一种输水隧洞水下检测与处置机器人及其使用方法与流程

1.本发明涉及水下机器人检测及处置技术领域，具体公开了一种输水隧洞水下检测与处置机器人及其使用方法。


背景技术：

2.由于我国水资源地理分布不均匀，存在南多北少的情况，因此调水输水工程，城市引水工程日益增加。在大范围的跨流域的引水工程中，输水建筑物大多采用输水隧洞的形式，穿过山脉引水。输水隧洞建成运行后，水流的长期冲刷会造成洞内结构破损，地震、地质、洪涝等自然灾害也会带来更严重的破坏，需要定期检测与维护。
3.由于隧洞内部常年存在高流速水流，现有的检测处置方法主要采用停水排空人工检测处置、或者人员潜水检测处置或水下机器人检测：停水检测处置成本较高，对人民生活生产影响巨大，非严重破损和特殊情况，不会采用；人工潜水检测与处置，由于水下环境的不确定性，考虑到潜水员的安全，一般潜水作业时间较短，作业长度有限，常仅对隧洞的入口出口检测与处置，覆盖范围有限，因而就延伸出了兼具安全性和稳定性的水下机器人。水下机器人可长时间长距离的工作，但是目前输水隧洞水下机器人基本以检测为主，且输水隧洞在运行时，水流速度可达到2米每秒以上，在此高流速下，现有机器人不具备处置能力，难以同时满足输水隧洞的不停水检测与处置。以引汉济渭工程中秦岭输水隧洞为例，全长98.3公里，设计流量70立方米每秒，过水平均流速约2.3米每秒，使用常规检测修复方法，需要断水抽干检测修复，视情况需要数周数月时间，对供水城市影响较大。目前尚无有效的水下无人修复办法，只能靠潜水员人工修复，作业时间和效率有限制，满足不了实际需求。
4.以现有国内“深之蓝”公司的南水北调长隧洞水下机器人为例，其于2020年5月完成验收，为有缆线控机器人，最长检测距离6千米，装备机械手和清洗刷，可完成清除障碍和清洗任务，适应水下作业流速为0.1米每秒。但是却存在以下缺点：1.其不具备水下破损修复功能；2.其不具备水下2米每秒以上高流速作业能力；3.其不具备浑浊水环境下检测和修复作业能力；4.不具备无缆自主检测能力。
5.以现有实际工程案例为例，四川省雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞全长约16.7km，2019年12月13日至2019年12月16日，中国电建集团使用了两台水下机器人，（一台为中船重工定制改进型 arv，另一台为美国 doe l5 定制改进型 rov 水下无人潜航器）对锦屏二级电站1号引水隧洞末端完成了检查，检测距离2千米。其检测时为静水状态，检测出混凝土掉块、开裂和横向钢筋露出等破损现象，但是机器人不具备修复能力，所以未修复。因而该工程中机器人也存在不少问题，如问题1.其不具备水下破损修复能力；2.其不具备水下2米每秒以上高流速作业能力；3.其不具备浑浊水环境下检测和修复功能。
6.综上所述，输水隧洞停水排空检测与处置代价大，人工检测与处置范围有限，目前输水隧洞水下机器人又多以检测为主，因此需要一种可在浑浊水环境下，同时兼具检测与处置的输水隧洞水下机器人，且具备水下2米每秒以上高流速作业能力。


技术实现要素：

7.本发明正是针对现有技术中的问题，提出了一种输水隧洞水下检测与处置机器人及其使用方法，包括机身本体和控制系统，机身本体内设有可伸缩收纳和可伸展至机身本体外部的作业仓，作业仓内至少包括仓内照明模块、仓内双目立体视觉模块和作业工具库，作业工具库呈圆形回转设计，通过水下机械臂可选择性的夹持作业工具库中的工具；还包括动力系统、前视检测导航模块、中部测距模块，实现机身本体的移动、位置导航与测量；机身本体上方中部设有液压杆、机身本体尾部设有脐带缆，机身本体下表面呈弧形，与隧洞壁面紧密贴合，利用收缩作业仓形成局部封闭作业空间，将高速浑浊水流隔开，同时作业工具库中设有大量工具，具有不停水稳定检测和处置作业功能，可用于输水隧洞的巡检运维。
8.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种输水隧洞水下检测与处置机器人，包括机身本体和控制系统，机身本体内设有可伸缩收纳和可伸展至机身本体外部的作业仓，作业仓上方设有作业仓上盖板，作业仓内至少包括作业工具库，仓内照明模块、仓内双目立体视觉模块，所述作业工具库呈圆形回转设计，通过水下机械臂可选择性的夹持作业工具库中的工具；还包括动力系统、前视检测导航模块、中部测距模块、所述前视检测导航模块和中部测距模块分别与动力系统相连接，通过动力系统的供给实现机身本体的移动；所述前视检测导航模块位于作业仓前部外表面上，实现机身本体的位置导航与定位；所述中部测距模块设于机身本体中部及两侧，用于测量和控制机身本体在隧洞内的位置；还包括位于机身本体上方中部的液压杆和位于机身本体尾部的脐带缆，所述液压杆呈可伸缩状，可穿过机身本体上方与隧洞壁面稳定连接，所述脐带缆分别和动力系统、前视检测导航模块、中部测距模块相连接，用于供电和数据传输；所述动力系统、作业工具库、前视检测导航模块、中部测距模块、脐带缆分别与控制系统相连接，所述机身本体下表面呈弧形，与隧洞壁面紧密贴合。
9.作为本发明的一种改进，所述所述动力系统至少包括四组垂直推进器和四组水平斜向布置推进器；所述前视检测导航模块至少包括剖面声呐，避障声纳、多普勒捷联惯导组合导航装置和摄像机。
10.作为本发明的一种改进，还包括净水系统，所述净水系统安装在作业仓内部，用于过滤作业仓内浑水。
11.作为本发明的另一种改进，所述所述作业工具库内至少包括切割模块、磨刷模块、钻孔模块、高压冲洗模块、水下处置剂模块和抹平模块。
12.为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：一种输水隧洞水下检测与处置机器人的使用方法，包括如下步骤：s1、将机器人从上下游洞口或支洞吊放至水中，开启动力系统，并对前视检测导航模块和中部测距模块设定待检测参数；s2、机器人入水后，若水质浑浊，前视检测导航模块将自动使用声纳检测和避障；若水质清澈，前视检测导航模块将使用声纳和摄像机同时检测和避障；同时，多普勒捷联惯导组合导航装置可测出机器人行驶速度和距离，用以导航定位；s3、通过前视检测导航模块，识别洞口，进入隧洞，开启自动检测，通过脐带缆实时传回检测数据，当检测到缺陷时，记录缺陷位置状态数据，并通过脐带缆再次传回，继续步
骤s4；若检测完毕无缺陷，检测停止，等待控制系统下一步指令或完成作业；s4、根据缺陷情况，由操作者通过控制系统发出指令，确认是否处置修复，若需要修复，继续步骤s5；若不需要修复，返回步骤s3继续检测；s5、启动动力系统中的垂直推进器，推动机身本体向壁面垂直运动，直到机体下表面与隧洞壁面贴合，推出作业仓和作业仓上盖板，形成静水作业空间；启动液压杆，顶到隧洞壁面，与机身形成三角稳定作业区域，将机身压紧固定在隧洞壁面上； s6、关闭推进器，进入稳定处置修复模式，开启净水过滤器，将不可视的浑浊水净化干净，达到可视作业的程度；启动水下机械臂，操作水下机械臂从工具库取出工具，对有缺陷的地方进行处置：若需要清洁时，通过水下机械臂取出清洁工具完成清洁；需要修复时，换装钻头或切割机对缺陷做处置修复前预处理；对于裂缝缺陷，使用钻头钻取灌浆孔；对于外表剥落缺陷，使用切割机割出规则区域；处理完毕后，操控机械臂换装可在水下凝固的双组份灌浆模块,进行灌浆操作；灌浆完毕后，操作机械臂换装抹平工具，将修复表面抹平；s7、等待灌浆初步固化后，开启垂直推进器，压紧机体后收回液压杆；液压杆收回后，收回作业仓和作业仓上盖板，收回过程中，将切割钻孔作业时产生的碎块，废料一并回收；s8、作业仓收回后，机器人返航至起点，出水，结束水下检测和处置。
13.与现有技术相比，本发明的隧洞检测与处置水下机器人，利用作业工具库和作业仓设计，可在输水隧洞高流速，浑浊水环境下检测与处置，将隧洞的水下检测与处置功能融为一体，解决了目前隧洞水下机器人多数只能在静水和净水环境下检测作业的问题，可实际应用在输水隧洞中，对隧洞进行全天候维护。
附图说明
14.图1为本发明的水下机器人的机身结构等轴测视图；图2为本发明的水下机器人的作业仓局部剖视图；图3为本发明的水下机器人的作业仓内部工具库示意图；图4为本发明的水下机器人的机身底面与隧洞壁面密闭贴合示意图；图5为本发明的水下机器人的液压杆三角支撑固定示意图；图6为本发明的水下机器人在检测状态时的示意图；图7为本发明的水下机器人在处置状态时的示意图；图8为本发明实施例2中水下机器人在水中静止作业时的受力分析图；图中：1、机身本体；2、液压杆；3、中部测距模块；4、作业仓上盖板；5、动力系统；6、作业仓；7、前视检测导航模块；8、脐带缆；9、仓内照明模块；10、仓内双目立体视觉模块；11、作业工具库；11
‑
1、切割模块；11
‑
2、磨刷模块；11
‑
3、钻孔模块；11
‑
4、高压冲洗模块；11
‑
5、水下处置剂模块；11
‑
6、抹平模块；12、净水系统；13、水下机械臂；14、输水隧洞示意；15、水面示意。
具体实施方式
15.以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
16.实施例1如图1及图2所示，一种输水隧洞水下检测与处置机器人，包括机身本体1、液压杆2、中部测距模块3、作业仓上盖板4、动力系统5、作业仓6、前视检测导航模块7、脐带缆8、仓内照明模块9、仓内双目立体视觉模块10、作业工具库11、净水系统12、水下机械臂13。机身本体1采用自然过渡低阻外形，机身本体1下表面呈弧形过度式设计，弧形半径与输水隧洞半径相同，可无缝贴紧壁面，机身内部装有控制系统，用以推进系统控制、检测与作业模块控制、数据处理与通讯。
17.所述作业仓6安装在机身本体1前部，作业仓6可自动控制推出、回收，用以形成封闭的处置作业空间；作业仓上盖板4覆盖在作业仓6上方，作业仓上盖板4可自动控制推出、回收，和作业仓6配合形成封闭作业空间；作业仓6推出，作业仓上盖板4回收状态下，可将作业仓6上部空间露出，便于仓内设备维护更换，及处置作业后取出废料。
18.所述作业工具库11，安装在作业仓6内部，机体凹陷空间内，作业工具库11采用圆形回转设计，搭载若干种水下处置作业工具，可将作业工具旋转至指定位置，便于水下机械臂13换装工具。
19.所述净水系统12安装在作业仓内部，机体下方，可将作业仓6内浑浊水，污染水过滤为清晰度可视度高的净水，便于作业。
20.所述水下机械臂13，固定安装在作业仓6内部，末端装有夹取装置，可用来操作换装不同作业工具模块进行作业，如图3所示。
21.所述仓内照明模块9固定安装在作业仓6内部机体凹陷空间上方，仓内双目立体视觉模块10固定在机体凹陷空间上方，位于左右安装的两个仓内照明模块9的中间位置；仓内照明模块9和仓内双目立体视觉模块10配合工作，可将水下实时立体画面传送至地面操控台，用以远程操控水下机械臂13作业。
22.所述中部测距模块3，共有4组，布置在机身左右两侧以及中部上表面，可测量机体至隧洞壁面的距离，用以检测作业时，控制机体在水中保持在恒定位置，保证检测精度。
23.所述前视检测导航模块7，模块内部包含剖面声呐，避障声纳，多普勒捷联惯导组合导航装置，高清摄像机以及照明灯；通过剖面雷达扫描剖面叠加，可实现隧洞水下部分的高精度三维建模，以检测缺陷。通过避障声纳雷达，可识别隧洞出入口，以及隧洞中的未知障碍。通过组合导航装置可实现机体高精度导航与定位，通过摄像头，可在水质清澈时辅助视觉检测以及避障；在水质浑浊时，使用声纳检测及避障；在水质清澈时，使用摄像机和声纳同时检测及避障。
24.所述动力系统5，固定在机身四周，包含4组垂直推进器，4组水平斜向推进器，可实现机体在水下空间内任意方向运动。
25.所述可伸缩液压杆2，可伸出顶到隧洞壁面，形成三角形稳定结构，将机体压紧固定，如图4及图5所示，便于形成密封空间，以及关闭动力系统后稳定作业。
26.所述脐带缆8，连接在机体尾部，用以供电以及控制信号、数据的传输。
27.检测时，如图6所示，通过前视检测导航模块，识别洞口，进入隧洞，开启自动检测，通过脐带缆实时传回检测数据，当检测到缺陷时，记录缺陷位置状态数据，并通过脐带缆再次传回，根据缺陷情况，由操作者通过控制系统发出指令，确认是否处置修复；若检测完毕无缺陷，检测停止，等待控制系统下一步指令或完成作业；
若需要修复，即如图7所示的处置状态，启动动力系统中的垂直推进器，推动机身本体向壁面垂直运动，直到机体下表面与隧洞壁面贴合，推出作业仓和作业仓上盖板，形成静水作业空间；启动液压杆，顶到隧洞壁面，与机身形成三角稳定作业区域，将机身压紧固定在隧洞壁面上；随后，关闭推进器，进入稳定处置修复模式，开启净水过滤器，将不可视的浑浊水净化干净，达到可视作业的程度；启动水下机械臂，操作水下机械臂从工具库取出工具，对有缺陷的地方进行处置。
28.本案利用作业工具库和作业仓设计，可在输水隧洞高流速，浑浊水环境下检测与处置，将隧洞的水下检测与处置功能融为一体，解决了目前隧洞水下机器人多数只能在静水和净水环境下检测作业的问题，可实际应用在输水隧洞中，对隧洞进行全天候维护。
29.实施例2如图8所示，对本案水下机器人在水中静止作业时的受力进行分析，由受力分析图可算出机器人静止作业时，适应的最大水流速度。
[0030] 图8中，p是由两根液压杆产生的合力，推杆之间夹角30
°
，即p为对机器人本体的下压力的合力，p’为其反作用力， f
s
为机器人与隧洞壁面静摩擦力，f
d
为机器人在水中所受水流阻力，本实施例中暂不考虑机器人自身质量。
[0031]
根据常理，单液压杆推力按照实际取1500(n)，算出最大下压力p=1500*cos(15
°
)*2≈2898(n)；静摩擦力计算公式为f
s
=μ*p，（μ为有水情况下，钢板与水泥表面的摩擦系数，一般取值为0.6），由此可算出最大静摩擦力f
s =0.6*2898(n)≈1739(n)。
[0032]
物体在水中所受阻力计算公式为：f
d
=1/2*c*ρ*v2*s，其中c为阻力系数，根据机器人近似形状取值为0.2；ρ为水的密度，取值为1000kg/m3；v为流体速度，这里为水的流速；s为物体截面积，这里根据机器人外形取值为1 (m2)。由于机器人在水中静止，各方向受力平衡，所以最大静摩擦力与水中阻力相等，则f
d
= f
s
，将f
d
=1739(n)带入阻力计算公式，可算出最大静摩擦力下，水流速为4.2(m/s)。
[0033]
由上，本案水下机器人适应最大水流速可以达到4.2(m/s)，在此速度下，机器人本体可以保持静止，将作业仓6贴紧隧洞壁面，作业仓内部与外部高速水流隔离，所以作业仓内部水流是静止状态，作业机械臂和作业工具库在静水中可正常作业，且水下凝固剂不会被高速水流冲散，保证了修复效果。
[0034]
结合实际案例的不足，本文所描述的水下机器人，提出了水下作业仓6、作业工具库11、液压杆2和净水系统12，实现了高流速，高浑浊水环境下的稳定检测与修复作业，解决了实际工程应用中的关键问题。
[0035]
实施例3一种检测与处置机器人的检测处置方法，包含如下步骤：s1、将机器人从上游洞口或支洞吊放至水中，地面操控人员通过脐带缆8，遥控开启动力系统5，中部测距模块3，前视检测导航模块7，开始检测作业。若水质浑浊，使用声纳检测和避障，若水质清澈，使用声纳和摄像机同时检测和避障。检测时，多普勒捷联惯导组合导航装置可测出行驶速度和距离，用以定位。
[0036]
s2、机器人入水后，通过前视避障雷达扫描得到的图像识别洞口，进入隧洞。之后设定检测长度，以隧洞入口为起点，开启机器人自动检测，通过脐带缆实时传回检测数据，检测到缺陷时，记录缺陷位置状态等数据。检测长度达到设定值后，机器人悬停，向地面操
控人员传送检测完毕指令，等待下一步指令。
[0037]
s3、若检测隧洞无缺陷，地面操控人员可下达指令返回，完成作业。若检测隧洞有缺陷，则根据缺陷情况，由相关人员确认是否处置。确定处置时，操控机器人航行到缺陷点并悬停。
[0038]
s4、启动垂直推进器，推动机器人机体向壁面垂直运动，直到机体下表面与隧洞壁面贴合。推出作业仓和上盖板，形成静水作业空间。启动液压杆，顶到隧洞壁面，与机身形成三角稳定作业区域，将机身压紧固定在隧洞壁面上，如图7所示。
[0039]
s5、关闭推进器，进入稳定处置模式，开启净水过滤器，将不可视的浑浊水净化干净，达到可视作业的程度。启动机械臂，操作机械臂从工具库取出清洁工具，对有缺陷的地方进行清洁；清洁完毕后，操作员将清洁工具放置回工具库，换装钻头或切割机对缺陷做处置前预处理。对于裂缝缺陷，使用钻头钻取灌浆孔；对于外表剥落缺陷，使用切割机割出规则区域；处理完毕后，操控机械臂换装可在水下凝固的双组份灌浆模块,进行灌浆操作。灌浆完毕后，操作机械臂换装抹平工具，将处置表面抹平。
[0040]
s6、等待灌浆初步固化后，开启垂直推进器，压紧机体后收回液压杆；液压杆收回后，收回作业仓和上盖板，由于作业仓压在底部，其收回过程中，将切割钻孔作业时产生的碎块，废料一并回收。作业仓收回后，机器人返航至起点，出水维护。以此实现检修一体，保证输水隧洞的正常运行。
[0041]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。