一种水下管道巡检机器人及巡检方法与流程

本发明涉及水下机器人领域，具体而言，涉及一种水下管道巡检机器人及巡检方法。

背景技术

水下管道网作为城市的重要组成，其质量直接影响着居民的生活。水下管道网是一个体系网络。某处存在问题或者损坏就会造成连锁反映影响整个体系。因此，需建立完善的管道检测方法和科学的养护手段对水下管道网进行定期的检查评估疏通和修复。

目前，水下管道网中管道检测采用管道监测仪，记录管道内部具体情况。但是，现有的水下管道监测仪在工作时，往往会出现监测不到位，不能全方面的监测到每个部位，需进行二次检测，提高成本。且对管道损坏处不能更进一步进行数据采集，导致技术人员对损坏部位的损坏情况进行错判，进而引发一些安全事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水下管道巡检机器人，该机器人为采用了一套集机械化与智能化为一体的机器人设备，能良好的记录水下管道内部具体情况。

本发明的另一目的在于提供一种水下管道的巡检方法，能全方面的检测到水下管道的每个部位，且改善了对水下管道损害区域不能进一步采集数据的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种水下管道巡检机器人包括：

壳体；

电源，设置在所述壳体内部，用于向所述巡检机器人供电；

图像采集装置，可转动地设置在所述壳体的前端，用于采集水下管道情况；

驱动装置，用于驱动所述巡检机器人沿预设路径移动；

若干个磁吸附装置，设置在所述壳体内部，用于将所述巡检机器人吸附固定在水下管道壁上；

传感器组件，设置在所述壳体的内部，用于监测所述巡检机器人的运动状态；

控制器，设置在所述壳体内部，分别与所述电源、所述图像采集装置、所述驱动装置、所述磁吸附装置和所述传感器组件连接，用于储存巡检信息以及控制所述巡检机器人的运动，其中，所述巡检信息包括所述巡检机器人的巡航路线以及采集到的水下管道情况。

进一步地，每个所述磁吸附装置设置在所述壳体的内壁上，并与所述电源相连接；其中，所述磁吸附装置包括线圈和铁芯，所述线圈缠绕在所述铁芯上，所述线圈连接所述电源，通电后所述铁芯产生磁性。

进一步地，所述壳体外壁上设置有减震胶垫，且所述减震胶垫与所述磁吸附装置的吸附位点相对应。

进一步地，所述传感器组件包括超声传感器和加速度传感器；所述超声传感器设置在所述壳体内壁上，用于监测所述巡检机器人与水下管道的距离；所述加速度传感器设置在所述控制器上，用于监测所述巡检机器人的移动速度与移动距离。

进一步地，还包括设置在所述壳体内部的若干个支架管，所述支架管具有用于容纳电线和通信线的空腔。

进一步地，所述控制器包括：数据处理模块和数据存储模块；所述数据处理模块用于根据所述巡检信息发出控制信号控制所述巡检机器人运动；所述数据存储模块用于存储所述巡检信息；所述控制器还包括电源余量监测模块，用于监测电源余量，并根据监测到的电源余量信号发送返航信号至所述巡检机器人。

进一步地，所述控制器还设有防水外壳。

进一步地，所述驱动装置包括方位控制装置和推进装置，所述方位控制装置包括周设在所述壳体内的多个第一螺旋桨和驱动所述第一螺旋桨转动的第一驱动件，每个所述第一螺旋桨正对的所述壳体位置均开设有窗口；所述推进装置包括设置于所述壳体的尾端的第二螺旋桨和驱动所述第二螺旋桨转动的第二驱动件。

进一步地，所述壳体呈仿导弹形状，包括依次连接的头部、中间部和尾部；所述头部为半圆球体，所述图像采集装置设置在所述头部；所述中间部为圆柱体，所述第一螺旋桨设置在所述圆柱体内部；所述尾部为从与所述中间部的接触端直径逐渐缩小的圆台体，所述第二螺旋桨设置在所述尾部的末端，且所述尾部的外壁上安装有多个翅片，多个所述翅片按照“十”字形方位布置。

本发明还提供一种水下管道的巡检方法，应用上述的水下管道巡检机器人，包括以下步骤：

s1，接收预设路径信息，控制所述驱动装置使所述巡检机器人从起始点按所述预设路径移动；

s2，实时接收并存储来自所述图像采集装置采集的图像信息，以及来自所述传感器组件监测到的所述水下巡检机器人的运动状态信息；

s3，比对所述图像信息和预设的管道图像，判断水下管道是否损坏；若水下管道损坏，控制所述磁吸附装置，使所述巡检机器人固定在所述水下管道壁上，控制所述图像采集装置获取损坏点图像信息；

s5，获取所述损坏点图像信息后，控制所述磁吸附装置，使所述巡检机器人脱离水下管道臂，继续沿预设路径前进；

s6，根据监控到的电源余量信号判断是否继续移动，若所述电源电量为初始电量的一半时，则控制所述驱动装置，使所述水下巡检机器人返航回到起始点。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

(1)本发明采用了传感器组件，包括了按圆周分布方式分布于巡检机器人壳体的中间部的超声波传感器阵列，通过超声波传感器阵列，巡检机器人可以获得水下管道全方位信息，使得巡检机器人可以准确改变位置，保证巡检机器人沿预设路线行进通畅。

(2)本发明还采用了磁吸附装置，当巡检机器人在巡检水下管道的过程中发现损害点，可通过控制磁吸附装置进行吸附，使所述巡检机器人固定在所述水下管道壁上，控制所述图像采集装置更进一步的获取损坏点图像信息，使技术人员能通过这些详细的新型对损坏部位的损坏情况进行正确的判断，并制定进行下一步修复措施，无需进行二次巡检，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1的水下管道巡检机器人结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的水下管道巡检机器人第二视角下的结构示意图(除去外壳)；

图3是本发明实施例2中第一螺旋桨和支撑板的连接结构示意图。

图中标记：1-壳体；2-电源；3-图像采集装置；4-磁吸附装置；5-控制器；6-超声传感器；7-支架管；8-第一螺旋桨；9-支撑板；10-窗口；11-第二螺旋桨；12-头部；13-中间部；14-尾部；15-翅片；41-减震胶垫。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

由图1、图2所示，在本实施例中，一种水下管道巡检机器人包括壳体1、电源2、图像采集装置3、驱动装置、若干个磁吸附装置4、传感器组件和控制器5。

如图1所示，壳体1呈仿导弹形状，包括依次连接的头部12、中间部13和尾部14。所述头部12为半圆球体，所述中间部13为圆柱体，所述尾部14为从与所述中间部13的接触端直径逐渐缩小的圆台体。且所述尾部14的外壁上安装有多个翅片15，多个所述翅片15按照“十”字形方位布置。这种仿导弹形状的壳体1设置，符合流体力学特性设计，可以让水下管道巡检机器人具有像导弹一样的推进速率和高游动速度。而翅片15可以使巡检机器人在行进过程中保持平衡。

电源2设置在所述壳体1内部，用于向所述巡检机器人供电。更进一步地，电源2设置在壳体1中间部13，可以更好的为设置在壳体1各个部位的零件供电。

进一步地，所述电源2可为一个电池或一个电池组，利用不同电路产生不同的电压，供图像采集装置3、驱动装置、磁吸附装置4、传感器组件和控制器5使用。

图像采集装置3可转动地设置在所述壳体1的前端，用于采集水下管道情况。进一步地，所述图像采集装置3设置在所述壳体1头部12，能第一时间拍摄到水下管道情况，且可转动地设置图像采集装置3能全方面的检测到水下管道的每个部位，不会遗漏水下管道内的死角。本实施例中，所述图像采集装置3包括摄像头和转动平台，所述摄像头固定在所述转动平台上，所述转动平台可转动地安装在所述头部12，且所述图像采集装置3外周设置有透明防水外壳。如图2所示，所述透明防水外壳成圆球形，镶嵌于所述壳体1头部12正中央，摄像头突出，转动平台可在透明防水外壳内，既保证了转动平台可带动摄像头转动能全方面的拍摄到水下管的各个部位，又不影响摄像头的拍摄功能。摄像头与转向平台的连接方式可由现有技术来实现，例如可以采用旋转监控摄像头的连接方式，因此这里就不在进行赘述。在本实施例中，选用ov7670摄像头，体积小，工作电压低，可提供单片vga摄像头和影像处理器的所有功能。

驱动装置，用于驱动所述巡检机器人沿预设路径移动。进一步地，所述驱动装置包括方位控制装置和推进装置。

方位控制装置包括周设在所述壳体1内的多个第一螺旋桨8和驱动所述第一螺旋桨8转动的第一驱动件(图未示)，每个所述第一螺旋桨8正对的所述壳体1位置均开设有窗口10。更进一步地，所述第一螺旋桨8和第一驱动件设置在所述壳体1中间部13。如图2所示，在本发明较佳实施例中，优选地，巡检机器人配置有三个第一螺旋桨8，分别周设在所述圆柱体内部，相邻的两个第一螺旋桨8的轴向呈120°设置，既保证了能控制巡检机器人能在不同方位上移动，又节约了成本。三个第一螺旋桨8的设置方式例如：将其中一个第一螺旋桨8方向朝上设置，另外两个第一螺旋桨8方向分别朝向左下方和右下方，通过控制这三个第一螺旋桨8的速度，使得巡检机器人得以在上、下、左、右四个方位上进行移动。

进一步地，所述窗口为具有栅栏结构的窗口10，一是保证第一螺旋桨8转动形成的力能透过窗口10传递，二是保护第一螺旋桨8在巡检机器人在巡检过程中不因水流冲击过大而造成损坏。

推进装置包括设置于所述壳体1的尾端的第二螺旋桨11和驱动所述第二螺旋桨11转动的第二驱动件(图未示)。更进一步地，所述第二螺旋桨11设置在所述壳体1尾部14的末端，第二驱动件设置在尾部14的内部，第二驱动件的输出轴与第二螺旋桨11相连接，所述第二驱动件驱动第二螺旋桨11转动，从而带动巡检机器人前进。

本发明通过控制巡检机器人的方位控制装置，实现在不同方位上的移动，控制推进装置，实现巡检机器人的前进，保证了巡检机器人能够沿预设路径移动，并检测到水下管道损坏处时，能控制第一螺旋桨8和第二螺旋桨11的速度，将巡检机器人停留在水下管道损坏处。在实施例中，第一驱动件和第二驱动件均选用型号为u2208+的电机，其功率可达182w，使得螺旋桨可产生1035g拉力，保证产生的拉力能带动巡检机器人前进和让其在不同方位上移动。

若干个磁吸附装置4设置在所述壳体1内部，用于将所述巡检机器人吸附固定在水下管道壁上。更进一步地，所述磁吸附装置4设置在所述壳体1的中间部13，保证巡检机器人吸附在水下管道壁更为稳定。

进一步地，每个所述磁吸附装置4设置在所述壳体1的内壁上，并与所述电源2相连接。其中，所述磁吸附装置4包括线圈和铁芯，所述线圈缠绕在所述铁芯上，所述线圈连接所述电源2，通电后所述铁芯产生磁性。采用电磁吸附方式控制巡检机器人进行悬停，可以控制巡检机器人在水下管道上的吸附时间，避免了永磁吸附方式产生的永久磁性，对巡检机器人在巡检过程行进产生影响。在本实施例中，优选设置两个磁吸附装置4，均采用的电磁铁型号为ele-40/20，圆盘状，直径40mm，功率3w，吸力为30kg，实现低功耗悬停控制。

进一步地，所述壳体1外壁上设置有减震胶垫41，且所述减震胶垫41与所述磁吸附装置4的吸附位点相对应，避免吸附的过程中产生的震荡影响巡检机器人内部零件。

本发明通过在巡检机器人上设置磁吸附装置4，当巡检机器人在巡检水下管道的过程中发现损害点，可通过控制磁吸附装置4进行吸附，使所述巡检机器人固定在所述水下管道壁上，控制所述图像采集装置3更进一步的获取损坏点图像信息，使技术人员能通过这些详细的新型对损坏部位的损坏情况进行正确的判断，并制定进行下一步修复措施。

传感器组件设置在所述壳体1的内部，用于监测所述巡检机器人的运动状态，包括超声传感器6和加速度传感器。超声传感器6设置在所述壳体1内壁上，用于监测所述巡检机器人与水下管道的距离。在本发明的较佳实施例中，所述巡检机器人共设置3个超声传感器6，按圆周分布方式分布于壳体1的中间部13，可从各个方位监测机器人与水下管道壁的距离。加速度传感器设置在所述控制器5上，用于监测所述巡检机器人的移动速度与移动距离。

控制器5设置在所述壳体1内部，分别与所述电源2、所述图像采集装置3、所述驱动装置、所述磁吸附装置4和所述传感器组件连接，用于储存巡检信息以及控制所述巡检机器人的运动。其中，所述巡检信息包括所述巡检机器人的巡航路线以及采集到的水下管道情况。

更进一步地，所述控制器5包括：数据处理模块和数据存储模块。所述数据处理模块用于根据所述巡检信息发出控制信号控制所述巡检机器人运动；所述数据存储模块用于存储所述巡检信息。所述控制器5还包括电源余量监测模块，用于监测电源2的剩余电量，并根据监测到的电源余量信号发送返航信号至所述巡检机器人。

本实施例中，控制器5可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力，例如可以是中央处理器(cpu)、网络处理器(np)等，也可以是专用集成电路(asic)等。例如，本实施例中，控制器5选用(stm32)单片机。控制器5根据传感器采集到的巡检信息，输出不同的控制信号至驱动装置，控制巡检机器人运动。

进一步地，所述控制器5还设有防水外壳，防止控制器5内部进水，影响巡检机器人。

进一步地，巡检机器人还包括设置在所述壳体1内部的若干个支架管7，所述支架管7具有用于容纳电线和通信线的空腔，电线和通信线等线路从容置在支架管7内，确保电线和通信线的防水，且为电线和通信线提供支撑，避免水体搅动时受到破坏。所述控制器5通过容置在支架管7内的电线、通信线与所述电源2、所述图像采集装置3、所述驱动装置、所述磁吸附装置4和所述传感器组件电性连接。

更进一步地，中间部13安装有多根竖向设置的支架管7，多根支架管7构成框架结构，控制器5、电源2间隔设置在该框架结构上。进一步地，本实施例中，电源2设置在支架管7的顶部，控制器5间隔设置在电源2的下方位置。电源2、控制器5与支架管7的连接处均开设有供通信线、电线穿设的开孔。电源2、控制器5与所述支架管7组成层级结构，如图2所示，便于控制器5和电源2的安装与固定，且便于控制器5和电源2散热。

本发明实施例还提供一种水下管道的巡检方法，应用上述的水下管道巡检机器人，包括以下步骤：

s1，接收预设路径信息，控制所述驱动装置使所述巡检机器人从起始点按所述预设路径移动。

s2，实时接收并存储来自所述图像采集装置3采集的图像信息，以及来自所述传感器组件监测到的所述水下巡检机器人的运动状态信息。

s3，比对所述图像信息和预设的管道图像，判断水下管道是否损坏；若水下管道损坏，控制所述磁吸附装置4，使所述巡检机器人固定在所述水下管道壁上，控制所述图像采集装置3获取损坏点图像信息。

s5，获取所述损坏点图像信息后，控制所述磁吸附装置4，使所述巡检机器人脱离水下管道臂，继续沿预设路径前进。

s6，根据监控到的电源余量信号判断是否继续移动，若所述电源2电量为初始电量的一半时，则控制所述驱动装置，使所述水下巡检机器人返航回到起始点。

本发明的巡检机器人可按照预设的路线，在驱动装置作用下从起始点按所述预设路径移动。且通过全方面的图像采集装置3对水下管道进行信息采集，保证无死角的巡检水下管道。而且当发现水下管道损坏时，还可以控制磁吸附装置4，使所述巡检机器人固定在所述水下管道壁上，对损坏点进行进一步的图像采集，无需进行二次巡检，降低了成本，真正做到了一套集机械化与智能化为一体的水下管道巡检机器人设备。

实施例2

参照图3所示的一种水下管道巡检机器人。

本发明实施例所提供的水下管道巡检机器人，其实现原理及产生的技术效果和实施例1相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考实施例1中相应内容。

通过上述设计得到的装置已基本能满足水下管道巡检机器人的使用，但本着进一步完善其功能的宗旨，设计者对该装置进行了进一步的改良。

进一步地，如图3所示，所述方位控制装置还包括支撑框架，所述支撑框架包括交叉设置的多个支撑板9，所述支撑板9的数量与第一螺旋桨8的数量相适应，且每个支撑板9上均设置有一个所述第一螺旋桨8。支撑板9两两交叉设置，且两个支撑板9在另一支撑板9上的交点不重叠。一方面第一螺旋桨8安装在支撑板9上，底座稳定。另一方面用支撑板9将各个第一螺旋桨8相隔开来，保证在各个第一螺旋桨8在转动的过程中不互相干扰，更利于巡检机器人方位的控制。

更进一步地，所述方位控制装置的所述第一驱动件的数量与所述第一螺旋桨8的数量相同，每个所述第一螺旋桨8均由一个所述第一驱动件单独控制。本实施例的第一驱动件包括多个电机，第一驱动件采用冗余驱动方式进行驱动，若当中有一个电机损坏，其余电机也能保证巡检机器人返航。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，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，均应包含在本发明的保护范围之内。