一种基于惯性导航的箱涵检测机器人定位辅助装置

摘要

本发明属于地下箱涵检测设施技术领域，具体涉及一种基于惯性导航的箱涵检测机器人定位辅助装置。该箱涵检测机器人定位辅助装置包括：管道传感器，位于检测机器人底部，并且能发射电磁信号；信号接收装置，位于地面之上，能接收所述管道传感器发出的电磁信号，用以感应电磁信号的强度以确定所述检测机器人的位置；所述检测机器人包括机器人主体船、空气负压式动力系统、CCTV系统、声呐系统、自主电源、转换接头、集成控制器、接收天线、接收单元、调速模块、气压报警装置和雷达装置。本发明的优势在于：摒弃了目前检测单位依据管线收放车收放电缆进行定位的方法，实现了箱涵内部无各种信号传输对各种缺陷及排口进行了准确定位的功能。

说明书

技术领域

本发明属于地下箱涵检测设施技术领域，具体涉及一种基于惯性导航的箱涵检测机器人定位辅助装置。

背景技术

近年来，国内多数城市每逢大雨便内涝为患，城市内涝已成为当前中国城市发展面临的重要难题之一，其客观原因之一便是城市排水管网因常年排放的废水和废物越来越多，而这些物质还具有腐蚀性，进而造成城市排水管道的堵塞、泄露等各种功能性及结构性损坏。因此必须对排水管道进行及时检测，才能将管网中的各种隐患提前预知，为管道疏通、修复及市政规划、工程量测算、应急措施等提供准确的实施依据。

城市智能箱涵作为各排水管道的汇流管网，大多为常年高水位运行，以往的管道潜望镜、管道爬行机器人已不能满足高水位排查的检测工况。而且传统的检测方式仅能对智能箱涵内部进行视频检测，无法对智能箱涵内部结构进行测量、无法对排口及存在的缺陷进行定位、无法对底部淤积状态进行采集分析。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于惯性导航的箱涵检测机器人定位辅助装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于惯性导航的箱涵检测机器人定位的辅助装置，包括：管道传感器，位于检测机器人底部，并且能发射电磁信号；

信号接收装置，位于地面之上，能接收所述管道传感器发出的电磁信号，用以感应电磁信号的强度以确定所述检测机器人的位置；

所述检测机器人包括机器人主体船、空气负压式动力系统、CCTV系统、声呐系统、自主电源、转换接头、集成控制器、接收天线、接收单元、调速模块、气压报警装置和雷达装置；

所述机器人主体船的尾部甲板上表面与空气负压式动力系统连接，所述机器人主体船的头部与集成控制器连接；

所述集成控制器的头部与CCTV系统连接，所述集成控制器的尾部与转换接头连接；

所述机器人主体船底部与声呐系统连接；

所述机器人主体船的内壁与自主电源连接；

所述自主电源分别与空气负压式动力系统、CCTV系统、声呐系统、集成控制器、调速模块、接收天线以及接收单元电连接；

所述接收天线与接收单元电连接，所述接收单元与调速模块电连接；

所述接收天线位于机器人主体船的内部，且与机器人主体船内壁连接；

所述接收单元和调速模块分别位于主体船内部；

所述集成控制器上部固定设置有气压报警装置，所述气压报警装置的前端设置有雷达装置。

进一步：所述机器人主体船为双体船，所述双体船包括左单片体和右单片体，所述左单片体和右单片体通过固定支架连接；

所述左单片体和右单片体的尾部与空气负压式动力系统连接；

所述固定支架顶部与集成控制器连接；

所述声呐系统位于左单片体和右单片体之间的底部，所述声呐系统连接在左单片体和右单片体之间；

所述右单片体内壁与自主电源连接；

所述自主电源分别与空气负压式动力系统、CCTV系统、声呐系统、集成控制器、调速模块、接收天线以及接收单元电连接；

所述接收天线与接收单元电连接，所述接收单元与调速模块电连接；

所述接收天线位于右单片体的内部，且与右单片体内壁连接；

所述接收单元和调速模块分别位于右单片体内部。

进一步：所述空气负压式动力系统包括发动机支架、发动机、螺旋桨、导流帽以及锁紧装置；

所述发动机支架的底部与机器人主体船上表面连接，所述发动机支架的顶部与发动机通过锁紧装置连接；

所述螺旋桨与发动机的输出轴通过导流帽连接。

进一步：所述CCTV系统包括CCTV镜头、LED泛光光源以及航插卡套；

所述CCTV镜头通过航插卡套与集成控制器旋转连接；

所述LED泛光光源位于CCTV镜头一侧且与集成控制器连接；

所述CCTV镜头和LED泛光光源分别与自主电源电连接。

进一步：所述声呐系统包括声呐探头、固定抱箍、固定板；

所述固定板、固定抱箍、声呐探头自上而下依次连接；

所述固定板与机器人主体船的底部连接。

进一步：所述机器人主体船上设置有失控报警装置，所述失控报警装置与接收单元电连接。

进一步：所述机器人主体船上设置有气压报警装置，所述气压报警装置与接收单元电连接。

进一步：所述机器人主体船内部设置有就地开关，所述就地开关分别与空气负压式动力系统、CCTV系统、声呐系统、集成控制器、调速模块、接收天线以及接收单元电连接。

进一步：所述转换接头为三通转换接头。

进一步：所述管道传感器为碳棒，所述信号接收装置为管线仪。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

机器人主体以空气动力无人船设计理念出发，在有效确保机器人主体能够在浑浊的油污水、易堵塞的高水位管网中任意穿梭的同时，结合以模块化搭载方式配备的CCTV检测模块、水下声呐探测模块、激光雷达测量模块、管道辅助定位模块，从而实现对智能箱涵内部进行视频摸排、排口及缺陷结构测量、排口及缺陷的精准定位。

附图说明

图1为本发明整个检测机器人的立体结构示意图；

图2为本发明图1的俯视图；

图3为本发明左单片体去掉外壳的立体结构示意图；

图4为本发明图1的左视图；

图5为本发明图1的底部示意图；

图6为本发明图1的右视图；

图7为本发明定位原理图。

其中：1、机器人主体船；11、左单片体；12、右单片体；13、固定支架；14、检修孔座板；15、检修孔密封；16、检修孔盖板；2、空气负压式动力系统；21、发动机支架；22、发动机；23、锁紧装置；24、螺旋桨；25、导流帽；3、CCTV系统；31、CCTV镜头；32、LED泛光光源；33、航插卡套；4、声呐系统；41、声呐探头；42、固定抱箍；43、固定板；44、声呐保护罩；5、自主电源；6、转换接头；7、集成控制器；8、接收天线；9、接收单元；10、调速模块；17、失控报警装置；18、气压报警装置；19、就地开关；20、空气涵道、26、雷达装置；27、管道传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

如图1-5所示，一种自航型暗涵CCTV声呐检测机器人，包括：管道传感器27，位于检测机器人底部，并且能发射电磁信号；

信号接收装置，位于地面之上，能接收所述管道传感器27发出的电磁信号，用以感应电磁信号的强度以确定所述检测机器人的位置；

检测机器人包括机器人主体船1、空气负压式动力系统2、CCTV系统3、声呐系统4、自主电源5、转换接头6、集成控制器7、接收天线8、接收单元9、调速模块10、气压报警装置18和雷达装置26；

机器人主体船1的尾部甲板上表面与空气负压式动力系统2连接，机器人主体船1的头部与集成控制器7连接；

集成控制器7的头部与CCTV系统3连接，集成控制器7的尾部与转换接头6连接；

机器人主体船1底部与声呐系统4连接；

机器人主体船1的内壁与自主电源5连接；

自主电源5分别与空气负压式动力系统2、CCTV系统3、声呐系统4、集成控制器7、调速模块10、接收天线8以及接收单元9电连接；

接收天线8与接收单元9电连接，接收单元9与调速模块10电连接；

接收天线8位于机器人主体船1的内部，且与机器人主体船1内壁连接；

接收单元9和调速模块10分别位于主体船内部；

集成控制器7上部固定设置有气压报警装置18，气压报警装置18的前端设置有雷达装置26。

进一步，机器人主体船1为双体船，双体船包括左单片体11和右单片体12，左单片体11和右单片体12通过固定支架13连接；

左单片体11和右单片体12的尾部与空气负压式动力系统2连接；

固定支架13顶部与集成控制器7连接；

声呐系统4位于左单片体11和右单片体12之间的底部，声呐系统4连接在左单片体11和右单片体12之间；

右单片体12内壁与自主电源5连接；

自主电源5分别与空气负压式动力系统2、CCTV系统3、声呐系统4、集成控制器7、调速模块10、接收天线8以及接收单元9电连接；

接收天线8与接收单元9电连接，接收单元9与调速模块10电连接；

接收天线8位于右单片体12的内部，且与右单片体12内壁连接；

接收单元9和调速模块10分别位于右单片体12内部。

进一步，空气负压式动力系统2包括发动机支架21、发动机22、螺旋桨24、导流帽25以及锁紧装置23；

发动机支架21的底部与机器人主体船1上表面连接，发动机支架21的顶部与发动机22通过锁紧装置23连接；

螺旋桨24与发动机22的输出轴通过导流帽25连接。

进一步，CCTV系统3包括CCTV镜头31、LED泛光光源32以及航插卡套33；

CCTV镜头31通过航插卡套33与集成控制器7旋转连接；

LED泛光光源32位于CCTV镜头31一侧且与集成控制器7连接；

CCTV镜头31和LED泛光光源32分别与自主电源5电连接。

进一步，声呐系统4包括声呐探头41、固定抱箍42、固定板43；

固定板43、固定抱箍42、声呐探头41自上而下依次连接；

固定板43与机器人主体船1的底部连接。

进一步，机器人主体船1上设置有失控报警装置17，失控报警装置17与接收单元9电连接。

进一步，机器人主体船1上设置有气压报警装置18，气压报警装置18与接收单元9电连接。

进一步，机器人主体船1内部设置有就地开关19，就地开关19分别与空气负压式动力系统2、CCTV系统3、声呐系统4、集成控制器7、调速模块10、接收天线8以及接收单元9电连接。

进一步，转换接头6为三通转换接头。

进一步，所述管道传感器27为碳棒，所述信号接收装置为管线仪。

如图7所示，该管道传感器27在下井后通电产生磁场，检测人员在地面移动管线仪接收机，当水平线圈轴线与通电导线垂直且处于通电导线正上方时，水平线圈信号最强，确定管线仪响应最大的点，进而确定智能箱涵内部排口、缺陷的定位信息。

图7中的发射装置即为管道传感器27，该管道传感器27为碳棒，安装在检测机器人底部，发射频率：19KHz、30KHz；探测深度：地面数据测试23米；外形尺寸：3cm(直径)×38cm(长度)；重量：0.68KG；防水：IP67。

信号接收装置即管线仪，采用电磁法探测地下管线的位置、埋深、走向和信号电流强度，由液晶显示器组成，可快速、直观、准确地跟踪和导向由发射装置传送的调频信号。

本发明摒弃了目前检测单位依据管线收放车收放电缆进行定位的方法，实现了箱涵内部无各种信号传输对各种缺陷及排口进行了准确定位的功能。

本检测机器人定位辅助装置的操作流程：

(1)在船体上固定安装一套非金属管道传感器，管道传感器在下井后通电产生磁场；

(2)打开井盖，操作人员通过可伸缩牵引导杆配合下井架，将固定非金属传感器的无人船主体安全送达管底，通过牵引导杆对线缆进行牵引固定；同时，移动电源为线缆车供电；同时，地面控制站采用网线连接至线缆车接收控制器；启动地面控制站，启动各检测功能模块，调节灯光，操纵机器人无人船主体进行检测。

(3)检测人员在地面移动管线仪接收机，当水平线圈轴线与通电导线垂直且处于通电导线正上方时，水平线圈信号最强，确定管线仪响应最大的点，进而确定智能箱涵内部排口、缺陷的定位信息。

(4)测量人员按照定位信息，利用测量GPS-RTK进行地面点位测量，获取准确的排口、缺陷的定位GIS数据。

实施例2

如图1-图3所示，一种自航型暗涵CCTV声呐检测机器人，包括机器人主体船1、空气负压式动力系统2、CCTV系统3、声呐系统4、自主电源5、转换接头6、集成控制器7、接收天线8、接收单元9以及调速模块10。

机器人主体船1为双体船，双体船包括左单片体11和右单片体12。

每个单片体通过铝合金钣金加工成型，艏艉正视方向分别呈艏翘、艉翘弧形状，艏艉俯视方向分别呈内弧形过度，底部中间端呈平直状，在提高主体浮力的同时降低航行时水流的阻力。

每个单片体顶部甲板面分别在片体艉舯部设有检修孔以及检修孔座板14、检修孔密封15、检修孔盖板16。

检修孔座板14为铝合金机加工成型，一圈均布内丝丝牙，上接触面用铣刀加工若干密封线，其与机器人主体双体船通过焊接固定。

检修孔密封15为丁晴橡胶密封垫，厚度3mm，与检修孔座板14密封面及检修孔盖板16密封面压紧接触以实现密封。

检修孔盖板16为铝合金机加工成型，一圈均布光孔用于锁紧螺母进行固定，与检修孔密封15接触端，由机加工凸台密封线，检修孔盖板16通过锁紧螺母与检修孔座板14进行连接固定。

参照图1和图4，左单片体11和右单片体12的尾部甲板上表面与空气负压式动力系统2连接，空气负压式动力系统2包括发动机支架21、发动机22、螺旋桨24、导流帽25以及锁紧装置23，发动机支架21与发动机22通过锁紧装置23固定。

发动机支架21共有左右对称的两只，整体由3D打印成型，其结构由上面方形电机固定座及下方线缆通过方管组成，上面方形电机座与发动机22通过锁紧装置23进行固定，下方管与机器人主体双体船焊接固定。

发动机22为无刷电机，为机器人行走输出动力，共两只，左右对称，发动机22与螺旋桨24通过导流帽25固定。

螺旋桨24为碳纤复合材质，桨直径八英寸，螺距4mm，共两只，左右对称，螺旋桨24与发动机22的输出轴通过导流帽25固定。

导流帽25为铝合金材质，外呈弧形帽状，内部为内丝牙结构，通过与发动机22输出轴连接将螺旋桨24进行压紧固定。

左单片体11和右单片体12尾部上表面上焊接有空气涵道20，空气涵道20由铝合金钣金加工成型，由两只内中孔的圆弧并成一定厚度的一体结构组成，外围两侧顶部宽底部窄呈弧形。

空气涵道20作为空气动力输出的通道，并与双空气负压动力系统配套，中间底部成锥弧形收起，以使转换接头6连接线缆通过。

左单片体11和右单片体12通过固定支架13焊接固定，固定支架13为铝合金钣金加工件，两侧与集成控制器7的底座对应的位置各攻有八只内丝螺纹孔，集成控制器7与固定支架13通过锁紧螺母固定。

集成控制器7内置姿态传感器、气压传感器、温度传感器为机器人控制系统保驾护航；集成控制器7首部与CCTV系统3连接，尾部与转换接头6连接，转换接头6优选为三通转换接头6。

三通转换接头6作为CCTV系统3与声呐系统4的数据处理及中转中心，前端通过卡套接头连接集成控制器7，底端通过带线缆的卡套接头与声呐系统4连接，尾端通过带线缆的卡套接头与岸上电动收放车连接，实现岸上电源、控制信号、数据传输的相互反馈及传输。

CCTV系统3包括CCTV镜头31、LED泛光光源32以及航插卡套33。

CCTV镜头31通过航插卡套33与集成控制器7旋转连接，镜头可360°旋转，上下翻转220°。

LED泛光光源32位于CCTV镜头31的两侧设置两只且与集成控制器7通过螺栓固定，可适应10米宽以下的所有暗涵内部照明，以确保视频质量的清晰可靠。

CCTV镜头31和LED泛光光源32分别与自主电源5电连接。

参照图5，声呐系统4包括声呐探头41，固定抱箍42、固定板43。

声呐探头41，声呐探头41布置位置为左单片体11和右单片体12中间的底部，以便开始探测时全部浸入水下。

声呐探头41上方套设有声呐保护罩44，声呐保护罩44为铝合金钣金加工件，前部为圆开头挡圈，为声呐前段探头发射位置起到保护防撞作用。

声呐探头41通过发射超声波对水面以下部分进行探测反馈，将水面以下的各种功能缺陷、淤泥分布等进行采集，并通过三通转换接头6反馈至岸上控制可视端。

固定板43包括第一固定板和第二固定板，第一固定板位于左单片体11和右单片体12之间的尾部，第一固定板的一端与左单片体11侧壁焊接，第一固定板的另一端与右单片体12侧壁焊接。

第二固定板位于左单片体11和右单片体12之间的首部，第二固定板的一端与左单片体11侧壁焊接，第二固定板的另一端与右单片体12侧壁焊接。

固定抱箍42包括前固定抱箍和后固定抱箍。

后固定抱箍套在声呐探头41的尾部，通过锁紧螺母与第一固定板固定。

前固定抱箍套在声呐探头41的首部，通过锁紧螺母与第二固定板固定。

右单片体12内部开设有用于容纳自主电源5、调速模块10、接收单元9的空腔。

自主电源5分别与电机、CCTV镜头31、声呐镜头、集成控制器7、调速模块10、接收天线8以及接收单元9电连接。

自主电源5为直插式卡槽结构，与开设在右单片体12内部的母卡槽直接插入固定，正常作业时机器人动力系统及控制系统由三通转换接头6连接至岸上野外电源进行供电及数据传输。

调速模块10包括调速单元，调速单元直接控制连接发动机22，岸上动作指令通过接收天线8将信号反馈至接收单元9，接收单元9将动作指令反馈至调速单元，调速单元控制发动机22正转、反转时，机器人实现前进、后退功能。

调速单元通过预设的速差逻辑编程，左发动机逐渐快速正转，右发动机同步逐渐快速反转时，机器人实现左转功能；反之，实现右转功能。

机器人主体船1上表面上通过螺栓固定有失控报警装置17，失控报警装置17包括失控传感器，失控传感器位于右单片体12内部，失控传感器与接收单元9连接，当动作指令因内部遮蔽信号较强或动作指令反馈调速模块10失败时，自动将故障报警反馈至岸上控制端，以便起到及时预警的作用。

机器人主体船1上通过螺栓固定有失控报警装置17，左单片体11和右单片体12上分别设置一个气压传感器，当机器人在暗涵内部碰撞、搁浅而导致进水或损坏时，气压传感器预设正常工作的气压区间，此时气压低于正常气压值，便将报警信号通过接收单元9反馈至岸上控制站，以便及时预警。

机器人主体船1内部设置有就地开关19，机器人主体内部配备有锂电电池，当应急使用时通过就地开关19接通自主应急电源，可为机器人继续几桶航行动力。