CN113650763B - 一种应用于输水隧洞检测机器人的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种输水隧洞检测机器人及其控制方法，包括：载体系统，用于承载动力设备及探测设备；主控系统，用于操控机器人在隧洞内作业；能源系统，为水下机器人作业提供能源；推进与操纵系统，首尾各布置4台纵向推进器，实现机器人基础运动；通信系统，利用无线局域网实现数据上传与指令下载；导航与定位系统，利用首尾交叉分布的4个测距仪，实现机器人在隧洞横截面内的定位；任务系统，实现对周向洞壁观测录像，回收后进行数据处理；本发明所涉及的水下机器人具有长距离、多模运动模式、输水隧洞跟踪控制与规划、光学与声纳融合集成检测等能力，可完成输水隧洞裂缝、洞内异物等缺陷检测作业，保证隧洞检测区域的全覆盖。

Description

一种应用于输水隧洞检测机器人的控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地，涉及一种输水隧洞检测机器人及其控制方法。

背景技术

当前输水隧洞作为水利工程常用的输水方式，对城市生活用水的保障极为重要。但隧洞在运行一定时间后，将会出现裂缝、坍塌等缺陷与损坏，因此需定期对输水隧洞进行安全检测与评价。同时生活用水对于城市来说极为重要，一旦停水将会不仅给城市居民带来极大不便，也将带来恐慌，不是万不得已情况下，不能停止城市供水。在不影响供水或者影响很小的情况下，进行输水隧洞裂缝等缺陷检测是输水隧洞检测的发展方向。

在不停水情况下进行输水隧洞检测可以有两种方式。一是利用遥控式有缆机器人检测。该种方式，可以实时获得相应检测图像与数据，但脐带缆是一个羁绊，容易与洞壁摩擦刮碰发生缠绕与断裂，因供电等原因脐带缆也无法太长，距离非常有限。二是利用无缆自主式机器人系统进行输水隧洞缺陷检测。这种智能化的无人水下机器人更能高可靠、高效率地完成输水隧洞的检测，已成为输水隧洞检测发展趋势。

发明内容

本发明提出了一种输水隧洞检测机器人及其控制方法，针对引汉济渭工程输水隧洞检测难题，分析输水隧洞检测作业环境特点，设计一型具有自主导航定位、可抵抗高流速自主航行的输水隧洞检测机器人，可实现在不停止供水情况下完成对输水隧洞的混凝土裂缝、坍塌等异常情况的自主巡查任务。

本发明是通过以下方案实现的：

一种输水隧洞检测机器人：

所述机器人包括载体系统，主控系统，能源系统，推进与操纵系统，通信系统，导航与定位系统以及任务系统；

所述主控系统，能源系统，推进与操纵系统，通信系统，导航与定位系统，任务系统均安装在所述载体系统内。

进一步地，

所述载体系统由碳纤维蒙皮2，铝合金耐压壳及框架3，浮力材8，耐压舱9和稳定翼10组成；

所述碳纤维蒙皮2包裹住其他所有框架载体及系统，机器人外形呈梭形；

所述稳定翼10位于机器人两侧，分别呈十字形固定，耐压舱9由铝合金耐压壳及框架3固定于机器人的中段，浮力材8包裹住耐压舱9。

进一步地，

所述主控系统由主控机及其他电子元器件组成，主控系统基于PC104总线的工控机及 VxWorks操作系统；操作系统内置于主控机中，主控系统安装于铝合金耐压壳及框架3中。

进一步地，

所述能源系统由可充电锂电池组成，安装于铝合金耐压壳及框架3中。

进一步地，

所述推进与操纵系统由首尾呈十字形布置的8台推进器11组成，单台推进器最大前向推力16kgf、后向推力10kgf。

进一步地，

所述通信系统利用无线局域网WiFi实现数据上传与指令下载，预留有线网络和光纤接口，下水/上岸后利用WiFi开启/关闭机器人主控系统。

进一步地，

所述导航与定位系统由测距声呐5组成，首尾交叉分布于机器人两端，实现机器人在隧洞横截面内的定位；采用惯导系统INS和声学多普勒速度仪DVL组合来实现对水下机器人沿隧洞轴线方向的导航定位。

进一步地，

所述任务系统由灯组6，摄像头7，前视声纳1和多波束声纳4组成；

沿艇体最大直径周向均布5个高清摄像机7和灯6，机器人在隧洞内航行时对周向洞壁观测录像，回收后进行数据处理，通过比对像素点确认裂缝尺度。

一种应用于输水隧洞检测机器人的控制方法：

步骤1：输水隧洞检测水下机器人搭载在承载小车上驶入支洞，直至相应传感器完全浸没在水中，利用WiFi开启机器人主控系统，机器人进行自检；

步骤2：机器人进入水中后，利用导航与定位系统自动规划出进洞路线，通过推进器 11调整姿态进入主洞，漂流方式下进行检测；

步骤3：机器人分别在隧洞的左侧、隧洞底部、近水面侧以及右侧巡航探测，利用搭载的水下高清摄像头7获取隧洞侧壁表面图像信息，检测隧洞内混凝土裂缝，洞内异物；

步骤4：当机器人在巡检过程中检测到裂缝，会将裂缝的信息，即裂缝在隧洞中的位置，裂缝的大小和形状等存储在系统中；

步骤5：当机器人行进至出洞口时，机器人利用导航与定位系统自动规划出洞路线，通过推进器11调整姿态，使艏向顺着出口方向，驶向支洞中的回收小车；

步骤6：机器人由小车装载，驶离支洞，在岸上将采集到的数据传输给电脑；对机器人采集到的数据进行处理，完成巡查探测任务。

本发明有益效果

(1)本发明所述水下机器人具有长距离、多模运动模式、输水隧洞跟踪控制与规划、光学与声纳融合集成检测能力等，可完成输水隧洞裂缝、洞内异物等缺陷检测作业，将成为国内首型输水隧洞自主检测机器人系统；

(2)利用本发明所述水下机器人对输水隧洞进行检测可以在不改变输水隧洞的工作状态的前提下随时进行，机器人对隧洞内壁可实现抵近观察，利用水下摄像头及声纳等声光探测设备可实现对内壁微小缺陷的捕捉，同时通过一系列控制算法可保证隧洞检测区域的全覆盖，既节省大量的人力、物力、财力，又方便灵活，不影响城市生活用水。

附图说明

图1为本发明的水下机器人结构示意图；其中1前视声纳，2碳纤维蒙皮，3铝合金耐压壳及框架，4多波束声纳，5测距声纳，6灯组，7摄像头，8浮力材，9耐压舱，10 稳定翼，11八个推进器；

图2为基于水下机器人隧洞自主检测流程；

图3为本发明的水下机器人的硬件结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1至图3；

具体实施方式一：

耐压舱由5A06铝合金管材加工而成，表面进行防水氧化处理，并配有肋骨加强结构，利用轴向密封的方式用O形圈密封，能够承受200米水深压力。耐压舱内承载主控系统和能源系统，由开发板、电源串口以及各种电路系统组成，以实现防水和隔绝水下压力。主控系统用于控制机器人作业及收发指令、能源系统用于为机器人作业提供能源。

本实施方案中金属框架由5A06铝合金型材通过车、铣、钻、焊、线切割等工艺加工而成，呈框架式的梭形结构，用于承载机器人作业设备。前视声纳布置于机器人最前端，用于探测机器人前进方向的环境；多波束声纳布置于机器人顶部稍靠前的位置，摄像头和灯组位于其后，周向排列，用于探测隧洞内部情况；机器人首尾交叉布置4个测距声纳用于机器人在隧洞内的定位。

一种输水隧洞检测机器人，所述机器人包括载体系统，主控系统，能源系统，推进与操纵系统，通信系统，导航与定位系统以及任务系统；

所述主控系统，能源系统，推进与操纵系统，通信系统，导航与定位系统，任务系统均安装在所述载体系统内。

所述载体系统由碳纤维蒙皮2，铝合金耐压壳及框架3，浮力材8，耐压舱9和稳定翼10组成；

所述碳纤维蒙皮2包裹住其他所有框架载体及系统，机器人外形呈梭形；以梭形结构覆盖住机器人框架及其所承载的设备，以减小阻力和提高抗流能力。

所述稳定翼10位于机器人两侧，分别呈十字形固定，耐压舱9由铝合金耐压壳及框架3固定于机器人的中段，浮力材8包裹住耐压舱9。浮力材切割成特定形状被框架固定于耐压舱周围，实现机器人的浮态调节。

所述主控系统由主控机及其他电子元器件组成，主控系统基于PC104总线的工控机及 VxWorks操作系统；操作系统内置于主控机中，主控系统安装于铝合金耐压壳及框架3中。

所述能源系统由可充电锂电池组成，安装于铝合金耐压壳及框架3中。

所述推进与操纵系统由首尾呈十字形布置的8台推进器11组成，单台推进器最大前向推力16kgf、后向推力10kgf。可实现机器人多个自由度的运动。

所述通信系统利用无线局域网WiFi实现数据上传与指令下载，预留有线网络和光纤接口，下水/上岸后利用WiFi开启/关闭机器人主控系统。

所述导航与定位系统由测距声呐5组成，首尾交叉分布于机器人两端，实现机器人在隧洞横截面内的定位；采用惯导系统INS和声学多普勒速度仪DVL组合来实现对水下机器人沿隧洞轴线方向的导航定位。

所述任务系统由灯组6，摄像头7，前视声纳1和多波束声纳4组成；

沿艇体最大直径周向均布5个高清摄像机7和灯6，机器人在隧洞内航行时对周向洞壁观测录像，回收后进行数据处理，通过比对像素点确认裂缝尺度。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式发明所述水下机器人跟踪控制方法为：机器人近壁面航行时会受到壁面效应的干扰，隧洞内水流也会对机器人的控制产生不可忽略的干扰，采用基于干扰观测与补偿的跟踪控制方法，实现在近壁面及大流速条件下对墙壁的稳定跟踪。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式发明所述水下机器人最优路径规划方法为：输水隧洞内一般距离较远，支洞较多，检测周期较长，为了实现对检测区域的全覆盖，需要研究机器人最优路径规划方法研究，提高检测效率，降低检测成本。为了避免机器人驶入错误的支洞，采用基于光视觉的支洞口检测与识别方法，实时构建隧洞地图数据，实现机器人在隧洞内的精准定位与准确出入洞。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式发明所述水下机器人缺陷识别方法为：隧洞内水质浑浊，照度低，壁面凹凸不平，特征不明显，常规图像识别手段难以对洞壁缺陷进行识别，采用特殊环境下图像数据处理方法，基于洞壁缺陷数据集构建缺陷识别机器学习算法，实现恶劣环境下对洞壁缺陷的实时检测与标记。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本发明所述水下机器人使用的具体流程如下：

一种应用于输水隧洞检测机器人的控制方法：

步骤1：输水隧洞检测水下机器人搭载在承载小车上驶入支洞，直至相应传感器完全浸没在水中，利用WiFi开启机器人主控系统，机器人进行自检；

步骤2：机器人进入水中后，利用导航与定位系统自动规划出进洞路线，通过推进器 11调整姿态进入主洞，漂流方式下进行检测；

步骤3：机器人分别在隧洞的左侧、隧洞底部、近水面侧以及右侧巡航探测，利用搭载的水下高清摄像头7获取隧洞侧壁表面图像信息，检测隧洞内混凝土裂缝，洞内异物；

步骤4：当机器人在巡检过程中检测到裂缝，会将裂缝的信息，即裂缝在隧洞中的位置，裂缝的大小和形状等存储在系统中；

步骤5：当机器人行进至出洞口时，机器人利用导航与定位系统自动规划出洞路线，通过推进器11调整姿态，使艏向顺着出口方向，驶向支洞中的回收小车；

步骤6：机器人由小车装载，驶离支洞，在岸上将采集到的数据传输给电脑；对机器人采集到的数据进行处理，完成巡查探测任务。

以上对本发明所提出的一种输水隧洞检测机器人及其控制方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种应用于输水隧洞检测机器人的控制方法，其特征在于：

所述机器人包括载体系统，主控系统，能源系统，推进与操纵系统，通信系统，导航与定位系统以及任务系统；

所述主控系统，能源系统，推进与操纵系统，通信系统，导航与定位系统，任务系统均安装在所述载体系统内；

步骤1：输水隧洞检测水下机器人搭载在承载小车上驶入支洞，直至相应传感器完全浸没在水中，利用WiFi开启机器人主控系统，机器人进行自检；

步骤2：机器人进入水中后，利用导航与定位系统自动规划出进洞路线，通过推进器(11)调整姿态进入主洞，漂流方式下进行检测；

步骤3：机器人分别在隧洞的左侧、隧洞底部、近水面侧以及右侧巡航探测，利用搭载的水下高清摄像头(7)获取隧洞侧壁表面图像信息，检测隧洞内混凝土裂缝，洞内异物；

步骤4：当机器人在巡检过程中检测到裂缝，会将裂缝的信息，即裂缝在隧洞中的位置，裂缝的大小和形状存储在系统中；

步骤5：当机器人行进至出洞口时，机器人利用导航与定位系统自动规划出洞路线，通过推进器(11)调整姿态，使艏向顺着出口方向，驶向支洞中的回收小车；

步骤6：机器人由小车装载，驶离支洞，在岸上将采集到的数据传输给电脑；对机器人采集到的数据进行处理，完成巡查探测任务。

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

所述载体系统由碳纤维蒙皮(2)，铝合金耐压壳及框架(3)，浮力材(8)，耐压舱(9)和稳定翼(10)组成；

所述碳纤维蒙皮(2)包裹住其他所有框架载体及系统，机器人外形呈梭形；

所述稳定翼(10)位于机器人两侧，分别呈十字形固定，耐压舱(9)由铝合金耐压壳及框架(3)固定于机器人的中段，浮力材(8)包裹住耐压舱(9)。

3.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

所述主控系统由主控机及其他电子元器件组成，主控系统基于PC104总线的工控机及VxWorks操作系统；操作系统内置于主控机中，主控系统安装于铝合金耐压壳及框架(3)中。

4.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

所述能源系统由可充电锂电池组成，安装于铝合金耐压壳及框架(3)中。

5.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

所述推进与操纵系统由首尾呈十字形布置的8台推进器(11)组成，单台推进器最大前向推力16kgf、后向推力10kgf。

6.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

所述通信系统利用无线局域网WiFi实现数据上传与指令下载，预留有线网络和光纤接口，下水/上岸后利用WiFi开启/关闭机器人主控系统。

7.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

所述导航与定位系统由测距声呐(5)组成，首尾交叉分布于机器人两端，实现机器人在隧洞横截面内的定位；采用惯导系统INS和声学多普勒速度仪DVL组合来实现对水下机器人沿隧洞轴线方向的导航定位。

8.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

所述任务系统由灯组(6)，摄像头(7)，前视声纳(1)和多波束声纳(4)组成；

沿艇体最大直径周向均布5个高清摄像机(7)和灯(6)，机器人在隧洞内航行时对周向洞壁观测录像，回收后进行数据处理，通过比对像素点确认裂缝尺度。

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