深水基槽清淤智能有轨机器人的制作方法

本发明涉及一种超大型桥隧工程建设深基槽用清淤设备，特别是一种深水基槽清淤智能有轨机器人。

背景技术：

进入21世纪后，我国进入跨海桥梁建设的新时期，跨海桥梁从浅水逐渐走向深水，跨海形式从单一的桥梁连接逐渐走向桥、岛、隧的互联互通。例如，正在建设中的港珠澳跨海大桥和深中通道，均采用了桥、岛、隧结合的平面线形设计方案。此外，未来10～20年，大连湾海底隧道、厦门海底隧道、琼州海峡海底隧道、台湾海峡海底隧道等一大批超大型的桥隧工程将相继从图纸走向现实。

在这种超级工程的施工建设过程中，需要开挖超大型水下基槽，用于隧道沉管的安放，例如港珠澳大桥沉管基槽长5600米，宽40米，最大开挖深度达40米。然而，由于深基槽的开挖极大改变了水下局部水流流场结构，打破了原有的水沙输运平衡，因此极易引起深基槽自身的沉积物回淤，致使工程停工，严重影响进度，并造成巨大的经济损失。如在港珠澳大桥第e15节沉管安放过程中，由于深基槽的回淤问题，工程进度因此延误达4个月之久，并造成了上亿元的经济损失。

目前，超大型桥隧工程建设过程中的深基槽回淤问题不仅是我国工程界近年来遇到的新的挑战和致力解决的难题，也是一项世界性难题，相关的方法、工程规范、技术手段、设备几乎是空白。隧道沉管安放施工前的最后一道工序是铺设碎石基床，在碎石基床铺设前，基槽发生回淤事故一般还可动用机械设备进行清淤，但在碎石基床铺设后至沉管安放期间，为保持碎石基床的平整度，淤积在基床上的泥沙则不能采用传统的大型机械清淤。截至目前，解决这一问题的唯一可靠途径就是人工潜水清淤的方法。显而易见，这种办法目前遇到以下几大难题：(1)施工需要待气象水文条件适宜时才能进行，清淤窗口期较短，工期完全靠天决定；(2)需大量清淤队伍、水文气象辅助监测队伍及设备的投入，成本很高，效率却较低；(3)人员、设备等需深入水下几十米的基槽进行人工作业，存在较大的人员、设备安全风险。总体而言，这种传统的方法成本高、效率低、安全风险大、机械化智能化程度低，已无法满足水运工程建设现代化的需求。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种深水基槽清淤智能有轨机器人，该机器人能够实现智能机械化清淤，解放人力，大幅节约建设成本、效率高、安全隐患少。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种深水基槽清淤智能有轨机器人，包括运动机体、底沙清理系统、含沙量水下地形监测系统和控制系统，所述运动机体包括双轨道、托架、前车轮和后车轮，所述前车轮和所述后车轮均安装在托架上，并在所述双轨道上运行，所述后车轮由运动电机驱动，所述运动电机由外部电源供电，所述运动电机由运动变频器控制；所述底沙清理系统包括固定在所述托架上的一根水平设置的蛇形充水管和一根水平设置的蛇形充气管，所述充水管和所述充气管平行固接，所述充水管和所述充气管均设有与所述双轨道垂直且横跨所述双轨道的多个横向管段，在所述充水管的横向管段上设有多个水流喷头，在所述水流喷头上设有单向逆水阀，在所述充气管的横向管段上设有多个气流喷头，在所述气流喷头上设有单向逆止阀，所述气流喷头和所述水流喷头朝前倾斜设置，多个所述气流喷头和多个所述水流喷头左右交错、均匀布置，所述充水管采用高压水泵充水，所述高压水泵由与其固接的水泵电机驱动，所述水泵电机由水泵变频器控制，所述水泵电机由外部电源供电；所述充气管采用高压气泵充气，所述高压气泵由与其固接的气泵电机驱动，所述气泵电机由气泵变频器控制，所述气泵电机由外部电源供电，所述高压气泵通过进气软管与进气头连接，所述进气头固定在浮体上并暴露在水面以上；所述高压水泵和所述高压气泵均固定在所述托架上；所述含沙量水下地形监测系统包括obs浊度仪、水下超声地形测量仪、水下高清摄像头和水下光源，在所述托架的前后两端均设有所述obs浊度仪，所述水下超声地形测量仪可滑动地安装在直线导轨上，所述直线导轨固定在所述托架上并横跨所述双轨道；在所述托架的前后两端均设有所述水下高清摄像头和所述水下光源；所述控制系统包括终端上位机、水下控制模块、gps模块和水压力传感器，所述gps模块和所述水压力传感器安装在所述托架上，所述水下控制模块包括固定在所述托架上的密封箱体，在所述密封箱体内设有单片机，所述终端上位机通过所述单片机与所述gps模块、所述水压力传感器、所述obs浊度仪、所述水下超声地形测量仪及所述水下高清摄像头进行数据传输，所述终端上位机通过所述单片机对所述运动变频器、水泵变频器和气泵变频器进行控制。

在所述托架上固定有栅栏型管托，所述充水管和所述充气管装在所述栅栏型管托内，所述水流喷头和所述气流喷头均探出在所述栅栏型管托的外面。

所述托架由若干型钢焊接而成。

在所述高压水泵的进水口上连接有进水头，在所述进水头的最外侧设有滤网。

所述直线导轨与所述栅栏型管托固接。

所述浮体由上部浮架和下部浮箱组成，所述进气头固定在所述上部浮架上。

在所述进气头的最外侧设有滤网。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)可实现超大型桥隧工程深水基槽沉积物清理的自动化和智能化，避免了传统方法巨大的人物、物力投入，大幅节省了建设成本，填补了国内外在这一类型设备技术方面的空白。

2)清理智能机器人设计成有轨形式，并通过gps定位模块实时返回坐标数据，使其清理范围可控。

3)水下超声地形测量仪实时监测水下地形变化，从而实现了清理过程的自动化，同时配合gps定位模块的定位数据，可自动控制运动机体的运动。

4)通过obs浊度仪实时监测基槽底部的含沙量，从而实现清理强度的自动控制，保证了清理的准确性。

5)通过水下高清摄像头对基槽底部清理情况进行观察，保证了清理的效果。

6)机器人结构紧凑、呈扁平状，栖息在深水基槽的底部，避开了浅水的强水流区，运动时阻力小，性能稳定。

7)采用外部电源通过水下电缆给机器人供电，动力充足，续航能力强。

综上所述，本发明是一种自动化和智能化的有轨机器人，能够用于深水基槽的清理，极大地节省超大型桥隧工程建设成本，为工程建设的顺利开展保驾护航。填补了国内外这类设备的空白，促进了我国水运、海洋行业相关技术的发展。本发明设计合理，性能稳定，自动化智能化程度高、安装使用方便，也适用于其它类水运、海洋工程建设过程中沉积物的清理工序，因此，具有十分广阔的应用前景和市场空间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的水下部分结构示意图；

图3为本发明的水上浮体部分结构示意图；

图4为本发明的栅格型管托内充气管和充水管走线示意图；

图5为本发明的底沙清理系统中的充气管和充水管结构示意图；

图6为本发明的高压水泵细节图；

图7为本发明的控制系统框图。

图中：1、双轨道；201、前车轮；202、后车轮；3、托架；4、栅栏型管托；5、运动电机；6、高压水泵；7、高压气泵；8、水下控制模块；9、浮体；10、终端上位机；11、数据电缆；12、进气软管；13、供电电缆；14、obs浊度仪；15、水下光源；16、水下超声地形测量仪；17、水下高清摄像头；18、直线导轨；19、水流喷头；20、气流喷头；21、单向逆水阀；22、单向逆止阀；23、充气管；24、充水管；25、水泵电机；26、进水头；27、进气头；28、单片机；29水泵变频器；30、气泵变频器；31、运动变频器；32、gps模块；33、水压力传感器；901、上部浮架；902、下部浮箱。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图7，一种深水基槽清淤智能有轨机器人，包括运动机体、底沙清理系统、含沙量水下地形监测系统和控制系统。所述底沙清理系统和所述含沙量水下地形监测系统固定在所述运动机体上随运动机体的运动而运动，控制系统通过内部单片机、外部终端上位机及植入程序控制底沙清理系统、运动机体、含沙量水下地形监测系统的工作。

所述运动机体包括双轨道1、托架3、前车轮201和后车轮202，所述前车轮201和所述后车轮202均安装在托架3上，并在所述双轨道1上运行，所述后车轮202由运动电机5驱动，所述运动电机5由外部电源供电，所述运动电机5由运动变频器31控制。

所述双轨道1按照规定的间距铺设在深水基槽底部，并保持一定的悬空高度，以防止泥沙掩埋。两个前车轮201和两个后车轮202安装在托架3底部对称的四个角上，并设置在双轨道1上，可自由前进后退。两台伺服电机5由运动变频器31控制，分别与两个后车轮202连接，通过齿轮将动力传至后车轮202以驱动整个托架3运动。所述托架3由若干型钢焊接而成，用于搭载底沙清理系统、含沙量水下地形监测系统和控制模块8。外部电源通过供电电缆13给两台运动电机5供电。

所述底沙清理系统包括固定在所述托架3上的一根水平设置的蛇形充水管24和一根水平设置的蛇形充气管23，所述充水管24和所述充气管23平行固接，所述充水管24和所述充气管23均设有与所述双轨道1垂直且横跨所述双轨道1的多个横向管段，在所述充水管24的横向管段上设有多个水流喷头19，在所述水流喷头19上设有单向逆水阀21，在所述充气管23的横向管段上设有多个气流喷头20，在所述气流喷头20上设有单向逆止阀22，所述气流喷头20和所述水流喷头19朝前倾斜设置，多个所述气流喷头20和多个所述水流喷头19左右交错、均匀布置；所述充水管24采用高压水泵6充水，所述高压水泵6由与其固接的水泵电机25驱动，所述水泵电机25由水泵变频器29控制，所述水泵电机25由外部电源供电；所述充气管23采用高压气泵7充气，所述高压气泵7由与其固接的气泵电机驱动，所述气泵电机由气泵变频器30控制，所述气泵电机由外部电源供电，所述高压气泵7通过进气软管12与进气头27连接，所述进气头27固定在浮体9上并暴露在水面以上；所述高压水泵6和所述高压气泵7均固定在所述托架3上。

所述水流喷头19朝向前下方。在高压水泵6的进水口上连接有进水头26，在进水头26的最外侧设滤网，以防止杂物进入。高压水泵6由一台水泵电机25驱动，将进水头26周围的水抽至充水管24内，最后从水流喷头19喷出，所述单向逆水阀21连接在水流喷头19的最外侧，保证水流只能向外喷出而不能回流，所述水泵电机25由水泵变频器29控制其转动。类似地，所述气流喷头20朝向前下方。充气管23与高压气泵7连接，高压气泵7通过进气软管12与水面以上的进气头27连接，进气头27固定在一个浮体9上，浮体由上部的浮架901和下部的浮箱902组成，所述进气头27固定在所述上部浮架901上。浮体9可随水位的升降而起伏，进气头27最外侧设有滤网以防止杂物进入。高压气泵7采用一台气泵电机驱动将进气头27周围的空气抽至充气管23内，最后从气流喷头20喷出，所述单向逆止阀22连接在气流喷头20的最外侧，保证只能向外喷气而不能回水，所述气泵电机由气泵变频器30控制其转动。外部电源通过供电电缆13给所述气泵电机和所述水泵电机25供电。

所述充水管24和充气管23平行捆绑布置，为维持其稳定性，在托架3上固定栏型管托4，将充水管24和充气管23装在管托4内，所述水流喷头19和所述气流喷头20均探出在栅栏型管托4的外面，交叉布置，形成喷头阵列。

所述含沙量水下地形监测系统包括obs浊度仪14、水下超声地形测量仪16、水下高清摄像头17和水下光源15，在所述托架3的前后两端均设有所述obs浊度仪14，所述水下超声地形测量仪16可滑动地安装在直线导轨18上，所述直线导轨18固定在所述托架3上并横跨所述双轨道1；在所述托架3的前后两端均设有所述水下高清摄像头17和所述水下光源15。

所述obs浊度仪14用于实时测量深水基槽底部附近的悬沙浓度。水下超声地形测量仪16可在直线导轨18上来回自由移动，用于实时监测水下地形的变化。所述水下高清摄像头17用于实时监视水下泥沙清理情况，所述水下光源15用于深水基槽暗环境下的补光。

所述控制系统包括终端上位机10、水下控制模块8、gps模块32和水压力传感器33，所述gps模块32和所述水压力传感器33安装在所述托架3上。

所述水下控制模块8包括固定在所述托架3上的密封箱体，在所述密封箱体内设有单片机28，所述终端上位机10通过所述单片机28与所述gps模块32、所述水压力传感器33、所述obs浊度仪14、所述水下超声地形测量仪16及所述水下高清摄像头17进行数据传输，所述终端上位机10通过所述单片机28对所述运动变频器31、水泵变频器29和气泵变频器30进行控制。

所述单片机28分别所述运动变频器31、水泵变频器29、气泵变频器30、gps模块32、水压力传感器33、obs浊度仪14、水下超声地形测量仪16及水下高清摄像头17连接，水下超声地形测量仪16用于实时扫描水下地形的变化，同时输出数据以控制运动机体中车轮2的滚动。obs浊度仪14用于实时测量深水基槽底部附近的悬沙浓度，同时输出数据以控制高压水泵6和高压气泵7分别进行喷水和喷气动作；水下高清摄像头17用于观测深水基槽底部泥沙的运动情况及深水基槽的清淤效果。

gps模块32用于监测整个机体的运动和位置，最好安装在运动机体内部。水压力传感器33用于测量压力信号，以确定整个机体所处的水下深度，通常安装在托架3的外侧。

所述单片机28通过数据电缆11与终端上位机10相连，实现数据的传输。

本发明的工作原理是：

使用时，先设置双导轨1，然后将运动机体吊装在双导轨1上，使前后车轮与双导轨1配合。在终端上位机10上设定机器人的运动范围阈值、含沙量阈值和水下地形变化阈值。采用外部电源给运动电机5供电，运动机体沿双轨道1自行运行，同时启动水下超声地形测量仪16、obs浊度仪14和水下高清摄像头17。

水下超声地形测量仪16在直线导轨18上来回移动，实时监测水下地形数据，并将地形数据经单片机28处理后传输给终端上位机10。终端上位机10根据用户设定的水下地形变化阈值判断是否启用底沙清理系统，当判断为是时，自动开启高压水泵6和高压气泵7的供电开关，高压水泵6开启后，水流喷头19喷出高速水流冲击深水基槽床面沉积物，在基槽背景水流的带动下，沉积物起悬和上扬。高压气泵7开启后，气流喷头20射出气体，产生大量气泡，促使沉积物继续大幅上升，并被基槽背景水流带离基槽，从而实现深水基槽沉积物的清理。当水下超声地形测量仪16监测的数据经终端上位机10判断需要关闭底沙清理系统时，自行关闭高压水泵6和高压气泵7。

obs浊度仪14实时监测深水基槽底部的含沙量，并将含沙量数据经单片机28处理后传输至终端上位机10。终端上位机10根据用户设定的含沙量阈值自动调解高压水泵6和高压气泵7的转速，从而自动控制喷水和喷气的强度。

gps模块32实时监测运动机体的运动速度、加速度和位置，并将数据通过单片机28发送至终端上位机10，终端上位机10根据用户设定的机器人定位坐标、运动范围阈值以及水下地形变化阈值自动控制运动电机5，实现运动机体的变速运动和位置修正。

水压力传感器33实时监测水压力信号，以此确定运动机体所处的水下深度；水下高清摄像头17实时监视深水基槽底部地形和沉积物清理的情况。二者将数据经单片机28输送至终端上位机10，供用户决策。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。