大坝检测机器人、检测系统及检测方法与流程

[0001]
本发明涉及一种用于大坝、桥梁等水利水电工程水下部分的结构破损高效检测的水下机器人、检测系统以及检测方法。


背景技术：

[0002]
现有的面向大坝检测的水下机器人主要有3种，拖缆式水下机器人(rov)，自主式水下检测机器人(auv)以及两种模式共存的混合式水下检测机器人。拖缆式水下机器人具有作业深度大、工作时间长、出现故障易回收等特点。自主式水下检测机器人移除了脐带电缆，运动灵活、覆盖面广，但续航时间短，不适合面积宽广的大坝表面长时间检测。混合式水下检测机器人综合了二者的优点，但成本高昂，结构维修困难。
[0003]
用于大坝检测的水下机器人的本体结构主要有2种类型：流线型和框架型。框架型水下机器人较为常见，即机器人本体的外部形状为框架形，并将推进器、密封舱、照明设备、摄像头等安装在框架内部。框架型rov本体的主要优势是总体布置很便捷，能搭载传感器、推进器等外部设备的数量多，另外配备浮力模块会使设备重心下降，所以抗扰流能力较强，在水下能保持高稳定的状态运动。缺点在于框架增加了水中的阻力，需要的推进器功率和推力较大，且运动较缓慢，在水下的机动性能较差。流线型rov本体就是其外部结构符合流线型 (如圆形、圆锥形、椭圆形等)，密封舱、相机、照明灯等安放在流线型结构内部。其显著的优势是行进阻力低，结构简单，能在水下高速移动；但劣势也很明显，由于形状和空间限制，不便于搭载较多的外部设备和作业模块。
[0004]
因此，本发明的一个目的是设计一种混合型的rov本体综合了上述两种结构中的部分特点，同时具有优秀的水动力性能和便捷的扩展性能。可以将密封舱、摄像机和照明灯等电子设备安装在流线型主体的内部，同时将各种传感器和推进器等安装在框架外侧上。
[0005]
另一方面，现有的大坝检测rov结构中，普遍存在壁面清理装置简单、沉积物清除不到位等问题。常规的壁面清洗装置大多采用清洁布、滚筒刷等刚性部件与壁面接触，并靠其上的软性材料与壁面摩擦，进而实现清洗功能。清洁效率和质量很大程度上取决于壁面的平整程度。在面对一些凹陷部位时，难以发挥作用。而在大坝表面上的这些位置，往往也是容易出现结构损伤的地方。而超声波清洗机利用超声波传播时产生的空化效应，不断与清洗物件表面产生碰撞，来实现清洗工作，只要超声波能传播到的地方，就能产生冲击振动，故使用该种方法，能极大提高清洗的覆盖面和清洗的质量。
[0006]
本发明另一个目的是结合超声波清洗原理和大坝检测技术，设计出一种实现超声清洗的大坝检测机器人，将会提高大坝表面前期清洁工作的质量和效率，提高裂缝、孔洞等检测的准确性，为大坝、桥梁等水下结构的安全运营提供更好的信息支撑。


技术实现要素：

[0007]
有鉴于此，本发明的一种大坝检测机器人，包括混合型机身、摄像头、推进器组件和清扫除淤模块；
[0008]
所述混合型机身包括喇叭状壳体和固定于所述喇叭状壳体前端的矩形框架；所述喇叭状壳体的前端和后端的开口分别通过透明窗玻璃板和密封端盖封堵，使所述喇叭状壳体内部形成封闭空间；所述摄像头通过相机固定板固定于所述喇叭状壳体内部；所述推进器组件包括安装于所述矩形框架上的若干个推进器ⅰ和推进器ⅱ；所述推进器ⅰ垂直于大坝壁面安装；所述推进器ⅱ平行于大坝壁面水平安装；所述清扫除淤模块包括安装于所述矩形框架上的超声波换能振头和滚筒刷；
[0009]
进一步，所述矩形框架两侧还安装有若干个用于水下照明的led灯；
[0010]
进一步，所述喇叭状壳体内位于摄像头前方的封闭空间中注有纯净水，该封闭空间通过滤水膜与外界连通；
[0011]
进一步，所述推进器ⅰ为两对，每一对推进器ⅰ安装于一导流罩总成内；所述导流罩总成包括两个罩体和连接于两罩体之间的连接槽；所述连接槽朝外的侧壁高度小于朝内的侧壁高度。
[0012]
进一步，所述混合型机身上还安装有姿态传感器、测距传感器和压力传感器。
[0013]
本发明还公开了一种大坝检测系统，包括水面双体船、电缆、缆绳和所述检测机器人；所述水面双体船上设有水面控制台、绞盘、吊放架和发电机；所述缆绳一端连接于所述检测机器人，另一端通过绞盘和吊放架连接于水面双体船；所述电缆连接于检测机器人与水面双体船之间，用于实现二者之间的电能与信号连接。
[0014]
本发明还公开了一种采用所述检测系统检测大坝水下结构破损的方法，包括以下步骤：
[0015]
s1.搭乘水面双体船，将所述检测机器人运送到待检测区域，并靠近坝体表面，然后通过水面双体船上的吊放架，把检测机器人放入水中；
[0016]
s2.驱动绞盘旋转，同时控制所述推进器ⅰ反转，使滚筒刷贴着大坝壁面，利用超声波换能振头发出超声波，清洗壁面；逐渐下方缆绳，使检测机器人垂直路径从上往下进行图像采集和视频录制；
[0017]
s3.当所述检测机器人降到设定的深度时，绞盘停止转动，控制水面双体船横向移动设定距离，同时检测机器人在所述推进器ⅱ的推动下向同一方向横移相同距离；
[0018]
s4.驱动绞盘反向旋转，利用缆绳带动检测机器人贴着大坝壁面从下到上沿垂直路径采集图像和视频；
[0019]
s5.当检测机器人接近水面时，绞盘停止转动，水面双体船和检测机器人再次横移一定距离，之后重复步骤s2至s4，直到完成大坝壁面设定范围的检测；
[0020]
s6.当大坝壁面图像采集结束时，驱动绞盘旋转，让检测机器人浮出水面，通过吊放架将其收回水面双体船上，整个检测过程结束。
[0021]
本发明的有益效果：
[0022]
(1)混合式框架结构，具有便捷的扩展性和良好的水动力性能。
[0023]
本发明采用流线型和框架型壳体组合的机身，外部搭载设备如推进器、照明灯、传感器等可方便的安装在矩形框架上。喇叭状壳体内部密封形成空腔，有足够空间安装电子设备、电路板等元件，同时流线型壳体在横移运动方向上的行进阻力低，水动力性能较好。
[0024]
(2)壁面清洗效率和质量高。
[0025]
本发明借鉴超声波清洗机工作原理，引入超声换能器元件，通过一个铝合金粘接
板，将若干个超声波震头对称固定在矩形框架上滚筒刷位置的内侧。利用超声波在液体中传播产生的空化效应，冲击波不断和壁面沉积物碰撞，同时滚筒刷上的软体材料在运动过程中与壁面摩擦，进行双重清洗，效果更佳，效率更高。
[0026]
(3)作业深度大，动力充足。
[0027]
本发明的水面船上配备有发电机，通过电缆直接给检测机器人及电路元件供电，可下潜至100米以上的水深处。同时充足的电力供应能让检测机器人在水下长时间作业，且推进器能发挥更高的效率，推力更大，运动速度较快。
[0028]
(4)结构内外压差小，适应性高。
[0029]
本发明在喇叭状壳体内的空腔内部注入清澈的水，能够平衡水下压力，作用在承压壳体上的压力大大减小，适应性得以提高，并且使用寿命更长。
[0030]
(5)图像拍摄环境好，浑水成像效果更佳。
[0031]
本发明在喇叭状壳体内的空腔中注入的清水可保证摄像头视野一定范围内的洁净，减少浑水和泥沙等污垢对成像的影响。采用若干个照明灯对称布置在矩形框架两侧，照明强度高，同时减轻led灯在图像中形成的光斑对成像的影响，提高对裂缝、孔洞等结构损伤判断的准确性。
[0032]
(6)泥沙等沉积物处理完善。
[0033]
本发明所采用的导流罩总成，由两个罩体和连接于罩体之间的连接槽组成，连接槽由两块横板为侧壁、一块竖板为底板组成，两导流罩总成对称安装在矩形框架两侧的推进器壳体上，长横板在内，短横板在外，短横板允许清洗部件扫落下的沉积物通过，长横板则能挡住从短横板通过的清扫下的沉积物，并把沉积物收集在三块板形成的连接槽中，最后由推进器反转时吸出，从而可避免沉积物落入到摄像头视野的中央。
附图说明
[0034]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0035]
图1为本发明的大坝检测机器人的结构示意图；
[0036]
图2为本发明的大坝检测机器人的爆炸图；
[0037]
图3为本发明的大坝检测系统的结构示意图；
[0038]
图4为本发明中导流罩总成的示意图；
[0039]
图5为大坝检测机器人的主视图；
[0040]
图6为大坝检测机器人的后视图；
[0041]
图7为大坝检测机器人的俯视图。
具体实施方式
[0042]
实施例一
[0043]
如图1所示，本实施例的一种大坝检测机器人，包括混合型机身、摄像头、推进器组件和清扫除淤模块；
[0044]
如图2所示，所述混合型机身包括喇叭状壳体11和固定于所述喇叭状壳体 11前端的矩形框架9；所述喇叭状壳体11的前端和后端的开口分别通过透明窗玻璃板5和密封端盖1封堵，使所述喇叭状壳体11内部形成封闭空间；其中，喇叭状壳体11与矩形框架9之间固定
有玻璃固定框架10，透明窗玻璃板5安装于该玻璃固定框架10内；所述摄像头12通过相机固定板3固定于所述喇叭状壳体11内部，其安装于喇叭状壳体11中轴线上，镜头端朝向透明窗玻璃板5；使得相机可以透过矩形观察窗，拍摄到大坝的壁面状况。本实施例的摄像头12 设有备用电源，提高其拍摄的可靠性。本实施例采用的混合型机身包括喇叭状壳体11和矩形框架9；喇叭状壳体11为流线型结构，流线型是水下动力性能最优秀的本体结构形式，因为流线型的行进阻力小，但由于流线型形状和空间的限制，能搭载的外部设备和作业工具有限，而矩形框架9式机身具有便捷的扩展性能，适合用于多作业设备的水下机器人中；因此，本实施例的混合型机身兼具流线型机身和框架式机身的优点。
[0045]
所述推进器组件包括安装于所述矩形框架9上的四个推进器ⅰ4-1和两个推进器ⅱ4-2；其中，四个所述推进器ⅰ4-1垂直于大坝壁面对称安装；两个所述推进器ⅱ4-2平行于大坝壁面水平安装于矩形框架9的顶边和底边；本检测机器人的动力来源于自身搭载的6个推进器和水面船上的绞盘。四个推进器ⅰ4-1垂直壁面安装，通过推进器的正反转，根据牛顿第三定律，从螺旋桨叶中流出的水，受到反作用力，从而产生推力，控制直航运动。两个推进器ⅱ4-2水平相向交错安装在矩形框架9上下两侧，实现推力的优化组合，控制检测机器人的横移运动。各方向上推进器的差动可实现机器人绕三坐标轴的转向。机器人的升沉运动靠水面船上绞盘的转动实现。
[0046]
所述清扫除淤模块包括安装于所述矩形框架9上的超声波换能振头和滚筒刷8；10个超声波振头通过一个铝合金粘接板6对称固定在矩形框架9上滚筒刷8位置的内侧，利用超声波在液体中传播产生的空化效应，冲击波不断和壁面沉积物碰撞，同时滚筒刷8上的软体材料在运动过程中与壁面摩擦，进行双重清洗。
[0047]
本实施例中，所述矩形框架9两侧分别安装有4个用于水下照明的led灯，在矩形框架9外侧对称分布4个60w/流明的led照明灯，在较暗的深水环境下提供光源支持；
[0048]
本实施例中，所述喇叭状壳体11内位于摄像头12前方的封闭空间中注有纯净水，该封闭空间通过滤水膜与外界连通；喇叭状壳体11内通过相机固定板 3分隔为前部的水舱和后部的电子舱；水舱内注有纯净水并通过滤水膜与外界连通；电子舱内可放置单片机、传感器、电池、控制模块等；在摄像头12前面的封闭空间中注入纯净水，一方面可以在较污浊的水下环境中，保持相机周围一定空间内的视野明亮，能够减轻悬浮物和浑水对摄像机视野的影响，拍出效果更佳的图像。另一方面，该封闭空间通过滤水膜与外界接通，保证不同水深下内外的压力平衡，提高壳体结构的安全性。
[0049]
本实施例中，两对推进器ⅰ4-1分别安装于两导流罩总成7中；如图4所示，所述导流罩总成7包括两个罩体和连接于两罩体之间的连接槽；所述连接槽朝外的侧壁31高度小于朝内的侧壁高度32。连接槽由两块横板为侧壁、一块竖板为底板组成；推进器ⅰ4-1对称安装在导流罩总成7的两个罩体内，两罩体之间的连接槽朝外的侧壁31高度较矮，因此，清扫除淤模块扫落下的沉积物通过可以通过该侧壁31进入到连接槽内，朝内的侧壁32高度较高则能挡住进入连接槽内的沉积物，并把沉积物收集在连接槽中，最后由推进器ⅰ4-1反转时吸出，从而可避免沉积物落入到摄像头12视野的中央。
[0050]
本实施例中，所述混合型机身上还安装有姿态传感器、测距传感器和压力传感器。本机器人上配备姿态传感器和测距传感器，保证机器人平行于坝体表面，同时保证摄像头12与相机相距一定距离。采用压力传感器和超短基线定位系统来定位机器人的位置，及图
像中裂缝的位置。
[0051]
实施例二
[0052]
如图3所示，本实施例的一种大坝检测系统，包括水面双体船25、电缆、推进器、缆绳和所述检测机器人26；所述检测机器人26采用实施例一中的结构；所述水面双体船25上设有水面控制台21、绞盘24、吊放架22和发电机23；所述缆绳一端连接于所述检测机器人26，另一端通过绞盘24和吊放架22连接于水面双体船25；所述电缆连接于检测机器人26与水面双体船25之间，用于实现二者之间的电能与信号连接；通过电缆直接给及电路元件供电，可下潜至100 米以上的水深处。同时充足的电力供应能让在检测机器人26水下长时间作业，且推进器能发挥更高的效率，推力更大，运动速度较快。
[0053]
实施例三
[0054]
本实施例的一种采用所述检测系统检测大坝水下结构破损的方法，包括以下步骤：
[0055]
s1.入水
[0056]
操作人员搭乘水面小船，将检测机器人运送到待检测区域，并靠近坝体表面，然后通过水面双体船上的吊放架，把检测机器人放入水中。
[0057]
s2.循迹下降采集图像
[0058]
通过电缆给摄像头、超声波震头、照明led灯、传感器等电子元器件供电，驱动绞盘旋转，同时控制垂直壁面的4个推进器ⅰ反转，滚筒刷贴着壁面，超声波震头发出超声波，清洗壁面。随着缆绳的伸长，并在重力的复合作用下，检测机器人沿规划好的垂直路径从上往下进行图像采集和视频录制。
[0059]
s3.横移
[0060]
当检测机器人下降到设定的深度时，绞盘停止转动，水面双体船横向移动设定距离，同时检测机器人本体在交错分布的2个推进器ⅱ的推力作用下向同一方向横移相同距离。
[0061]
s4.循迹上升采集图像
[0062]
驱动绞盘反向旋转，随着缆绳的拉回和浮力的作用下，带动检测机器人贴着壁面从下到上沿垂直路径采集图像和视频。
[0063]
s5.横移
[0064]
当检测机器人接近水面时，绞盘停止转动，水面双体船和检测机器人本体横移一定距离，之后重复第2步到第4步的过程。
[0065]
s6.浮出水面
[0066]
当大坝壁面图像采集结束时，驱动绞盘旋转，让检测机器人浮出水面。通过吊放架，操作人员将其收回船上，整个检测过程结束。
[0067]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。