CN113772060B - 一种堤坝作业水下机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种堤坝作业水下机器人，包括结构框架、控制舱、以及与控制舱电连接和通信连接的动力系统、组合导航仪器、漏点检测系统和漏点封堵系统；所述动力系统、控制舱、组合导航仪器、漏点检测系统及漏点封堵系统均安装在结构框架内。本发明具有定点精准封堵、安全高效、施工快捷、省料省力、作业深度大、对各类漏洞和施工水域适应性好等优点，自动化程度高并具备一定的智能化，在水利、海上风电等水下结构物运行维护领域应用前景广阔。

Description

一种堤坝作业水下机器人
技术领域
本发明涉及水下机器人领域，具体涉及一种可用于堤坝漏点封堵作业的机器人。
背景技术
我国拥有世界上最多的水库堤坝，目前达到 9.8 万余座，其中 95%以上为土石坝；还有 44.5万千米堤防，堤防多为土质堆筑，其中 30% 的堤坝存在各种不同程度的病险隐患。土石坝存在堤身不密实、内部结构复杂、地上悬河、堤身内部存有历史决口遗址、埽工及乱石等问题，渗漏是其常见病害，典型代表是黄河大堤，作为流域性重要堤防，一旦出现渗漏，就会造成堤坝整体强度降低，进而出现更大的渗漏或是坝体破裂，严重威胁人民生命及财产安全。
常规的堵漏技术包括开挖回填、充填灌浆技术、岸上抛笼、蛙人水下封堵等方式，其中，开挖回填需要在枯水期进行且对水位以下漏点不适用，适用范围窄；充填灌浆技术需要准确确定坝体内部渗漏通道并钻孔，导致施工周期长、效率低且成本高；岸上抛笼的方式较为传统，对于较大的漏洞、应急场合较为有效，但投料量大、利用率低且难以完全封闭；蛙人水下封堵的方式安全性差、无法长时间工作且不适用于较深水深的场合。综上所述，目前传统的堵漏技术均存在不同程度的问题和不足，难以适应智慧水利的新要求，亟待发展新的堤坝堵漏作业技术。
发明内容
本发明为解决传统堵漏技术存在的作业效率低，封堵效果不理想等问题，提供一种堤坝作业水下机器人。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种堤坝作业水下机器人，包括结构框架、控制舱、以及与控制舱电连接和通信连接的动力系统、组合导航仪器、漏点检测系统和漏点封堵系统；所述动力系统、控制舱、组合导航仪器、漏点检测系统及漏点封堵系统均安装在结构框架内。
进一步，所述动力系统包括水平面推进装置和垂直面推进装置，为所述机器人提供动力以驱动机器人在水下运动，所述水平面推进装置包括至少2个水平推进器，分别设置在结构框架的左侧和后侧，所述垂直面推进装置包括4个垂直推进器，4个垂直推进器分别安装在所述结构框架的上面四个角上。
进一步，所述漏点检测系统包括流速仪、双目视觉相机和照明灯，所述流速仪与控制舱电连接和信号连接，实时获取水流的速度和流向发送至控制舱，所述双目视觉相机和照明灯分别与控制舱电连接和信号连接，双目视觉相机采集漏点的位置、大小以及分布信息。
进一步，所述漏点封堵系统包括发射箱、高压气瓶和喷枪，所述发射箱上布置有矩阵分布式发射管，发射管内填充有膨胀体，所述发射箱后仓通过高压软管与高压气瓶连接，所述高压软管上设有供气电磁阀，所述供气电磁阀与控制舱电连接；所述喷枪一端通过复合脐带缆与岸上泵站相连，一端固定于水下机器人居中位置，所述喷枪上设有流量控制阀，流量控制阀与控制舱电连接。
进一步，所述复合脐带缆内还包括供电电缆、通信电缆，通过供电电缆连接电源为控制舱供电，通过通信电缆与控制舱连接，用于控制指令收发及视频信号传输。
进一步，所述复合脐带缆的外部包裹密度小于水的材料，并在水面上设置与之相连的浮球。
进一步，所述组合导航仪器包括惯性导航、DVL和电子罗盘。
进一步，所述结构框架的上部固定有浮材。
本发明的有益效果：本发明具有定点精准封堵、安全高效、施工快捷、省料省力、作业深度大、对各类漏洞和施工水域适应性好等优点，自动化程度高并具备一定的智能化，在水利、海上风电等水下结构物运行维护领域应用前景广阔，具有较高的经济和社会效益。
附图说明
图1是本发明的整体结构组成示意图。
图2是本发明的水下机器人的正视图；
图3是图2的侧视图。
图4是图2的俯视图。
图5是本发明的膨胀体发射装置局部剖视图。
其中1－水平面推进装置，2－组合导航仪器，3－发射箱，4－膨胀体，5－控制舱，6－高压气瓶，7-喷枪，8-照明灯，9-结构框架，10-垂直面推进装置，11-双目视觉相机，12-浮材，13-流速仪，14-复合脐带缆，15-密封膜，16-供气电磁阀。。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
应该指出，以下详细说明都是例式性的，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技术含义相同。
如图1至图5所示，一种堤坝作业水下机器人，包括结构框架、控制舱、以及与控制舱电连接和通信连接的动力系统、组合导航仪器、漏点检测系统和漏点封堵系统；所述动力系统、控制舱、组合导航仪器、漏点检测系统及漏点封堵系统均安装在结构框架内。
所述动力系统包括水平面推进装置和垂直面推进装置，为所述机器人提供动力以驱动机器人在水下运动，所述水平面推进装置包括至少2个水平推进器，分别设置在结构框架的左侧和后侧，所述垂直面推进装置包括4个垂直推进器，4个垂直推进器分别安装在所述结构框架的上面四个角上，呈45°夹角布置，提高机器人结构框架内部空间利用率。
所述控制舱内装有水下作业机器人的控制系统，所述控制舱内装有执行机构控制模块、任务规划模块、多传感信息采集及融合处理模块、通信模块以及电源模块等，进一步，所述控制舱内包括工控机，控制舱作为二级控制环节，可以接受岸上各类控制指令、自身各类传感器信息并进行实时处理与分析，同时可上传自身状态信息，具备自适应动力定位功能，通过推力分配算法控制水平面推进装置和垂直面推进装置的转速和匹配，可抵抗漏点附近不小于3m/s的水流以及膨胀体发射和喷枪工作产生的反作用力，实现水下堵漏时的准确定点控制。
所述漏点检测系统包括流速仪、双目视觉相机和照明灯，所述流速仪与控制舱电连接和信号连接，实时获取水流的速度和流向发送至控制舱，所述双目视觉相机和照明灯分别与控制舱电连接和信号连接，双目视觉相机采集漏点的位置、大小以及分布信息。
所述漏点封堵系统包括发射箱、高压气瓶和喷枪，所述发射箱上布置有矩阵分布式发射管，发射管内填充有膨胀体，所述发射箱后仓通过高压软管与高压气瓶连接，所述高压软管上设有供气电磁阀，所述供气电磁阀与控制舱电连接；所述喷枪一端通过复合脐带缆与岸上泵站相连，一端固定于水下机器人居中位置，所述喷枪上设有流量控制阀，流量控制阀与控制舱电连接。通过流量控制阀控制浆料的流量，机器人通过路径规划可实现漏点区域的完全覆盖。浆料采用将抗水分散砂浆等材料，通过泵压作用将其喷射在漏点区域，遇水凝固硬化成一体，实现对细小裂缝的封堵。通过发射多规格的膨胀体和喷射表面封闭浆料的组合方式，可根据实现漏洞大小选择性封堵，适用范围更广。
发射箱以高压空气等作为动力源，采用阵列式布置方式布置多个发射管，每个发射管内填充一个膨胀体，并采用柔性密封膜密封，膨胀体用于较大的裂缝或漏洞封堵。高压气瓶用于贮存高压空气，采用供电电磁阀控制气路通断。膨胀体根据直径大小分为多个规格的细长结构，可根据渗漏点大小选择发射，以一定的速度和弹道嵌入渗漏通道内部，材料采用遇水膨胀性橡胶等，可膨胀至2-3倍。
所述复合脐带缆内还包括供电电缆、通信电缆，通过供电电缆连接电源为控制舱供电，通过通信电缆与控制舱连接，用于控制指令收发及视频信号传输。
所述复合脐带缆的外部包裹密度小于水的材料，并在水面上设置与之相连的浮球。
所述组合导航仪器包括惯性导航、DVL和电子罗盘，实时获取水下机器人自身的位姿信息。
所述结构框架的上部固定有浮材。所述结构框架采用铝合金管、高强塑料等轻质材料并用角件进行相邻结构的连接，框架式结构便于搭载各类传感器和作业工具以及质心、浮心调节。
本发明的工作过程如下：首先，将堤坝作业水下机器人吊放至水域，浮材12固定于结构框架9上部，使水下机器人水中合力近似为零且浮心高于质心，以人工遥控的方式，通过复合脐带电缆14向控制舱5供电并发送指令，控制舱5控制水平面推进装置1提供横移力或前进力、垂直面推进装置10提供升沉力，实现六自由度运动控制，驱动水下机器人航行至渗漏区域附近。
基于漏点位置中心流速最大的流场特性，采用流速仪13感应并实时获取水流的速度和流向，发送至控制舱，初步判断漏点方位。当水下机器人进一步靠近漏点位置且进入双目相机11的视场范围后，依靠双目相机11、照明灯8和图像处理算法，准确的识别出漏洞大小、位置、分布等特性。控制舱5启动动力定位功能，采用组合导航仪器2实时解算位姿信息，通过推力分配技术使得水下机器人在流场扰动等外界载荷作用下保持悬停状态。当识别出漏洞较大时，水下机器人将发射箱3对准渗漏位置，在发射箱3上布置有矩阵分布式发射管，选择发射对应规格的膨胀体4，然后开启供气电磁阀16，高压空气从高压气瓶6流出，流入对应的发射管底部，驱动膨胀体4冲破密封膜15并高速出管，嵌入渗漏通道内部，膨胀体遇水后逐渐胀大将渗漏通道完全堵塞，重复发射直至大的漏洞被填满。之后，启动漏洞表面封闭作业流程，控制舱5完成喷枪扫描路径规划并启动动力定位功能，开启流量控制阀，高压浆料依次流经复合脐带缆14、喷枪7，以高速喷射而出并覆盖在漏洞表面，遇水凝固硬化成一体，最终在漏洞表面形成一层致密硬实的防水层。
通过水下机器人作业平台和专业化作业工具的开发与组合使用，具有定点精准封堵、安全高效、施工快捷、省料省力、作业深度大、对各类漏洞和施工水域适应性好等优点，自动化程度高并具备一定的智能化，在水利、海上风电等水下结构物运行维护领域应用前景广阔，具有较高的经济和社会效益。
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 (7)

1.一种堤坝作业水下机器人，其特征在于：包括结构框架、控制舱、以及与控制舱电连接和通信连接的动力系统、组合导航仪器、漏点检测系统和漏点封堵系统；所述动力系统、控制舱、组合导航仪器、漏点检测系统及漏点封堵系统均安装在结构框架内；
所述漏点封堵系统包括发射箱、高压气瓶和喷枪，所述发射箱上布置有矩阵分布式发射管，发射管内填充有膨胀体，所述发射箱后仓通过高压软管与高压气瓶连接，所述高压软管上设有供气电磁阀，所述供气电磁阀与控制舱电连接；所述喷枪一端通过复合脐带缆与岸上泵站相连，一端固定于水下机器人居中位置，所述喷枪上设有流量控制阀，流量控制阀与控制舱电连接；
当识别出漏洞较大时，水下机器人将发射箱（3）对准渗漏位置，在发射箱（3）上布置有矩阵分布式发射管，选择发射对应规格的膨胀体（4），然后开启供气电磁阀（16），高压空气从高压气瓶（6）流出，流入对应的发射管底部，驱动膨胀体（4）冲破密封膜（15）并高速出管，嵌入渗漏通道内部，膨胀体遇水后逐渐胀大将渗漏通道完全堵塞，重复发射直至大的漏洞被填满；之后，启动漏洞表面封闭作业流程，控制舱（5）完成喷枪扫描路径规划并启动动力定位功能，开启流量控制阀，高压浆料依次流经复合脐带缆（14）、喷枪（7），以高速喷射而出并覆盖在漏洞表面，遇水凝固硬化成一体，最终在漏洞表面形成一层致密硬实的防水层。
2.根据权利要求1所述的堤坝作业水下机器人，其特征在于：所述动力系统包括水平面推进装置和垂直面推进装置，为所述机器人提供动力以驱动机器人在水下运动，所述水平面推进装置包括至少2个水平推进器，分别设置在结构框架的左侧和后侧，所述垂直面推进装置包括4个垂直推进器，4个垂直推进器分别安装在所述结构框架的上面四个角上。
3.根据权利要求1所述的堤坝作业水下机器人，其特征在于：所述漏点检测系统包括流速仪、双目视觉相机和照明灯，所述流速仪与控制舱电连接和信号连接，实时获取水流的速度和流向发送至控制舱，所述双目视觉相机和照明灯分别与控制舱电连接和信号连接，双目视觉相机采集漏点的位置、大小以及分布信息。
4.根据权利要求1所述的堤坝作业水下机器人，其特征在于：所述复合脐带缆内还包括供电电缆、通信电缆，通过供电电缆连接电源为控制舱供电，通过通信电缆与控制舱连接，用于控制指令收发及视频信号传输。
5.根据权利要求1所述的堤坝作业水下机器人，其特征在于：所述复合脐带缆的外部包裹密度小于水的材料，并在水面上设置与之相连的浮球。
6.根据权利要求1所述的堤坝作业水下机器人，其特征在于：所述组合导航仪器包括惯性导航、DVL和电子罗盘。
7.根据权利要求1所述的堤坝作业水下机器人，其特征在于：所述结构框架的上部固定有浮材。
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