CN117775236A - 一种水下管道外检测机器人系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下管道外检测机器人系统及检测方法。该系统包括作业母船通过驱动装置进行布放装置和机器人的投放和回收；机器人上设置有多重感应装置、探照灯、防护架、尾舵、主螺旋桨、侧面螺旋桨、夹爪和机体信号接收器，机器人的底部设置有检测杆，检测杆上设置有若干个激光探测头以及呈预设倾斜角度左右对称布置的检测轮，检测杆的两侧设置有与机器人固定连接的着陆架；布放装置包括布放架以及设置于所述布放架上的摄像头、信号接发装置和布放装置电子仓；控制装置设置于机器人内，包括运动控制模块、检测模块和信号模块。本发明能够在不同水深、深海不同光照环境下实现高质量的水下管道表面损伤检测。

Description

一种水下管道外检测机器人系统及检测方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种水下管道外检测机器人系统及检测方法。

背景技术

近年来，国际社会在深海和大洋领域的竞争日趋激烈，我国不断加强对水下资源的勘探与开发。深海蕴藏着丰富的金属矿物资源、油气资源、天然气水合物资源。随着我国对南海能源和资源的不断开发，我国拥有数量规模巨大的水下管道用于海洋资源的开发和利用，水下管道已经成为了一个重要的输送管道。目前对于管道的检测主要依靠人工检测、管内检测机器人来实现，然而，深海环境中的延迟、高压、低温、强腐蚀等复杂因素，人工检测无法在深海环境下进行，加之对于现役的水下管道，管内检测在一定程度下难以进行，使得水下管道的检测和维护成为了一个极具挑战性的工作。因此，亟需一种能够实现水下管道外检测的机器人、系统及检测方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种水下管道外检测机器人系统及检测方法。在所述系统及检测方法中，能够在不同水深、深海不同光照环境下实现高质量的水下管道表面损伤检测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种水下管道外检测机器人系统，包括：

作业母船，所述作业母船上设置有驱动装置，通过所述驱动装置进行布放装置的投放和回收；

机器人，所述机器人的头部设置有多重感应装置和探照灯以及用于保护所述多重感应装置和探照灯的防护架，所述机器人的尾部设置有尾舵和主螺旋桨，所述机器人的左右两侧均设置有侧面螺旋桨，所述机器人的顶部设置有夹爪和机体信号接收器，所述机器人的底部设置有检测杆，所述检测杆的一端延伸至机器人内并与机器人固定连接，所述检测杆的另一端设置有若干个激光探测头以及呈预设倾斜角度左右对称布置的检测轮，所述检测杆的两侧设置有与机器人固定连接的着陆架；

所述布放装置包括布放架以及设置于所述布放架上的摄像头、信号接发装置和布放装置电子仓，所述布放装置电子仓包括电池、布放装置定位信号发生器以及机器人姿态矫正控制装置，所述机器人姿态矫正控制装置用于根据摄像头采集的图像调整机器人的姿态，辅助布放装置与机器人连接；

控制装置，所述控制装置设置于机器人内，包括运动控制模块、检测模块和信号模块，其中，所述运动控制模块，用于进行机器人的路径规划和姿态调整；所述检测模块，用于根据多重感应装置的回传信息进行水下管道初步异常判断，用于根据若干个激光探测头和多重感应装置的回传信息进行水下管道的状态及损伤类型判断；所述信号模块，用于定位和判断信息的回传。

优选地，所述多重感应装置包括水下高清相机和声呐。

优选地，所述布放架的四角处均设置有钢索，所述钢索中安装有钢缆，通过所述钢缆与驱动装置连接。

优选地，所述布放架上设置有不少于两个摄像头，不少于两个所述摄像头分布于布放架上的不同位置。

优选地，所述布放架上设置有警示灯。

优选地，所述检测杆包括底座、舵机、第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、大连杆、小连杆、连接底座和检测头，所述底座设置于机器人内，所述舵机安装在底座上且所述舵机的输出端依次与第一连接杆、大连杆和检测头连接，所述第二连接杆贯穿大连杆并与所述底座上的连接底座的底部连接，所述小连杆分别与检测头和第三连接杆连接，所述第三连接杆与连接底座的顶部连接。

优选地，所述大连杆包括依次连接的前端连接头、第一长杆、中间连接件、第二长杆和末端连接头，所述中间连接件上设置有通孔。

优选地，所述机器人的尾部设置有尾钩。

优选地，所述检测头还包括检测头连接件、检测头连杆、第一弹簧、第二弹簧和检测头安装件，所述检测头连接件上设置有与小连杆连接的检测头第一连接杆，所述检测头连接件的开口处设置有检测头连杆，所述检测头连杆上依次套设有第一弹簧、检测头安装件和第二弹簧，所述检测头安装件上水平设置有第一激光探测头以及呈预设倾斜角度左右对称布置于第一个检测头两侧的第二激光探测头和第三激光探测头。

基于上述内容，本发明还公开了一种水下管道外检测方法，包括如下步骤：

步骤一，作业母船行至指定水域并控制驱动装置运行，将布放装置连同机器人缓慢投放至预设水深，机器人上的夹爪打开，使得机器人与布放装置分离；

步骤二，机器人记录布放装置的当前位置坐标并寻找水下管道的位置，确定水下管道的位置后进行机器人的路径规划和姿态调整，使机器人位于水下管道的正上方；

步骤三，机器人沿水下管道前进，通过水下高清相机和声呐的回传信息进行水下管道初步异常判断，若未发现异常，则继续向前探测；若发现异常，则控制检测杆向下摆动使两侧的探测轮与水下管道的表面接触，通过若干个激光探测头与管道表面贴近并进行检测，通过若干个激光探测头和多重感应装置的回传信息进行水下管道的状态及损伤类型判断并记录损伤位置坐标；

步骤四，当机器人行进了预设距离或检测到预设数量的管道损伤点时，机器人通过布放装置定位信号发生器发射的定位信号返回，返回后通过摄像头观察机器人的姿态并调整，使得机器人到达布放装置正下方后控制夹爪夹住布放装置；通过作业母船控制驱动装置运动，回收布放装置连同机器人；通过信号接发装置将数据信息发送至作业母船或地面接收终端，所述数据信息包括水下管道中损伤点的损伤类型和位置坐标；

步骤五，重复步骤一至步骤四的过程，直至确定完水下管道中所有损伤点的损伤类型和位置坐标，根据所述所有损伤点的损伤类型和位置坐标制定管道损伤处理方案。

基于上述技术方案，本发明的有益效果是：

1)本发明通过设置机器人和布放装置，可以更精确的让机器人到达工作水域，同时，可以提高机器人回收的效率，降低运行成本；

2)本发明中检测杆的结构设计可以让机器人更好的完成检测工作，同时检测杆的收起又能更好的实现水下机器人高效运动；

3)本发明通过设置水下高清相机和声呐、激光探测头等多传感器检测信息的融合，能够提高水下管道检测的精度和效率，实现高质量的水下管道损伤检测。

附图说明

图1是一个实施例中一种水下管道外检测机器人系统中机器人、检测杆和布放装置的结构示意图一；

图2是一个实施例中一种水下管道外检测机器人系统中机器人、检测杆和布放装置的结构示意图二；

图3是一个实施例中一种水下管道外检测机器人系统中布放装置的结构示意图；

图4是一个实施例中一种水下管道外检测机器人系统中机器人的结构示意图；

图5是一个实施例中一种水下管道外检测机器人系统中检测杆的结构示意图一；

图6是一个实施例中一种水下管道外检测机器人系统中检测杆的结构示意图二；

图7是一个实施例中一种水下管道外检测机器人系统中大连杆的结构示意图；

图8是一个实施例中一种水下管道外检测机器人系统中检测头的结构示意图。

图中，各附图标记为：

1、机器人；111、水下高清相机；112、声呐；113、探照灯；114、机体信号接收器；115、夹爪；116、尾舵；117、侧面螺旋桨；118、主螺旋桨；119、尾钩；120、着陆架；121、防护架；

2、检测杆；21、检测头；211、激光探测头；212、检测轮；213、检测头第一连接杆；214、检测头连接件；215、第一弹簧；216、第二弹簧；217、检测头连杆；218、检测头安装件；22、底座；23、舵机；24、第一连接杆；25、大连杆；251、前端连接头；252、中间连接件；2521、通孔；253、第一长杆；254、第二长杆；255、末端连接头；26、小连杆；27、第二连接杆；28、连接底座；29、第三连接杆；

3、布放装置；31、布放架；32、摄像头；33、钢索；34、钢缆；35、警示灯；36、信号接发装置；37、布放装置电子仓。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至8所示，本实施例提供一种水下管道外检测机器人系统，包括：

作业母船，所述作业母船上设置有驱动装置，通过所述驱动装置进行布放装置3的投放和回收；

机器人1，所述机器人1的头部设置有水下高清相机111和声呐112，探照灯113布置于水下高清相机111左右两侧，防护架121安装于机器人1的前部，通过防护架121保护机器人1机体免受障碍物或水下生物的正面直接撞击，探照灯113在工作时可进行一定的角度调整。所述机器人1的尾部设置有尾舵116和主螺旋桨118，尾舵116共设置竖直方向舵一个以及左右对称分布的水平方向舵两个，所述机器人1的左右两侧均设置有侧面螺旋桨117，尾舵116与侧面螺旋桨117可实现水下管道外检测机器人1的转向以及工作时的自稳控制(当水下机器人1遇海流、海洋生物的作用出现小幅度水平方向摆动时，水下机器人1通过侧面螺旋桨117的正反转控制机器人1机体的归正，当工作环境良好时，侧面螺旋桨117可停止工作)。所述机器人1的顶部间隔适当距离布置两个夹爪115，夹爪115可实现夹紧与松脱，夹爪115主要通过与布放装置3的配合实现机器人1的投放与收回。机体信号接收器114安装于机器人头部上端，用于接收来自其他装置对于机器人的控制信号。所述机器人1的底部设置有检测杆2，所述检测杆2的一端延伸至机器人1内并与机器人1固定连接，所述检测杆2的另一端设置有3个激光探测头211以及呈预设倾斜角度左右对称布置的检测轮212，检测轮212可实现工作时检测杆2上的3个激光探测头211刚好位于检测管道的表面完成水下管道的数据采集并可以依靠检测轮212在管道上进行滑动，使得机器人1行进过程中更加平稳。检测杆2的两侧设置有与机器人1固定连接的着陆架120，用于机器人1在水中特殊情况下的着陆；

布放装置3包括布放架31以及设置于所述布放架31上的摄像头32、信号接发装置36和布放装置电子仓37，所述布放装置电子仓37包括电池、布放装置3定位信号发生器以及机器人1姿态矫正控制装置，所述机器人1姿态矫正控制装置用于根据摄像头32采集的图像调整机器人1的姿态，辅助布放装置3与机器人1连接；

控制装置，所述控制装置设置于机器人1内，包括运动控制模块、检测模块和信号模块，其中，所述运动控制模块，用于进行机器人1的路径规划和姿态调整；所述检测模块，用于根水下高清相机111和声呐112的回传信息进行水下管道初步异常判断，用于根据水下高清相机111、声呐112和3个激光探测头211的回传信息进行水下管道的状态及损伤类型判断；所述信号模块，用于定位和判断信息的回传。

本实施例中，在控制装置上建立水下管道损伤模型，通过水下管道损伤模型进行水下管道的初步异常判断和状态及损伤类型判断。

在一个实施例的一种水下管道外检测机器人系统中，钢索33设置于布放架31的四角，钢索33上可安装钢缆34，通过钢缆34与驱动装置连接，实现布放装置3和机器人1的投放和回收。

在一个实施例的一种水下管道外检测机器人系统中，所述布放架31上设置有两个摄像头32，两个所述摄像头32分布于布放架31上的不同位置，便于获取机器人1不同视角图像，以便机器人1更好的回收。

在一个实施例的一种水下管道外检测机器人系统中，所述布放架31上设置有警示灯35。

在一个实施例的一种水下管道外检测机器人系统中，所述检测杆2包括底座22、舵机23、第一连接杆24、第二连接杆27、第三连接杆29、大连杆25、小连杆26、连接底座28和检测头21，所述底座22设置于机器人1内，所述舵机23安装在底座22上且所述舵机23的输出端依次与第一连接杆24、大连杆25和检测头21连接，所述第二连接杆27贯穿大连杆25并与所述底座22上的连接底座28的底部连接，所述小连杆26分别与检测头21和第三连接杆29连接，所述第三连接杆29与连接底座28的顶部连接。

在一个实施例的一种水下管道外检测机器人系统中，所述大连杆25包括依次连接的前端连接头251、第一长杆253、中间连接件252、第二长杆254和末端连接头255，第一长杆253、第二长杆254分别与中间连接件252进行焊接，中间连接件252为方形连接件且设置有通孔2521，第二连接杆27能够穿过通孔2521并与所述底座22上的连接底座28的底部连接。

在一个实施例的一种水下管道外检测机器人系统中，所述检测头21还包括检测头连接件214、检测头连杆217、第一弹簧215、第二弹簧216和检测头安装件218，所述检测头连接件214上设置有与小连杆26连接的检测头第一连接杆213，所述检测头连接件214的开口处设置有检测头连杆217，所述连杆上依次套设有第一弹簧215、检测头安装件218和第二弹簧216，通过第一弹簧215和第二弹簧216可实现检测头21在工作时能在一定的范围内进行调整。所述检测头安装件218上3个激光探测头211，分别是水平设置的第一激光探测头211以及呈预设倾斜角度左右对称布置于第一个检测头21两侧的第二激光探测头211和第三激光探测头211。

在一个实施例的一种水下管道外检测机器人系统中，所述机器人1的尾部设置有尾钩119，用于在检测杆2工作结束收起后钩住小连杆26，实现检测杆2的收回。

在一个实施例中提供一种水下管道外检测机器人系统的方法，包括如下步骤：

步骤一，作业母船行至指定水域并控制驱动装置运行，将布放装置3连同机器人1缓慢投放至预设水深，机器人1上的夹爪115打开，使得机器人1与布放装置3分离；

步骤二，机器人1记录布放装置3的当前位置坐标并寻找水下管道的位置，确定水下管道的位置后进行机器人1的路径规划和姿态调整，使机器人1位于水下管道的正上方；

步骤三，机器人1沿水下管道前进，通过水下高清相机111和声呐112的回传信息进行水下管道初步异常判断，若未发现异常，则继续向前探测；若发现异常，则控制检测杆2向下摆动使两侧的探测轮与水下管道的表面接触，通过若干个激光探测头211与管道表面贴近并进行检测，通过若干个激光探测头211和多重感应装置的回传信息进行水下管道的状态及损伤类型判断并记录损伤位置坐标；

步骤四，当机器人1行进了预设距离或检测到预设数量的管道损伤点时，机器人1通过布放装置3定位信号发生器发射的定位信号返回，返回后通过摄像头32观察机器人1的姿态并调整，使得机器人1到达布放装置3正下方后控制夹爪115夹住布放装置3；通过作业母船控制驱动装置运动，回收布放装置3连同机器人1；通过信号接发装置36将数据信息发送至作业母船或地面接收终端，所述数据信息包括水下管道中损伤点的损伤类型和位置坐标；

步骤五，重复步骤一至步骤四的过程，直至确定完水下管道中所有损伤点的损伤类型和位置坐标，根据所述所有损伤点的损伤类型和位置坐标制定管道损伤处理方案。

以上仅为本申请实施例的优选实施例而已，并不用于限制本申请实施例，对于本领域的技术人员来说，本申请实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，包括：

作业母船，所述作业母船上设置有驱动装置，通过所述驱动装置进行布放装置的投放和回收；

机器人，所述机器人的头部设置有多重感应装置和探照灯以及用于保护所述多重感应装置和探照灯的防护架，所述机器人的尾部设置有尾舵和主螺旋桨，所述机器人的左右两侧均设置有侧面螺旋桨，所述机器人的顶部设置有夹爪和机体信号接收器，所述机器人的底部设置有检测杆，所述检测杆的一端延伸至机器人内并与机器人固定连接，所述检测杆的另一端设置有若干个激光探测头以及呈预设倾斜角度左右对称布置的检测轮，所述检测杆的两侧设置有与机器人固定连接的着陆架；

所述布放装置包括布放架以及设置于所述布放架上的摄像头、信号接发装置和布放装置电子仓，所述布放装置电子仓包括电池、布放装置定位信号发生器以及机器人姿态矫正控制装置，所述机器人姿态矫正控制装置用于根据摄像头采集的图像调整机器人的姿态，辅助布放装置与机器人连接；

控制装置，所述控制装置设置于机器人内，包括运动控制模块、检测模块和信号模块，其中，所述运动控制模块，用于进行机器人的路径规划和姿态调整；所述检测模块，用于根据多重感应装置的回传信息进行水下管道初步异常判断，用于根据若干个激光探测头和多重感应装置的回传信息进行水下管道的状态及损伤类型判断；所述信号模块，用于定位和判断信息的回传。

2.根据权利要求1所述的一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，所述多重感应装置包括水下高清相机和声呐。

3.根据权利要求1所述的一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，所述布放架的四角处均设置有钢索，所述钢索中安装有钢缆，通过所述钢缆与驱动装置连接。

4.根据权利要求1所述的一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，所述布放架上设置有不少于两个摄像头，不少于两个所述摄像头分布于布放架上的不同位置。

5.根据权利要求1所述的一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，所述布放架上设置有警示灯。

6.根据权利要求1所述的一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，所述检测杆包括底座、舵机、第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、大连杆、小连杆、连接底座和检测头，所述底座设置于机器人内，所述舵机安装在底座上且所述舵机的输出端依次与第一连接杆、大连杆和检测头连接，所述第二连接杆贯穿大连杆并与所述底座上的连接底座的底部连接，所述小连杆分别与检测头和第三连接杆连接，所述第三连接杆与连接底座的顶部连接。

7.根据权利要求6所述的一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，所述大连杆包括依次连接的前端连接头、第一长杆、中间连接件、第二长杆和末端连接头，所述中间连接件上设置有通孔。

8.根据权利要求6所述的一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，所述机器人的尾部设置有尾钩。

9.根据权利要求6所述的一种水下管道外检测机器人系统，其特征在于，所述检测头还包括检测头连接件、检测头连杆、第一弹簧、第二弹簧和检测头安装件，所述检测头连接件上设置有与小连杆连接的检测头第一连接杆，所述检测头连接件的开口处设置有检测头连杆，所述检测头连杆上依次套设有第一弹簧、检测头安装件和第二弹簧，所述检测头安装件上水平设置有第一激光探测头以及呈预设倾斜角度左右对称布置于第一个检测头两侧的第二激光探测头和第三激光探测头。

10.一种水下管道外检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，作业母船行至指定水域并控制驱动装置运行，将布放装置连同机器人缓慢投放至预设水深，机器人上的夹爪打开，使得机器人与布放装置分离；

步骤二，机器人记录布放装置的当前位置坐标并寻找水下管道的位置，确定水下管道的位置后进行机器人的路径规划和姿态调整，使机器人位于水下管道的正上方；

步骤三，机器人沿水下管道前进，通过水下高清相机和声呐的回传信息进行水下管道初步异常判断，若未发现异常，则继续向前探测；若发现异常，则控制检测杆向下摆动使两侧的探测轮与水下管道的表面接触，通过若干个激光探测头与管道表面贴近并进行检测，通过若干个激光探测头和多重感应装置的回传信息进行水下管道的状态及损伤类型判断并记录损伤位置坐标；

步骤四，当机器人行进了预设距离或检测到预设数量的管道损伤点时，机器人通过布放装置定位信号发生器发射的定位信号返回，返回后通过摄像头观察机器人的姿态并调整，使得机器人到达布放装置正下方后控制夹爪夹住布放装置；通过作业母船控制驱动装置运动，回收布放装置连同机器人；通过信号接发装置将数据信息发送至作业母船或地面接收终端，所述数据信息包括水下管道中损伤点的损伤类型和位置坐标；

步骤五，重复步骤一至步骤四的过程，直至确定完水下管道中所有损伤点的损伤类型和位置坐标，根据所述所有损伤点的损伤类型和位置坐标制定管道损伤处理方案。