CN205540287U - 用于管道探伤的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水下机器人技术领域，旨在提供一种用于管道探伤的水下机器人。包括结构系统、自动驾驶系统和探测系统；所述结构系统包括载体框架、浮力材料、耐压外壳、推进器和电池；所述自动驾驶系统设于载体框架内部，包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块和通信电子线路；所述探测系统设于载体框架上。本实用新型尺寸小，重量轻，操作简便，无需吊车、船等其它设备辅助，没有任何专业背景的个人即可操作。价格低廉，有明确的用途和使用价值，便于推广。易于加工、生产，工艺简单，便于快速投放市场。能够下潜到很深的海底，代替人完成海底管道探测任务，效率高，保护了人员的安全。

Description

用于管道探伤的水下机器人

技术领域

本实用新型涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种用于管道探伤的水下机器人。该水下机器人是一种小尺度、智能化、能够在水下自动航行的水下航行器，它能够发现、跟踪管道，还能够探测管道是否受损伤。

背景技术

机器人技术是一种新兴的智能制造技术，在国内外受到广泛应用。大疆无人机和云洲智能无人船的兴起就说明了这一点。自主水下机器人是一种能够在水面以下几米甚至上千米、上万米深度进行自主航行的机器人，具有自动航行、自主导航、自主执行水下任务的能力。与无人机、无人车和无人船相比，它所处的任务环境更加复杂，所使用的传感器和推进系统也有不同。具体表现在：1)高频无线电波在水下十几米以下深度无法使用，将会导致操作人员与水下机器人难以保持良好的通信联系；而采用水声通信机，不仅成本高，且通信速率和容量都无法与无线电波相比；2)电子元部件等任何非水密电子部件、机械部件、推进部件均须做水密、耐压保护，否则将发生渗水、漏水导致不能正常水下航行。

目前，现有技术对海底油气管道的自动检测能力不足，缺少能够完成海底管道探伤任务的水下机器人。本专利是一种专门面向海底管道探伤的小型自主水下机器人，无人无缆，具有很高的可靠性、便捷的可操作性以及很强的实用性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于管道探伤的水下机器人。该水下机器人专门面向面向海底管道探伤，为企业、科研院所和高校用户提供可靠、安全和实用的海底管道无人自动检测装置。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种用于管道探伤的水下机器人，包括结构系统、自动驾驶系统和探测系统；

所述结构系统包括载体框架、浮力材料、耐压外壳、推进器和电池；浮力材料填充于载体框架内，耐压外壳包裹在载体框架外侧，载体框架的末端设推进器，电池设于载体框架的内部空腔；

所述自动驾驶系统设于载体框架内部，包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块和通信电子线路；各模块和电路的连接关系是：自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；其中，自动驾驶模块设有电磁继电器，用于控制自主导航模块、传感器模块、通讯模块和应急模块的供电电源通断；

所述探测系统设于载体框架上，包括摄像机、红外传感器、照相机、角速率陀螺仪、加速度计、声多普勒计程仪、姿态传感器、DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)以及至少两个磁力计，各设备分别通过信号线连接至自动驾驶模块；且DSP分别与两个磁力计相连，FPGA分别与摄像机、红外传感器和照相机相连。

本实用新型中，所述推进器有三个，且相互之间的连线构成等边三角形。

本实用新型中，所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池；所述推进器配置12V、75W有刷直流电机和双叶螺旋桨；所述自动驾驶模块采用STM32F103ZET6单片机，且连接了128M的SD存储卡；所述磁力计采用HMC5883三维磁力传感器，且由无磁性材料制成的密封舱封闭；所述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品。

本实用新型中，所述水下机器人的外形是下述形状中的任意一种：鱼雷形、立扁形、平扁形、蝶形、双体结构或三体结构。

本实用新型中，所述水下机器人长度小于200cm，在空气中的重量小于200kg。

本实用新型中，所述自动驾驶系统还包括与通讯模块相连的接口，用于与水下互联网、云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。

本实用新型中，所述自动驾驶模块中包括机动控制器。

本实用新型中，所述自动驾驶模块中包括升降控制器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型尺寸小，重量轻，操作简便，无需吊车、船等其它设备辅助，没有任何专业背景的个人即可操作。

2.本实用新型价格低廉，有明确的用途和使用价值，便于推广。

3.本实用新型易于加工、生产，工艺简单，便于快速投放市场。

4.本实用新型能够下潜到很深的海底，代替人完成海底管道探测任务，效率高，保护了人员的安全。

附图说明

图1是本实用新型的组成示意图；

图2是本实用新型的探测系统组成示意图；

图3是本实用新型的各传感器安装位置示意图。

具体实施方式

首先需要说明的是，本实用新型涉及机器人技术。在本实用新型的实现过程中，可能会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本实用新型的实现原理和实用新型目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本实用新型。凡本实用新型申请文件提及的均属此范畴，申请人不一一列举。另外，本实用新型的实现依赖于多种电子元器件的应用，而这些电子元器件均为现有技术，且有成熟产品可市场购置获得，例如下面提到的自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块和通信电子线路；摄像机、红外传感器、照相机、角速率陀螺仪、加速度计、声多普勒计程仪、姿态传感器、DSP、FPGA以及磁力计等等。

本实用新型提供的用于管道探伤的水下机器人，包括结构系统、自动驾驶系统和探测系统。

结构系统包括载体框架、浮力材料、耐压外壳、推进器和电池；浮力材料填充于载体框架内，耐压外壳包裹在载体框架外侧，载体框架的末端设推进器，电池设于载体框架的内部空腔；所述推进器有三个，且相互之间的连线构成等边三角形。

自动驾驶系统设于载体框架内部，包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块(用于实现自救功能)和通信电子线路；各模块和电路的连接关系是：自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；其中，自动驾驶模块设有电磁继电器，用于控制自主导航模块、传感器模块、通讯模块和应急模块的供电电源通断；

探测系统设于载体框架上，包括摄像机、红外传感器、照相机、角速率陀螺仪、加速度计、声多普勒计程仪、姿态传感器、DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)以及至少两个磁力计，各设备分别通过信号线连接至自动驾驶模块；且DSP分别与两个磁力计相连，FPGA分别与摄像机、红外传感器和照相机相连。

各设备的选型：电池采用NICJOY耐杰12V锂电池；所述推进器配置12V、75W有刷直流电机和双叶螺旋桨；所述自动驾驶模块采用STM32F103ZET6单片机，且连接了128M的SD存储卡；所述磁力计采用HMC5883三维磁力传感器，且由无磁性材料制成的密封舱封闭；所述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品。

水下机器人的外形是下述形状中的任意一种：鱼雷形、立扁形(是指高度与宽度之比大于1.5)、平扁形(是指高度与宽度之比＜于0.8)、蝶形(是指飞碟形状)、双体结构(是指整个水下机器人由两个独立的结构组成)或三体结构(是指整个水下机器人由三个独立的结构组成)。

自动驾驶模块中包括机动控制器。机动控制器的垂直面的纵倾力矩控制输出量可以通过下述公式计算获得：

τ_M＝K_pθ2(θ-θ_d)+K_dθ2q+BG_zW sinθ；

上述公式中：τ_M是垂直面的纵倾力矩，是控制输出量；θ是水下机器人的当前纵倾角，θ_d是水下机器人当前的目标纵倾角，两者均为水下机器人的状态量，能通过水下机器人的姿态传感器测量和计算得到；

(θ-θ_d)是水下机器人的纵倾角误差，q是水下机器人的垂直角速率，两者为控制输入量；K_pθ2是水下机器人的纵倾角误差系数，K_dθ2是水下机器人的垂直角速率系数，BG_zW sinθ是水下机器人的重力/浮力垂直静力矩，三者能通过试验测定获得，是已知参数。

所述自动驾驶模块中包括升降控制器。升降控制器的控制输出量可以通过下述公式计算获得：

$F=K_p(D-D_d)+K_d\frac{\mathrm{\Δ}D}{\mathrm{\Δ}t}+K_I\∫(D-{\mathrm{\θ}}_d)ht$

其中，F是垂直面的升降力，是控制输出量；

D是水下机器人的当前深度，D_d是水下机器人当前的目标深度，两者是水下机器人的状态量，能通过水下机器人的深度传感器测量和计算得到；

(D-D_d)是水下机器人的深度误差，是水下机器人的升降速率，两者是控制输入量；K_p是水下机器人的深度误差系数，K_d是水下机器人的垂直角速率系数，K_I是水下机器人的深度误差积分系数，∫(D-θ_d)dt是深度误差积分，均能通过试验测定获得，是已知参数。

本实用新型中的水下机器人的主要用户为石油企业、天然气企业、水下工程企业、科研院所以及大中专高校。直接用途为检查海底管道的损伤情况，可实现海底或水底石油管道无人探测、天然气管道等其它海底管道的自动识别与自动探伤。它是一种无人无缆水下航行器。长度小于200cm，空气中重量小于200kg，工作水深在0米到6000米范围内。其浮力比重力大。具有自学习功能，具有自动避开障碍物的功能。具有机器眼，能够自动识别水下物体的种类、大小和性质。通过控制算法和推进器推力分配设计水下机器人自动航行控制器，实现水下机器人不少于四个自由度的运动，具有在线规划能力。

水下机器人在其导航模块指引下，利用控制模块调节推进器的推力和力矩，实现自主航行；电池模块为机器人提供电子部件动力、任务模块动力和推进器动力，支持机器人长时间水下续航；探测模块在控制系统控制下进行管道寻找、跟踪与探伤。水下机器人能给出管道受伤部位的位置和图像信息。通过采用磁传感器+角速率陀螺+加速度计+声多普勒计程仪来获取水下机器人航向、姿态和速度信息。

该水下机器人既能完成管道探伤任务，也能发现并跟踪管道。探伤的方法是水下机器人首先利用磁力计确认海底有无铁质物质，当确认有铁质物质后，然后进行在线规划，利用摄像机和红外传感器发现管道，发现管道后，水下机器人沿着管道在管道上方航行，同时利用摄像机拍摄到的图像检测海底管道有无损伤，确认损伤后，水下机器人利用照相机对受伤部门拍照，获得受伤部位图像，同时记录水下机器人当前位置，获得受伤部位位置。

具体实施例子：

如图1所示，本实用新型由结构系统、自动驾驶系统和探测系统组成，探测系统和自动驾驶系统安装在结构系统里，结构系统能够承受水压，结构系统不渗水、不漏水，内部保持干燥。水下机器人自己携带电池，为自动驾驶系统和探测系统提供电力，保证水下机器人正常工作。水下机器人能够在水下任意深度航行，到达海底后，探测系统开始工作。如图2所示，探测系统包括磁力计、摄像机、照相机和红外传感器。磁力计用于探测管道的铁质属性，摄像机用于拍摄管道画面，照相机用于对管道受伤部门拍照，红外传感器用于探测管道表面温度。

本实用新型其中一种外形鱼雷型的水下机器人如图3所示。在首部和艉部分别安装1台磁力计1、2，摄像机3、照相机4和红外传感器5安装在下半部的前部和中部。水下机器人首先利用磁力计1、2确认海底有无铁质物质，当确认有铁质物质后，然后进行在线规划.利用摄像机3和红外传感器5发现管道，发现管道后，水下机器人沿着管道在管道上方航行，同时利用摄像机3拍摄到的图像检测海底管道有无损伤，确认损伤后，水下机器人利用照相机4对受伤部门拍照，获得受伤部位图像，同时记录水下机器人当前位置，获得受伤部位位置。

Claims (8)

1.一种用于管道探伤的水下机器人，包括结构系统、自动驾驶系统和探测系统；其特征在于，

所述结构系统包括载体框架、浮力材料、耐压外壳、推进器和电池；浮力材料填充于载体框架内，耐压外壳包裹在载体框架外侧，载体框架的末端设推进器，电池设于载体框架的内部空腔；

所述自动驾驶系统设于载体框架内部，包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块和通信电子线路；各模块和电路的连接关系是：自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；其中，自动驾驶模块设有电磁继电器，用于控制自主导航模块、传感器模块、通讯模块和应急模块的供电电源通断；

所述探测系统设于载体框架上，包括摄像机、红外传感器、照相机、角速率陀螺仪、加速度计、声多普勒计程仪、姿态传感器、DSP、FPGA以及至少两个磁力计，各设备分别通过信号线连接至自动驾驶模块；且DSP分别与两个磁力计相连，FPGA分别与摄像机、红外传感器和照相机相连。

2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述推进器有三个，且相互之间的连线构成等边三角形。

3.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池；所述推进器配置12V、75W有刷直流电机和双叶螺旋桨；所述自动驾驶模块采用STM32F103 ZET6单片机，且连接了128M的SD存储卡；所述磁力计采用HMC5883三维磁力传感器，且由无磁性材料制成的密封舱封闭；所述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品。

4.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人的外形是下述形状中的任意一种：鱼雷形、立扁形、平扁形、蝶形、双体结构或三体结构。

5.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人长度小于200cm,在空气中的重量小于200kg。

6.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述自动驾驶系统还包括与通讯模块相连的接口，用于与水下互联网、云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。

7.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述自动驾驶模块中包括机动控制器。

8.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述自动驾驶模块中包括升降控制器。