CN114408138B - 一种可在井室内自动导航的潜航器与方法 - Google Patents

一种可在井室内自动导航的潜航器与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可在井室内自动导航的潜航器，包括电气舱、电池舱、垂直导管推进器、水平导管推进器、声纳、上壳、下壳、前视摄像头、上视摄像头、补光灯和安装板；在电气舱内设置有前视摄像头、上视摄像头和补光灯；电气舱、上壳、下壳共同固定在安装板上，电池舱固定在下壳上，在安装板上固定有垂直导管推进器、水平导管推进器和两个机械式环扫声纳；两个机械式环扫声纳采用相互垂直布置的方式。通过本发明的方案，能够获得数据对潜航器进空间上的定位和姿态判别，使操作人员很容易得到潜航器在井室内的相对位置，提升水下检测工作的效率，使水下机器人进入横管的过程实现自动化，使用三维重构技术实时的将井室重构出来。

Description

一种可在井室内自动导航的潜航器与方法
技术领域
本发明涉及排水管网检测领域，具体涉及一种可在井室内自动导航的潜航器与方法。
背景技术
现有管道检测机器人多携带摄像头和补光灯激光雷达等传感器，但是摄像头在水下受限很大，特别是在排水管网中水质混浊发黑，摄像头几乎要贴到管壁上才能获得有意义的图像，激光雷达也是由于光的散射和水中的杂质而无法使用。现有的水下检测机器人也大多只携带一台声纳，用作检测管道，获取管道数据。现有水下检测机器人无法准确标定自己的位置，无法准确辨别井室内的特征，无法描述辨别出的特征的位置，工作效率低下，获取信息置信度不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种可在井室内自动导航的潜航器与方法，解决现有水下检测机器人在井室内无法标定自己的位置、无法准确辨别井室内特征和无法描述特征位置的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种可在井室内自动导航的潜航器，包括电气舱、电池舱、垂直导管推进器、水平导管推进器、声纳、上壳、下壳、前视摄像头、上视摄像头、补光灯和安装板；在所述的电气舱内设置有前视摄像头、上视摄像头和补光灯；所述的电气舱、上壳、下壳共同固定在安装板上，电池舱固定在下壳上，在安装板上固定有垂直导管推进器、水平导管推进器和两个机械式环扫声纳；两个机械式环扫声纳采用相互垂直布置的方式，一个声纳水平布置，其轴线与潜航器前进方向重合，另一个声纳垂直布置。
其中，水平布置的声纳用于获得井室某一垂直截面信息如潜航器此时与井室底部间的距离和潜航器两侧与井室侧壁间的距离；垂直布置的声纳用于获得井室内某一水平截面的信息如潜航器此时所在高度的井室的截面形状和尺寸，由此能准确的获取潜航器在井室内的方向和空间坐标。
其中，两个水平推进器进出水口对称分布在潜航器的两侧，所述的水平推进器用于控制潜航器实现前进、后退、原地360°旋转。
作为优选的方案，两个水平推进器成10°夹角，损失微弱的前进动力，扩大了水平推进器的入水口入水范围，使潜航器的外形得到改善，能减少垃圾淤塞的情况。
其中，三个垂直推进器用于实现控制潜航器的俯仰、左右翻转和上浮下潜，根据姿态传感器的实时姿态反馈和PID算法使得潜航器能在有一定流速的管道内维持水平姿态。
进一步的，在安装板上还固定有定深传感器，用于提供潜航器的深度数据，在算法的控制下实现定深功能。
进一步的，在电气舱上还安装有机械波，固定在电气舱外壳上的凹槽处，与地面接收装置配合使用，用于地下管道走向的测绘。
进一步的，在垂直导管推进器、水平导管推进器的进出水口处均设置有格栅，以阻挡大块杂物进入，格栅的设计与水流相切。
其中，所述的前视摄像头和上视摄像头到补充的作用，在水质较好的时候，通过摄像头对管道进行观察。
其中，通过得到的声纳数据实时的进行三维重构，并显示在显示器上。
本发明还提供上述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，包括以下步骤：
a)将潜航器开机后吊放入井室中，潜航器进行自主动作恢复机器水平姿态；
b)自主动作完成后接受操作端命令，设定好速度、方向等参数后，潜航器即可对井室进行扫描；
c)当潜航器下潜到一定深度后，自动开启声纳进行扫描，操作人员关注操作端显示器上两个声纳的图像；在潜航器进行扫描的过程中，可随时打断潜航器的自动流程，对某一特征进行多角度扫描。
其中，潜航器自动扫描的流程为：
当潜航器接收到开始扫描的指令后，依照操作人员设定的正方向下潜，达到设定的深度后，开启水平和垂直声纳开始对井室进行扫描；其中垂直声纳的零点与潜航器的前进方向重合，水平声纳的零点指向正上方；垂直声纳的零点指向即为操作人员设定的潜航器朝向；
在潜航器下潜扫描的工程中，会受到紊流的干扰，因此在整个过程中主控一直根据姿态传感器的反馈下以PID算法实时稳定潜航器的方向和姿态；取水平声纳在180°时获取的数据，作为潜航器距离井室底部的高度，以防止潜航器撞到井室底部；同时其他角度上的数据作为避障使用，当某一角度上的距离达到警戒范围，主控便控制潜航器进行左右横移、上升、下潜来规避可能会发生的碰撞；垂直声纳的数据同时也作为避障使用，当某一角度上的距离达到警戒范围，主控便控制潜航器进行前进、后退、左右横移来规避可能会发生的碰撞；
水平声纳和垂直声纳的图像实时显示在控制端的显示器上；当潜航器因为避障或其他原因产生移动时，为防止遗漏细节，潜航器在新到达的位置，进行上浮或下潜的操作，到达开始避障的高度再继续扫描。
潜航器下潜扫描过程中进行两次前后移动扫描：当水平声纳提示达到警戒距离后潜航器不再下降，而前进到垂直声纳的警戒距离，随之开始倒退利用水平声纳扫描；当潜航器后退至垂直声纳的警戒距离后水平旋转90度，开始前进并利用水平声纳扫描。
潜航器找管口方法：利用垂直声纳的数据判断，当管口存在时，当声纳波束扫过管口时，会出现数据缺失，通过判断是哪一些角度出现数据缺失，从而确定管口在潜航器的哪个方向；
在找到管口后判断潜航器是否能通过管口的方法：将潜航器对准找到的管口，此时，垂直声纳正对管口且到管口左端的距离和到右端的距离在误差范围内，此时有两个数据的角度和距离即可通过三角函数计算出管口此位置的长度；上、下移动潜航器，重复判断管口长度的过程，并对获得的管口长度进行比较，得到最大值，并记录最大管口长度处的深度信息和高度信息；在潜航器上、下移动的过程中记录两个管口长度为零处的高度信息和深度信息，通过运算即可得到管口垂直的高度信息，将得到的数据与潜航器固有的宽度和高度尺寸相比较，即可判断横管管口能否使潜航器进入。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的潜航器中两个机械式环扫声纳成90°布置，即一个机械式环扫声纳垂直于地平布置，另一个机械式环扫声纳水平布置，利用两个声纳相互配合，能够获得数据对潜航器进空间上的定位和姿态判别，使操作人员很容易得到潜航器在井室内的相对位置，提升水下检测工作的效率。
通过本发明的方案，能够使水下机器人进入横管的过程实现自动化，还能够使用三维重构技术实时的将井室重构出来。
附图说明
图1：本发明的可在井室内自动导航的潜航器的结构示意图。
图2：潜航器的内部结构示意图。
图3：潜航器的安装结构示意图。
图4：电池舱的安装结构示意图。
图5：潜航器的使用流程示意图。
图6：潜航器自动扫描的流程示意图。
图7：控制关系图。
图8：找横管口示意图。
图中：1-电气舱，2-电池舱，3-垂直导管推进器，4-水平导管推进器，5-水平声纳，6-垂直声纳，7-上壳，8-下壳，9-前视摄像头，10-上视摄像头，11-补光灯，12-安装板，13-定深传感器，14-格兰头，15-机械波，16-舱盖，17-舱体，18-固定凹口，19-航空插头。
具体实施方式
以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
其中的方位或位置关系为基于附图所示的关系，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装置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。
本发明提供了一种可在井室内自动导航的潜航器，如图1、2所示，包括电气舱1、电池舱2、垂直导管推进器3、水平导管推进器4、声纳、上壳7、下壳8、前视摄像头9、上视摄像头10、补光灯11和安装板12；在所述的电气舱1内设置有前视摄像头9、上视摄像头10和补光灯11；所述的电气舱1、上壳7、下壳8共同固定在安装板12上，电池舱2固定在下壳8上，在安装板12上固定有垂直导管推进器3、水平导管推进器4和两个机械式环扫声纳；两个机械式环扫声纳采用相互垂直布置的方式，一个声纳水平布置，其轴线与潜航器前进方向重合，另一个声纳垂直布置。
其中，水平布置的声纳用于获得井室某一垂直截面信息如潜航器此时与井室底部间的距离和潜航器两侧与井室侧壁间的距离；垂直布置的声纳用于获得井室内某一水平截面的信息如潜航器此时所在高度的井室的截面形状和尺寸，由此能准确的获取潜航器在井室内的方向和空间坐标。
其中，两个水平推进器进出水口对称分布在潜航器的两侧，所述的水平推进器用于控制潜航器实现前进、后退、原地360°旋转。
作为优选的方案，两个水平推进器成10°夹角，以扩大水平推进器的入水口入水范围。
其中，三个垂直推进器用于实现控制潜航器的俯仰、左右翻转和上浮下潜，根据姿态传感器的实时姿态反馈和PID算法使得潜航器能在有一定流速的管道内维持水平姿态。
实施例中，在安装板12上还固定有定深传感器13，用于提供潜航器的深度数据，在算法的控制下实现定深功能。
实施例中，在电气舱1上还安装有机械波15，固定在电气舱外壳上的凹槽处，并使用卡箍压紧，可发射一定频率的声波，穿透土壤到达地面，在地面上设有与之配合使用的地面接收装置，地面接收装置能接收机械波发出的声波，并根据声波强度判断机械波所处位置和深度，本发明中，机械波15与地面接收装置配合使用，用于地下管道走向的测绘。
实施例中，在所有推进器的进出水口处均设置有格栅，以阻挡大块杂物进入，损伤推进器桨叶，造成动力损失甚至烧毁推进器，格栅的设计与水流相切，也使得垃圾或漂浮物能顺利的滑走。
其中，所述的前视摄像头9和上视摄像头10到补充的作用，在水质较好的时候，通过摄像头对管道进行观察，在距离管壁很近的情况下，可以看到很小范围的管道壁。
其中，通过得到的声纳数据实时的进行三维重构，并显示在显示器上。
如图3所示，所有外置设备：声纳、前置补光灯11、推进器、和上位机通信线缆等都是通过格兰头14与电气舱1进行连接，并达到IP68的防水等级。
如图4所示，电池舱2具备快换能力，能有效延长在外施工时间。电池舱2由舱盖16、舱体17、航空插头19和锂电池构成。舱盖16和舱体17之间有O型圈密封，并由螺栓联结在一起，整体达到IP68的防水等级。电池舱2内有干燥剂，防止空气中的水蒸气凝结后造成电池短路。电池容量为240wh能支持潜航器运行1-2个小时。舱盖16和舱体17上还有两个固定凹口18特征分布在长边的两端，电池舱2通过固定凹口18固定在下壳8上。
本发明还提供上述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，如图5所示，包括以下步骤：
a)将潜航器开机后吊放入井室中，潜航器进行自主动作恢复机器水平姿态；
b)自主动作完成后接受操作端命令，设定好速度、方向等参数后，潜航器即可对井室进行扫描；
c)当潜航器下潜到一定深度后，自动开启声纳进行扫描，操作人员关注操作端显示器上两个声纳的图像；在潜航器进行扫描的过程中，可随时打断潜航器的自动流程，对某一特征进行多角度扫描。
其中，如图6所示，潜航器自动扫描的流程为：
当潜航器接收到开始扫描的指令后，依照操作人员设定的正方向下潜，达到设定的深度后，开启水平和垂直声纳6开始对井室进行扫描。其中垂直声纳6的零点与潜航器的前进方向重合，水平声纳5的零点指向正上方。垂直声纳6的零点指向即为操作人员设定的潜航器朝向。在潜航器下潜扫描的工程中，会受到紊流的干扰，因此在整个过程中主控会一直根据姿态传感器的反馈下以PID算法实时稳定潜航器的方向和姿态。取水平声纳5在180°时获取的数据，作为潜航器距离井室底部的高度，防止潜航器撞到井室底部；同时其他角度上的数据作为避障使用，当某一角度上的距离达到警戒范围，主控便控制潜航器进行左右横移、上升、下潜来规避可能会发生的碰撞。垂直声纳6的数据同时也作为避障使用，当某一角度上的距离达到警戒范围，主控便控制潜航器进行前进、后退、左右横移来规避可能会发生的碰撞。水平声纳5和垂直声纳6的图像实时显示在控制端的显示器上，使操作者对井室的形状和大小有一个直观的认识。当潜航器因为避障或其他原因产生移动时，为防止遗漏细节，需要潜航器在新到达的位置，进行上浮或下潜的操作，到达开始避障的高度再继续扫描。当垂直声纳6接收不到某一角度的数据时，可能便是发现了横管管口，此现象在显示器上的表现是某一段边线消失，闭合的轮廓出现缺口。需要注意的是声纳有其固有的盲区和垂直声纳6的安装方式，导致潜航器不能扫描到井底，当下潜到距水底一定高度时，就不再下潜，若井底的淤积过多，潜航器有可能发现不了管口。这就需要潜航器进行前后移动，以水平声纳5扫描井室底部的特征；一个方向扫描完成后需要潜航器旋转90度再次使用水平声纳5扫描。
由于垂直声纳安装在潜航器上方，不能完整的将整个井室扫描到，存在一定的盲区，潜航器下潜扫描过程中进行两次前后移动扫描：当水平声纳提示达到警戒距离后潜航器不再下降，而前进到垂直声纳的警戒距离，随之开始倒退利用水平声纳扫描；当潜航器后退至垂直声纳的警戒距离后水平旋转90度，开始前进并利用水平声纳扫描，以获得更完整的井室三维点云图。
潜航器找管口方法：利用垂直声纳的数据判断，当管口存在时，当声纳波束扫过管口时，会出现数据缺失(超出量程)，通过判断是哪一些角度出现数据缺失，从而确定管口在潜航器的哪个方向。
在找到管口后判断潜航器是否能通过管口的方法：将潜航器对准找到的管口，此时，垂直声纳正对管口且到管口左端的距离和到右端的距离在误差范围内，此时有两个数据的角度和距离即可通过三角函数计算出管口此位置的长度；上、下移动潜航器，重复判断管口长度的过程，并对获得的管口长度进行比较，得到最大值，并记录最大管口长度处的深度信息和高度信息；在潜航器上、下移动的过程中记录两个管口长度为零处的高度信息和深度信息，通过运算即可得到管口垂直的高度信息，将得到的数据与潜航器固有的宽度和高度尺寸相比较，即可判断横管管口能否使潜航器进入。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，其特征在于：潜航器包括电气舱、电池舱、垂直导管推进器、水平导管推进器、声纳、上壳、下壳、前视摄像头、上视摄像头、补光灯和安装板；在所述的电气舱内设置有前视摄像头、上视摄像头和补光灯；所述的电气舱、上壳、下壳共同固定在安装板上，电池舱固定在下壳上，在安装板上固定有垂直导管推进器、水平导管推进器和两个机械式环扫声纳；两个机械式环扫声纳采用相互垂直布置的方式，一个声纳水平布置，其轴线与潜航器前进方向重合，另一个声纳垂直布置；
潜航器的使用方法包括以下步骤：
a)将潜航器开机后吊放入井室中，潜航器进行自主动作恢复机器水平姿态；
b)自主动作完成后接受操作端命令，设定好速度、方向参数后，潜航器即可对井室进行扫描；
c)当潜航器下潜到一定深度后，自动开启声纳进行扫描，操作人员关注操作端显示器上两个声纳的图像；在潜航器进行扫描的过程中，可随时打断潜航器的自动流程，对某一特征进行多角度扫描；
潜航器找管口方法：利用垂直声纳的数据判断，当管口存在时，当声纳波束扫过管口时，会出现数据缺失，通过判断是哪一些角度出现数据缺失，从而确定管口在潜航器的哪个方向；
在找到管口后判断潜航器是否能通过管口的方法：将潜航器对准找到的管口，此时，垂直声纳正对管口且到管口左端的距离和到右端的距离在误差范围内，此时有两个数据的角度和距离即可通过三角函数计算出管口此位置的长度；上、下移动潜航器，重复判断管口长度的过程，并对获得的管口长度进行比较，得到最大值，并记录最大管口长度处的深度信息和高度信息；在潜航器上、下移动的过程中记录两个管口长度为零处的高度信息和深度信息，通过运算即可得到管口垂直的高度信息，将得到的数据与潜航器固有的宽度和高度尺寸相比较，即可判断横管管口能否使潜航器进入。
2.根据权利要求1所述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，其特征在于：水平布置的声纳用于获得井室某一垂直截面信息；垂直布置的声纳用于获得井室内某一水平截面的信息，由此能准确的获取潜航器在井室内的方向和空间坐标。
3.根据权利要求1所述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，其特征在于：两个水平导管推进器的进出水口对称分布在潜航器的两侧，所述的水平导管推进器用于控制潜航器实现前进、后退、原地360°旋转；两个水平导管推进器成10°夹角，以扩大水平导管推进器的入水口入水范围。
4.根据权利要求1所述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，其特征在于：三个垂直导管推进器用于实现控制潜航器的俯仰、左右翻转和上浮下潜，根据姿态传感器的实时姿态反馈和PID算法使得潜航器能在有一定流速的管道内维持水平姿态。
5.根据权利要求1所述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，其特征在于：所述的前视摄像头和上视摄像头起到补充的作用，在水质较好的时候，通过摄像头对管道进行观察；通过得到的声纳数据实时的进行三维重构，并显示在显示器上；在安装板上还固定有定深传感器，用于提供潜航器的深度数据，在算法的控制下实现定深功能；在电气舱上还安装有机械波，固定在电气舱外壳上的凹槽处，与地面接收装置配合使用，用于地下管道走向的测绘。
6.根据权利要求1所述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，其特征在于：在垂直导管推进器、水平导管推进器的进出水口处均设置有格栅，以阻挡大块杂物进入，格栅的设计与水流相切。
7.根据权利要求1所述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，其特征在于，潜航器自动扫描的流程为：
当潜航器接收到开始扫描的指令后，依照操作人员设定的正方向下潜，达到设定的深度后，开启水平和垂直声纳开始对井室进行扫描；其中垂直声纳的零点与潜航器的前进方向重合，水平声纳的零点指向正上方；垂直声纳的零点指向即为操作人员设定的潜航器朝向；
在潜航器下潜扫描的过程中，会受到紊流的干扰，因此在整个过程中主控一直根据姿态传感器的反馈以PID算法实时稳定潜航器的方向和姿态；取水平声纳在180°时获取的数据，作为潜航器距离井室底部的高度，以防止潜航器撞到井室底部；同时其他角度上的数据作为避障使用，当某一角度上的距离达到警戒范围，主控便控制潜航器进行左右横移、上升、下潜来规避可能会发生的碰撞；垂直声纳的数据同时也作为避障使用，当某一角度上的距离达到警戒范围，主控便控制潜航器进行前进、后退、左右横移来规避可能会发生的碰撞；
水平声纳和垂直声纳的图像实时显示在控制端的显示器上；当潜航器因为避障或其他原因产生移动时，为防止遗漏细节，潜航器在新到达的位置，进行上浮或下潜的操作，到达开始避障的高度再继续扫描。
8.根据权利要求1所述的可在井室内自动导航的潜航器的使用方法，其特征在于：潜航器下潜扫描过程中进行两次前后移动扫描：当水平声纳提示达到警戒距离后潜航器不再下降，而前进到垂直声纳的警戒距离，随之开始倒退利用水平声纳扫描；当潜航器后退至垂直声纳的警戒距离后水平旋转90度，开始前进并利用水平声纳扫描。
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