CN115032197A - 飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人及桥墩检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人及桥墩检测方法，包括：密闭舱式壳体、罩体、图像检测装置、主动力机构；对称设置于壳体外壁两侧中部的转向机构；设置于转向机构之上的飞翼；设置于壳体内部的浮力调节机构；设置于壳体外壁下沿的数据采集装置；设置于壳体内的电源系统；设置于壳体的综合缆；终端设备，与综合缆一端连接，用于采集、存储、分析图像检测装置与数据采集装置的回传信号。本发明能够自由地在水面和水下航行，可以简便地实现上浮和下沉，并可实现急流环境中的定点驻留，非常适用于复杂水流条件下桥墩或桩柱附近的水下检测，亦可用于各类水下调查、监测，为江、河、湖、海的开发利用提供先进设备。

Description

飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人及桥墩检测方法

技术领域

本发明涉及桥墩水下检测机器人领域。更具体地说，本发明涉及一种飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人。

背景技术

桥梁每年的水毁给国民经济及人员伤亡带来重大损失，约1/3的桥梁事故是因桥墩冲刷对桥墩的破坏，及时检测桥墩健康情况是迫切而艰巨的防灾任务。目前，无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)的组成一般包括：动力推进器、遥控电子通讯装置、黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、用户外围传感器接口、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元、辅助照明灯和凯夫拉零浮力拖缆等单元部件，设备较大。但由于桥墩附近的水流湍急，流向复杂，大型尺寸的测量船对桥墩威胁严重。迄今为止，能够用于桥墩水下检测的小尺寸产品稀缺，亟待研发。

经检索发现，申请号为CN112224368A的中国专利公开了一种用于水下航行器的重心调节机构及应用该机构的仿生鱼，该重心调节机构包括轴承支撑机架、滑动导轨一和二、电机固定机架、电机、重物框、重物、丝杠、摇臂一、舵机一、丝杠运动平台、舵机二、摇臂二、滚动轴承；电机固定在电机固定机架上，其输出轴连接丝杠的一端，丝杠的另一端通过轴承支撑在滚动轴承支撑机架上；丝杠运动平台套设在丝杠上，滑动导轨一和滑动导轨二分别固定在丝杠运动平台的两端；舵机一和舵机二也固定在丝杠运动平台上，重物放置在重物框中，且重物框的两侧面通过短连杆插入滑动导轨一和滑动导轨二的圆弧形槽中，摇臂一和二对称布置，分别通过短连杆与重物框可转动连接。该发明虽然通过一个非常复杂的调节机构能够实现，但航行器的比重没有变化。为便于水中航行，该航行器的比重必须调试得与水相等或略小于水的比重(否则，水下航行的阻力太大)，但这样做使得航行器在水面航行时露出水面的部分非常少，甚至无法在水面上看到。因此，航行器要实现水中悬停和水面航行困难。另外，所述的仿生机器鱼通过电机驱动尾鳍、左右胸鳍来驱动航行，这三者的姿态是相互影响的，难以手动遥控实现水下的灵敏航行，尤其是尾鳍的姿态变化应该至少是二维的，但上述专利的尾鳍的姿态只是一维的，只能做两个自由度的变化。

申请号为CN110641665A的专利提出了一种分级式浮力驱动的重载水下航行器，包括从前向后依次设置的抛缆、艏部外壳、前舱段、中舱段、后舱段、天线舱段、尾舵段和尾部推进器；前舱段内部设有前浮力调节模块和横向推进器。中舱段内部设有电源模块,控制模块和姿态调节模块；后舱段内设有后浮力调节模块，在后舱段的两边设有两个滑翔机翼；天线舱段上部设有无限通讯天线和铱星，北斗天线，天线舱段下部设有抛载模块；尾舵段内设有十字舵机构；在尾舵段的后面安装有尾部推进器；抛缆位于艏部外壳的最前端，与艏部外壳通过螺栓连接。本发明两个浮力调节模块的各级油泵可以同时开启，缩短航行器排油时间和回油时间，增大了航行器的滑翔性能。该滑行器为浮力驱动的形式，其主要采用滑翔的方式在水中航行，难以实现水下的精确航行和悬停，而且其尺寸较大，一旦发生碰撞，容易对桥墩造成损坏，无法适用于桥墩水下检测。

从现有文献、专利及市面销售及在用设备来看，现有水下检测技术设备除尺寸大外，还存在如下几点缺陷：

1)不能改变设备的水下比重，靠推进器下沉，因此需要不断耗能。

2)实现下沉、上浮、及水下不同运动姿态的技术繁琐，推进器数量超过4个，多者6个以上，水下航行器操纵难度高。

3)设备的工作时间短。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人及桥墩检测方法，实现桥墩的水下检测，还可用于各类水下调查、监测，为江、河、湖、海的开发利用提供先进设备。

本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：一种飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，包括：

用于提供安装载体的密闭舱式壳体；

设置于壳体前端的罩体，用于作为机器人的前置视野观察窗口；

设置于罩体内部的图像检测装置，用于拍摄桥墩的水下图像并监测机器人周围的实时环境；

设置于壳体尾端的主动力机构，用于提供机器人在急流环境中前进或倒退的推进动力；

对称设置于壳体外壁两侧中部的转向机构，用于控制调节机器人前进方向的副动力机构的转动方向；

设置于转向机构之上的飞翼，用于增强机器人的水下稳定性；

设置于壳体内部的浮力调节机构，用于通过存放压载水调节控制机器人的比重，控制机器人的上升与下潜；

设置于壳体外壁下沿的数据采集装置，用于采集航行器所在位置的水深、水温等数据；

设置于壳体内的电源系统，用于给机器人运行提供电力能源；

设置于壳体的顶部中央的综合缆，用于给机器人供应电力和传输信号；

终端设备，与综合缆一端连接，用于采集、存储、分析图像检测装置与数据采集装置的回传信号。

优选的是，所述图像检测装置包括摄像机和转向云台，其中，所述摄像机安装在转向云台上，用于拍摄机器人航行过程中的环境图像以及桥墩和桥墩附近底床的水下图像；所述转向云台用于带动摄像机进行转动，使其具有半球视野，增加拍摄范围。

优选的是，所述浮力调节机构包括储水腔室、双向水泵和进出水涵道；所述储水腔室设置在壳体内底部，作为存储压载水体的容器；所述双向水泵设置在所述储水腔室进出水口处，用于控制储水腔室内水体的抽入与排出；所述进出水涵道设置于壳体外壁中下部，其钻透壳体与双向水泵相连接，作为储水腔室内水体进出的通道。

优选的是，所述数据采集装置包括水压力传感器和水下地形测量传感器；其中，所述水压力传感器用于获取测量处机器人距水面的距离；所述水下地形测量传感器用于探测测量处距底床的距离，以获取桥墩附近的水下地形。

优选的是，所述电源系统包括蓄电池、降压器和调速构件，所述蓄电池安装在壳体内顶部；降压器的输入端连接综合缆的供电线，输出端连接蓄电池；蓄电池再通过电线连接图像检测装置、数据采集装置和调速构件；调速构件的输出端分别连接各转向机构、主动力机构和副动力机构，为机器人的运行输出可调节的稳定能源。

优选的是，所述机器人还包括遥控器，其通过信号线与调速构件和转向机构连接，向所述调速构件和转向机构输入外部指令，通过所述调速构件控制所述主动力机构、副动力机构的运行功率，通过所述转向机构控制所述副动力机构的转动方向。

优选的是，所述综合缆包括供电线和信号线，其中，供电线的一端连接外部电源，供电线的另一端分别连接所述蓄电池和双向水泵，用于给机器人运行供电；信号线的一端分别连接遥控器和终端设备，信号线的另一端分别连接调速构件、图像检测装置和数据采集装置，用于传输控制和数据采集信号。

本发明还提供了一种利用所述飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人进行桥墩检测的方法，包括以下步骤：

1)将机器人投放至桥墩附近，通过遥控器控制主动力机构推进机器人航行，并通过遥控器控制转向机构调节飞翼的角度和副动力机构的推进方向来控制机器人的航行方向，使机器人航行至桥墩附近的目标水域；

2)待机器人到达目标水域后，通过调节转向机构使得机器人首端罩体直面桥墩；然后，通过调节遥控器调节浮力调节机构，使机器人的比重大于水体而下沉，并在下沉过程中实时监测记录桥墩表面的表观开裂或破损情况；

3)通过遥控器控制机器人在桥墩周围航行一周并重复上述采集过程，对桥墩的水下部分进行健康检测；

4)待桥墩水下部分的图像检测完成后，根据终端设备显示的图像数据，通过遥控器实时调节控制图像检测装置的拍摄角度，进行桥墩附近底床冲刷的摄像，并同步开启数据采集装置，记录机器人所处位置的水深及其距底床的距离，绘制桥墩周围冲刷坑地形图；

5)测量完成后，通过调节浮力调节机构，使机器人的比重小于水体而上浮，并通过综合缆回收机器人。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的桥墩水下检测机器人，摄像机设置在透明罩体内部，不但防止摄像机被碰撞和水淹损毁，而且通过转向云台驱动可以获得半球视野，显著增加摄像范围。

本发明的桥墩水下检测机器人，通过双向水泵将安装在壳体内的储水腔室内水体的泵入和泵出来改变机器人的比重，实现下沉和上浮非常简便。

本发明的桥墩水下检测机器人，通过壳体两侧设置可调节推进方向的副动力机构和飞翼，可非常简便地调节机器人的航行方向，不但进一步增加推进力，而且增加了航行的稳定性，在急流环境下容易实现定点驻留。

本发明的桥墩水下检测机器人，采用高压外部电源补偿，可以实现无限时巡航工作；此外，其尺寸较小，便于携带和收纳；安装、操作简单，成本低廉。

本发明的桥墩水下检测机器人，除用于桥墩水下检测外，还可用于各类水下调查、监测，为江、河、湖、海的开发利用提供先进设备。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明一优选实施例的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人的结构示意图；

图2是本发明一优选实施例的浮力调节机构的结构示意图；

图3是本发明一优选实施例的图像检测装置的结构示意图；

图4是本发明一优选实施例的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人的侧视图；

图中标记分别表示为：1壳体、2罩体、3转向机构、4副动力机构、5、主动力机构、6飞翼、7综合缆、8浮力调节机构、9数据采集装置、10图像检测装置、11终端设备、12电源系统、13遥控器、14储水腔室、15双向水泵、16进出水涵道、17摄像机、18转向云台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

以下结合附图及实施对本发明作进一步的详细说明，其具体实施过程如下：

如图1、4所示，本发明其中一个实施例提供一种飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，包括：壳体1，罩体2，转向机构3，副动力机构4，主动力机构5，飞翼6，综合缆7，浮力调节装置8，数据采集装置9，图像检测装置10，设备终端11，电源系统12，遥控器13。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述壳体1为由铝合金材料制作而成的长500mm，首端直径为150mm，尾端直径为80mm的封闭柱状罐体。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述罩体2为由耐腐蚀、高强度、高透明玻璃材料制成的，与壳体1首端紧密嵌合的刚性不变形的半球形玻璃罩，球半径为150mm。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述转向机构3为对称设置在壳体1外壁两侧的两个耐腐蚀、单轴大扭矩的数码型舵机。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述副动力机构4为设置在转向机构3上的两个底部带有防草底栏的无刷电机驱动的耐腐蚀喷水推进器。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述主动力机构5为设置在壳体1尾端的由无刷电机驱动的防缠绕螺旋桨推进器。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述飞翼6为碳纤维布和碳纤维杆制造的长为100mm的翼体，以增加机器人的水下稳定性。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述综合缆7为高强度抗拉纤维芯屏蔽信号线和供电线组成的复合缆。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述浮力调节装置8由储水腔室14、双向水泵15、和进出水涵道16组成，如图2所示，其中，所述储水腔室14为固定在壳体1内底部的可以膨胀、收缩变形的高抗拉强度的膜馕袋；所述双向水泵15为防腐蚀的无刷电机驱动的可正反向出水的功率为2W的微型潜水泵，其进水口与进出水涵道16连接，出水口与储水腔室14的进水口连接，用于控制储水腔室内水体的抽入与排出；所述进出水涵道16为由高强度防腐材料制造的直径8mm的过流通道，设置于壳体外壁中下部，其穿透壳体与双向水泵15相连接，作为储水腔室内水体进出的通道。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述数据采集装置9包括水深传感器和水下地形测量传感器；其中，所述水深传感器为量程0-300m，电压1.5-3.6V，测量分辨率为2mm的高精度水压传感器，用于获取测量处机器人距水面的距离；所述水下地形测量为直流12-24V供电，测量范围0-100m，工作频率200kHz，发射波束角7.5度的超声波水下测距传感器，用于探测测量处距底床的距离，以获取桥墩附近的水下地形。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述图像检测装置10由摄像机17和转向云台18组成，如图3所示；其中，所述摄像机17安装在转向云台18上，为分辨率1920×1080@25fps的高清录像照相一体机，用于拍摄水下图像并将图像数据通过综合缆传回电脑，实时对所述水下情况进行监测；所述转向云台18为可±50°摆动的单轴云台，用于带动摄像机进行转动，使其具有半球视野，增加拍摄范围。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述设备终端11为带有显示、数据采集、储存、计算功能的笔记本电脑，用于记录并显示机器人所在位置、水深、周围环境情况的图文数据。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述电源系统12包括蓄电池、降压器和调速构件，其中，所述蓄电池为可充电锂电池，可输出12V、6V直流电压，60A；降压器为220V转24V的直流变压降压器；调速构件为根据遥控器传来的控制信号调节电动机转速的无刷电子调速器。

本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：遥控器13通过信号线与电调和转向机构3连接，向电调和转向机构3输入外部指令。

飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人的工作原理如下：当飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人需要下沉时，通过调节遥控器调节双向水泵，将外部水体从进出水涵道泵入储水腔室中，增加桥墩水下检测机器人的总重量，使其比重大于水体而下沉。沉入水体后，停止双向水泵。然后，启动主动力机构以获得急流环境中前进或倒退的足够推进动力。通过调节遥控器控制安装副动力机构的转向机构获得需要的推进方向，启动相应副动力机构获得改变水下机器人运动状态或急流环境中维持停留原地的喷水动力。机器人到达指定位置后，根据终端设备显示的图像数据，通过调节遥控器实时调节控制图像检测装置的拍摄角度，进行桥墩和附近底床冲刷摄像。当飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人需要上浮时，通过调节遥控器调节双向水泵，将储水腔室中的水体从进出水涵道泵出壳体，使其机器人的比重小于水体而上浮。

飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人进行桥墩检测的主要步骤如下：

首先，将飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人(简称机器人)投放至桥墩附近，通过遥控器13控制螺旋桨推进器推进机器人航行，并通过遥控器13控制转向机构3调节飞翼6的角度和喷水推进器的推进方向来控制机器人的航行方向，使机器人航行至桥墩附近的目标水域；待机器人到达目标水域后，通过调节转向机构3使得机器人首端罩体2直面桥墩；然后，通过调节遥控器13调节双向水泵15，将外部水体从进出水涵道16泵入储水腔室14中，增加机器人的总重量，使其比重大于水体而下沉，并在下沉过程中实时监测记录桥墩表面的表观开裂或破损情况；通过遥控器13控制机器人在桥墩周围航行一周并重复上述采集过程，对桥墩地水下部分进行健康检测；待桥墩水下部分的图像检测完成后，根据终端设备显示的图像数据，通过调节遥控器13实时调节控制图像检测装置的拍摄角度，进行桥墩附近底床冲刷的摄像，并同步开启数据采集机构9，记录机器人所处位置的水深及其距底床的距离，绘制桥墩周围冲刷坑地形图；测量完成后，通过调节遥控器13调节双向水泵，将储水腔室14中的水体从进出水涵道16泵出壳体，使其机器人的比重小于水体而上浮，并通过综合缆7回收机器人。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (8)

1.一种飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，其特征在于，包括：

密闭舱式壳体；

设置于壳体前端的罩体，用于作为机器人的前置视野观察窗口；

设置于罩体内部的图像检测装置，用于拍摄桥墩的水下图像并监测机器人周围的实时环境；

设置于壳体尾端的主动力机构，用于提供机器人在急流环境中前进或倒退的推进动力；

对称设置于壳体外壁两侧中部的转向机构，用于控制调节机器人前进方向的副动力机构的转动方向；

设置于转向机构之上的飞翼；

设置于壳体内部的浮力调节机构，用于通过存放压载水调节控制机器人的比重，控制机器人的上升与下潜；

设置于壳体外壁下沿的数据采集装置；

设置于壳体内的电源系统，用于给机器人运行提供电力能源；

设置于壳体的综合缆，用于给机器人供应电力和传输信号；

终端设备，与综合缆一端连接，用于采集、存储、分析图像检测装置与数据采集装置的回传信号。

2.如权利要求1所述的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，其特征在于，所述图像检测装置包括摄像机和转向云台，其中，所述摄像机安装在转向云台上。

3.如权利要求1所述的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，其特征在于，所述浮力调节机构包括储水腔室、双向水泵和进出水涵道；所述储水腔室设置在壳体内底部，作为存储压载水体的容器；所述双向水泵设置在所述储水腔室进出水口处，用于控制储水腔室内水体的抽入与排出；所述进出水涵道设置于壳体外壁中下部。

4.如权利要求1所述的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，其特征在于，所述数据采集装置包括水压力传感器和水下地形测量传感器；其中，所述水压力传感器用于获取测量处机器人距水面的距离；所述水下地形测量传感器用于探测测量处距底床的距离，以获取桥墩附近的水下地形。

5.如权利要求3所述的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，其特征在于，所述电源系统包括蓄电池、降压器和调速构件，所述蓄电池安装在壳体内顶部；降压器的输入端连接综合缆的供电线，输出端连接蓄电池；蓄电池再通过电线连接图像检测装置、数据采集装置和调速构件；调速构件的输出端分别连接各转向机构、主动力机构和副动力机构。

6.如权利要求5所述的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，其特征在于，所述机器人还包括遥控器，其通过信号线与调速构件和转向机构连接，向所述调速构件和转向机构输入外部指令。

7.如权利要求6所述的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人，其特征在于，所述综合缆包括供电线和信号线，其中，供电线的一端连接外部电源，供电线的另一端分别连接所述蓄电池和双向水泵；信号线的一端分别连接遥控器和终端设备，信号线的另一端分别连接调速构件、图像检测装置和数据采集装置，用于传输控制和数据采集信号。

8.一种利用如权利要求7所述的飞翼型喷水推进的桥墩水下检测机器人进行桥墩检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将机器人投放至桥墩附近，控制主动力机构推进机器人航行，并控制转向机构调节飞翼的角度和副动力机构的推进方向来控制机器人的航行方向，使机器人航行至桥墩附近的目标水域；

2)待机器人到达目标水域后，通过调节转向机构使得机器人首端罩体直面桥墩；然后，通过调节浮力调节机构，使机器人的比重大于水体而下沉，并在下沉过程中实时监测记录桥墩表面的表观开裂或破损情况；

3)控制机器人在桥墩周围航行一周并重复上述采集过程，对桥墩的水下部分进行健康检测；

4)待桥墩水下部分的图像检测完成后，根据终端设备显示的图像数据，控制图像检测装置的拍摄角度，进行桥墩附近底床冲刷的摄像，记录机器人所处位置的水深及其距底床的距离，绘制桥墩周围冲刷坑地形图；

5)测量完成后，通过调节浮力调节机构，使机器人的比重小于水体而上浮，并通过综合缆回收机器人。

Images