CN206257458U - 一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统,包括终端处理模块、终端显示模块、终端控制模块、无线通信模块、照明模块、机器人运动控制模块、GPS定位模块、机载运动传感器模块、高清摄像模块、脉冲接收模块、电机驱动模块、脉冲发生模块、数据存储模块和机器人爬行模块，本实用新型利用爬行机器人搭载超声检测装置，根据城市既有管网信息系统平台提供的管道平面坐标，利用超声波对径向360°范围进行扫描，检测管道的泄漏或者腐蚀，将实时扫描数据保存在数据存储模块，并通过无线通信模块传输给终端处理模块，在终端显示模块上显示，供检测人员实时监视。

Description

一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测 系统

技术领域

本实用新型涉及土木工程市政管道检测技术领域，具体为一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统。

背景技术

城市市政管网系统是城市基础设施重要组成部分，是城市赖以生存和发展的物质基础，是保障城市正常、高效运转、保证城市经济、社会健康可持续发展的重要条件。随着我国城市化进程不断提高，城市市政管网建设得到快速发展，近几年来，每年新铺设和更新改造的市政管网长度超过10万公里，市政管网新材料、施工新技术得到管道工程界广泛关注和积极应用。

根据用途，可将市政管网划分为城市给排水管网、城市燃气管网、城市集中供热管网等。城市给排水管网是城市给排水设施最重要的组成部分，是城市的“地下血脉”。一座城市若想发展得更好更快，直接取决于城市给排水管网是否规划合理和建设好坏。

随着我国城市建设步伐的加大，城市地下给排水管网系统也逐渐庞大，但与之相关的弊端也日益显露。城市给排水管网存在以下问题：（1）管网老化、管材低劣、施工技术落后，造成管网爆漏事故；（2）供水管网非正常工况运行，超负荷工况造成爆管；（3）排水管网建设与污水处理厂建设不匹配；（4）雨水管、污水管混接；（5）混凝土管及其接头破损严重。除去一些人为因素，给排水管网的确是存在质量问题，这是引发事故的源头所在。通过对后期检测系统进行相应完善，可部分预防相应的问题。

城市燃气管网与居民生活息息相关。城市燃气管道气源种类多，设计标准难以统一，施工质量参差不齐，燃气设备系统的可靠性和稳定性难以得到保证。已经投入使用的燃气管网，由于长期埋设在地下或裸露在空气中，受到内部腐蚀、外部干扰等诸多因素的影响或破坏，不同程度地出现了各种缺陷，包括管壁减薄、裂纹、胶圈老化等，不仅使管网可用度、可靠性下降，而且给整个社会和周边环境带来巨大的安全危害。城市埋地管道所处区域的地表情况复杂，人口密度大，经济活动频繁，一旦发生燃气管道适度将造成巨大的损失。现阶段，城市燃气管网的使用主要存在两方面问题：一方面是对在役管道过早或过度维修，浪费巨大；另一方面，一些管道由于没有及时得到维护而发生泄漏、破裂，造成不可挽回的损失。因此，必须加强对城市燃气管道的检测维护。

城市集中供热管网是由城市集中供热热源向热用户输送和分配供热介质的管线系统。热网由输热干线、配热干线、支线等组成。输热干线自热源引出，一般不接支线；配热干线自输热干线或直接从热源接出，通过配热支线向用户供热。热网管径根据水力计算确定。在大型管网中，有时为保证管网压力工况（见热网水压图），集中调节和检测供热介质参数，而在输热干线或输热干线与配热干线连接处设置热网站。目前，城市集中供热管网存在诸如以下的问题：（1）管网渗漏现象严重，管网输送效率低，热损失大；（2）管网中水力失调问题普遍存在，近端过热，远端过冷，降低了供电系统的效率。

鉴于我国城市地下市政管网出现诸如腐蚀、泄漏、变形、破损等诸多问题，具备一套行之有效的管网检测方法系统就十分有必要。目前，我国城市地下市政管网的检漏主要是有检漏工人采用手持式听诊器或简单的测试仪器进行检漏。人工检漏需要工人在安静的深夜穿着反光衣、戴耳机，用耳朵检查地下管网的暗漏。这种人工检漏的方式，不仅漏检率高，而且工作量大，效率低。现阶段没有全面解决城市市政管道问题的方法、仪器和相应的技术方案。因此，发展城市既有管道综合检测技术，研究管道无损检测自动化技术，提高检测的可靠性和自动化程度，加强在建和在役运输管道的检测和监测，对提高管线运输的安全性具有重要意义。

在现有管道检测技术中，无损检测技术使用最为广泛。作为其中一种先进的检测技术，超声波检测发展最为迅速，逐渐应用于各个领域，且渐渐成为了管道检测的主要手段之一。管道超声波检测是利用现有的超声波传感器测量超声波信号往返于缺陷之间的时间差来测定缺陷和管壁之间的距离。测量反射回波信号的幅值和超声波探头的发射位置，确定缺陷的大小和方位。

城市地下管道中，污物较为集中，沉积物大多为生活垃圾，管道内腐烂物有可能放出有毒性的气体，某些生活污水还可能析出石油、汽油或苯等气体，在浓度过大时即可引起爆炸。地下管道环境恶劣，检测人员在管道内作业存在一定的危险性，而且有些管径较小的管道，直径只有500mm左右，检测人员无法进入，需要使用自动行走装置（如机器人）进行自动化检测，同时仍需要检测人员在终端进行辅助工作。

所以，如何设计一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统，成为我们当前要解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统,包括终端处理模块、终端显示模块、终端控制模块、无线通信模块、照明模块、机器人控制模块、GPS定位模块、机载运动传感器模块、高清摄像模块、脉冲接收模块、电机驱动模块、脉冲发生模块、数据存储模块和机器人爬行模块，所述机载运动传感器模块通过电信号单向连接所述终端处理模块，所述终端处理模块通过所述终端控制模块单向连接所述电机驱动模块，所述无线通信模块单向连接所述电机驱动模块、所述机器人控制模块和所述照明模块，所述机器人控制模块单向连接所述机器人爬行模块，所述电机驱动模块通过电信号单向连接所述脉冲接收模块，所述GPS定位模块通过所述无线通信模块单向连接所述终端处理模块，所述终端处理模块单向连接所述终端控制模块和所述数据存储模块，所述终端控制模块单向连接所述机器人控制模块和所述电机驱动模块，所述脉冲接收模块单向连接所述终端处理模块，所述终端处理模块双向连接所述终端显示模块，所述GPS定位模块和所述机载运动传感器模块均通过数据线与所述机器人控制模块连接，所述高清摄像模块和所述GPS定位模块均通过所述数据线与所述数据存储模块连接。

所述终端处理模块、所述终端显示模块、所述终端控制模块、所述无线通信模块、所述照明模块、所述机器人控制模块、所述GPS定位模块、所述机载运动传感器模块、所述高清摄像模块、所述脉冲接收模块、所述电机驱动模块、所述脉冲发生模块、所述数据存储模块和所述机器人爬行模块均集成在终端设备的内部，且所述终端设备为工业计算机、个人计算机、笔记本计算机、平板电脑或智能移动手机。

进一步的，所述脉冲接收模块采集的信息为市政管道内壁反射的超声回波。

进一步的，所述脉冲发生模块为超声波相控阵面形阵列探头，工作频率为1MHz到7.5MHz之间，带宽为60%到80%之间，灵敏度偏差为±2dB。

进一步的，所述终端控制模块通过所述无线通信模块与机器人子系统连接，且所述无线通信模块采用移动网络或WIFI。

进一步的，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统，使用爬行机器人代替检测人员进行管道检测，避免检测人员利用手持式仪器进行检测，作业环境大幅改善，使用超声波技术进行管道内壁进行360度全方位腐蚀检测，检测更加全面，漏检率大幅降低，可使用机器人群进行协作，提高检测效率。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图；

图中：1、终端处理模块；2、终端显示模块；3、终端控制模块；4、无线通信模块；5、照明模块；6、机器人运动控制模块；7、GPS定位模块；8、机载运动传感器模块；9、高清摄像模块；10、脉冲接收模块；11、电机驱动模块；12、脉冲发生模块；13、数据存储模块；14、机器人爬行模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型提供一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统：包括终端处理模块1、终端显示模块2、终端控制模块3、无线通信模块4、照明模块5、机器人控制模块6、GPS定位模块7、机载运动传感器模块8、高清摄像模块9、脉冲接收模块10、电机驱动模块11、脉冲发生模块12、数据存储模块13和机器人爬行模块14，机载运动传感器模块8通过电信号单向连接终端处理模块1，终端处理模块1通过终端控制模块3单向连接电机驱动模块11，无线通信模块4单向连接电机驱动模块11、机器人控制模块6和照明模块5，机器人控制模块6单向连接机器人爬行模块14，电机驱动模块11通过电信号单向连接脉冲接收模块10，GPS定位模块7通过无线通信模块4单向连接终端处理模块1，终端处理模块1单向连接终端控制模块3和数据存储模块13，终端控制模块3单向连接机器人控制模块6和电机驱动模块11，脉冲接收模块10单向连接终端处理模块1，终端处理模块1双向连接终端显示模块2，GPS定位模块7和机载运动传感器模块8均通过数据线与机器人控制模块6连接，高清摄像模块9和GPS定位模块7均通过数据线与数据存储模块13连接。

进一步的，终端处理模块1、终端显示模块2、终端控制模块3、无线通信模块4、照明模块5、机器人控制模块6、GPS定位模块7、机载运动传感器模块8、高清摄像模块9、脉冲接收模块10、电机驱动模块11、脉冲发生模块12、所述数据存储模块13和机器人爬行模块14均集成在终端设备的内部，且终端设备为工业计算机、个人计算机、笔记本计算机、平板电脑或智能移动手机，便于操作和便于携带。

进一步的，脉冲接收模块10采集的信息为市政管道内壁反射的超声回波，便于采集信息。

进一步的，脉冲发生模块12为超声波相控阵面形阵列探头，工作频率为1MHz到7.5MHz之间，带宽为60%到80%之间，灵敏度偏差为±2dB，通过电子技术可为探头压电晶片确定相位顺序和相继激发的速度可以使固定在一个位置上的探头发出的超声波束通过一个选定的角度，无需调整相控阵探头角度。

进一步的，终端控制模块3通过无线通信模块4与机器人子系统连接，便于进行运动指令、超声波信息、高清图像信息的传输，且无线通信模块4采用移动网络或WIFI，便于信号的传递。

具体的，机载运动传感器模块8将机器人位姿信息传输给终端处理模块1，终端处理模块1据此计算脉冲发生模块中每个压电晶片发射脉冲的相位和顺序，并经终端控制模块3将指令传输给电机驱动模块11，电机驱动模块11接收无线通信模块4传输过来的反馈指令，驱动超声波相控阵探头上每个压电晶片发射指定的超声波。并驱动脉冲接收模块接收反射回的超声波回波信号，机器人运动控制模块6接收无线通信模块4传输过来的控制指令，控制爬行机器人的启动关闭、速度升降和方向转变、位姿转变，机器人爬行模块14具有前进后退、左转右转、攀爬等功能，GPS定位模块7，通过无线通信模块4将机器人位置信息实时传输给终端处理模块1，供终端控制模块3指定机器人运动指令。同时，将机器人位置信息保存在数据存储模块13，可在机器人回收后用数据线导出，无线通信模块4供机器人子系统与终端控制模块3进行运动指令、超声波信息、高清图像信息的传输终端控制模块3给机器人运动控制模块6发送相应运动指令，指导其作相应运动。所述的终端控制模块3发送指令给电机驱动模块11，根据相应指令控制每一压电晶片发射脉冲的相位和顺序，终端处理模块1实时接收脉冲接收模块10的超声波回波信息、高清图像信息、GPS定位信息和机器人位姿信息，终端显示模块2实时显示终端处理模块1接收并处理后的信息，爬行机器人在管道内遇到可以越过的障碍物时，可向终端显示模块2反馈路障信号，待终端控制模块3发出越障指令后，爬行机器人可攀爬通过障碍物。所述的爬行机器人在管道内遇到无法越过的障碍物时，可向终端处理模块1反馈无法前行信号，等待进一步指令，爬行机器人在成功越障后，机载运动传感器模块8和GPS定位模块7实时传递机器人位姿信息和位置信息给终端处理模块1，供其计算分析，重新调整脉冲发生模块12中每个压电晶片发射超声波的相位和顺序，数据存储模块13可保存GPS定位模块7的位置信息、脉冲接收模块10的超声波回波信息、高清摄像模块9的图像信息，爬行机器人在遇到障碍物时，可先对障碍物路段管壁进行全方位超声波扫描，或者攀爬障碍物过程中，自动调整位姿，继续发射超声波脉冲进行全方位管壁扫描

工作原理：首先，将城市既有管网的地理信息模型导入进终端控制模块3，确定待检测区域后，终端处理模块1即可对爬行机器人群组各自路径进行优化分配，其次爬行机器人接收来自终端控制模块3的指令，启动后，进入管道，终端显示模块2可实时显示高清摄像模块传输的画面，检测人员可在终端进行监视，必要时进行人工干预，然后，终端控制模块3发出实时扫描指令，电机驱动模块11接收到指令，驱动脉冲发生模块12沿内壁360度全方位进行超声波扫描，同时接收超声波回波信息，实时传输给终端处理模块1，下一步，一次360度管壁扫描完成后，爬行机器人继续前进，当遇到前方障碍物时，终端处理模块1可通过识别算法进行识别路障类型，并在终端显示模块2进行显示，当路障可以越过时，机器人可自行越障，默认在越障前对障碍管道段预先进行360度全方位超声波扫描，路障无法越过时，终端显示模块2显示无法越过警告，机器人停在原地，需要检测人员进行人工干预，决定下一步是继续越障，或是原路返回，或是停留在原地，待专业人员清楚障碍，最后，检测完成后，爬行机器人陆续返回至特定地点，进行汇合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统，包括终端处理模块（1）、终端显示模块（2）、终端控制模块（3）、无线通信模块（4）、照明模块（5）、机器人控制模块（6）、GPS定位模块（7）、机载运动传感器模块（8）、高清摄像模块（9）、脉冲接收模块（10）、电机驱动模块（11）、脉冲发生模块（12）、数据存储模块（13）和机器人爬行模块（14），其特征在于：所述机载运动传感器模块（8）通过电信号单向连接所述终端处理模块（1），所述终端处理模块（1）通过所述终端控制模块（3）单向连接所述电机驱动模块（11），所述无线通信模块（4）单向连接所述电机驱动模块（11）、所述机器人控制模块（6）和所述照明模块（5），所述机器人控制模块（6）单向连接所述机器人爬行模块（14），所述电机驱动模块（11）通过电信号单向连接所述脉冲接收模块（10），所述GPS定位模块（7）通过所述无线通信模块（4）单向连接所述终端处理模块（1），所述终端处理模块（1）单向连接所述终端控制模块（3）和所述数据存储模块（13），所述终端控制模块（3）单向连接所述机器人控制模块（6）和所述电机驱动模块（11），所述脉冲接收模块（10）单向连接所述终端处理模块（1），所述终端处理模块（1）双向连接所述终端显示模块（2），所述GPS定位模块（7）和所述机载运动传感器模块（8）均通过数据线与所述机器人控制模块（6）连接，所述高清摄像模块（9）和所述GPS定位模块（7）均通过所述数据线与所述数据存储模块（13）连接。

2.根据权利要求1所述一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统，其特征在于：所述终端处理模块（1）、所述终端显示模块（2）、所述终端控制模块（3）、所述无线通信模块（4）、所述照明模块（5）、所述机器人控制模块（6）、所述GPS定位模块（7）、所述机载运动传感器模块（8）、所述高清摄像模块（9）、所述脉冲接收模块（10）、所述电机驱动模块（11）、所述脉冲发生模块（12）、所述数据存储模块（13）和所述机器人爬行模块（14）均集成在终端设备的内部，且所述终端设备为工业计算机、个人计算机、笔记本计算机、平板电脑或智能移动手机。

3.根据权利要求1所述一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统，其特征在于：所述脉冲接收模块（10）采集的信息为市政管道内壁反射的超声回波。

4.根据权利要求1所述一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统，其特征在于：所述脉冲发生模块（12）为超声波相控阵面形阵列探头，工作频率为1MHz到7.5MHz之间，带宽为60%到80%之间，灵敏度偏差为±2dB。

5.根据权利要求1所述一种基于超声波相控阵的城市既有市政管网爬行机器人检测系统，其特征在于：所述终端控制模块（3）通过所述无线通信模块（4）与机器人子系统连接，且所述无线通信模块（4）采用移动网络或WIFI。