CN117289286B - 一种水下机器人用的声呐避障装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下检测技术领域，尤其是涉及一种水下机器人用的声呐避障装置，包括外壳和声呐收发组件，所述外壳的内部设置有旋转驱动机构，且外壳通过旋转驱动机构与声呐收发组件传动连接，所述声呐收发组件的外侧壁上端固定安装有多个U形板，且各个U形板均位于声呐收发组件的探头上方设置，各个所述U形板的内侧均设置有光源。本发明可以利用监测声呐声波传递环境，辅助提高声呐探测精准性，利于水下机器人的精准避障，提高水下机器人的运行安全，而且，可以利用监测光源对水下机器人进行辅助补光照明，同时，可以降低声呐探头撞击水中悬浮物的可能性，并降低人员对水下机器人的操控难度。

Description

一种水下机器人用的声呐避障装置

技术领域

本发明属于水下检测技术领域，尤其是涉及一种水下机器人用的声呐避障装置。

背景技术

对于城镇地下高水位的给排水管道以及水电站主要隧洞等，为了维护管道、隧洞等安全运行，需要通过水下机器人对管道等内部进行检测，而声呐是水下机器人最常用的测量避障器件。

目前，用于水下机器人的声呐一般分为单波束探测声呐和多波束探测声呐，单波束探测声呐的探测范围较为有限，如专利公开号CN216927083U公开的一种水下机器人用的声呐避障装置，虽然通过调节等结构，可以一定程度上克服单波束探测声呐的探测范围小的缺陷，但是，却无法如多波束探测声呐一样，同时进行多点的探测，使用效果不佳，所以，在水下环境较为复杂的高水位管道内进行声呐探测时，一般采用多波束探测声呐，多波束探测声呐是利用发射换能器阵列向管道或海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，该方式可有效、精确地测出沿航向一定宽度的目标的大小、形态和高低变化；

但是，由于高水位管道的水下环境复杂，水体中含有非常多的污泥等悬浮物，而水中悬浮物相较于纯水，可以增加声波的传播速度，在静止状态下，声波穿过悬浮物时，声波射出时间及声波反射时间基本相同，即水中悬浮物对于声波测距基本不会造成影响，但是，在水下机器人移动时，由于水下机器人的螺旋桨叶工作，以及水下机器人带动声呐移动，均会造成声呐探头周处的水体流动，从而会导致声波发射时经过的悬浮物，在声波反射时出现流动移位现象，进而会导致声波发射路径和反射路径时的传播速度出现偏差，在偏差较大的情况下，会导致声呐对于障碍物的距离判断出现较大偏差，从而影响声呐避障效果，增加水下机器人在高水位管道内部移动撞击障碍物的可能性。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种水下机器人用的声呐避障装置。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种水下机器人用的声呐避障装置，包括外壳和声呐收发组件，所述外壳的内部设置有旋转驱动机构，且外壳通过旋转驱动机构与声呐收发组件传动连接，所述声呐收发组件的外侧壁上端固定安装有多个U形板，且各个U形板均位于声呐收发组件的探头上方设置，各个所述U形板的内侧均设置有光源，且各个光源均位于声呐收发组件的外侧壁固定设置，各个所述U形板远离同侧光源一侧的内侧壁均安装有监测机构，所述外壳的外侧壁套设有与光源相配合的补光机构，所述旋转驱动机构位于声呐收发组件的上方安装有防撞机构，所述外壳的外侧壁固定安装有消泡机构，且消泡机构与防撞机构共同安装有冲击机构。

优选的，所述旋转驱动机构包括固定设置于外壳内部的安装板，所述安装板的端面转动连接有驱动轴，且声呐收发组件位于驱动轴的外侧固定套设，所述安装板的下端固定安装有驱动电机，且驱动电机的输出端与驱动轴传动连接。

优选的，所述监测机构包括开设于U形板内壁的凹槽，所述凹槽的槽口封装有透明板，所述凹槽的内侧设置有光敏电阻，所述凹槽的两个槽壁均固定安装有绝缘块，且光敏电阻位于两个绝缘块之间固定设置，所述外壳的内部固定安装有与各个光敏电阻电性连接的电流表。

优选的，所述补光机构包括固定设置于U形板内部的分光镜，且分光镜呈45°倾斜设置，所述外壳的外侧壁套设有锥形套，所述锥形套的外侧壁固定套设有折射膜套，各个所述分光镜均位于折射膜套的上方设置，所述外壳的外侧壁与锥形套之间共同安装有多个固定杆。

优选的，所述防撞机构包括固定设置于驱动轴顶部的顶盖，所述顶盖的下端固定安装有多个竖杆，且各个竖杆的侧壁下端均固定插接有横扫杆。

优选的，所述消泡机构包括固定安装于外壳外侧壁的潜水泵，所述外壳的外侧套设有环形管，所述外壳的侧壁与环形管共同固定连接有连接杆，所述环形管的管壁外侧固定插接有多个吸附头，所述潜水泵的吸入端固定安装有吸水管，且吸水管与环形管固定连通设置，所述潜水泵通过冲击机构与横扫杆相连通设置。

优选的，所述冲击机构包括固定设置于外壳内部的支撑板，所述支撑板的中心处一体成型设置有圆套，所述圆套的内部上下两侧均通过密封轴承与驱动轴转动连接，所述驱动轴为空心设置，且驱动轴的侧壁位于两个密封轴承之间的位置开设有两个进水孔，所述潜水泵的输出端固定连接有输水管，且输水管的管端依次贯穿外壳和支撑板的侧壁并与圆套的内部相连通设置，所述顶盖和多个竖杆均为中空设置，且多个竖杆均与顶盖相连通设置，所述顶盖与驱动轴相连通设置，多个所述竖杆的底部均为密封设置，多个所述横扫杆均为空心设置，且多个横扫杆均与同侧竖杆相连通设置，各个所述横扫杆的杆端均固定连通有倾斜设置的射流管。

优选的，多个所述竖杆均与声呐收发组件的各个探头呈相互错开设置，各个所述射流管的管端均低于声呐收发组件的各个探头设置。

与现有的技术相比，一种水下机器人用的声呐避障装置的优点在于：

1、通过设置的外壳和声呐收发组件的相互配合，可以作为水下机器人声呐测量避障使用，而通过设置的旋转驱动机构，可以驱动声呐收发组件的多个探头进行水平方向的360°转动，可以实现全周声呐探测，而通过设置的多个U形板、多个光源和多个监测机构的相互配合，可以对声呐收发组件的各个探头周处的水液的浑浊度进行实时监测，并通过计算声波发射时的水液浑浊度和接收到反射回的声波时的水液浑浊度差值，可以计算出发射声波和接收反射声波时，探头周围的声波传递时间差，以便于精准测量障碍物与水下机器人之间的距离，从而可以利于水下机器人的精准避障，提高水下机器人的运行安全，降低水下机器人撞击障碍物的可能性。

2、通过设置的补光机构，可以利用监测水液浑浊度的光源，对水下机器人周处的水下环境进行补光照射，从而可以利于水下机器人搭载的视频系统清晰摄取周围的水下环境。

3、通过设置的防撞机构，可以随着声呐收发组件的探头的360°转动时，利用撞击将移动至声呐收发组件周处的悬浮杂物甩开，降低水中悬浮物撞击声呐收发组件探头的可能性，而通过设置的消泡机构，可以利用负压吸力，提前将移动至声呐收发组件周处的气泡吸入，从而可以尽量避免大量气泡上浮影响监测机构的监测效果，且配合设置的冲击机构，可以利用消泡机构抽出的水液，提前清除留在声呐收发组件移动路径上的水中悬浮物，通过主动射流带动悬浮物上浮的方式，减少人员操控水下机器人带动声呐收发组件做出避开悬浮物的操作次数，可以一定程度上降低水下机器人的操作难度。

附图说明

图1是本发明提供的一种水下机器人用的声呐避障装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种水下机器人用的声呐避障装置的声呐收发组件和多个U形板的俯视结构示意图；

图3是本发明提供的一种水下机器人用的声呐避障装置的其中一个U形板的剖视结构示意图；

图4是本发明提供的一种水下机器人用的声呐避障装置的旋转驱动机构的结构示意图；

图5是本发明提供的一种水下机器人用的声呐避障装置的补光机构和消泡机构的结构示意图；

图6是本发明提供的一种水下机器人用的声呐避障装置的多个竖杆与声呐收发组件的俯视位置分布结构示意图。

图中：1外壳、2声呐收发组件、3旋转驱动机构、301安装板、302驱动轴、303驱动电机、5U形板、6光源、7监测机构、701凹槽、702透明板、703光敏电阻、704绝缘块、705电流表、8补光机构、801分光镜、802锥形套、803折射膜套、804固定杆、10防撞机构、101顶盖、102竖杆、103横扫杆、11消泡机构、111潜水泵、112环形管、113连接杆、114吸附头、115吸水管、12冲击机构、121支撑板、122圆套、123密封轴承、124进水孔、125输水管、126射流管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-图6所示，一种水下机器人用的声呐避障装置，包括外壳1和声呐收发组件2，其中，外壳1的内部还包括电路控制板、通讯模块、水密接头、安装基座等构件，电路控制板主要控制各个部件的电路工作，而水密接头用于与水下机器人的供电线路和通讯线路连接，安装基座用于外壳1与水下机器人之间的安装，声呐收发组件2主要包括发射声波模块、机壳、接收声波基阵、传声介质液等，工作时，声呐声波自发射声波模块发出，经过传声介质液和机壳后进入管道中的水中，经管壁反射后由接收声波模块接收，并将声波信息通过水下机器人的通讯模块传输给岸上终端，岸上终端内的信息处理模块对声波信息进行处理，可以形成管内的轮廓数据，经自动整合后计算出管道的三维模型，此为现有成熟技术，故在此不作过多赘述。

外壳1的内部设置有旋转驱动机构3，且外壳1通过旋转驱动机构3与声呐收发组件2传动连接，旋转驱动机构3包括固定设置于外壳1内部的安装板301，安装板301的端面转动连接有驱动轴302，且声呐收发组件2位于驱动轴302的外侧固定套设，安装板301的下端固定安装有驱动电机303，且驱动电机303的输出端与驱动轴302传动连接，驱动电机303为无极调速电机，可以无极调节驱动轴302带动声呐收发组件2的探头的旋转速度，驱动电机303的工作方式为正向旋转360°后，再反向旋转360°，随后，再正向旋转，循环往复，该旋转方式，可以通过在驱动轴302上安装光电开关，以及在安装板301上安装限位凸起，配合控制电路板实现自动循环往复转动，此为现有成熟技术，故在此不作赘述。

声呐收发组件2的外侧壁上端固定安装有多个U形板5，且各个U形板5均位于声呐收发组件2的探头上方设置，各个U形板5的内侧均设置有光源6，且各个光源6均位于声呐收发组件2的外侧壁固定设置，各个U形板5远离同侧光源6一侧的内侧壁均安装有监测机构7，监测机构7包括开设于U形板5内壁的凹槽701，凹槽701的槽口封装有透明板702，凹槽701的内侧设置有光敏电阻703，凹槽701的两个槽壁均固定安装有绝缘块704，且光敏电阻703位于两个绝缘块704之间固定设置，外壳1的内部固定安装有与各个光敏电阻703电性连接的电流表705，电流表705可以实时显示其与对应的光敏电阻703连接回路中的电流值，该电流值信息可以通过水下机器人的通讯模块实时传输给岸上终端。

外壳1的外侧壁套设有与光源6相配合的补光机构8，补光机构8包括固定设置于U形板5内部的分光镜801，且分光镜801呈45°倾斜设置，外壳1的外侧壁套设有锥形套802，锥形套802的外侧壁固定套设有折射膜套803，各个分光镜801均位于折射膜套803的上方设置，外壳1的外侧壁与锥形套802之间共同安装有多个固定杆804，分光镜801可以将光源6发出的光束进行分光，使部分光束穿过分光镜801，部分光束被向下折射。

旋转驱动机构3位于声呐收发组件2的上方安装有防撞机构10，防撞机构10包括固定设置于驱动轴302顶部的顶盖101，顶盖101的下端固定安装有多个竖杆102，且各个竖杆102的侧壁下端均固定插接有横扫杆103，横扫杆103与同侧竖杆102为垂直设置，且横扫杆103的长度长于U形板5的长度。

外壳1的外侧壁固定安装有消泡机构11，消泡机构11包括固定安装于外壳1外侧壁的潜水泵111，外壳1的外侧套设有环形管112，外壳1的侧壁与环形管112共同固定连接有连接杆113，环形管112的管壁外侧固定插接有多个吸附头114，潜水泵111的吸入端固定安装有吸水管115，且吸水管115与环形管112固定连通设置，潜水泵111通过冲击机构12与横扫杆103相连通设置，各个吸附头114的进液端设置滤网，避免大颗粒杂物进入吸附头114内部造成堵塞。

消泡机构11与防撞机构10共同安装有冲击机构12，冲击机构12包括固定设置于外壳1内部的支撑板121，支撑板121的中心处一体成型设置有圆套122，圆套122的内部上下两侧均通过密封轴承123与驱动轴302转动连接，驱动轴302为空心设置，且驱动轴302的侧壁位于两个密封轴承123之间的位置开设有两个进水孔124，潜水泵111的输出端固定连接有输水管125，且输水管125的管端依次贯穿外壳1和支撑板121的侧壁并与圆套122的内部相连通设置，顶盖101和多个竖杆102均为中空设置，且多个竖杆102均与顶盖101相连通设置，顶盖101与驱动轴302相连通设置，多个竖杆102的底部均为密封设置，多个横扫杆103均为空心设置，且多个横扫杆103均与同侧竖杆102相连通设置，各个横扫杆103的杆端均固定连通有倾斜设置的射流管126，各个射流管126的出液端高度均高于进液端高度，从而在射流管126发射射流时，可以推动水体中的悬浮物向水体的上方浮动。

多个竖杆102均与声呐收发组件2的各个探头呈相互错开设置，各个射流管126的管端均低于声呐收发组件2的各个探头设置，通过竖杆102和射流管126与声呐收发组件2探头的错开设计，可以避免竖杆102和射流管126阻挡声波的正常传递。

现对本发明的操作原理做如下说明：将外壳1安装在水下机器人上，水下机器人在投入水下后，启动声呐收发组件2和驱动电机303，声呐收发组件2的发射换能器阵列向管道内部发射宽扇区覆盖的声波，并利用声呐收发组件2的接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，从而可有效、精确地测出沿航向一定宽度的目标的大小、形态和高低变化，并将该信息通过水下机器人的通讯模块传输给岸上人员的终端设备，从而可以便于人们根据声呐收发组件2的探测信息操控水下机器人进行避障，而驱动电机303工作，可以使驱动轴302带动声呐收发组件2的探头部分旋转，从而可以实现水平方向的360°全周探测；

在声呐收发组件2开始工作时，同步启动各个光源6，各个光源6发出的光束，经过分光镜801时，一部分光束穿过分光镜801照射在透明板702处，而在水下机器人带动声呐收发组件2移动时，由于水下机器人会导致周围水体流动，所以水液中的尘粒等悬浮物会不断流动，而在声呐收发组件2发射声波时，光源6发出的光束照射至透明板702处时，在此时水体中的悬浮物作用下，会对部分光线进行遮挡，故此时光敏电阻703受到光照作用，其自身阻值随着光照强度的而变化，光照强度越强时，说明此时水体的悬浮物较少，此时，光敏电阻703的阻值减小，即此时经过光敏电阻703与对应的电流表705的连接回路中的电流随之增加，而光照强度变弱时，说明此时水体的悬浮物变多，此时，光敏电阻703的阻值增加，即此时经过光敏电阻703与对应电流表705的连接回路中的电流随着减小，所以，通过光敏电阻703与对应电流表705中的电流值随着水体的悬浮物移动而同步变化，而在悬浮物较多时，声波传递的速度增快，反之，则声波传递的速度变慢，因此，计算声波发射阶段时光敏电阻703连接回路时的电流值与声呐收发组件2接收到反射声波时的光敏电阻703连接回路时的电流值的差值，并根据此电流差值计算声波发射时间和反射时间的差值，从而根据声波发射至接收到发射声波时的总时长，分别计算出发射阶段声波传递的时长和声波反射阶段的时间，随后，依据声波发射阶段光敏电阻703的电流值反应出的水体的浑浊度，对应的声波传递速度与发射阶段声波传递的时长乘积，即为障碍物与水下机器人之间的精准距离，或依据声波反射阶段光敏电阻703的电流值反应出的水体的浑浊度，对应的声波传递速度与声波反射阶段的时间乘积，即为障碍物与水下机器人之间的精准距离，电流表705可以将电流信息通过水下机器人的通讯模块传输给岸上人员的终端设备；

而在水下机器人的移动过程中，光源6发出的光束经过分光镜801时，除了穿过分光镜801的部分光束，其余光束经过分光镜801向下折射至折射膜套803处，光束再通过折射膜套803折射至水下机器人周围，从而可以为水下机器人的视频系统进行水下环境的补光，提高视频系统图像摄取的清晰度；

而在驱动轴302转动时，顶盖101带动各个竖杆102同步转动，从而可以使横扫杆103同步转动，进而可以对声呐收发组件2周处进行不断的扫动，利用扫动，可以将即将碰触到声呐收发组件2的水体中的悬浮物扫开，降低声呐收发组件2撞击悬浮物的可能性；

而在声呐收发组件2开始工作的同时，启动潜水泵111，此时潜水泵111的吸入端通过吸水管115和环形管112，可以使各个吸附头114处产生负压吸力，而水下机器人在移动时，由于螺旋桨叶的工作，其水体周围会产生气泡，声呐收发组件2周处的气泡上移时，在各个吸附头114的负压吸力下，会被提前吸入潜水泵111内部，从而可以尽量避免气泡移动至各个U形板5内对光源6的光束造成过多折射影响水体浑浊度的监测效果，而潜水泵111工作时，其输出的水液通过输水管125传递至圆套122的内部，在两个密封轴承123的配合下，水液会通过驱动轴302上的进水孔124进入驱动轴302的内部，随后通过驱动轴302、顶盖101、竖杆102和横扫杆103从各个射流管126喷出，利用射流管126喷出的水流，可以提前对声呐收发组件2移动路径上的水体中的悬浮物施加向上浮动的推动力，从而可以提前清除声呐收发组件2移动路径上的悬浮物，在悬浮物被清除后，无需岸上人员主动操控水下机器人带动声呐收发组件2避开这些悬浮物，降低操作难度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下机器人用的声呐避障装置，包括外壳（1）和声呐收发组件（2），其特征在于，所述外壳（1）的内部设置有旋转驱动机构（3），且外壳（1）通过旋转驱动机构（3）与声呐收发组件（2）传动连接，所述声呐收发组件（2）的外侧壁上端固定安装有多个U形板（5），且各个U形板（5）均位于声呐收发组件（2）的探头上方设置，各个所述U形板（5）的内侧均设置有光源（6），且各个光源（6）均位于声呐收发组件（2）的外侧壁固定设置，各个所述U形板（5）远离同侧光源（6）一侧的内侧壁均安装有监测机构（7），所述外壳（1）的外侧壁套设有与光源（6）相配合的补光机构（8），所述旋转驱动机构（3）位于声呐收发组件（2）的上方安装有防撞机构（10），所述外壳（1）的外侧壁固定安装有消泡机构（11），且消泡机构（11）与防撞机构（10）共同安装有冲击机构（12）；

所述旋转驱动机构（3）包括固定设置于外壳（1）内部的安装板（301），所述安装板（301）的端面转动连接有驱动轴（302），且声呐收发组件（2）位于驱动轴（302）的外侧固定套设，所述安装板（301）的下端固定安装有驱动电机（303），且驱动电机（303）的输出端与驱动轴（302）传动连接；

所述防撞机构（10）包括固定设置于驱动轴（302）顶部的顶盖（101），所述顶盖（101）的下端固定安装有多个竖杆（102），且各个竖杆（102）的侧壁下端均固定插接有横扫杆（103）；

所述消泡机构（11）包括固定安装于外壳（1）外侧壁的潜水泵（111），所述外壳（1）的外侧套设有环形管（112），所述外壳（1）的侧壁与环形管（112）共同固定连接有连接杆（113），所述环形管（112）的管壁外侧固定插接有多个吸附头（114），所述潜水泵（111）的吸入端固定安装有吸水管（115），且吸水管（115）与环形管（112）固定连通设置，所述潜水泵（111）通过冲击机构（12）与横扫杆（103）相连通设置；

所述冲击机构（12）包括固定设置于外壳（1）内部的支撑板（121），所述支撑板（121）的中心处一体成型设置有圆套（122），所述圆套（122）的内部上下两侧均通过密封轴承（123）与驱动轴（302）转动连接，所述驱动轴（302）为空心设置，且驱动轴（302）的侧壁位于两个密封轴承（123）之间的位置开设有两个进水孔（124），所述潜水泵（111）的输出端固定连接有输水管（125），且输水管（125）的管端依次贯穿外壳（1）和支撑板（121）的侧壁并与圆套（122）的内部相连通设置，所述顶盖（101）和多个竖杆（102）均为中空设置，且多个竖杆（102）均与顶盖（101）相连通设置，所述顶盖（101）与驱动轴（302）相连通设置，多个所述竖杆（102）的底部均为密封设置，多个所述横扫杆（103）均为空心设置，且多个横扫杆（103）均与同侧竖杆（102）相连通设置，各个所述横扫杆（103）的杆端均固定连通有倾斜设置的射流管（126）。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人用的声呐避障装置，其特征在于，所述监测机构（7）包括开设于U形板（5）内壁的凹槽（701），所述凹槽（701）的槽口封装有透明板（702），所述凹槽（701）的内侧设置有光敏电阻（703），所述凹槽（701）的两个槽壁均固定安装有绝缘块（704），且光敏电阻（703）位于两个绝缘块（704）之间固定设置，所述外壳（1）的内部固定安装有与各个光敏电阻（703）电性连接的电流表（705）。

3.根据权利要求1所述的一种水下机器人用的声呐避障装置，其特征在于，所述补光机构（8）包括固定设置于U形板（5）内部的分光镜（801），且分光镜（801）呈45°倾斜设置，所述外壳（1）的外侧壁套设有锥形套（802），所述锥形套（802）的外侧壁固定套设有折射膜套（803），各个所述分光镜（801）均位于折射膜套（803）的上方设置，所述外壳（1）的外侧壁与锥形套（802）之间共同安装有多个固定杆（804）。

4.根据权利要求1所述的一种水下机器人用的声呐避障装置，其特征在于，多个所述竖杆（102）均与声呐收发组件（2）的各个探头呈相互错开设置，各个所述射流管（126）的管端均低于声呐收发组件（2）的各个探头设置。