本发明涉及一种海底管道屈曲检测系统。
背景技术
目前，在海底管道铺设过程中，需要使用屈曲检测系统对铺设中的海底管道进行屈曲监控，以便及时发现管道及弯头的形变，从而合理控制铺设速度，避免管道损坏以及安全隐患的产生。
传统的海底管道屈曲检测系统(如专利cn204115765与专利cn203809952)主要采用全机械结构，核心检测装置为一圆形测径板，使用方式为在海底管道着泥点后一定距离由钢丝绳牵引一个屈曲检测系统，钢丝绳的另一端连接在铺管船作业线的内对口器上，通过感知牵引力大小的变化或测径板的变形情况来判定管道是否发生严重形变。
这种检测方式采用机械拖拽式，对检测环境有诸多限制。屈曲检测系统的牵引力主要用于克服牵引钢丝绳的自重、钢丝绳与海底管道的摩擦力，而牵引力所占比重很小，很难通过牵引力的变化判断屈曲检测系统上测量板的状态。且此种方式往往存在检测系统被卡住、牵引钢丝绳破断、检测系统解体等问题，若发生屈曲检测系统掉落事故，需重新回收管线进行切割，损失巨大。如果涉及深水域，问题将更加严重。
此外，此种类型的海底管道检测检测装置不能够实时、真实的反映管道的应力状态、管道形变特征。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种海底管道屈曲检测系统，实现海底管道铺设过程中管道屈曲信息数字化、图像化实时在线检测，可以精准真实的还原海底现场，同时具有较高的工作可靠性，提高海上铺管施工的效率。本发明所采用的技术方案如下：
一种海底管道屈曲检测系统，包括由行走动力电机驱动的载体小车、控制器、转盘、由多组激光传感器构成的检测机构、惯性测量模块imu、旋转电机和防滑支撑轮组，其中，
所述转盘竖向安装在载体小车的前部，转盘受旋转电机的驱动转动，在转盘的不同位置布置有多组激光传感器，检测机构用于扫描海底管道内壁的轮廓数据；
所述各组激光传感器的安装方向即激光束的方向沿转盘的径向，与电机主轴垂直；
所述防滑支撑轮组设置在载体小车上，由支撑轮及两组弹性伸缩导杆组成，支撑轮用于支撑在管道顶部内壁，通过两组弹性伸缩导杆分别与载体小车的车体的不同部位通过转动轴相连，组成连杆机构，所述防滑支撑轮组的工作方式为：连杆机构在一定范围内可以自动伸缩调节，使支撑轮始终和管道内壁接触；
所述惯性测量模块imu设置在载体小车的车体重心位置，包括三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器，可以直接输出空间姿态与状态信息，配合行走动力电机的编码器测速机构并反演运动轨迹；并用于监测管道的倾斜情况和方位变化。
本发明通过将扫描机构在扫描运动前置于对应工作模式的初始位置，按照所设定的扫描速度和行驶速度来完成连续多周期的扫描搜索运动，从而提高了海底管道施工检测效率；摆脱传统机械测径板的限制，其可以适应不同直径的管道，且整套装置系统可以做的很小、重量可以很轻，能够实现海底管道铺设过程中管道屈曲信息非接触式数字化实时检测，从而减小对管道的损伤。
附图说明
图1为本发明的基本结构示意图；
图2为本发明的硬件整体结构功能图；
图3为本发明的检测机构结构示意图；
图4为本发明的基本结构侧视图；
图5为海底管道铺设时本发明系统的工作示意图；
图6为本发明的激光传感器扫描轮廓轨迹图；
附图说明如下：
0-海底管道1-第一主控电路2-转盘3-旋转电机4、6-弹性伸缩杆
5-防滑支撑轮7-转动轴8-485通信接口9-后驱动轮
10-第二主控电路11-电池箱12-车体底盘13-前驱动轮14支架
15-激光传感器16-运行指示灯17-采集指示灯
18-通讯指示灯19-固定法兰20-远程监控中心21-铺管作业船
22-海底管道23-485通信线
具体实施方式
参见图1、图2和图4，在本发明实施例中，一种海底管道屈曲检测系统，包括主控制器、装有多组激光传感器的检测机构、数据通信模块、485通信线、惯性测量(imu)模块、数据存储模块、电量检测模块、电机、电池组、载体小车、防滑支撑轮组，以及远程监控中心；所述检测机构安装于载体小车的前部，且上面安装有多组激光传感器。
具体的，参见图2，所述主控制器分为第一主控制器与第二主控制器；所述数据通信模块包括无线数据通信模块与有线485通信模块；所述第一主控制器与激光传感器、无线数据通信发射端模块、电量检测模块相连接，组成第一主控电路，主要用于传感器数据的采集与发送；所述第二主控制器与无线数据通信接收端模块、数据存储模块、电机、电量检测模块等部分相连接，组成第二主控电路，且通过485通信线23与远程监控中心20进行数据通信；所述第一主控制器与第二主控制器采用无线通信模块进行无线数据传输，且两部分电路均独立供电，无任何电气连接。
如图1、3所示，所述检测机构由支架14、旋转电机3、转盘2及多组激光传感器(以3组激光传感器为例)15组成，所述支架固定在小车前部，电机固定在支架上，转盘2通过法兰19安装在电机主轴上，与电机主轴的轴线垂直，传感器均匀安装在转盘外圆周上，与第一主控制器1相连，用于扫描海底管道内壁的轮廓数据。传感器的安装方向(即激光束的方向)沿转盘的径向，与电机主轴垂直。且随着传感器组数的增加，测量精确度会随之提高。
如图3所示，所述检测机构于各组激光传感器安装处均开有凹槽，激光传感器装入凹槽内，即采用嵌入式安装方式；此外检测机构上还设有运行指示灯16、采集指示灯17和通讯指示灯18。
所述防滑支撑轮组安装在小车上、检测机构的后方，由支撑轮5及两组弹性伸缩导杆4、6组成，且支撑轮通过两组弹性伸缩导杆与车体通过转动轴7相连，组成连杆机构；所述防滑支撑轮组的工作方式为：连杆机构在一定范围内可以自动伸缩调节，使支撑轮始终和管道内壁接触，并与行走动力轮形成三角支撑，增强了移动灵活性、适应性及稳定性。
所述惯性测量模块安装于车体重心位置，包括三轴陀螺仪传感器、三轴加速度计传感器，可直接输出空间姿态与状态信息，配合行走动力电机的编码器测速机构并通过智能算法反演运动轨迹；进一步，还可以实时监测所铺设管道的倾斜情况、方位变化等。
所述数据存储模块与第二主控制器相连，其功能是实时存储轮廓扫描信息、惯性测量模块姿态信息、各电机编码器信息、电池电量信息、时间等信息，便于后期数据导出分析与排障。
所述485通信线23采用带屏蔽层的柔性双绞线，连接远程监控中心20与检测系统的485通信接口8，有效避免了深水域的信号屏蔽问题。且通信线在远程控制端采用类似卷尺结构的弹簧集线结构收集，防止通信线冗余部分在管道内缠绕于阻碍车体运行。
所述远程监控中心20可设计为任意形式的带显示与数据运算处理能力的终端设备，使用时一般放置在铺管作业船上。接收的数据可通过曲线、数据、三维姿态等形式及时呈现在人机交互界面上，供操作人员参考；
车体采用四轮驱动结构，动力电机采用自锁电机，便于车体静止时的位置固定，提高车体运行控制稳定性。
本发明中的电池电量检测模块的作用是：模块实时监控检测系统用电情况，保证检测系统具有安全返回的电能储备，当电量不足时，检测系统向远程监控中心发出低电量报警信号并自动执行返航任务。
进一步，所述行走动力电机与检测电机均自带编码器测速机构。
进一步，动力电机轮与支撑轮使用耐磨防滑胎皮，胎面设置有斜纹防滑槽。
以图5为例，本发明提供的采用上述系统实现的海底管道屈曲检测方法是通过如下步骤实现的：
1)远程监控中心操纵平台向检测系统发送指令，使检测系统自行移动到指定位置，如位置1，其位置(如位置1、2、3)可由车体安装的imu模块反馈的倾角姿态信息判断，其行驶路线与位置、姿态信息均由人机界面进行图形显示；
2)检测系统接收到工作指令后进入检测状态，按照设定移动方向与设定速度沿管道内壁移动，同时检测机构中电机带动转盘按设定速度匀速旋转，使得多组激光传感器对管道内壁轮廓进行连续多周期扫描，控制单元按照设定频率依次接收激光传感器数据并通过无线数据通信模块传送给第二主控制器，同时发送的还有给第一主控制器电路供电的电池电量信息；
3)第二主控制器将接收到每次的轮廓扫描数据与采集到的imu姿态信息、各电机编码器信息、电池电量信息以及时间等信息放入一个数组中并通过485通信线发送至远程控制中心，同时于数据存储模块进行保存，便于后期数据导出分析与排障；
4)远程控制中心的上位机实时接收检测系统发送的数据帧，通过解析数据并采用三维模型重建算法反演出完整的管道内壁轮廓图形并通过显示界面图形化显示；
5)除检测状态实时图形显示便于工作人员直观的观察外，监控中心上位机还会实时计算管道曲率半径、形变特征、应力分布等数据信息，当检测结果超过设定的安全稳定阈值时，监控中心会发出报警信号，便于施工人员及时发现问题并调整施工状态；
上述方法的实现基于系统上位机软件自建的一套完整的三维坐标体系，所有传感器采集的信息在统一坐标系下进行空间位置的统一。
为保证系统可靠性，加入无线信号中断自主保护功能，步骤如下：检测系统与远程监控中心定时发送握手信号，若检测系统10s内未接收到握手信号，即中断超时，则立即执行返航，直到检测到通信信号恢复，原地停止等待下一步操作指令。
用于本检测系统的自动或手动检测方法为：根据车体姿态判断检测系统到达检测区位置时，即可选择开启手动检测或自动模式。两种检测模式的共同点是在铺管施工过程中检测系统均在检测区内做往复运动，如图5中位置1与位置3之间的往复运动，从而不断更新检测结果，便于及时发现管道变形问题。其中自动模式是检测系统自动的周期性的在检测区内做往复运动，运动端点由预先设置好的车体姿态阈值确定，其中位置1对应车体倾斜角度最小值，位置3对应车体角度最大值。同时配合车轮编码器测距信息，设置前后移动距离上限，防止因管道倾斜角度变化引起的检测系统无法达到阈值而不断前进或后退问题。手动模式原理与自动模式相同，全程检测系统的所有运动动作均由操作人员用操作指令控制。两种模式可根据具体施工情况选择。
图5的检测区即为管道最大屈曲形变处，铺设过程中此位置最易发生局部凹陷或损伤而造成的屈曲失稳现象，而根据长期行业经验来看，其他位置无需实时检测。
本发明方法中，以三组激光传感器为例，对于旋转机构轴线与管道中心轴线不重合时的一般情况，检测机构在对应工作模式下激光传感器在管道内壁的扫描轮廓轨迹如图6所示。扫描曲线整体运动轨迹为绕管道内壁做均匀盘旋前进运动，也即螺旋扫描运动。