CN113602047A - 用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业流程，包括地面操作端、光纤线缆以及机器人主体；所述机器人主体通过光纤线缆连接机器人主体；地面操作端包括控制平台、遥控手柄，通过控制平台实时显示机器人的各种状态和探测信息并通过遥控手柄进行、运动控制；可在充满溶液和泥浆的地底洞穴等复杂环境中作业，实现运动控制、洞穴探测等任务。

Description

用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业流程

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人 及作业流程。

背景技术

随着科学技术的发展，各行各业逐渐使用机器人来代替人员进行各种危险 环境下的作业，机器人在石油天然气等矿产资源的开发中也有着越来越重要的 作用。

在油气田的开发过程中，对地底油气洞穴的探测有着十分重要的意义，一 方面探测地底洞穴的边界、容积等信息对于评估油气田的价值十分重要；另一 方面，掌握洞穴的构造等信息后，对于后续的开采及开采后的处理工作也十分 有益。

在对地底洞穴的探测过程中，机器人一般借助油气开采中的钻井通道进入 洞穴内，这些钻井通道大部分布满泥浆等粘稠成分，而洞穴内又充满石油、天 然气或是开采中注入的各种溶液，机器人的工作环境非常复杂。常规的机器人 很难在泥浆中运动，而具备泥浆中运动能力的机器人又往往难以在溶液中进行 ***，目前还不存在具备泥浆、液体两栖环境中运动，可对地底洞穴全面、 完整探测功能的机器人。

综上所述，现有的探测技术及探测设备在复杂环境中进行全面、完整探测 方面存在局限性。为此，需研制一种具备在泥浆及溶液中运动能力，可进行探 测作业的地洞两栖探测机器人。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了用于地底洞穴探测的地洞两 栖探测机器人及作业流程具备在泥浆以及溶液两栖环境中运动的能力，可在充 满溶液和泥浆的地底洞穴等复杂环境中作业，实现运动控制、洞穴探测等任务。

本发明提供的技术方案为：用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，包 括地面操作端、光纤线缆以及机器人主体；机器人主体通过光纤线缆连接机器 人主体；

地面操作端包括控制平台、遥控手柄，通过控制平台实时显示机器人的各 种状态和探测信息并通过遥控手柄进行运动控制。

优选地，机器人主体包括：艏段、中段、艉段、两个万向节以及机器人的 推进***；

艏段连接中段，所述中段连接艉段；两个万向节分别位于艏段槽道推进器 模块后和中段两个能源舱段之间，通过万向节连接可使机器人主体具备一定弯 曲能力，从而让机器人能够更好的在泥浆等复杂环境下运动；机器人主体的艏 段和艉段分别布置一组槽道推进器；

机器人的推进***包括螺旋推进器和槽道推进器，螺旋推进器为主推进器， 槽道推进器为辅助推进器，其中，螺旋推进器首尾各布置一个，通过首位两个 螺旋推进器对转的形式实现前进、后退运动，艉部为常规螺旋推进器，推进器 轴向和机器人中纵剖面平行；艏部为基于螺旋推进器的矢量推进方式，包括直 流电机和两个舵机，所述直流电机带动推进器轴向转动，两个舵机负责改变螺 旋推进器的转向，通过正交布置两个舵机，实现正交方向上的组合运动，从而 实现矢量推进；槽道推进器包括垂直推进器和侧推器，用于辅助机器人主体进 行定深、定向、转向等控制。

优选地，艏段包括矢量螺旋推进器、槽道推进器，环扫声纳、水下摄像头、 探测传感器以及光纤罗经、多普勒速度仪、导航传感器；所述中段包括锂电池 以及控制板、电源板；艉段为常规的艉段螺旋推进器、槽道推进器或用于连接 光纤线缆的接口。

优选地，导航定位传感器包括光纤罗经、DVL、深度计，其中DVL布置在机 器人主体艏段的底部，其余传感器置于艏段舱内；探测传感器包括环扫声纳、 水下摄像头和探照灯，用于洞穴内探测任务。

优选地，环扫声纳布置在艏段与中段的连接处，此处连接为金属框架结构， 以便环扫声纳的声波可以不受遮挡，其布置方向与机器人主体的中轴平行；两 个水下摄像头和探照灯对称布置于机器人主体艏段的左右两侧，探照灯平行布 置在水下摄像头旁边，保证水下摄像头的视野内有足够的照明。

优选地，用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人的作业流程，包括以下 步骤：

S1、布放，将光纤线缆连接到所述机器人主体上，然后把机器人主体放入 钻井通道洞口，同时释放光纤线缆；

S2、入洞，通过机器人主体的艏部矢量螺旋推进器钻入洞口，配合艉部螺 旋推进器在洞口泥浆中运动，控制机器人通过洞口进入洞穴内部；

S3、探测，打开机器人主体的槽道推进器，辅助机器人进行定深、定向控 制，控制机器人沿着特定路径，从洞穴的一端航行到另一端，并通过环扫声纳 和水下摄像头对洞穴不断进行探测；

S4、数据处理，将探测到的信息通过光纤线缆传回地面操作端，地面操作 端通过对声纳测得数据的分析处理得到洞穴的边界信息，通过三维建模对洞穴 进行模型重建，进而得到洞穴的容积、构造等信息；

S5、出洞，机器人主体执行完探测任务后，根据机器人主体自身的定位信 息操控机器人航行到出洞口附近，通过摄像头捕捉的画面寻找出洞口处布放的 光源引导物，利用光学引导进入出洞口；

S6、回收，通过螺旋推进器穿过洞口返回地面，卸下光纤线缆，将机器人 主体与光纤线缆分别回收。

本发明用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业流程的有益效果为：

可通过地面操作端进行远程遥控，具备在泥浆以及溶液两栖环境中运动的 能力，可在地底洞穴等复杂环境中作业，实现运动控制、洞穴探测等任务。

附图说明

图1为机器人主体正视图；

图2为机器人主体仰视图；

图3为机器人***组成图。

附图标记：

1-艏部矢量螺旋推进器，2-舵机，3-探照灯，4-水下摄像头，5-多普勒速 度仪，6-槽道推进器，7-环扫声纳，8-万向节，9-电池，10-艉部螺旋推进器， 11-线缆接口，12-垂直推进器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。

一种用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，包括地面操作端、光纤线 缆以及机器人主体，其主要由控制***、能源***、推进***、导航定位***、 探测***以及地面监控***组成。

地面操作端由控制平台、遥控手柄等组成。通过控制平台实时显示机器人 的各种状态和探测信息并通过遥控手柄进行运动控制。

光纤线缆主要用于水下机器人主体部分与地面操作端之间的通信。通过光 纤线缆将机器人主体的自身状态及传感器信息传递给地面操作端，地面操作端 通过对信息进行分析决策再将控制命令通过光纤线缆传递给水下机器人主体， 进而实现对水下机器人主体的控制。

机器人主体采用圆柱形设计，细长圆柱体结构可以极大地减小阻力，提高 航行效率。机器人主体由耐压壳以及相应的结构框架构成。耐压壳选用耐腐蚀、 重量轻和强度高的钛合金材料加工而成，结构框架选用铝合金材料和聚丙烯材 料，通过各种工艺加工而成。

机器人主体主要分为三部分：艏段、中段、艉段。其中艏段主要包括矢量 螺旋推进器、槽道推进器，环扫声纳、水下摄像头等探测设备以及光纤罗经、 多普勒速度仪等导航传感器；中段主要为能源舱段，包括锂电池以及控制板、 电源板等各种板卡，锂离子电池布置在下半部分，各种板卡等布置在上半部分； 艉段主要是常规的螺旋推进器、槽道推进器以及用于连接光纤线缆的接口。

机器人主体设置两个万向节，分别位于艏段槽道推进器模块后和中段两个 能源舱段之间，通过万向节连接可使机器人主体具备一定弯曲能力，从而让机 器人能够更好的在泥浆等复杂环境下运动。

导航定位传感器主要包括光纤罗经、DVL、深度计，其中DVL布置在机器 人主体艏段的底部，其余传感器置于艏段舱内。

探测传感器主要包括360°环扫声纳、水下摄像头以及探照灯，用于洞穴内 探测任务。其中，环扫声纳布置在机器人主体艏段与中段的连接处，此处连接 为金属框架结构，以便环扫声纳的声波可以不受遮挡，其布置方向与机器人主 体的中轴平行；两个水下摄像头和探照灯对称布置于机器人主体艏段的左右两 侧，探照灯平行布置在摄像头旁边，保证水下摄像头的视野内有足够的照明。

机器人的推进***包括螺旋推进器和槽道推进器，螺旋推进器为主推进器， 槽道推进器为辅助推进器。其中，螺旋推进器首尾各布置一个，通过首位两个 螺旋推进器对转的形式实现前进、后退运动。艉部为常规螺旋推进器，推进器 轴向和机器人中纵剖面平行；艏部为基于螺旋推进器的矢量推进方式，由一个 直流电机和两个舵机组成，直流电机带动推进器轴向转动，两个舵机负责改变 螺旋推进器的转向，通过正交布置两个舵机，实现正交方向上的组合运动，从 而实现矢量推进；槽道推进器包含垂直推进器和侧推器，用于辅助机器人进行 定深、定向、转向等控制，机器人主体的艏段和艉段各布置一组槽道推进器。

用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人其典型作业流程，包括 以下步骤：

S1、布放，将光纤线缆连接到所述机器人主体上，然后把机器人主体放入 钻井通道洞口，同时释放线缆；

S2、入洞，通过机器人的艏部矢量螺旋推进器钻入洞口，配合艉部螺旋推 进器在洞口泥浆中运动，控制机器人通过洞口进入洞穴内部；

S3、探测，打开机器人的槽道推进器，辅助机器人进行定深、定向控制， 控制机器人沿着特定路径，从洞穴的一端航行到另一端，并通过环扫声纳和水 下摄像头对洞穴不断进行探测；

S4、数据处理，将探测到的信息通过光纤线缆传回地面操作端，地面操作 端通过对声纳测得数据的分析处理得到洞穴的边界信息，通过三维建模对洞穴 进行模型重建，进而得到洞穴的容积、构造等信息；

S5、出洞，机器人执行完探测任务后，根据机器人自身的定位信息操控机 器人航行到出洞口附近，通过摄像头捕捉的画面寻找出洞口处布放的光源引导 物，利用光学引导进入出洞口；

S6、回收，通过螺旋推进器穿过洞口返回地面，卸下光纤线缆，将机器人 主体与线缆分别回收。

Claims (6)

1.用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，其特征在于，包括地面操作端、光纤线缆以及机器人主体；所述机器人主体通过光纤线缆连接机器人主体；

地面操作端包括控制平台、遥控手柄，通过控制平台实时显示机器人的各种状态和探测信息并通过遥控手柄进行运动控制。

2.根据权利要求1所述的用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，其特征在于，所述机器人主体包括：艏段、中段、艉段、两个万向节(8)以及机器人的推进***；

所述艏段连接中段，所述中段连接艉段；两个万向节分别位于艏段槽道推进器模块后和中段两个能源舱段之间，通过万向节连接可使机器人主体具备一定弯曲能力，从而让机器人能够更好的在泥浆等复杂环境下运动；机器人主体的艏段和艉段分别布置一组槽道推进器；

机器人的推进***包括螺旋推进器和槽道推进器，螺旋推进器为主推进器，槽道推进器为辅助推进器，其中，螺旋推进器首尾各布置一个，通过首位两个螺旋推进器对转的形式实现前进、后退运动，艉部为常规螺旋推进器，推进器轴向和机器人中纵剖面平行；艏部为基于螺旋推进器的矢量推进方式，包括直流电机和两个舵机，所述直流电机带动推进器轴向转动，两个舵机负责改变螺旋推进器的转向，通过正交布置两个舵机，实现正交方向上的组合运动，从而实现矢量推进；槽道推进器包括垂直推进器(12)和侧推器，用于辅助机器人主体进行定深、定向、转向等控制。

3.根据权利要求2所述的用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，其特征在于，艏段包括矢量螺旋推进器(1)、槽道推进器，环扫声纳(7)、水下摄像头、探测传感器以及光纤罗经、多普勒速度仪(5)、导航传感器；所述中段包括锂电池(9)以及控制板、电源板；艉段为常规的艉段螺旋推进器(10)、槽道推进器(1)或用于连接光纤线缆的接口。

4.根据权利要求3所述的用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，其特征在于，所述导航定位传感器包括光纤罗经、DVL、深度计，其中DVL布置在机器人主体艏段的底部，其余传感器置于艏段舱内；探测传感器包括环扫声纳、水下摄像头(4)和探照灯(3)，用于洞穴内探测任务。

5.根据权利要求4所述的用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，其特征在于，环扫声纳布置在艏段与中段的连接处，此处连接为金属框架结构，以便环扫声纳的声波可以不受遮挡，其布置方向与机器人主体的中轴平行；两个水下摄像头和探照灯对称布置于机器人主体艏段的左右两侧，探照灯(3)平行布置在水下摄像头旁边，保证水下摄像头的视野内有足够的照明。

6.用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人的作业流程，其特征在于，包括以下步骤：

S1、布放，将光纤线缆连接到所述机器人主体上，然后把机器人主体放入钻井通道洞口，同时释放光纤线缆；

S2、入洞，通过机器人主体的艏部矢量螺旋推进器钻入洞口，配合艉部螺旋推进器在洞口泥浆中运动，控制机器人通过洞口进入洞穴内部；

S3、探测，打开机器人主体的槽道推进器，辅助机器人进行定深、定向控制，控制机器人沿着特定路径，从洞穴的一端航行到另一端，并通过环扫声纳和水下摄像头对洞穴不断进行探测；

S4、数据处理，将探测到的信息通过光纤线缆传回地面操作端，地面操作端通过对声纳测得数据的分析处理得到洞穴的边界信息，通过三维建模对洞穴进行模型重建，进而得到洞穴的容积、构造等信息；

S5、出洞，机器人主体执行完探测任务后，根据机器人主体自身的定位信息操控机器人航行到出洞口附近，通过摄像头捕捉的画面寻找出洞口处布放的光源引导物，利用光学引导进入出洞口；

S6、回收，通过螺旋推进器穿过洞口返回地面，卸下光纤线缆，将机器人主体与光纤线缆分别回收。

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