一种复合探测式水下机器人焊缝缺陷检测装置的制作方法

本发明涉及一种用于海洋平台水下焊缝缺陷复合检测，是一种利用螺纹伸缩及连杆开闭结构实现机械运动，利用图像信号和超声波阵列探头复合作用达到检测目的的复合探测式水下机器人焊缝缺陷检测装置，用于海洋石油勘探开发领域。

背景技术：

随着科技的迅猛发展，对能源的需求也越来越大。占地球表面积71％的海洋是人类赖以生存和发展的四大战略空间——陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，不但是目前最现实的，而且也是最具发展潜力的空间。海洋将成为人类可持续发展的重要基地，水下机器人从20世纪后半叶诞生起，就伴随着人类认识海洋、开发海洋和保护海洋的进程不断发展。在人类争相向海洋进军的21世纪，水下机器人作为人类探索和开发海洋最重要的工具必将得到空前的重视和发展。近年来，随着我国能源战略的调整,海洋平台作为海上油气开发的重要手段得到充分的重视，海洋平台的安全性也越发引人关注。焊缝缺陷可以说是海洋平台最致命的安全危害，可导致环境污染甚至人员伤亡。海洋平台在水下部分环境具有高盐度、高腐蚀性、高湿度及难以检测的特点，易受海水侵蚀产生焊缝缺陷。目前行业内对海洋平台水下部分的检测多采用rov(remoteoperatedvehicle有缆式水下机器人)进行水下焊缝检测，这样不仅检测效率低下，而且缆绳在一定程度上限制了rov的活动范围，同时缆绳的断裂也会造成机器人的丢失。随着海洋石油的发展，auv(autonomousunderwatervehicle无缆自治式水下机器人)必将得到广泛的应用。

许多沿海国家特别是发达国家都致力于水下机器人技术的研究和相关产品的开发。上海交通大学研制的“海马号”水下机器人，可实现海底作业，缺点是采用的有缆式结构，限制了活动范围；美国bluefinrobotics公司研制的“蓝鳍金枪鱼-21”自主式水下航行器采用全封闭式结构利用图像信号进行水下检测，缺点是水下图像信号可检测区域因水下环境受限；深海电磁场检测系统装置(中国专利：2016108261475)利用了电磁场检测方法，缺点是自主控制性不强，且受缆绳限制活动区域。

技术实现要素：

本发明的目的是：为了克服现有技术不足，检测和定位水下焊缝缺陷，确定焊缝缺陷在水下的具体位置，为海洋平台的维护提供准确的数据，特提供一种复合探测式水下机器人焊缝缺陷检测装置。

本发明利用dsp图像信号处理及超声波脉冲反射原理，通过控制器控制电机转动由螺纹伸缩连杆系统、转向齿轮系统、连杆开闭系统、分别打开ccd摄像机采集图像信号和超声波阵列探头采集超声波扫描信号，达到检测焊缝缺陷目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种复合探测式水下机器人焊缝缺陷检测装置，是由仿鱼雷流线型壳体、驱动电机、螺纹伸缩连杆系统、转向齿轮系统、连杆开闭系统、视觉监测系统、超声波阵列探头和信号分析定位系统组成，其特征在于：主体由转向齿轮系统、两套螺纹伸缩连杆系统、连杆开闭系统和仿鱼雷流线型壳体组成；转向齿轮杆τ5(16)后端与伸缩连杆电机驱动模块(15)相连置于壳体内后端水平槽中，转向齿轮螺纹杆τ1(9)置于壳体内竖直槽中，转向齿轮螺纹杆τ1(9)下端与转向齿轮杆τ5(16)前端以齿轮啮合相连，转向齿轮螺纹杆τ1(9)从壳体上方伸出，四根固定铰支座(18)安装在壳体前外端连接连杆τ2(11)，另一水平螺纹杆τ4(14)后端与连杆开闭电机驱动模块(10)相连置于壳体内前端水平槽中，水平螺纹杆τ4(14)从壳体正前方缩进；所述螺纹伸缩连杆系统分为2组，转向齿轮螺纹杆τ1(9)置于壳体内竖直槽中，转向齿轮螺纹杆τ1(9)下端与转向齿轮杆τ5(16)前端以齿轮啮合相连，转向齿轮螺纹杆τ1(9)从壳体上方伸出，当转动齿轮螺纹杆τ1(9)转动时，由于内外螺纹连接结构，杆顺着螺纹线方向旋转，杆在竖直槽内向上伸出，水平螺纹杆τ4(14)后端与连杆开闭电机驱动模块(10)相连置于壳体内前端水平槽中，水平螺纹杆τ4(14)从壳体正前方缩进，当水平螺纹杆τ4(14)转动时，由于内外螺纹连接结构，杆逆着螺纹线方向旋转，杆在前端水平槽中向内缩进；所述转向齿轮系统由伸缩连杆电机驱动模块(15)、转向齿轮杆τ5(16)、转向齿轮螺纹杆τ1(9)组成，转向齿轮杆τ5(16)后端与伸缩连杆电机驱动模块(15)相连置于壳体内后端水平槽中，转向齿轮螺纹杆τ1(9)下端与转向齿轮杆τ5(16)前端以齿轮啮合相连，伸缩连杆电机驱动模块(15)转动使转向齿轮杆τ5(16)水平转动，由于转向齿轮的啮合作用使转动方向发生改变，使得转向齿轮螺纹杆τ1(9)竖直方向转动；所述连杆开闭系统由水平螺纹杆τ4(14)、连杆τ3(13)、连杆τ2(11)组成，水平螺纹杆τ4(14)前端与连杆τ3(13)下端通过螺母连接，连杆τ3(13)上端与连杆τ2(11)下端通过螺母连接，水平螺纹杆τ4(14)向内缩进，使连杆τ3(13)水平方向夹角增大，连杆τ3(13)垂直高度增加，通过与连杆τ2(11)的连接，使连杆τ2(11)与水平方向夹角增大，连杆τ2(11)向外张开；所述视觉监测系统由ccd摄像机(7)和照明光源(8)组成，ccd摄像机(7)及照明光源(8)固定在转向齿轮螺纹杆τ1(9)前端，由控制器(5)控制，与伸缩连杆电机驱动模块(15)同时开启，随转向齿轮螺纹杆τ1(9)一同伸出采集图像信号；所述超声波阵列探头(12)为4个，分布在4根连杆τ2(11)前端，每个超声波阵列探头覆盖90°区域，4个共覆盖360°区域实现无死角扫描，每个超声波阵列探头有72个探头阵元(19)，排列成外圆环形状，共有288个探头阵元；所述仿鱼雷流线型壳体仿照鱼雷的流线型构造在水中力求达到最小水阻力，在水下机器人装置壳体外后方安装垂直平衡舵(1)、水平平衡舵(2)分别保持垂直方向和水平方向的平衡稳定，由螺旋桨电机驱动模块(4)驱动螺旋桨(3)在水中推进；所述信号分析装置(17)置于壳体内固定槽中，包括视频解码器(20)、信号调理电路(21)、模数转换电路(22)、gps定位模块(6)、fpga(23)、dsp处理器(24)、程序存储器(25)、数据存储器(26)、显示器(27)、数据发送模块(28)及上位机(29)，其功能在于信号预处理、分析、判断，确定焊缝缺陷并存储和显示缺陷坐标，一路信号经视频解码器(20)与fpga(23)相连，另一信号经信号调理电路(21)与模数转换电路(22)相连，转换后信号也送入fpga(23)，fpga(23)与程序存储器(25)、数据存储器(26)双向连接，经fpga(23)预处理后的信号一方面送至数据存储器(26)缓存，一方面送至dsp处理器(24)进行处理，gps定位模块(6)与dsp处理器(24)相连，dsp处理器(24)与程序存储器(25)、数据存储器(26)双向连接，dsp处理器(24)处理后的信号一方面送至显示器(27)，一方面送至数据发送模块(28)，数据发送模块(28)与上位机(29)相连。

复合探测式水下机器人焊缝缺陷检测装置：在水下到达检测区域后，控制器控制启动伸缩连杆电机驱动模块带动转向齿轮转动，螺纹伸缩连杆系统伸出ccd摄像机进行图像信号采集，并将图像信号送入信号分析定位系统，当图像信号无法判断缺陷时，控制器启动连杆开闭电机驱动模块带动螺纹伸缩连杆系统缩进，并通过连杆开闭系统使连杆张开。超声波阵列探头进行超声波扫描信号采集，并将超声波扫描信号送入信号分析定位系统，信号分析定位系统按以下步骤进行缺陷信号的分析和定位：

1、ccd摄像机(7)将图像信号输送至视频解码器(20)将图像信号解码成数据信号，处理后的信号送至fpga(23)预处理，预处理后的图像数据缓存在数据存储器(26)中，然后将图像数据送至dsp处理器(24)进行数据处理以及焊缝缺陷的判断，处理后的图像数据存储于数据存储器(26)中，由程序存储器(25)引导dsp处理器(24)上电自举；

2、超声波阵列探头(12)将采集的超声波扫描信号输送至信号调理电路(21)，调理后信号送至模数转换电路(22)a/d转化，然后再送至fpga(23)进行数据预处理，预处理后的波形信号缓存在数据存储器(26)中，然后送到dsp处理器(24)进行超声波扫描信号的处理以及焊缝缺陷的判断，由程序存储器(25)引导dsp处理器(24)上电自举；

3、当dsp处理器(24)判断出焊缝缺陷时，由gps定位模块(6)将当前三维坐标位置发送到dsp处理器(24)，并由dsp处理器(24)将坐标位置存储于数据存储器(26)中，可送至显示器(27)实时显示坐标信息，同时可将坐标信息通过数据发送模块(28)发送到上位机(29)。

本发明的有益效果是：(1)本装置利用螺纹伸缩连杆系统准确有效控制检测模块的开启，通过控制连杆开闭系统的张开角度，实现了探测器的伸开和收缩，采用仿鱼雷流线结构，减少了水下阻力，通过图像信号与超声波扫描信号的复合检测，大大降低了水下焊缝缺陷检测的漏检率，提高了检测效率；(2)本发明检测方便易于控制，增强了检测的自主性和可控性，提高了检测的适应性、精准性及稳定性。

附图说明

图1是本发明的复合探测式水下机器人焊缝缺陷检测装置的主体装配图。

图2是本装置图像信号检测功能部分局部剖图。

图3是该装置扫描信号检测功能部分局部剖图。

图4是本装置超声波阵列探头阵元排列图。

图5是本装置的信号分析处理示意图。

图中：1、垂直平衡舵，2、水平平衡舵，3、螺旋桨，4、螺旋桨电机驱动模块，5、控制器，6、gps定位模块，7、ccd摄像机，8、照明光源，9、转向齿轮螺纹杆τ1,10、连杆开闭电机驱动模块，11、连杆τ2，12、超声波阵列探头，13、连杆τ3，14、水平螺纹杆τ4，15、伸缩连杆电机驱动模块，16、转向齿轮杆τ5，17、信号分析装置，18、固定铰支座，19、探头阵元，20、视频解码器，21、信号调理电路，22、模数转换电路，23、fpga，24、dsp处理器，25、程序存储器，26：数据存储器、27、显示器，28、数据发送模块，29、上位机；

具体实施方式

下面结合图1、2、3、4、5对本发明装置做进一步说明。

在海洋平台水下用水下机器人进行焊缝检测过程中，首先将水下机器人在海洋平台附近海域放入水中。当水下机器人入水后，控制器(5)启动螺旋桨电机驱动模块(4)转动带动螺旋桨(3)转动，该装置开始在水中推进。当gps定位模块(6)定位坐标到达大致区域时，控制器(5)启动伸缩连杆电机驱动模块(15)。伸缩连杆电机驱动模块(15)使转向齿轮杆τ5(16)水平转动，通过转向齿轮啮合带动转向齿轮螺纹杆τ1(9)垂直转动。转向齿轮螺纹杆τ1(9)由于螺纹连接伸出，同时控制器(5)启动ccd摄像机(7)摄像。该装置开始可视化检查，ccd摄像机(7)将图像信号输送至视频解码器(20)将图像信号解码，处理后的信号送到fpga(23)及dsp处理器(24)共同进行焊缝缺陷的判断,处理后的图像数据存储于数据存储器(26)中，由程序存储器(25)引导dsp处理器(24)上电自举；当dsp处理器(24)判断出焊缝缺陷时，由gps定位模块(6)将当前三维坐标位置发送到dsp处理器(24)，并由dsp处理器(24)将坐标位置存储于数据存储器(26)中，送至显示器(27)实时显示坐标信息，同时将坐标信息通过数据发送模块(28)发送到上位机(29)。

当焊缝缺陷不能通过图像信号判断时，控制器(5)开始启动连杆开闭电机驱动模块(10)带动水平螺纹杆τ4(14)水平转动，水平螺纹杆τ4(14)由于螺纹连接向内缩进。水平螺纹杆τ4(14)缩进使得连杆τ3(13)与水平螺纹杆τ4(14)之间的夹角增大，从而使连杆τ3(13)的垂直高度增加，通过与连杆τ2(11)的连接使连杆τ2(11)与水平方向夹角增加。如此使连杆τ2(11)伸开，同时控制器(5)在连杆开闭电机驱动模块(10)启动的同时启动超声波阵列探头(12)，超声波阵列探头(12)的探头阵元(19)在伸开的连杆τ2(11)上形成阵列。4根连杆τ2(11)垂直交叉分布，每根连杆τ2(11)上覆盖90°区域，一共覆盖360°区域，该装置开始超声波扫描检查，超声波阵列探头(12)将采集的超声波扫描信号输送至信号调理电路(21)，调理后信号送至模数转换电路(22)a/d转换，然后再送至fpga(23)进行数据预处理，预处理后的波形信号缓存在数据存储器(26)中，然后送到dsp处理器(24)进行超声波扫描信号的处理以及焊缝缺陷的判断，当dsp处理器(24)判断出焊缝缺陷时，由gps定位模块(6)将当前三维坐标位置发送到dsp处理器，并由dsp处理器将坐标位置存储于数据存储器(26)中，可送至显示器(27)实时显示坐标信息，同时可将坐标信息通过数据发送模块(28)发送到上位机(29)。