一种用于管道探伤的水下机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水下机器人技术领域，尤其设及一种用于管道探伤的水下机器人。该 水下机器人是一种小尺度、智能化、能够在水下自动航行的水下航行器，它能够发现、跟踪 管道，还能够探测管道是否受损伤。
【背景技术】
[0002] 机器人技术是一种新兴的智能制造技术，在国内外受到广泛应用。大疆无人机和 云洲智能无人船的兴起就说明了运一点。自主水下机器人是一种能够在水面W下几米甚至 上千米、上万米深度进行自主航行的机器人，具有自动航行、自主导航、自主执行水下任务 的能力。与无人机、无人车和无人船相比，它所处的任务环境更加复杂，所使用的传感器和 推进系统也有不同。具体表现在：1)高频无线电波在水下十几米W下深度无法使用，将会导 致操作人员与水下机器人难W保持良好的通信联系;而采用水声通信机，不仅成本高，且通 信速率和容量都无法与无线电波相比；2)电子元部件等任何非水密电子部件、机械部件、推 进部件均须做水密、耐压保护，否则将发生渗水、漏水导致不能正常水下航行。
[0003] 目前，现有技术对海底油气管道的自动检测能力不足，缺少能够完成海底管道探 伤任务的水下机器人。本专利是一种专口面向海底管道探伤的小型自主水下机器人，无人 无缆，具有很高的可靠性、便捷的可操作性W及很强的实用性。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于管道探伤的 水下机器人。该水下机器人专口面向面向海底管道探伤，为企业、科研院所和高校用户提供 可靠、安全和实用的海底管道无人自动检测装置。
[0005] 为解决技术问题，本发明的解决方案是：
[0006] 提供一种用于管道探伤的水下机器人，包括结构系统、自动驾驶系统和探测系统；
[0007] 所述结构系统包括载体框架、浮力材料、耐压外壳、推进器和电池;浮力材料填充 于载体框架内，耐压外壳包裹在载体框架外侧，载体框架的末端设推进器，电池设于载体框 架的内部空腔；
[0008] 所述自动驾驶系统设于载体框架内部，包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱 动模块、传感器模块、通讯模块、应急模块和通信电子线路;各模块和电路的连接关系是：自 动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、传感器模块、通讯模 块、应急模块，实现数据通信和供电；其中，自动驾驶模块设有电磁继电器，用于控制自主导 航模块、传感器模块、通讯模块和应急模块的供电电源通断；
[0009] 所述探测系统设于载体框架上，包括摄像机、红外传感器、照相机、角速率巧螺仪、 加速度计、声多普勒计程仪、姿态传感器、DSP(数字信号处理器）、FPGA(现场可编程口阵列） W及至少两个磁力计，各设备分别通过信号线连接至自动驾驶模块;且DSP分别与两个磁力 计相连，FPGA分别与摄像机、红外传感器和照相机相连。
[0010] 本发明中，所述推进器有Ξ个，且相互之间的连线构成等边Ξ角形。
[0011] 本发明中，所述电池采用NICJ0Y耐杰12V裡电池;所述推进器配置12V、75W有刷直 流电机和双叶螺旋奖;所述自动驾驶模块采用STM32F103 ZET6单片机，且连接了 128M的SD 存储卡;所述磁力计采用HMC5883^维磁力传感器，且由无磁性材料制成的密封舱封闭；所 述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品。
[0012] 本发明中，所述水下机器人的外形是下述形状中的任意一种：鱼雷形、立扁形、平 扁形、蝶形、双体结构或Ξ体结构。
[0013] 本发明中，所述水下机器人长度小于200cm，在空气中的重量小于200kg。
[0014] 本发明中，所述自动驾驶系统还包括与通讯模块相连的接口，用于与水下互联网、 云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。
[0015] 本发明中，所述自动驾驶模块中包括机动控制器;机动控制器的垂直面的纵倾力 矩控制输出量通过下述公式计算获得：
[0016] ΤΜ=Κρθ2 (0-0d) +Kd02q+BGzWs ?ηθ
[0017] 上述公式中；
[0018] ΤΜ是垂直面的纵倾力矩，是控制输出量；
[0019] Θ是水下机器人的当前纵倾角，0d是水下机器人当前的目标纵倾角，两者均为水下 机器人的状态量，能通过水下机器人的姿态传感器测量和计算得到；（θ-θ<〇是水下机器人 的纵倾角误差，q是水下机器人的垂直角速率，两者为控制输入量;Κρθ2是水下机器人的纵倾 角误差系数，Kd02是水下机器人的垂直角速率系数，BGzWsine是水下机器人的重力/浮力垂 直静力矩，Ξ者能通过试验测定获得，是已知参数。
[0020] 本发明中，所述自动驾驶模块中包括升降控制器;升降控制器的控制输出量通过 下述公式计算获得：
[0021]
[0022] 其中，F是垂直面的升降力，是控制输出量；
[0023] D是水下机器人的当前深度，Dd是水下机器人当前的目标深度，两者是水下机器人 的状态量，能通过水下机器人的深度传感器测量和计算得到；
[0024] (D-Dd)是水下机器人的深度误差，是水下机器人的升降速率，两者是控制输入 1st 量；
[0025] Κρ是水下机器人的深度误差系数，Kd是水下机器人的垂直角速率系数，Κι是水下机 器人的深度误差积分系数J(D-0d)dt是深度误差积分，均能通过试验测定获得，是已知参 数。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果及优点：
[0027] 1.本发明尺寸小，重量轻，操作简便，无需吊车、船等其它设备辅助，没有任何专业 背景的个人即可操作。
[0028] 2.本发明价格低廉，有明确的用途和使用价值，便于推广。
[0029] 3.本发明易于加工、生产，工艺简单，便于快速投放市场。
[0030] 4.本发明能够下潜到很深的海底，代替人完成海底管道探测任务，效率高，保护了 人员的安全。
【附图说明】
[0031 ]图1是本发明的组成示意图；
[0032] 图2是本发明的探测系统组成示意图；
[0033] 图3是本发明的各传感器安装位置示意图。
【具体实施方式】
[0034] 首先需要说明的是，本发明设及机器人技术。在本发明的实现过程中，可能会设及 到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现 原理和发明目的W后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可W运用其掌 握的软件编程技能实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不一一列举。 另外，本发明的实现依赖于多种电子元器件的应用，而运些电子元器件均为现有技术，且有 成熟产品可市场购置获得，例如下面提到的自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、 传感器模块、通讯模块、应急模块和通信电子线路;摄像机、红外传感器、照相机、角速率巧 螺仪、加速度计、声多普勒计程仪、姿态传感器、DSP、FPGA W及磁力计等等。
[0035] 本发明提供的用于管道探伤的水下机器人，包括结构系统、自动驾驶系统和探测 系统。
[0036] 结构系统包括载体框架、浮力材料、耐压外壳、推进器和电池;浮力材料填充于载 体框架内，耐压外壳包裹在载体框架外侧，载体框架的末端设推进器，电池设于载体框架的 内部空腔;所述推进器有Ξ个，且相互之间的连线构成等边Ξ角形。
[0037] 自动驾驶系统设于载体框架内部，包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模 块、传感器模块、通讯模块、应急模块（用于实现自救功能）和通信电子线路;各模块和电路 的连接关系是：自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、传 感器模块、通讯模块、应急模块，实现数据通信和供电；其中，自动驾驶模块设有电磁继电 器，用于控制自主导航模块、传感器模块、通讯模块和应急模块的供电电源通断；
[0038] 探测系统设于载体框架上，包括摄像机、红外传感器、照相机、角速率巧螺仪、加速 度计、声多普勒计程仪、姿态传感器、DSP(数字信号处理器）、FPGA(现场可编程口阵列及 至少两个磁力计，各设备分别通过信号线连接至自动驾驶模块;且DSP分别与两个磁力计相 连，FPGA分别与摄像机、红外传感器和照相机相连。
[0039] 各设备的选型：电池采用NICJ0Y耐杰12V裡电池;所述推进器配置12V、75W有刷直 流电机和双叶螺旋奖;所述自动驾驶模块采用STM32F103 ZET6单片机，且连接了 128M的SD 存储卡;所述磁力计采用HMC5883^维磁力传感器，且由无磁性材料制成的密封舱封闭；所 述DSP采用TMS320F28335型号的产品；所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品。
[0040] 水下机器人的外形是下述形状中的任意一种:鱼雷形、立扁形(是指高度与宽度之 比大于1.5)、平扁形(是指高度与宽度之比<于0.8)、蝶形(是指飞碟形状）、双体结构(是指 整个水下机器人由两个独立的结构组成）或Ξ体结构（是指整个水下