走以及上下升降，由于铲泥的推进力来自于智能机器人自身的前进动力，履带式爬行机构产生的驱动力更为平衡、稳定和强力。利用充气气囊的充放气来改变智能机器人的排水体积，从而实现智能机器人在污水面的上浮和下沉，有助于完成隧道水上水下一体化检测和清淤工作。
7、本发明采用光纤传输+自动巡航技术，通过组网编组自动执行预先设置轨迹路线，完成城市深层污水传输隧道检测与清淤作业，有利于多机器人分布式作业，大大提高检测与清淤作业效率。
附图说明
图1是本发明的一种城市深层污水隧道检测与清淤智能机器人系统框架示意图；
图2是本发明的智能机器人立体结构示意图。
图3是本发明的智能机器人结构侧视图。
图4是本发明的智能机器人结构俯视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-陀螺仪；2-浑水摄像机；3-激光雷达；4-声呐；5-清淤作业装置；6-污水浓度检测装置；7-充气气囊；8-履带底盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～4所示，本发明优选的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人包括机器人本体以及搭载于机器人本体上的隧道结构检测装置、清淤作业装置、机器人水中定位装置、机器人水中行走装置和机器人通讯控制装置。
本实施中，机器人本体为履带底盘8，履带底盘8的主体部分为水密舱，主要电路及控制器均设于水密舱中，与外部器件的连接则通过水密接插件、水下线缆实现。机器人水中行走装置由履带式爬行机构和充气气囊组件构成。履带式爬行机构通过伺服直流电机带动行星齿轮减速器驱动履带，从而提供前后行走的推力。充气气囊组件包括充气气囊7、空气泵和储气罐，充气气囊7通过输气管和空气泵连接至储气罐，通过充气气囊的充放气实现智能机器人在污水面的上浮和下沉。
所述隧道结构检测装置包括搭载于机器人本体前部的浑水摄像机2和声呐4；浑水摄像机2用于污水下方模糊场景的清晰成像，声呐4用于隧道结构本体以及附着淤积物情况的轮廓成像。隧道结构检测装置还包括搭载于机器人本体上部的激光雷达3，用于通过点云扫描成像技术生成污水面上方隧道结构及附着淤积物轮廓图像。优选地，所述声呐4还用于机器人水中定位；机器人水中定位装置采用陀螺仪+声呐融合定位技术，通过陀螺仪感知智能机器人的姿态变化，通过声呐发射和接收目标回波，进而实现智能机器人水中高精度定位；机器人水中定位装置还包括姿态校准和纠偏程序模块，用于在智能机器人吊装下水过程中按照预设的姿态对智能机器人进行姿态校准和纠偏。
清淤作业装置5包括搭载于机器人本体前部的淤泥铲，工作状态下淤泥铲贴地，在机器人水中行走装置工作产生的前进推力下铲松淤积物。优选地，由于淤积物本身有一定的垫高作用，本实施例中淤泥铲的底面略低于履带底盘8的底面，从而不需要设置复杂的联动机构，工作时淤泥铲自然贴地工作。清淤作业装置还包括推进器；所述淤泥铲后部镂空，所述推进器设于淤泥铲上方或后方，且所述推进器的轴线与隧道底面呈一夹角(本实施例取90°)，以通过推进器的推进叶片正反转产生推力和吸力将铲松的淤积物打散扬起，进而随水流向下游排出。
机器人通讯控制装置包括水下线缆及控制器，控制器通过水下线缆与地面控制平台连接，用于控制各个装置。
此外，本实施例设有污水浓度检测装置6，用于监测污水浓度。
下面，以一个具体应用案例对本发明的工作方法及可施行的具体设计作更进一步的介绍：
1、隧道结构检测装置
1)污水面下方隧道检测：针对城市深层隧道污水面下方隧道信息，通过在智能机器人前方安装声呐系统+浑水摄像机，安装方式为焊接，进而对隧道结构本体以及附着淤积物情况进行检测；浑水摄像机通过利用自带的图像增强技术使污水下方模糊场景变成清晰可见的图像，进而获取污水面下方隧道信息；声呐系统利用声波在水中不同目标物体的传播特性，通过三维扫描成像系统，对隧道结构本体以及附着淤积物情况的轮廓进行图像显示，获取浑水摄像机无法拍摄到的隧道信息，进而感知污水面下方隧道结构本体以及附着淤积物情况。
2)污水面上方隧道检测：智能机器人利用充气气囊上浮至污水表面，进而开展污水面上方隧道检测。具体操作步骤如下：首先，利用智能机器人上搭载的激光雷达对污水面上方隧道进行扫描；然后，利用激光雷达点云数据的三维成像处理技术形成污水面上方隧道结构信息，从而检测污水面上方隧道结构本体是否存在裂缝以及衬砌掉落，同时可以检测隧道结构表面的附着淤积物情况。
2、清淤作业装置
所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人系统及工作方法，在获取到隧道结构表面的附着淤泥情况之后，采用淤泥铲+高功率推进器将淤泥松动并打散。具体操作原理如下：首先，利用贴地淤泥铲将淤泥铲松；然后，通过4个800W防水电机驱动的推进叶片产生推力和吸力将铲松的淤泥打散扬起；最后，利用污水隧道自身水流将扬起的淤泥冲走。
3、污水浓度检测装置
所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人系统及工作方法，可利用污水浓度检测装置开展污水浓度检测工作。具体操作步骤如下：通过在智能机器人前方安装一个水质浊度检测仪，实时监测各区域位置蓄存的污水浓度情况，当监测的污水浓度达到可以排放的指标之后，可及时将隧道所蓄存的污水排放至污水厂，从而缓解污水厂处理能力。
4、机器人水中定位装置
所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人系统及工作方法，可利用智能机器人水中定位装置实现智能机器人在污水传输隧道中的定位工作。具体操作步骤如下：通过在智能机器人前方安装声呐探头以及中部安装陀螺仪，采用陀螺仪+声呐融合定位技术确定智能机器人在污水传输隧道的位姿情况；利用陀螺仪感知智能机器人在污水传输隧道中的姿态变化，利用声呐系统实现智能机器人污水传输隧道中的高精度定位，并可在智能机器人吊装下水过程中进行姿态校准和纠偏，保证智能机器人精准下水并顺利执行隧道作业。
5、机器人水中行走装置
所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人系统及工作方法，通过智能机器人的履带爬行+充气气囊实现智能机器人的前后行走以及上下升降。具体操作步骤如下：履带式爬行机构驱动系统采用两个750W伺服直流电机驱动，搭配速比为50的行星齿轮减速器提供前后行走的推力；由于智能机器人自身重量较大，正常情况下是沉入隧道污水面以下进行水下作业，通过在履带中部下方位置安装充气气囊，给充气气囊充气即可实现智能机器人上浮至污水面，完成隧道水上水下一体化检测和清淤工作。
6、机器人通讯控制装置
所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人系统及工作方法，采用光纤传输+自动巡航技术实现智能机器人的通讯控制。具体操作步骤如下：采用微重力高强度线缆，利用表面发泡材料使线缆在水中重力微大于浮力，内部植入凯夫拉纤维线或钢丝绳保证线缆有足够的强度，从而可以实现智能机器人在污水传输隧道中的通讯；并通过组网编组自动执行预先设置轨迹路线，完成城市深层污水传输隧道检测与清淤作业。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人，其特征在于，包括：机器人本体以及搭载于机器人本体上的隧道结构检测装置、清淤作业装置、机器人水中定位装置、机器人水中行走装置和机器人通讯控制装置；
所述隧道结构检测装置包括搭载于机器人本体前部的浑水摄像机（2）和声呐（4）；浑水摄像机（2）用于污水下方模糊场景的清晰成像，声呐（4）用于隧道结构本体以及附着淤积物情况的轮廓成像；
清淤作业装置（5）包括搭载于机器人本体前部的淤泥铲，工作状态下淤泥铲贴地，在机器人水中行走装置工作产生的前进推力下铲松淤积物；
清淤作业装置还包括推进器；所述淤泥铲后部镂空，所述推进器设于淤泥铲上方或后方，且所述推进器的轴线与隧道底面呈一夹角，以通过推进器的推进叶片正反转产生推力和吸力将铲松的淤积物打散扬起，进而随水流向下游排出；
机器人水中定位装置包括陀螺仪（1）；
机器人通讯控制装置包括水下线缆及控制器，控制器通过水下线缆与地面控制平台连接，用于控制各个装置。
2.根据权利要求1所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人，其特征在于，隧道结构检测装置还包括搭载于机器人本体上部的激光雷达（3），用于通过点云扫描成像技术生成污水面上方隧道结构及附着淤积物轮廓图像。
3.根据权利要求1所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人，其特征在于，还包括污水浓度检测装置（6）。
4.根据权利要求1所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人，其特征在于，所述声呐（4）还用于机器人水中定位；机器人水中定位装置采用陀螺仪+声呐融合定位技术，通过陀螺仪感知智能机器人的姿态变化，通过声呐发射和接收目标回波，进而实现智能机器人水中高精度定位；机器人水中定位装置还包括姿态校准和纠偏程序模块，用于在智能机器人吊装下水过程中按照预设的姿态对智能机器人进行姿态校准和纠偏。
5.根据权利要求1所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人，其特征在于，机器人水中行走装置包括履带式爬行机构，其通过伺服直流电机带动行星齿轮减速器驱动履带，从而提供前后行走的推力。
6.根据权利要求1或权利要求2或权利要求5所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人，其特征在于，机器人水中行走装置还包括充气气囊（7）、空气泵和储气罐，充气气囊（7）通过输气管和空气泵连接至储气罐，通过充气气囊的充放气实现智能机器人在污水面的上浮和下沉。
7.根据权利要求1~6任一项所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人的工作方法，其特征在于，通过隧道结构检测装置的声呐和浑水摄像机检测污水下方的隧道结构本体及附着淤积物情况；启动机器人水中行走装置产生前进推力，启动清淤作业装置的推进器，由机器人水中行走装置推动清淤作业装置的淤泥铲以铲松淤积物，由推进器的推进叶片正反转产生推力和吸力将铲松的淤积物打散扬起，从而随水流向下游排出。
8.根据权利要求7所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人的工作方法，其特征在于，在清淤过程中，机器人通讯控制装置通过组网编组自动执行预先设置轨迹路线，完成城市深层污水传输隧道检测与清淤作业。
9.根据权利要求7所述的一种城市深层污水传输隧道检测与清淤智能机器人的工作方法，其特征在于，在智能机器人吊装下水过程中，机器人通讯控制装置根据陀螺仪（1）感知机器人的姿态变化，按照预设的吊装下水姿态进行姿态校准和纠偏。
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