一种城市排水管道检测与清淤智能机器人及工作方法与流程

1.本发明属于城市排水管道检测与清淤技术领域，更具体地，涉及一种城市排水管道检测与清淤智能机器人及工作方法。


背景技术：

2.随着城市规模的扩张和城市人口的不断增多，城市污水体量越来越大；现有污水管道长期处于峰值高负荷运转状态，造成管道淤积、管网破裂损坏等一系列问题。因此，作为城市的重要基础设施，在长期运营过程中，需要定期进行排水管道结构本体安全和污水浓度的检测、排水管道结构附着淤泥清除工作，避免排水管道发生衬砌掉落、淤泥沉积堵塞以及污水浓度未达标排放等质量安全问题，影响城市排水管道的蓄污排污能力。
3.目前，为保障清淤作业的安全性，提高清淤工作的效率，相应的清淤机器人逐渐替代人工作业。然而，随着城市排水管道规模的不断扩张，管道内部场景的日愈复杂化，现有的清淤机器人功能比较单一，难以满足水上水下一体化结构安全检测与清淤工作。
4.并且，由于城市排水管道环境复杂，可能会存在无水管道、半水管道、满水管道，还可能会存在枯水淤积物板结等多种不同的工况，现有的清淤机器人不能满足城市排水管道多工况的检测与清淤需求。同时，现有的清淤机器人不能实现定量化精细清淤，可能存在机器人定位不准确、淤泥清理不彻底等缺陷；并且，城市排水管道还具有全封闭及弱信号的特性，使得现有的清淤机器人不能完全满足城市排水管道检测与清淤的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种城市排水管道检测与清淤智能机器人及工作方法，其目的在于提出一种能够实现城市排水管能够实现精细化定量清淤作业的智能机器人。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种城市排水管道检测与清淤智能机器人，包括：机器人本体以及搭载于机器人本体上的排水管道内部环境探测装置、清淤作业装置、机器人无先验环境下同步定位装置；
7.所述排水管道内部环境探测装置包括搭载于机器人本体上的第一环扫声呐及浑水摄像机；
8.所述清淤作业装置用于清除淤积物；
9.所述机器人无先验环境下同步定位装置，包括第二环扫声呐、浑水摄像机、陀螺仪、计米器及位置获取模块；所述第二环扫声呐用于扫描排水管道内的环形截面点云信息，所述浑水摄像机用于拍摄排水管道内的图像信息，所述陀螺仪用于记录机器人的姿态信息，所述计米器用于测量机器人的行进距离信息；所述位置获取模块用于通过边缘计算和特征提取，得到机器人的位置信息；
10.其中，所述位置获取模块包括：
11.环境特征识别单元，用于通过边缘计算和特征提取将所述环形截面点云信息、图
像信息、姿态信息及行进距离信息进行数据融合，识别出机器人不同时刻所处的环境特征；
12.轨迹线生成单元，用于当机器人运行一段轨迹后，将轨迹上的所有环境特征顺序连接，得到机器人行进的轨迹线；
13.位置信息输出单元，用于将所述轨迹线与排水管道的gis图进行比对，得到机器人的实时位置信息。
14.进一步地，所述机器人无先验环境下同步定位装置还包括三维建图模块，用于将所述机器人行进的轨迹线与所述环形截面点云信息进行匹配，得到排水管道内部的三维模型。
15.进一步地，所述清淤作业装置包括搭载于机器人本体前部的铰刀和机器人后部的抽淤口；工作状态下，机器人下放铰刀，打散原位的淤泥，通过抽淤口将淤泥抽出；枯水期淤泥板结时，机器人通过抽淤口进行反向冲水，利用铰刀旋转清除淤积物。
16.进一步地，所述第一环扫声呐和第二环扫声呐为同一个环扫声呐。
17.进一步地，还包括机器人水中行走装置，所述机器人水中行走装置包括伺服直流电机、行星齿轮减速器及行进式履带，所述伺服直流电机的输出轴与所述行星齿轮减速器连接，所述行星齿轮减速器设置在所述行进式履带上。
18.进一步地，所述排水管道内部环境探测装置还包括搭载于机器人本体上的推杆。
19.进一步地，还包括机器人通讯控制装置及机器人物联网系统，所述机器人通讯控制装置包括水下光纤及控制器，所述机器人物联网系统包括路由器和地面上位机；所述控制器通过所述水下光纤与所述地面上位机连接，所述路由器与所述水下光纤连接。
20.进一步地，所述机器人为多台，多台所述机器人均与所述机器人物联网系统连接。
21.按照本发明的另一方面，提供了一种如第一方面任意一项所述的机器人工作方法，包括：
22.通过浑水摄像机拍摄排水管道内的作业环境，通过第一环扫声呐探测排水管道结构本体以及附着淤积物情况；
23.工作状态下，机器人下放铰刀，打散原位的淤泥，通过抽淤口将淤泥抽出；枯水期淤泥板结时，机器人通过抽淤口进行反向冲水，利用铰刀旋转清除淤积物；
24.通过所述第二环扫声呐扫描排水管道内的环形截面点云信息，通过所述浑水摄像机拍摄排水管道内的图像信息，通过所述陀螺仪记录机器人的姿态信息，通过所述计米器测量机器人的行进距离信息；
25.通过边缘计算和特征提取将所述环形截面点云信息、图像信息、姿态信息及行进距离信息进行数据融合，识别出机器人不同时刻所处的环境特征；
26.当机器人运行一段轨迹后，将轨迹上的所有环境特征顺序连接，得到机器人行进的轨迹线；
27.将所述轨迹线与排水管道的gis图进行比对，得到机器人的实时位置信息。
28.进一步地，还包括将所述机器人行进的轨迹线与所述环形截面点云信息进行匹配，得到排水管道内部的三维模型。
29.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
30.(1)本发明通过采用第二环扫声呐环扫管道内的二维环形截面信息，并结合浑水摄像机、陀螺仪及计米器，通过位置获取模块，实现机器人在排水管道内无先验环境下的精
准同步定位，基于该定位信息，可以使得机器人进行指定位置的精准检修及清淤；需要强调的是，本发明采用第一环扫声呐进行管道内环境的探测，采用第二环扫声呐来实现机器人在管道环境中的精准定位，在本领域技术人员的常规认知中，声呐多用于探测，而本发明确还将其应用在排水管道这一特殊的环境中的定位上；并且相比传统的三维多波束声呐体积较大，不适合管道内部环境，本发明采用的环扫呐体积小，能够适应排水管道特殊的应用环境需求。
31.(2)进一步地，本发明的机器人可以在清淤的同时进行三维建模，将机器人的位置信息与第二环扫声呐获得管道内的二维环形截面点云信息进行匹配，可以构建排水管道内部的三维模型，机器人根据该三维模型可以实现定量化清淤及精细化作业，提升清淤效率；同时，建立的管道三维模型可以用于后续的管道运维等。
32.(3)进一步地，通过载于机器人本体前部的铰刀和机器人后部的抽淤口可以实现管道内有水时及枯水淤泥板结时的淤泥清理；通过第一环扫声呐及浑水摄像机可以获取排水管道内的工况，进而根据不同的工况进行不同的作业模式，可以满足排水管道内多工况的需求。
33.(4)进一步地，本发明的机器人可以设置多台，多台机器人同时进行检修和清淤，提升工作效率。
附图说明
34.图1为本发明实施例的城市排水管道检测与清淤智能机器人系统框架示意图；
35.图2是本发明实施例的智能机器人立体结构示意图。
36.图3是本发明实施例的智能机器人结构侧视图。
37.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
38.1-铰刀；2-第一声呐；3-水下探照灯；4-浑水摄像机；5-污水浓度检测装置；6-行进式履带；7-姿态自适应模块；8-推杆；9-检修接口；10-抽淤口。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
40.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
41.如图1-3所示，本发明优选的一种城市排水管道检测与清淤智能机器人，主要包括：机器人本体以及搭载于机器人本体上的排水管道内部环境探测装置、清淤作业装置及机器人无先验环境下同步定位装置；
42.本实施中，机器人主体部分为水密舱，主要电路及控制器均设于水密舱中，水密舱中设有检修接口9，与外部器件的连接则通过水密接插件、水下光纤线缆实现。
43.排水管道内部环境探测装置用于获取管道内部的工况，包括搭载于机器人本体上的第一环扫声呐2、水下探照灯3和浑水摄像机4；作为优选，机器人搭载前置和后置浑水摄
像机，用于管道内作业环境的清晰成像，每个浑水摄像机搭配一个水下探照灯辅助照明，第一声环扫声呐位于机器人本体前端，用于排水管道结构本体以及附着淤积物情况的轮廓成像；
44.清淤作业装置包括搭载于机器人本体前部的铰刀1和机器人后部的抽淤口10，工作状态下机器人下放铰刀，打散原位的淤泥，之后通过抽淤口连接的抽淤泵将淤泥抽出，过滤后原位水排回管道；枯水期淤泥板结时，机器人设有冲水作业模式，机器人可以通过抽淤口进行反向冲水，利用铰刀旋转清除淤积物；由于淤积物本身有一定的垫高作用，本实施例中铰刀的底面略低于履带底盘的底面，工作时铰刀自然贴地工作。清淤作业装置还包括抽淤泵；当铰刀的叶片正反转产生推力和吸力将铲松的淤积物打散聚拢至抽淤口时，通过抽淤泵抽出淤积物。
45.机器人无先验环境下同步定位装置，包括设置在机器人本体内部的陀螺仪、设置在机器人本体上的计米器、设置在机器人本体上的浑水摄像机、设置在机器人本体前端第二环扫声呐及位置获取模块；作为优选，计米器设置在机器人本体的尾部，浑水摄像机设置在机器人本体的前端和后端。浑水摄像机用于拍摄管道内的图像信息，第二环扫声呐发射和接收目标回波，用于扫描管道内的二维环形截面点云信息，陀螺仪用于记录机器人的姿态信息，计米器用于测量机器人的行进距离信息；基于浑水摄像机拍摄的图像信息、第二环扫声呐扫描得到的管道内部的二维环形截面点云信息，陀螺仪记录的机器人姿态信息以及计米器测量的机器人的行进距离信息；位置获取模块用于通过边缘计算和特征提取，实时定位机器人位置。进一步地，将机器人的实时位置信息与第二环扫声呐获得管道内的二维环形截面点云信息进行匹配，可以构建排水管道内部的三维模型；当管道指定位置有了需要检修的裂缝或者需要清淤时，可以快速定位机器人的位置到指定位置检修或清淤；其中，陀螺仪设置在机器人内部，包括惯导传感器imu，用于获取机器人行进的加速度。
46.具体地，位置获取模块包括：
47.环境特征识别单元，用于通过边缘计算和特征提取将浑水摄像机拍摄的图像信息、第二环扫声呐扫描得到的管道内部的二维环形截面点云信息，陀螺仪记录的机器人姿态信息以及计米器测量的机器人的行进距离信息进行数据融合，识别出机器人不同时刻所处的环境特征；
48.轨迹线生成单元，用于当机器人运行一段轨迹后，将轨迹上的所有环境特征点进行顺序连接，得到机器人行进的轨迹线；
49.位置信息输出单元，用于将轨迹线与管道的gis图进行比对，得到机器人的实时位置信息。
50.机器人无先验环境下同步定位装置还包括三维建图模块，用于将机器人行进的轨迹线与第二环扫声呐扫描得到的管道内的二维环形截面点云信息进行匹配，运用即时定位与地图构建技术，得到排水管道内部的三维模型。
51.本发明的机器人还包括：机器人通讯控制装置和机器人物联网系统；
52.机器人通讯控制装置，包括水下光纤线缆及控制器，控制器通过水下光纤线缆与地面上位机控制平台连接，用于控制各个装置；其中，控制器的输入端口还分别与浑水摄像机、第一环扫声呐、第二环扫声呐、陀螺仪及计米器连接。
53.机器人物联网系统，包括路由器和地面上位机控制平台，机器人通讯控制装置中
的水下光纤线缆与路由器连接，可以通过无线传输的方式远端操控机器人作业，同时，机器人可以将运作信息回传至远端平台，进行进一步的数据分析。
54.排水管道内部环境探测装置还包括搭载于机器人本体上的推杆8，当机器人处于浅水环境时，推杆可以推动水下探照灯和浑水摄像机拍摄水面上的管道信息，适应排水管道内部复杂环境条件下的水上和水下检测作业。结合第一声呐扫描得到的点云信息，通过点云扫描去噪成像技术生成污水面上方排水管道结构及附着淤积物轮廓图像。同时，推杆还可以扩大摄像范围。作为优选，推杆设置在第一环扫声呐及第二环扫声呐的尾部，第一环扫声呐及第二环扫声呐位于铰刀的后端，可以用于保护声呐。
55.清淤作业装置中的铰刀由双电机驱动，通过叶片正反转产生推力和吸力的方式，将淤泥聚拢至机器人中部的抽淤口，提高清淤效率。
56.作为优选，还包括设置在机器人本体上污水浓度检测装置5，用于监测污水浓度，可以及时掌控管道内污水的污染程度，通过物联网系统，将信息实时传送至污水厂，便于污水厂的精准配药管理，节约污水处理成本。
57.作为优选，第一环扫声呐和第二环扫声呐可以是同一个环扫声呐，同时用于作业环境探测和机器人水中定位。
58.机器人无先验环境下同步定位装置还包括姿态自适应模块7，用于实现机器人吊装下水过程中按照预设的姿态对机器人进行姿态校准和纠偏；此外，机器人在复杂环境下作业时，可以自动进行机器人姿态校准，保证机器人行进过程的稳定性。
59.还包括机器人水中行走装置，机器人水中行走装置包括伺服直流电机、行星齿轮减速器及行进式履带6，伺服直流电机的输出轴与行星齿轮减速器连接，行星齿轮减速器设置在行进式履带上。通过伺服直流电机带动行星齿轮减速器驱动履带，从而提供前后行走的推力。同时，通过控制两个履带上的伺服直流电机的旋转速度，可以实现机器人的原地左右转弯，增强机器人的适用性。
60.本发明中的机器人搭配有配套的升降支架，通过适合井口大小的升降支架，帮助运送机器人至管道内部，结合姿态自适应模块调整机器人姿态，保证机器人能够顺利开始作业。
61.本发明的城市排水管道检测与清淤智能机器人在工作时，通过浑水摄像机拍摄排水管道内的作业环境，通过第一环扫声呐探测排水管道结构本体以及附着淤积物情况；
62.工作状态下，机器人下放铰刀，打散原位的淤泥，通过抽淤口将淤泥抽出；枯水期淤泥板结时，机器人通过抽淤口进行反向冲水，利用铰刀旋转清除淤积物；
63.通过第二环扫声呐扫描排水管道内的环形截面点云信息，通过浑水摄像机拍摄排水管道内的图像信息，通过陀螺仪记录机器人的姿态信息，通过计米器测量机器人的行进距离信息；
64.通过边缘计算和特征提取将环形截面点云信息、图像信息、姿态信息及行进距离信息进行数据融合，识别出机器人不同时刻所处的环境特征；
65.当机器人运行一段轨迹后，将轨迹上的所有环境特征顺序连接，得到机器人行进的轨迹线；
66.将轨迹线与排水管道的gis图进行比对，得到机器人的实时位置信息。
67.具体地，通过排水管道内部环境探测装置的第一环扫声呐、水下探照灯和浑水摄
像机检测城市排水管道结构本体及内部沉积淤积物情况；根据排水管道内部环境探测装置的探测情况，启动机器人清淤作业装置的推进器，通过铰刀和抽淤泵清除淤积物；通过机器人无先验环境下同步定位装置，实现机器人的精准定位和实时管道三维建模；通过回传至终端平台的数据，帮助实现城市排水管道的智慧运维。
68.在清淤过程中，机器人通讯控制装置可以预设机器人清淤任务，通过内置软件自动执行清淤轨迹路线，完成城市排水管道自动检测与清淤作业。
69.机器人物联网系统可以实现机器人的远端操作，通过机器人本体装配的无先验环境下同步定位与建图装置，可以实时监控机器人的作业进程。同时，通过机器人回传的信息，能够构建城市排水管网的三维模型，助力城市的智慧运营。
70.在本发明的具体实施例中，排水管道内部环境探测装置可以实现污水面下方排水管道检测和污水面上方排水管道检测；
71.(1)污水面下方排水管道检测：针对城市排水管道污水面下方排水管道信息，通过在智能机器人前方安装第一环扫声呐及浑水摄像机，安装方式为螺丝铆接，进而对排水管道结构本体以及附着淤积物情况进行检测；浑水摄像机配有水下探照灯，通过自带的图像增强技术辅助声呐进行污水下方模糊场景的检测，进而获取污水面下方排水管道信息；第一环扫声呐利用声波在水中不同目标物体的传播特性，通过三维扫描成像系统，对排水管道结构本体以及附着淤积物情况的轮廓进行图像显示，获取浑水摄像机无法拍摄到的排水管道信息，进而感知污水面下方排水管道结构本体以及附着淤积物情况。
72.(2)污水面上方排水管道检测：智能机器人通过推杆将水下探照灯和浑水摄像机推送至污水面上方，结合第一环扫声呐扫描得到的点云数据，运用点云去噪技术和图像合成技术，开展污水面上方排水管道检测。具体操作步骤如下：首先，利用智能机器人上搭载的第一环扫声呐对排水管道进行扫描，判断管道是否为满管状态；若非满管状态，利用推杆将水下探照灯和浑水摄像机推送至污水面上方，直接拍摄污水面上方排水管道结构；其中，水下的管道结构仍然采用声呐进行探测成像，运用图像增强技术进行水下和水上图像融合处理，从而检测污水面上方排水管道结构本体是否存在裂缝以及衬砌掉落，同时可以检测排水管道结构表面的附着淤积物情况。
73.在利用排水管道内部环境探测装置获取到排水管道结构表面的附着淤泥情况之后，采用高功率铰刀 抽淤泵的形式，通过铰刀将淤泥松动并打散，再利用抽淤泵吸除淤泥。具体操作如下：首先，利用贴地铰刀将淤泥铲松；然后，通过2个800w防水电机驱动的推进叶片产生推力和吸力将铲松的淤泥聚拢至抽吸口；最后，利用抽淤泵将扬起的淤泥吸走。此外，机器人还内置有冲水作业模块，当检测到管道内为无水状态或水位较低时，机器人通过抽吸口反向冲水，配合铰刀旋转铲松淤泥，从而将淤泥冲刷至检修井。
74.机器人通讯控制装置采用光纤传输 自动巡航技术实现智能机器人的通讯控制，可以预设机器人清淤任务，通过组网编组和内置作业模块自动执行预先设置轨迹路线，完成城市排水管道自动检测与清淤作业，有利于多机器人分布式作业，大大提高检测与清淤作业效率。同时，机器人配备有物联网系统，通过云端互联技术，可以实现机器人的远端操作，通过机器人本体装配的无先验环境下同步定位与建图装置，可以实时监控机器人的作业进程。同时，通过机器人回传的信息，能够构建城市排水管网的三维模型，助力城市的智慧运营。具体操作步骤如下：采用微重力高强度线缆，利用表面发泡材料使线缆在水中重力
微大于浮力，内部植入凯夫拉纤维线或钢丝绳保证线缆有足够的强度，从而保障智能机器人在污水传输排水管道中的通讯；另外，可以设置多台机器人，多台机器人之间与机器人物联网系统连接，优选为无线连接，通过机器人自动调用清淤作业装置的模块，结合组网编组的方式自动执行预先设置轨迹路线，满足多台机器人同时作业的需求，完成城市排水管道检测与清淤作业，提升检测与清淤效率。
75.机器人物联网系统采用光纤传输和无线路由器的形式，可以将远端平台控制指令传送至机器人控制器，实现机器人的云端操作。同时，机器人可以将检测和清淤数据实时回传至终端，以便清淤工作的优化安排。具体操作步骤如下：当机器人采用远端操纵模式时，机器人根据排水管道内部环境探测装置感知管道内部状况，通过物联网系统回传至远端平台，远端平台根据内置程序判断是否需要执行作业。当需要执行作业时，平台下达指令运转清淤作业装置和污水浓度检测装置等指令；作业完成后，将完成后管道内部检测情况和污水浓度情况回传平台，进行下一步处理，可以实现城市排水管道的远程检测与清淤作业。
76.本发明的城市排水管道检测与清淤智能机器人及其工作方法，能够实现对排水管道结构安全、排水管道内部附着淤泥的一体化检测和清淤工作，并构建城市排水管网模型，以便及时发现与处理排水管道结构安全及淤泥沉积堵塞问题，实现精准清污，提高城市排水管道的蓄污、排污效率，促进城市污水排水管道检测与清淤作业的智能化、规范化发展。
77.本发明中，为了解决城市排水管道环境复杂，存在多工况的情况，在无水管道条件下，机器人本体搭载的浑水摄像机和水下探照灯可以直接拍摄管道内部工况，机器人通过排水管道内部环境探测装置内设置的预识别模块，选择无水作业模式，通过下放的铰刀铲除管道内部的淤积物。
78.在半水环境下，当水位较浅尚未没过浑水摄像机时，机器人作业模式同无水管道条件下的作业模式，当水位较深没过浑水摄像机时，预识别模块识别出该工况，开启机器人第一环扫声呐和第二环扫声呐，机器人推杆将浑水摄像机推至水面上方，此时，浑水摄像机拍摄管道内水面上方的图像信息，第一声环扫声呐用于探测管道内的环境，机器人根据第一环扫声呐识别结果调动清淤作业装置进行清淤作业。同时，第二环扫声呐结合浑水摄像机及其它相关的传感器实现机器人无先验环境下同步定位与管道内部的三维建图。
79.当预识别模块识别出当前管道内处于满水环境时，机器人开启第一环扫声呐和浑水摄像机，其中浑水摄像机起辅助作用，拍摄管道内部环境，第一环扫声呐起主要作用，用于实现管道环境的探测；同时，配合外接上位机可以实现管道的自动三维建模。而针对管道内淤泥的含水量情况，机器人的作业模式也分为两种，当管道内有水时，机器人通过铰刀打散聚拢淤积物，通过抽吸的方式清除淤积物；当识别管道内淤积物板结时，机器人选用冲洗的方式，湿润松散后用铰刀打散淤泥。
80.针对现有的清淤机器人不能实现定量化精细清淤，可能存在机器人定位不准确、淤泥清理不彻底等缺陷的问题，本发明通过机器人无先验环境下同步定位装置，基于slam技术，实现机器人的精准定位。相比传统的三维多波束声呐体积较大，不适合管道内部环境，本发明通过采用第二环声呐环扫管道内的二维环形截面，并结合相关的传感器，实现机器人在管道内的精准定位；基于该定位信息，可以使得机器人进行指定位置的精准检修和清淤。另外，本发明的机器人可以在清淤的同时进行建模，根据机器人的位置信息与第二环扫声呐获得管道内的二维环形截面点云信息进行匹配，在第二环扫声呐获得的二维管道截
面信息的基础上，加上机器人的空间坐标和时间信息，可以构建排水管道内部的三维模型，机器人根据该三维模型可以检测出相应位置处的淤泥的深度，自动选择合适的功率进行精细化作业，实现定量化清淤，提升清淤效率。同时，建立的管道三维模型可以用于后续的管道运维等。
81.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。