CN207622804U - 一种有压输水隧洞智能探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于检测有压输水隧洞情况的智能探测装置，探测装置本体的外壳设计为轴对称椭球形结构，外部周向均匀布置防撞条，外壳内部的耐压总舱为五舱一体式结构，由动力舱、集成探测设备舱、核心控制舱和两个集成测距声呐舱构成，探测装置本体内部两端还各有一组垂向和横向推进器，推进器推力方向和测距声呐方向一致，探测装置本体的首端设有一个前视摄像头。本实用新型可实现多种水下机动动作；基于本实用新型的结构特点和运动控制方式，提出对有压输水隧洞的探测详细流程，通过周向摄像机采集洞壁图像，前视摄像机采集前方图像并识别障碍物重新规划航线，保证智能探测装置自主安全地完成隧洞探测任务。

Description

一种有压输水隧洞智能探测装置

技术领域

本实用新型涉及水下探测装置技术领域，具体涉及一种有压输水隧洞智能探测装置。

背景技术

有压输水隧洞是水库工程中最为关键的组成部分，隧洞的运行情况对水库功能的发挥具有重要影响，因此有压输水隧洞检测是水库工程管理的重要内容。有压输水隧洞在长时间运行中会出现沉积、腐蚀、渗漏和障碍物等缺陷问题，在汛期输水隧洞更易出现老化问题，直接影响到水库工程的正常运行，因此对隧洞进行定期检测，掌握水库工程情况越来越受到重视。但由于有压输水隧洞内水流充满全洞、压力高、流速大、距离远、无照明及水下工程环境复杂等问题，使得人员难以进入检测，需要依靠其他探测装置代替检测人员进行检测，保障水库工程安全。

现有的隧洞探测装置主要是管道机器人和遥控水下机器人，管道机器人主要用于检测洞径较小的管道，一般在只能在管道未通水的情况下进行检测，且由于线缆长度限制，不能满足有压输水隧洞的检测需求；遥控探测水下机器人需要通过操作人员实时监控作业，由于线缆长度等限制，一般用于短距离的水下工程检测，无法满足有压输水隧洞长距离的检测需求；无人无缆水下机器人(AUV)作为良好的水下探测装备搭载平台，可以在水下长时间地、自主安全地执行目标任务，但已有的AUV多用于在宽广水域中的大范围航行任务，不能在隧洞等较狭窄水域环境下保证机动性和稳定性，在结构设计和操纵方式上都无法满足探测任务需求。考虑现有探测装置的不足，针对隧洞检测的任务要求和隧洞水域环境特点，本实用新型在无人无缆水下机器人(AUV)的基础上改进，提出一种专门用于有压输水隧洞检测的智能水下探测装置，能够在复杂的有压输水隧洞水域环境中，具备较强的机动能力和状态保持能力，根据需求搭载水下探测设备和传感器满足任务需求，自主地完成隧洞检测任务。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提供了一种结构设计合理，携带方便，能够准确检测有压输水隧洞情况，掌握水库工程运行情况，且智能化程度高的有压输水隧洞智能探测装置。

本实用新型采用如下技术方案：

一种有压输水隧洞智能探测装置，包括探测装置本体，所述探测装置本体包括外壳、两个分别设置于外壳内部两端的副推推进器以及设置于外壳内且位于两个副推推进器之间的耐压总舱，所述外壳为椭圆形结构，所述外壳外部的一端设有主推推进器，所述外壳部的另一端设有前视摄像机，所述外壳内靠近主推推进器的一端设有深度计，所述副推推进器包括相互垂直设置的横向推进器和垂向推进器，所述耐压总舱包括一体式设置的集成探测设备舱、核心控制舱、动力舱和两个集成测距声呐舱，所述集成探测设备舱的外部且沿着集成探测设备舱的周向方向均匀分布有若干个侧视摄像机和若干个探照灯，所述侧视摄像机和探照灯一一对应，所述核心控制舱内设有核心控制计算机、与核心控制计算机相连的任务规划计算机和姿态传感器，所述核心控制计算机还分别与副推推进器、主推推进器、前视摄像机、集成探测设备舱、两个集成测距声呐舱相连，所述动力舱内设有控制电池和动力电池，所述控制电池和核心控制舱电性相连，所述动力电池分别与副推推进器、主推推进器、前视摄像机、集成探测设备舱、两个集成测距声呐舱电性相连，所述集成声呐舱外部且沿着集成声呐舱的周向方向均匀分布有若干个测距声呐。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述外壳的外部且沿着外壳的周向方向上均匀分布有若干个防撞条，每个所述防撞条均沿着外壳的轴向方向设置，且所述防撞条通过若干组角铝固定于外壳上。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述核心控制舱上和动力舱上分别设有一个延伸至外壳外部的吊环。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述防撞条的个数为8个。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述侧视摄像机的个数以及探照灯的个数均为为4个以上。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述测距声呐的个数为3个以上。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述前视摄像机采用自带光源的水下摄像机。

一种有压输水隧洞智能探测装置的使用方法，主要包括如下步骤：

步骤一、首先将探测装置本体从竖井吊放至支隧洞，探测装置本体沿支隧洞航行，同时测距声呐和侧视摄像机识别探测装置本体周围环境以便寻找主隧洞入口，待发现主隧洞入口后探测装置本体减速，同时调整运动姿态进入主隧洞开始沿目标航线航行；

步骤二、探测装置本体在支隧洞或主隧洞中航行时，核心控制计算机根据姿态传感器传递的实时数据来控制主推推进器的转速以保持探测装置本体的纵向速度稳定在目标航速，以保证图像采集清晰准确；

步骤三、探测装置本体在支隧洞或主隧洞中航行时，核心控制计算机根据两个集成声呐舱上的测距声呐测得的探测装置本体与周围洞壁距离来控制横向推进器和垂向推进器的相应转速，以保证探测装置本体在航行时位于支隧洞或主隧洞的横截面中心区域；

步骤四、探测装置本体在进入主隧洞后，前视摄像机采集前方隧洞图像，并将采集数据实时传输至核心控制计算机，同时核心计算机通过图像识别算法判断前方是否存在障碍物并识别障碍物位置；当识别到前方存在障碍物时，核心控制计算机通过控制主推推进器使得探测装置本体减速航行以防止发生碰撞，同时核心控制计算机将障碍物位置信息传送至任务规划计算机，任务规划计算机根据障碍物位置信息对整体航线进行重新规划，并将重新规划好的航线输送至核心控制计算机，核心控制计算机再根据新的航线调整探测装置本体的运动姿态以安全通过障碍区域；

所述障碍物为闸门、塌方或沉积物；

步骤五、探测装置本体在进入主隧洞后，侧视摄像机开始采集主隧洞侧洞壁图像，并将采集数据实时传输至核心控制计算机，同时核心计算机通过图像识别算法判断主隧洞侧洞壁是否存在疑似坏点，当发现到疑似坏点时，核心控制计算机控制主推推进器和副推推进器的相对转速，使得探测装置本体处于悬停动作，同时控制侧视摄像机对疑似坏点作进一步的图像采集；

步骤六、在步骤五中，当发现主隧洞洞径较大，探测装置本体悬停后侧视摄像机无法对疑似坏点作进一步的图像采集时，核心控制计算机则根据侧视摄像机输送的关于疑似坏点的数据以推算疑似坏点的位置，再控制主推推进器和副推推进器的相对转速使得探测装置本体向疑似坏点方向移动，移动到指定位置后核心控制计算机控制主推推进器和副推推进器的相对转速，使得探测装置本体处于悬停动作，同时控制侧视摄像机对疑似坏点作进一步的图像采集；

步骤七、检测任务结束后，探测装置本体利用前视摄像机识别设置于主隧洞洞口位置的光学引导装置所发出的光学信号，同时前视摄像机与光学信号完成对接后探测装置本体再根据光学信号的引导驶出主隧洞进入回收之洞，待核心控制计算机控制探测装置本体浮至水面后，再人工回收探测装置本体。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型整体采用椭球形结构设计，外壳上周向均匀布置若干根从头延续至尾的防撞条，主要起到碰撞防护作用，增强探测装置整体结构强度，且有效增强水下航行稳定性，同时防撞条采用多组角铝固定再外壳上，在损坏时方便拆卸更换；相比同尺寸的其他探测装置，本实用新型所设计的探测装置本体的结构在流速较大且变化不定的隧洞水域中，安全性更高、适应性更强且更易调整姿态；

2、本实用新型将两个副推推进器设置于外壳内部的两端，使得两个副推推进器的相对距离较大，从而可产生更大横向和垂向力矩，探测装置通过推进器的正反转和差速实现快速垂向动作、横向平移动作和纵倾、首向角调整，相比舵桨控制的机器人，具备更快调整姿态的能力，再结合椭球形结构的外形使得本实用新型的探测装置本体在隧洞水域中更易保持姿态稳定，实现快速浮潜、固定航线航行、姿态保持、悬停检测和原地回转等功能；

3、集成探测设备舱搭载若干组侧视摄像机和探照灯，采用周向均匀布置方式，可360°无死角采集隧洞洞壁图像，能适应于水下无其他光源照明的环境；本实用新型设置的自带光源的前视摄像机，主要用于采集探测装置前方隧洞图像，其次在探测装置任务结束需要通过外部光学信号引导驶出主隧洞洞口时，起到识别外部光学信号完成对接的作用。

附图说明

图1为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置的立体结构示意图；

图2为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置的主视图；

图3为图2的具体结构示意图；

图4为一种有压输水隧洞智能探测装置的左视图；

图5为图3中B—B处的结构示意图；

图6为图3中A—A处的结构示意图；

图7为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置在中静止状态浮态示意图；

图8为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置的纵倾调整示意图；

图9为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置的转艏示意图；

图10为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置的垂向移动示意图；

图11为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置的横向移动示意图；

图12为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置的探测任务流程图；

图13为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置固定航线探测任务示意图；

图14为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置遇障碍物重新规划航线示意图；

图15为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置通过闸门的示意图；

图16为本实用新型一种有压输水隧洞智能探测装置近距离采集图像示意图。

图中符号说明：

外壳1，主推推进器2，前视摄像机3，深度计4，横向推进器5，垂向推进器6，集成探测设备舱7，核心控制舱8，动力舱9，集成测距声呐舱10，侧视摄像机11，探照灯12，测距声呐13，防撞条14，吊环15。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1所示，一种有压输水隧洞智能探测装置，包括探测装置本体，所述探测装置本体包括外壳1、两个分别设置于外壳1内部两端的副推推进器以及设置于外壳1内且位于两个副推推进器之间的耐压总舱，所述外壳1为椭圆形结构，所述椭圆形结构设计能够有效减少水下阻力，同时外壳1选用碳纤维材料制作可在保证结构强度的前提下减少整体重量；

所述外壳1外部的尾端设有用于控制探测装置本体前进和后退运动的主推推进器2；所述外壳1外部的首端设有一个用于采集探测装置本体前方隧洞图像的前视摄像机3，所述前视摄像机3采用的是自带光源的水下摄像机；所述外壳1内靠近主推推进器2的一端设有深度计4；

所述副推推进器包括相互垂直设置的横向推进器5和垂向推进器6，所述横向推进器5主要用于控制探测装置本体的艏向角和横向运动，所述垂向推进器6主要用于控制探测装置本体的纵倾和垂向运动，通过调整横向推进器5和垂向推进器6的相对转速即可实现对探测装置本体运动姿态的调整；

所述耐压总舱包括一体式设置的集成探测设备舱7、核心控制舱8、动力舱9和两个集成测距声呐舱10；所述集成探测设备舱设置于外壳1的中部位置，所述核心控制舱8设置于集成探测设备舱7上靠近前视摄像机3的一侧，所述动力舱9设置于集成探测设备舱7上靠近主推推动器2的一侧，其中一个集成测距声呐舱10设置于核心控制舱8和副推推动器之间，另一个集成测距声呐舱10设置于动力舱9和另一个副推推动器之间；

所述集成探测设备舱7的外部且沿着集成探测设备舱7的周向方向均匀分布有五个侧视摄像机11和五个探照灯12，所述侧视摄像机11和探照灯12一一对应，所述侧视摄像机11用于360°无死角采集探测装置本体隧洞侧壁图像，其中探照灯12能使得探测装置本体适应于水下无其他光源照明的环境；

所述核心控制舱8内设有核心控制计算机、与核心控制计算机相连的任务规划计算机和姿态传感器，所述核心控制计算机还分别与副推推进器、主推推进器2、前视摄像机3、集成探测设备舱7、两个集成测距声呐舱10相连；

其中核心控制计算机主要用于接收前视摄像机3采集的数据、集成探测设备舱7上侧视摄像机11采集的数据、两个集成测距声呐舱10采集的数据以及姿态传感器获取的探测装置本体当前的数据，并对上述数据进行分析、整理和对比，再利用控制算法分配各个主推推进器2以及副推推进器的转向和转速，以完成探测装置本体的运动控制；

其中任务规划计算机主要用于根据初始设定的目标任务规划全局航线，在遇到障碍物时重新规划局部航线，并将重新规划的航线输送给核心控制计算机；

其中姿态传感器能够实时获取当前探测装置本体的艏向角、横摇角、纵倾角、速度及加速度，并将上述实时数据输送给核心控制计算机；

所述动力舱9内设有控制电池和动力电池，所述控制电池和核心控制舱8电性相连，为控制设备供电；所述动力电池分别与副推推进器、主推推进器2、前视摄像机11、集成探测设备舱7、两个集成测距声呐舱10电性相连，为推进器和探测设备供电；

所述集成声呐舱10外部且沿着集成声呐舱10的周向方向均匀分布有四个测距声呐13，其中四个测距声呐13分别对应探测装置本体的上、下、左、右四个方向，从而使得两个集成声呐舱10上的八个测距声呐13能够检测探测装置本体前后两端分别距离隧洞洞壁四个方向的距离，同时集成声呐舱10将测距声呐13所测数据输送给核心控制计算机；

所述外壳1的外部且沿着外壳1的周向方向上均匀分布有八个防撞条14，每个所述防撞条14均沿着外壳1的轴向方向设置，从而使得防撞条14能够对探测装置本体进行全方位的保护，所述防撞条14不仅能够起到防护的作用，还能够增强探测装置本体整体的结构强度，同时有效增强测装置本体在水下的航行稳定性；且所述防撞条14通过若干组角铝固定于外1壳上，采用角铝固定能够使得防撞条14再损坏时更加方便拆装更换；

所述核心控制舱8上和动力舱9上分别设有一个延伸至外壳1外部的吊环15，所述吊环15主要用于起重机回收和释放探测装置本体；

所述外壳1上对应于横向推进器5、垂向推进器6、侧视摄像机11、探照灯12和测距声呐13的位置处均设有通孔。

一种有压输水隧洞智能探测装置的使用方法，主要包括如下步骤：

(1)首先将探测装置本体从竖井吊放至支隧洞，探测装置本体沿支隧洞航行，同时测距声呐和侧视摄像机识别探测装置本体周围环境以便寻找主隧洞入口，待发现主隧洞入口后探测装置本体减速，同时调整运动姿态进入主隧洞开始沿目标航线航行；

(2)探测装置本体在支隧洞或主隧洞中航行时，核心控制计算机根据姿态传感器传递的实时数据来控制主推推进器的转速以保持探测装置本体的纵向速度稳定在目标航速，以保证图像采集清晰准确；

(3)探测装置本体在支隧洞或主隧洞中航行时，核心控制计算机根据两个集成声呐舱上的测距声呐测得的探测装置本体与周围洞壁距离来控制横向推进器和垂向推进器的相应转速，以保证探测装置本体在航行时位于支隧洞或主隧洞的横截面中心区域；

(4)探测装置本体在进入主隧洞后，前视摄像机采集前方隧洞图像，并将采集数据实时传输至核心控制计算机，同时核心计算机通过图像识别算法判断前方是否存在障碍物并识别障碍物位置；当识别到前方存在障碍物时，核心控制计算机通过控制主推推进器使得探测装置本体减速航行以防止发生碰撞，同时核心控制计算机将障碍物位置信息传送至任务规划计算机，任务规划计算机根据障碍物位置信息对整体航线进行重新规划，并将重新规划好的航线输送至核心控制计算机，核心控制计算机再根据新的航线调整探测装置本体的运动姿态以安全通过障碍区域；

所述障碍物为闸门、塌方或沉积物；

(5)探测装置本体在进入主隧洞后，侧视摄像机开始采集主隧洞侧洞壁图像，并将采集数据实时传输至核心控制计算机，同时核心计算机通过图像识别算法判断主隧洞侧洞壁是否存在疑似坏点，当发现到疑似坏点时，核心控制计算机控制主推推进器和副推推进器的相对转速，使得探测装置本体处于悬停动作，同时控制侧视摄像机对疑似坏点作进一步的图像采集；

(6)在步骤(5)中，当发现主隧洞洞径较大，探测装置本体悬停后侧视摄像机无法对疑似坏点作进一步的图像采集时，核心控制计算机则根据侧视摄像机输送的关于疑似坏点的数据以推算疑似坏点的位置，再控制主推推进器和副推推进器的相对转速使得探测装置本体向疑似坏点方向移动，移动到指定位置后核心控制计算机控制主推推进器和副推推进器的相对转速，使得探测装置本体处于悬停动作，同时控制侧视摄像机对疑似坏点作进一步的图像采集；

(7)检测任务结束后，探测装置本体利用前视摄像机识别设置于主隧洞洞口位置的光学引导装置所发出的光学信号，同时前视摄像机与光学信号完成对接后探测装置本体再根据光学信号的引导驶出主隧洞进入回收之洞，待核心控制计算机控制探测装置本体浮至水面后，再人工回收探测装置本体。

最后应说明的是：这些实施方式仅用于说明本实用新型而不限制本实用新型的范围。此外，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种有压输水隧洞智能探测装置，包括探测装置本体，其特征在于：所述探测装置本体包括外壳(1)、两个分别设置于外壳(1)内部两端的副推推进器以及设置于外壳(1)内且位于两个副推推进器之间的耐压总舱，所述外壳(1)为椭圆形结构，所述外壳(1)外部的一端设有主推推进器(2)，所述外壳(1)外部的另一端设有前视摄像机(3)，所述外壳(1)内靠近主推推进器(2)的一端设有深度计(4)，所述副推推进器包括相互垂直设置的横向推进器(5)和垂向推进器(6)，所述耐压总舱包括一体式设置的集成探测设备舱(7)、核心控制舱(8)、动力舱(9)和两个集成测距声呐舱(10)，所述集成探测设备舱(7)的外部且沿着集成探测设备舱(7)的周向方向均匀分布有若干个侧视摄像机(11)和若干个探照灯(12)，所述侧视摄像机(11)和探照灯(12)一一对应，所述核心控制舱(8)内设有核心控制计算机、与核心控制计算机相连的任务规划计算机和姿态传感器，所述核心控制计算机还分别与副推推进器、主推推进器(2)、前视摄像机(3)、集成探测设备舱(7)、两个集成测距声呐舱(10)相连，所述动力舱(9)内设有控制电池和动力电池，所述控制电池和核心控制舱(8)电性相连，所述动力电池分别与副推推进器、主推推进器(2)、前视摄像机(3)、集成探测设备舱(7)、两个集成测距声呐舱(10)电性相连，所述集成声呐舱(10)外部且沿着集成声呐舱(10)的周向方向均匀分布有若干个测距声呐(13)。

2.根据权利要求1所述的一种有压输水隧洞智能探测装置，其特征在于：所述外壳(1)的外部且沿着外壳(1)的周向方向上均匀分布有若干个防撞条(14)，每个所述防撞条(14)均沿着外壳(1)的轴向方向设置，且所述防撞条(14)通过若干组角铝固定于外壳(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种有压输水隧洞智能探测装置，其特征在于：所述核心控制舱(8)上和动力舱(9)上分别设有一个延伸至外壳(1)外部的吊环(15)。

4.根据权利要求2所述的一种有压输水隧洞智能探测装置，其特征在于：所述防撞条(14)的个数为8个。

5.根据权利要求1所述的一种有压输水隧洞智能探测装置，其特征在于：所述侧视摄像机(11)的个数以及探照灯(12)的个数均为4个以上。

6.根据权利要求1所述的一种有压输水隧洞智能探测装置，其特征在于：所述测距声呐(13)的个数为3个以上。

7.根据权利要求1所述的一种有压输水隧洞智能探测装置，其特征在于：所述前视摄像机(3)采用自带光源的水下摄像机。