一种用于大坝检测的水下机器人系统及其检测方法与流程

本发明属于无人水下装备技术领域，具体涉及一种用于大坝检测的水下机器人系统及其检测方法，主要用于水库大坝坝体的自主式、全覆盖式检测，还可以用于其它水下具有平面结构部分的设备设施(如船体、闸门)的检测。

背景技术：

水库大坝坝体由于年久失修，坝体坝面结构上容易存在裂缝、掉块、异物破坏等诸多的安全风险，水库大坝坝体亟需进行相关隐患的检测。利用水下机器人实现坝体的检测是目前的一个有效的手段。在使用水下机器人进行坝体检测过程中，由于坝体结构的特殊性，需要操作员操作机器人完成连续的贴近坝体进行近距离观察的作业任务，这不仅需要操作员具备高超的操作技能，还会耗费大量的人力和物力资源，作业时间长、效率低下，同时还难以做到对坝体的全覆盖。有必要设计一种可实现自动坝体扫描的水下机器人系统，完成大坝坝体的全覆盖式自动扫描检测，提高检测效率，节省人力和物力成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有水库大坝坝体检测存在的上述不足，提供一种用于大坝检测的水下机器人系统及其检测方法，实现水下检测区域的全覆盖式的检测，检测过程全自主式，无需人员干预，有效减轻人员操作实现大坝检测的劳动强度，提高坝体水下检测效率，提升经济效益。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于大坝检测的水下机器人系统，包括水下机器人平台、脐带缆以及水面监控箱；

水下机器人平台上搭载执行器、传感器设备以及电子舱，执行器布置在水下机器人平台上，用于实现水下机器人平台在水下的前进/后退、转向、侧移、下潜/上浮运动；传感器设备用于采集水下机器人平台相对坝体距离、深度以及水下航位信息；电子舱内设置有控制模块，控制模块与执行器及传感器设备连接，用于实现对执行器的动力控制以及对传感器设备数据的采集，电子舱通过脐带缆与水面监控箱相连接；

脐带缆包括绞车、缆线，用于完成水下机器人平台电力的传输和水下机器人平台与水面监控箱之间的双向信息(包括传感器设备采集的数据、水面监控箱下达给执行器的指令)传递；

水面监控箱用于进行航迹规划设置、控制执行器动作以及接收传感器设备采集的数据。

按上述方案，所述执行器包括6台推进器，其中2台垂向布置在水下机器人平台上、4台水平方向布置在水下机器人平台上，实现水下机器人平台在水下的前进/后退、转向、侧移、下潜/上浮运动。

按上述方案，所述水面监控箱中设置有规划模块，规划模块用于进行航迹规划设置，包括检测位置起始点和结束点、检测时水下机器人平台与大坝坝体的水平距离和垂向距离、水下深度等参数的设置。

按上述方案，所述传感器设备包括单波束测深仪、多普勒测速仪(dvl)、深度计、差分gps系统和惯性导航单元(imu)，单波束测深仪设有3个，其中2个分别布置在水下机器人平台纵向两边，另1个垂向布置在水下机器人平台上；多普勒测速仪设有1个，垂向布置在水下机器人平台上并避开水下机器人平台上的执行器(垂向推进器)；深度计与垂向布置的单波束测深仪在同一水平面内布置；差分gps系统设有1个，差分gps系统的基准接收机布置在大坝坝体上(基准接收机提供基准数据)，差分gps系统的用户接收机由水下机器人平台携带；惯性导航单元布置在电子舱内。

本发明还提供了一种上述用于大坝检测的水下机器人系统的检测方法，包括如下步骤：

s1、将差分gps系统的基准接收机布置在大坝坝体上可接收信号处，测定大坝坝体检测区域的gps经纬度信息，并记录检测起始点和结束点经纬度信息；

s2、在水面监控箱中运行的规划模块上进行航迹规划设置，包括检测位置起始点和结束点、检测时水下机器人平台与大坝坝体的水平距离和垂向距离、水下深度等参数的设置；

s3、将水下机器人平台放入水中，执行自动扫坝：通过6台推进器实现水下机器人平台在水下的前进/后退、转向、侧移、下潜/上浮运动；通过单波束测深仪实现对坝体距离的测量和对底部距离的测量，保持与大坝坝体距离的相对固定和对底部距离的相对固定；通过深度计实时进行深度测量，实现航迹跟踪；通过多普勒计程仪与惯性导航单元配合使用，实现对规划航迹的跟踪及水下航位推算；通过布置在水下机器人平台上的差分gps系统的用户接收机实现航位推算结果的定期校正，完成对单次推算结果的位置修正；

s4、水下机器人平台扫坝完成后，通过6台推进器控制水下机器人平台在水面上按照规划路径返回。

按上述方案，所述步骤s2检测时水下机器人平台与大坝坝体的水平距离和垂向距离依赖于水的清晰度，以能够看清大坝坝体图像的最大距离进行设定。

按上述方案，所述步骤s3扫坝时，水下机器人平台按照“下潜-上浮”循环的方式进行大坝坝体的覆盖式扫测，坝体从上向下的往复式检测，一个检测周期包括“下潜-上浮”过程，上浮后进行gps位置修正。

本发明的工作原理：采用开架式结构，使用脐带缆传输电力和数据信号，动力上配置6台推进器，其中垂向2台，水平方向矢量布置4台，通过6台推进器实现水下机器人平台在水下的前进/后退、转向、侧移、下潜/上浮运动；通过单波束测深仪实现对坝体距离的测量和对底部距离的测量，为航迹规划提供输入，保持与大坝坝体距离的相对固定和对底部距离的相对固定，实现视频的清晰观测；通过深度计实时进行深度测量，实现航迹跟踪；通过多普勒计程仪与惯性导航单元配合使用，实现对规划航迹的跟踪及水下航位推算；通过差分gps系统实现航位推算结果的定期校正，完成对单次推算结果的位置修正。

本发明具有以下有益效果：

1、全自动式操作，坝体检测过程中无需人的干预，在水下机器人平台下水之前在水面监控箱上完成航迹点的设置，对水下扫描路径提前规划，下水后，水下机器人平台按照规划路线完成自动的扫描；

2、全覆盖式检测，坝体检测过程中实现的是全覆盖，无遗漏，利用单波束测深仪保持与大坝坝体距离的相对固定和对底部距离的相对固定，实现视频的清晰观测，多普勒计程仪与惯性导航单元配合使用，实现对规划航迹的跟踪及水下航位推算，利用差分gps系统完成对单次扫描结果的位置修正；通过合理的传感器组合、安装和实施方案步骤，实现大坝坝体的连续无遗漏的光学视频检测。

附图说明

图1是本发明实施例水下机器人系统的组成示意图；

图2是本发明实施例水下机器人系统的传感器设备安装位置示意图；

图3是本发明实施例利用水下机器人系统进行坝体检测的规划航迹示意图；

图4是本发明实施例利用水下机器人系统进行坝体检测的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的原理和特征进一步的描述。

如图1所示，本发明实施例所述的水下机器人系统，包括三部分：水下机器人平台1、脐带缆2(含绞车、缆线)以及水面监控箱3，水下机器人平台1通过脐带缆2与水面监控箱3连接，水下机器人平台1上搭载执行器和传感器设备，脐带缆2完成水下机器人平台1电力的传输和水下机器人平台1与水面监控箱3之间的双向信息传递，操作员在水面监控箱3上完成指令的下达，水面监控箱3进行航迹规划设置、控制执行器动作以及接收传感器设备采集的数据。

参见图2，水下机器人平台1上搭载的执行器包括布置在水下机器人平台1上的6台推进器，其中垂向布置2台、水平方向布置4台，实现水下机器人平台1在水下的前进/后退、转向、侧移、下潜/上浮运动；水下机器人平台1上搭载的传感器设备包括单波束测深仪11、多普勒测速仪(dvl)12、深度计13、差分gps系统14和惯性导航单元(imu)；单波束测深仪11设有3个，其中2个分别布置在水下机器人平台1纵向两边，另1个垂向布置在水下机器人平台1上；多普勒测速仪12设有1个，垂向布置在水下机器人平台1上并避开水下机器人平台1上的垂向推进器；深度计13，与垂向布置的单波束测深仪11在同一水平面内布置；差分gps系统设有1个，差分gps系统的基准接收机布置在大坝坝体上，差分gps系统的用户接收机由水下机器人平台1携带；惯性导航单元布置在电子舱内。

水下机器人平台1上的各个传感器设备与电子舱15相连，电子舱15内设置有控制模块，用于实现对各个传感器设备数据的采集，电子舱15通过脐带缆2与水面监控箱3相连接，将传感器设备采集的数据向水面监控箱3传送。

参见图3，大坝坝体水下检测实行由坝体从上向下的往复式检测，一个检测周期包括“下潜-上浮”过程，上浮后进行gps位置修正。

参见附图4，本发明实施例用于大坝检测的水下机器人系统的检测方法，包括如下步骤：

第一步，将差分gps系统14的基准接收机布置在大坝坝体上可良好接收信号处，测定大坝坝体需要检测区域的gps经纬度信息，记录检测起始点和结束点经纬度信息；

第二步，在监控箱水面监控箱3中运行的规划模块上进行航迹规划设置，包括检测位置起始点和结束点、检测时水下机器人平台1与大坝坝体的水平距离和垂向距离、水下深度等参数的设置；检测时水下机器人平台1与大坝坝体的水平距离和垂向距离依赖于水的清晰度，以能够看清大坝坝体图像的最大距离进行设定；

第三步，将水下机器人平台1放入水中，按下自动扫坝开关，水下机器人平台1按照图3所示路线开始执行自动扫坝程序；通过6台推进器实现水下机器人平台1在水下的前进/后退、转向、侧移、下潜/上浮运动；通过单波束测深仪11实现对坝体距离的测量和对底部距离的测量，为航迹规划提供输入，保持与大坝坝体距离的相对固定和对底部距离的相对固定，实现视频的清晰观测；通过深度计13实时进行深度测量，实现航迹跟踪；通过多普勒计程仪12与惯性导航单元配合使用，实现对规划航迹的跟踪及水下航位推算；通过布置在水下机器人平台上的差分gps系统14的用户接收机实现航位推算结果的定期校正，完成对单次推算结果的位置修正；扫坝时，由于水下机器人平台1的水动力特性，横向移动的能力较弱，所以水下机器人平台1一般按照图3所示方式进行“下潜-上浮”循环的方式进行覆盖式扫测，尽量减少在水中横向移动的距离；

第四步，水下机器人平台1扫坝完成后，水下机器人平台1在水面上按照规划路径返回。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。