一种引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人

1.本技术涉及隧洞结构探测领域，具体涉及一种引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人。


背景技术：

2.引水隧洞是水电工程中用于连接水电站进水口和调压室的地下输水构筑物，利用流域的天然高差，实现在没有大坝条件下的长距离引水发电，是水电资源开发的一种重要形式。引水隧洞在发电运行过程中处于满水状态，需要承受长期的内外水压力的共同作用，属于典型的有压隧洞，长期的内外水环境作用导致隧洞的衬砌结构存在潜在的开裂、剥落、脱空以及变形等结构损伤风险。
3.为了避免衬砌结构的结构损伤对发电系统产生不利影响，保障水电站的安全运行，定期对隧洞内壁衬砌结构进行安全检测，及时探测引水隧洞的结构损伤显然尤为重要。
4.而传统引水隧洞的探测工作主要采取人工放空检修方案，即在隧洞完全放空的条件下，由检修人员对隧洞内壁衬砌结构的变形、开裂情况进行人工检测以及统计记录，人工探测方法不仅存在检测周期长、工作效率低以及检测精度差的缺陷，更主要的缺陷在于引水隧洞潮湿低氧的内部环境不利于检修人员的安全，存在较大的作业风险，并且放空检修不符合引水隧洞满水内压的实际运行状态，会对引水隧洞的安全运行产生不利影响。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，可通过本体上的三维声呐模块以及摄像模块，采集引水隧洞的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，为引水隧洞的衬砌结构损伤自动探测提供强有力的数据支持。
6.本技术提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体设置有三维声呐模块、摄像模块以及防护罩，防护罩将摄像模块与本体的外部环境相隔离，当本体进入目标引水隧洞后，三维声呐模块采集本体周围环境的隧洞衬砌三维超声数据；摄像模块透过防护罩采集引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人周围环境的隧洞衬砌图像数据；
7.引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人还包括控制设备，控制设备通过自身与本体之间建立的网络连接，控制本体在目标引水隧洞中的工作，接收本体传输过来的隧洞衬砌三维超声数据以及隧洞衬砌图像数据；
8.本体的底部配置有驱动轮模块，驱动轮模块通过驱动轮的滚动，驱动本体在水下地面前进。
9.其中，本体为l型结构，驱动轮模块设于l型结构的横向部分，三维声呐模块、摄像模块以及防护罩设于l型结构的纵向部分。
10.在第一种可能的实现方式中，三维声呐模块以及摄像模块设于本体的顶部，本体的顶部包括伸缩支架，通过调整伸缩支架的伸缩幅度，调整三维声呐模块以及摄像模块两
者所处的位置高度。
11.在第二种可能的实现方式中，本体的表面设有环向布置的照明模块，以照明本体的周围环境。
12.结合第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，照明模块设于摄像模块处。
13.在第四种可能的实现方式中，l型结构在横向部分以及纵向部分之间，还设有支撑结构，以加固横向部分以及纵向部分。
14.在第五种可能的实现方式中，本体上还设有水压传感器以及温度传感器，当引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人进入目标引水隧洞后，水压传感器采集目标引水隧洞的水压数据，温度传感器采集目标引水隧洞的温度数据；
15.控制设备还通过自身与本体之间建立的网络连接，接收本体传输过来的水压数据以及温度数据。
16.在第六种可能的实现方式中，本体还设有姿态自动控制模块，姿态自动控制模块包括3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计以及gps，用于实时获取引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人包括位置、速度、航向、倾角、翻滚角的三维姿态数据；
17.控制设备还通过自身与本体之间建立的网络连接，接收引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体传输过来的三维姿态数据。
18.在第七种可能的实现方式中，本体设有无线通信模块，通过无线通信模块，控制设备自身与本体之间建立无线网络连接。
19.在第八种可能的实现方式中，本体还设有电源模块，电源模块包括电池以及充电装置，充电装置上设有压力触动开关，压力触动开关在用户的触动操作下，使充电装置从本体上弹出，以进行充电工作。
20.从以上内容可得出，本技术具有以下的有益效果：
21.针对引水隧洞的探测需求，本技术由隧洞衬砌结构损伤探测机器人通过自身配置的三维声呐模块以及摄像模块，分别采集目标引水隧洞中的本体周围环境的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，再传输到引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人的控制设备，如此为控制侧或者说用户侧的引水隧洞的衬砌结构损伤自动探测提供强有力的数据支持；
22.并且，本技术隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体是通过驱动轮模块进行前进运动的，该运动方式还具有稳定可靠的优点，利于在目标引水隧洞中更好地进行工作。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。
24.图1为本技术引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体的一种结构示意图；
25.图2为本技术引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体的另一种结构示意图；
26.图3为本技术引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体的另一种结构示意图；
27.图4为本技术摄像模块的一种结构示意图；
28.图5为本技术照明模块的一种结构示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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例，都属于本技术保护的范围。
30.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“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。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本技术中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。
31.本技术中所出现的模块的划分，是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合成或集成在另一个系统中，或一些特征可以忽略，或不执行，另外，所显示的或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块之间的间接耦合或通信连接可以是电性或其他类似的形式，本技术中均不作限定。并且，作为分离部件说明的模块或子模块可以是也可以不是物理上的分离，可以是也可以不是物理模块，或者可以分布到多个电路模块中，可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本技术方案的目的。
32.本技术所提供的隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其包括了隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体以及控制设备。
33.参考图1示出的本技术隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体的一种结构示意图(控制设备未在图1中示出)。本体负责在引水隧洞现场的水下环境中进行数据的采集，即由三维声呐模块采集本体周围环境的隧洞衬砌三维超声数据；摄像模块透过防护罩采集本体周围环境的隧洞衬砌图像数据，控制设备则可通过远程操控的方式控制本体的工作，并还可接收本体传输过来的采集到的数据。
34.其中，本体与机器人控制设备之间建立的网络连接，优选地采用无线连接方式，通过本体上的无线通信模块实现。
35.无线连接方式通过无线通信方式，远程地建立通信，无需铺设线缆，且可不用考虑线缆可能对本体的水下运行造成阻碍，以及可避免线缆收到引水隧洞的水下环境如石片结构的摩擦，因此，更适用于实际应用，应用场景更佳的广泛以及灵活。
36.控制设备侧，可根据本体上配置的传感器采集的数据，控制本体的工作。
37.例如，控制设备可根据本体上配置的摄像头采集的图像，在工作人员的手动控制下，向本体发送控制指令，以控制本体的行进方向、行进速度、机体姿态或者其他的工作状
态，具体可随本体上配置的不同组件、不同工作模式等影响因素调整。
38.具体的，控制设备可配置显示屏，以向工作人员输出相关的内容，例如本体自身的设备参数、本体采集到的数据、网络连接状态等；控制设备也可包括控制手柄，工作人员可直接操作控制手柄，控制本体的行进。
39.进一步的，控制设备可根据实际应用中的人机交互需求，灵活配置自身的组件；或者，也可根据方便控制的应用需求，控制设备除了可以为服务器设备、主机设备、电脑一体机这类固定式设备，也可以为笔记本电脑、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistance，pda)、智能手机、控制器等类型的用户设备(user equipment，ue)；或者，考虑到提升数据处理能力，控制设备还可以以设备集群的方式设置，例如多个设备可具体分为控制部分以及数据处理部分，而数据处理部分的设备还可由主设备将数据处理任务分发到各子设备处，由各子设备处理子处理任务，再汇总任务处理结果。
40.从上述可看出，本技术所提供的控制设备，其自身组件又或者自身的设备形式，可随实际需要调整，具体在此不做限定。
41.进一步的，控制设备本身，还可随实际需要配置数据处理任务，以分析隧洞衬砌三维超声数据、隧洞衬砌图像数据，确定相应水隧洞衬砌结构损伤探测结果。
42.另一边，本技术所提供的本体，可以理解的，本体为用于水下环境工作的机器人，本技术具体可采用驱动轮模块进行前进运动，驱动轮模块包括以驱动轮的传动为基础配置的相关结构，驱动轮模块通过驱动轮的滚动，驱动本体在水下地面前进。
43.可以理解，通过驱动轮在地面上的前进过程中，可方便地调整电机(例如双驱动电机)的转速以及驱动轮方向，如此实现机器人在现场环境中的灵活前进以及灵活转向，尤其是在如水下环境这类环境较为复杂的环境中，相比于航行前进方式，驱动轮前进方式在前进效果上不易受到现场环境影响，例如不易受到水下环境的水流影响，具有可控性强以及前进方式更为灵活的优点，尤其还方便于配合三维声呐模块的工作，例如可灵活地配合三维声呐模块的转向需求以及前进速度需求。
44.具体可结合图1、图2以及图3分别从不同角度示出了本技术隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体的一种结构示意图，从图中可看出，本体为采用驱动轮模块的行走方式，驱动轮模块包括4个驱动轮，基于这4个驱动轮的传动为基础配置的相关结构，驱动轮模块驱动本体在水下地面前进，在行走上具有较高的稳定性以及可控性，具有稳定可靠的优点，利于在目标引水隧洞中更好地进行工作。
45.此外，从图1还可看出，本体为l型结构，而驱动轮模块设于该l型结构的横向部分，三维声呐模块、摄像模块以及防护罩则设于l型结构的纵向部分，优选地设于该纵向部分的顶部。
46.在该l型结构下，本体在水下运动时具有较小的阻力，并且三维声呐模块、摄像模块也由于设于l型结构中的纵向部分，具有更高的位置，有利于全方面的探测。
47.此外，从图1还可看出的是，本体的l型结构，在横向部分以及纵向部分之间，还设有支撑结构，以加固横向部分以及纵向部分，该支撑结构的结构形式可随实际需要设置，起到加固作用即可，如图1中示出了两组支撑结构。
48.一般可将声呐扫描模块以及摄像模块设于机器人的顶部，具有较佳的数据采集效果。而机器人的顶部则还可配置一伸缩支架，从图1及图2中可看出，该伸缩支架配置还可有
伸缩支架的固定结构，用于固定当前伸缩支架的伸缩状态，例如卡扣、旋钮等具体固定结构，通过调整伸缩支架的伸缩幅度，即可调整声呐扫描模块以及摄像模块两者所处的位置高度。
49.当然，应用理解的是，在实际应用中，除了可以采用由人工事先调整伸缩幅度的伸缩结构，伸缩支架也可采用由电机驱动的电动伸缩结构，如此方便通过远程控制方式调整伸缩支架的伸缩幅度，继而调整声呐扫描模块以及摄像模块两者所处的位置高度。
50.回到本体，其外壳，可采用密封性强的结构，以更为完善地封装内部组件，例如可整机采用ip68防尘防水最高等级进行设计，如此可在长期浸没于引水隧洞内水压环境下仍保持良好的工作性能，确保不因浸水而造成元件损坏，或者在风沙较强、有毒气体等环境条件较为恶劣的现场环境中，保证机器人的正常运行以及组件的使用寿命。
51.本体上还可设有电源模块、通信模块(如上述提及的无线通信模块)以及控制模块，控制模块用于控制本体上的组件的运作，电源模块提供本体上各组件运作时所需的电源，通信模块则用于与控制设备进行通信。
52.电源模块具体还可包括电池以及充电装置，充电装置上设有压力触动开关，压力触动开关在用户的触动操作下，使充电装置从本体上弹出，以进行充电工作。例如，当电池电量不足时，工作人员可手动按压触动开关使充电装置从机器人本体上弹出，即可方便地进行设备的充电工作。
53.通信模块对应上述提及的有线通信方式或者无线通信方式，具有相关的接口以实现数据传输功能。
54.控制模块包括控制电路板，与受控组件配置有电连接，以进行数据传输。
55.示例性的，本体外壳在实际应用中具体可采用双层流线型结构，内层可采用铝合金材料形成防水耐压腔，最大可承受50米深的外水压力，用于确保本体上各组件在隧洞内较深的水域仍可保持良好的工作性能；外层可采用厚度为 15mm的多孔介质材料形成本体的本体表层，附着在表层的多孔介质材料用于改变表层流体特性，减小阻力，从而提高续航能力。
56.示例性的，机器人本体外壳的性能，可参考下面示出的本体外壳技术参数表：
57.表1-本体外壳技术参数表
[0058][0059]
在本技术中，本体设有三维声呐模块、摄像模块以及防护罩，通过三维声呐模块、摄像模块两者，实现在现场环境中采集本体周遭环境的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据的目的。
[0060]
而防护罩则可将摄像模块与本体的外部环境相隔离，三维声呐模块可暴露于水体中，当本体进入引水隧洞后，摄像模块透过防护罩采集本体周围环境的隧洞衬砌图像数据，三维声呐模块采集本体周围环境的隧洞衬砌三维超声数据。
[0061]
其中，防护罩可设有防水密封圈以及防水垫片，用于保证密封性，并且防护罩优选地为透明防护罩，可为摄像模块提供清晰的视野。
[0062]
示例性的，摄像模块具体可包括全景摄像头(全景相机)，全景摄像头相比于传统的摄像头，具有更广的视野。参阅图4示出的本技术摄像模块的一种结构示意图，摄像模块可包括全景摄像头、旋转连杆以及回转底座，本体中的驱动模块可回转底座、旋转连杆构成的联动结构，调整全景摄像头的姿态，以便于全景图像的采集。
[0063]
在实际应用中，本技术可采用hd高清全景摄像头，镜头在水平方向上的旋转范围为
±
90
°
，在垂直方向上的旋转范围为
±
45
°
，广阔的拍摄视野可以更好的采集到隧洞衬砌结构的图像数据，摄像头还可采用防雾功能，防止起雾。
[0064]
示例性的，高清全景摄像头的性能，可参考下面示出的高清全景防雾摄像头技术参数表：
[0065]
表1-高清全景防雾摄像头技术参数表
[0066][0067]
进一步的，摄像模块还可配置补光灯(可以为后续提及的照明模块的一种)，为摄像头的拍摄提高灯光补偿，以更为清晰地捕捉图像细节。在实际应用中，本技术补光灯具体可采用自感应频闪补光灯，由多颗平均功率为27w 的led灯珠组成，采用低压直流供电方式，光亮强度连续5级可调，用于自动补光保证摄像头成像质量。
[0068]
示例性的，补光灯的性能，可参考下面示出的频闪补光灯技术参数表：
[0069]
表2-补光灯技术参数表
[0070][0071]
示例性的，三维声呐模块可包括三维声呐探头，在实际应用中，可具有比一般声呐更高频率的数据更新速度，并可以通过后续提及的姿态自动控制模块进行本体姿态的实时修正，可以保证对水下结构表面的精准识别。
[0072]
示例性的，三维声呐模块的性能，可参考下面示出的三维声呐技术参数表：
[0073]
表3-水下三维声呐技术参数表
[0074][0075]
此外，对于本体的移动控制，本体上还可设有姿态自动控制模块，姿态自动控制模块包括3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计以及gps，用于实时获取本体包括位置、速度、航向、倾角、翻滚角的三维姿态数据，当控制设备接收到本体传输过来的三维姿态数据后，控制设备对三维姿态数据进行分析解算，获取并预测本体的当前时刻的运动轨迹和下一时刻的运动轨迹，若下一时刻的运动轨迹偏离预设的航线方向，控制设备发送姿态纠偏指令，修正本体的三维姿态，使本体保持在隧洞中沿预设方向前进。
[0076]
其中，本体表面还可配置照明模块，如上述提及的补光灯，以照明本体的周围环境，为水下阴暗环境提供充足的光线和视野。
[0077]
示例性的，参阅图5示出的本技术照明模块的一种结构示意图，该照明模块，在实际应用中可环向布置于本体前端靠近摄像模块处，具体可包括透光仓和四块弧形发光板，每块发光板上设有安装槽和多颗高亮led灯珠，采用低压直流供电方式，光亮强度连续5级可调，用于水下环境的摄像照明。采用环向带状布置形式的照明模块，相比于传统的点、线状布置形式的照明模块，具有更均匀和更广阔的视野，更便于视频图像的采集。
[0078]
进一步的，在实际应用中，本体还可随需要，在内部或者表面配置相关的传感器，以采集到探测所需的数据，采集的数据，可传输至控制设备，供数据分析。
[0079]
例如，本体可配置水压传感器，用于采集本体周遭环境的水压数据；或者，本体可配置温度传感器，可采集本体周遭环境的水温数据或者本体内部的温度数据；又或者，本体可配置定位传感器，以采集本体的定位数据；又或者，本体可配置姿态传感器，例如3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计等，以采集自身的三维姿态数据，为调整修正本体的姿态提供数据支持。
[0080]
其中，本体还可配置预警机制，当采集到的数据超过预设警戒值时，例如水压过高、温度过高、电池电量过低等，则可向控制设备发出预警提示，又或者触发本体的机身上配置的预警指示灯。
[0081]
可以理解，传感器的类型，具体可随实际需要调整，具体在此不做限定。
[0082]
以上对本技术提供的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。

技术特征：
1.一种引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体设置有三维声呐模块、摄像模块以及防护罩，所述防护罩将所述摄像模块与所述本体的外部环境相隔离，当所述本体进入目标引水隧洞后，所述三维声呐模块采集所述本体周围环境的隧洞衬砌三维超声数据；所述摄像模块透过所述防护罩采集所述本体周围环境的隧洞衬砌图像数据；所述本体的底部配置有驱动轮模块，所述驱动轮模块通过驱动轮的滚动，驱动所述本体在水下地面前进；所述引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人还包括控制设备，所述控制设备通过自身与所述本体之间建立的网络连接，控制所述本体在所述目标引水隧洞中的工作，接收所述本体传输过来的所述隧洞衬砌三维超声数据以及所述隧洞衬砌图像数据；其中，所述本体为l型结构，所述驱动轮模块设于所述l型结构的横向部分，所述三维声呐模块、所述摄像模块以及所述防护罩设于所述l型结构的纵向部分。2.根据权利要求1所述的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述三维声呐模块以及所述摄像模块设于所述本体的顶部，所述本体的顶部包括伸缩支架，通过调整所述伸缩支架的伸缩幅度，调整所述三维声呐模块以及所述摄像模块两者所处的位置高度。3.根据权利要求1所述的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述本体的表面设有环向布置的照明模块，以照明所述本体的周围环境。4.根据权利要求3所述的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述照明模块设于所述摄像模块处。5.根据权利要求1所述的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述l型结构在所述横向部分以及所述纵向部分之间，还设有支撑结构，以加固所述横向部分以及所述纵向部分。6.根据权利要求1所述的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述本体上还设有水压传感器以及温度传感器，当所述本体进入所述目标引水隧洞后，所述水压传感器采集所述目标引水隧洞的水压数据，所述温度传感器采集所述目标引水隧洞的温度数据；所述控制设备还通过自身与所述本体之间建立的网络连接，接收所述本体传输过来的所述水压数据以及所述温度数据。7.根据权利要求1所述的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述本体还设有姿态自动控制模块，所述姿态自动控制模块包括3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计以及gps，用于实时获取所述本体包括位置、速度、航向、倾角、翻滚角的三维姿态数据；所述控制设备还通过自身与所述本体之间建立的网络连接，接收所述本体传输过来的所述三维姿态数据。8.根据权利要求1所述的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述本体设有无线通信模块，通过所述无线通信模块，所述控制设备自身与所述本体之间建立无线网络连接。9.根据权利要求1所述的引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，其特征在于，所述本体还设有电源模块，所述电源模块包括电池以及充电装置，所述充电装置上设有压力触动开关，
所述压力触动开关在用户的触动操作下，使所述充电装置从所述本体上弹出，以进行充电工作。

技术总结
本申请提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，可通过本体上的三维声呐模块以及摄像模块，采集引水隧洞的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，为引水隧洞的衬砌结构损伤自动探测提供强有力的数据支持。本申请提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人，引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人的本体设置有三维声呐模块、摄像模块以及防护罩，防护罩将摄像模块与本体的外部环境相隔离；引水隧洞衬砌结构损伤探测机器人还包括控制设备，控制设备控制本体在目标引水隧洞中的工作，接收本体传输过来的隧洞衬砌三维超声数据以及隧洞衬砌图像数据；本体的底部配置有驱动轮模块，驱动轮模块通过驱动轮的滚动，驱动本体在水下地面前进。地面前进。地面前进。


技术研发人员：李邵军 黄翔 徐怀胜
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：2021.05.24
技术公布日：2022/5/25