一种海底管道内壁自主巡检水下航行器及其工作方法

1.本发明涉及一种水下航行器，尤其是涉及一种海底管道内壁自主巡检水下航行器及其工作方法。

背景技术：

2.海底管道具有铺设工期短、输送效率高和运油能力強等优势，是海底油气输送的重要途径。然而，受海水腐蚀、运行磨损以及渔业活动等因素的影响，海底管道很容易出现管道变形、管道穿孔、裂缝甚至于管道断裂的事故。因此，为了保障海底管道的安全性，需要定期对管道的完整性进行检测。
3.海底管道长度可达数十公里，轨迹复杂，而且铺设在海底，人工检测成本高，危险性大，因此水下无人航行器被广泛应用在海底管道的检测领域。然而，传统的水下航行器大多用于检测海底管道外壁，而受地形等因素影响，部分管道会被掩埋在海底，无法得到有效的检测。管道内壁的检测则经常使用有线式连接的管道机器人，例如现有的爬行式检测机器人，这类装备不仅检测效率低，检测范围还会受到连接电缆长度的限制。

技术实现要素：

4.发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，解决传统检验装置使用成本高、检验效率低的问题。并提供了其工作方法。
5.技术方案：一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，包括航行器本体、航行器主板、智能摄像模块、反光标识，航行器本体的前端为透明防水罩，航行器主板与智能摄像模块分别安装于航行器本体内部，智能摄像模块位于航行器本体前端，智能摄像模块包括与航行器本体内壁固定的安装板以及安装于安装板上的智能摄像头、闪光灯、智能摄像模块主板，闪光灯设置于安装板中央并朝向透明防水罩，智能摄像头以闪光灯为中心，在其外周呈周向均布有三个，闪光灯、智能摄像头分别通过智能摄像模块主板与航行器主板信号连接，反光标识在海底管道内壁上沿其长度方向设置，海底管道内周壁上沿其周向间隔设有三道反光标识。
6.进一步的，航行器主板包括树莓派控制模块以及分别与其信号连接的大容量电池、陀螺仪传感器、加速度传感器、对外数据接口、散热器、存储器，大容量电池为智能摄像模块、航行器本体及航行器主板供电，智能摄像模块主板、航行器本体分别与树莓派控制模块信号连接。智能摄像模块主板由英伟达jetson系列开发板组成。
7.陀螺仪传感器和加速度传感器可以对航行器自身进行初步的自我定位及姿态自检。
8.树莓派控制模块可以依据程序设定进行逻辑判断，用于自动控制航行器的循迹运动、姿态控制以及对于高清数码照片中三个反光标识位置的识别，依据三角形有且只有一个外接圆的特性，计算得出管道截面圆心的位置，获得海底管道内壁的轮廓图，从而实现第二次自我定位和姿态自检。
9.最佳的，大容量电池上部设有快充接口，存储器为固态硬盘或闪存设备。
10.大容量电池上部设置的快充接口，可以通过打开外壳尾部舱盖，进行快速充电。
11.存储器用于存储智能摄像头拍摄到的视频文件以及高清数码照片。
12.进一步的，航行器本体还包括防水舱外壳、推进器组件、起落架、防水舱盖，防水舱外壳为圆筒形，防水舱外壳的前端与透明防水罩密封连接，后端与防水舱盖密封连接，推进器组件安装于防水舱外壳的外周面上，起落架在防水舱外壳的底部对称间隔安装有两个，航行器主板、智能摄像模块安装于防水舱外壳的内部，推进器组件与航行器主板信号连接。
13.进一步的，推进器组件包括垂直推进器、水平推进器，水平推进器设有四个，在防水舱外壳的水平相对两侧面分别对称间隔安装有两个，垂直推进器设有三个，在防水舱外壳的水平相对两侧面以及底面上分别安装有一个，水平推进器中心装有led灯。
14.led灯用于照明，垂直推进器、水平推进器都由大容量电池供电，与树莓派控制模块连接，树莓派控制模块依据航行器的姿态和位置，控制垂直推进器、水平推进器的转动方向与转速，保证航行器沿着管道内部轴线运动。
15.进一步的，航行器本体还包括配重块，每个起落架的前部和后部分别安装有一个配重块。
16.配重块用于调节航行器重心平衡。
17.最佳的，智能摄像模块的安装板呈圆盘形，智能摄像头为120度广角智能摄像头。
18.智能摄像头在航行器巡检过程中全程拍摄记录管道内壁情况，一旦检测到管道内壁铺设的反光标识，就会自动打开闪光灯并连续拍摄高清数码照片，然后将数码照片传输给树莓派控制模块。
19.最佳的，透明防水罩为半球形钢化玻璃防水罩。
20.防水舱外壳为长圆筒形，可以有效提升自身抗水压能力；防水舱外壳尾部设有防水舱盖，方便给大容量电池充电和拷贝巡检视频；防水舱外壳前端装有半球形钢化玻璃防水罩，方便只能摄像模块进行360度的录像作业。
21.最佳的，反光标识为反光带或为沿海底管道延伸方向排列的一排反光点，三条反光标识的依次连线呈倒三角形，反光标识为玻璃微珠型或微棱镜型反光膜。
22.一种上述的海底管道内壁自主巡检水下航行器的工作方法，包括以下步骤：
23.步骤一：在海底管道内壁以倒三角形的形状铺设三条反光标识；
24.步骤二：将海底管道路线图输入至航行器主板中，考虑到长距离海底管道的路线图通常存在精度不够的情况，这里作为参考对比使用；
25.步骤三：开启水下航行器，将其放入海底管道内部，进行管道自主巡查；
26.步骤四：水下航行器开启头部的智能摄像头进行录像，同时根据航行器主板传递的数据进行姿态检测及初步的自我定位；
27.步骤五：水下航行器前端的智能摄像头检测到海底管道内壁布置的反光标识，开启闪光灯，对反光标识所在位置进行拍照，通过分析高清数码照片中反光标识的位置，依据三角形有且只有一个外接圆的特性，计算得出管道截面圆心的位置，实现水下航行器的二次自我定位和姿态检测，保持自身航线位于海底管道的轴线上；
28.步骤六：将水下航行器的航行轨迹与海底管道路线图对比，实时确认水下航行器自身所在位置，在管道轨迹变化处，提前调整自身姿态，做好相应的六自由度运动准备；
29.步骤七：水下航行器到达指定终点位置后，自动驶出海底管道或者原路返航；
30.步骤八：操作人员关闭水下航行器，拷贝录像数据，对管道内壁完整性进行检测。
31.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：本发明利用陀螺仪和加速度传感器进行初步的航行器自我定位和姿态自检，再使用智能广角摄像头拍摄海底管道内部情况，通过识别管道内部3条反光标识的位置，依据三角形有且只有一个外接圆的特性，识别管道内壁的轮廓，基于光学定位原理，实现航行器二次自我定位和姿态自检。航行器外壳安装有多个推进器，可以保证航行器自由进行六自由度方向上的运动，外壳内部安装的大容量电池保证了航行器的续航能力。综上所述，本发明提出的航行器设计无需人工控制，无需有线连接，可以高效地实现海底管道内壁的自主巡检功能，具有检测效率高、生产成本低，实用性强、使用方便等优点。
附图说明
32.图1是本发明的立体结构示意图；
33.图2是防水舱外壳内部部件的结构示意图；
34.图3是智能摄像模块的结构示意图；
35.图4是地面坐标系和航行器自身运动坐标系的示意图；
36.图5是本发明的海底管道内壁反光标识安装方法示意图；
37.图6是本发明的海底管道内壁反光标识定位原理示意图；
38.图7是本发明控制系统的数据信号传输流程图；
39.图8是航行器六轴运动原理示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
41.一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，如图1～3所示，包括航行器本体、航行器主板21、智能摄像模块31、反光标识，航行器本体包括透明防水罩16、防水舱外壳11、推进器组件、起落架14、防水舱盖15、配重块17，推进器组件包括垂直推进器12和水平推进器13。透明防水罩16为半球形钢化玻璃防水罩。
42.防水舱外壳11为圆筒形，防水舱外壳11的前端与透明防水罩16密封连接，后端与防水舱盖15密封连接，水平推进器13设有四个，在防水舱外壳11的水平相对两侧面分别对称间隔安装有两个，垂直推进器12设有三个，在防水舱外壳11的水平相对两侧面以及底面上分别安装有一个，水平推进器13中心装有led灯。起落架14在防水舱外壳11的底部对称间隔安装有两个，每个起落架14的前部和后部分别安装有一个配重块17。航行器主板21、智能摄像模块31安装于防水舱外壳11的内部，垂直推进器12、水平推进器13分别与航行器主板21信号连接，垂直推进器12、水平推进器13均包括直流电机和螺旋推进装置两部分。
43.智能摄像模块31位于航行器本体前端，智能摄像模块31包括与航行器本体内壁固定的安装板以及安装于安装板上的智能摄像头32、闪光灯33、智能摄像模块主板34，智能摄像头32为120度广角智能摄像头，智能摄像模块31的安装板呈圆盘形，闪光灯33设置于安装板中央并朝向透明防水罩16，智能摄像头32以闪光灯33为中心，在其外周呈周向均布有三
个，闪光灯33、智能摄像头32分别通过智能摄像模块主板34与航行器主板21信号连接。
44.航行器主板21包括树莓派控制模块26以及分别与其信号连接的大容量电池22、陀螺仪传感器23、加速度传感器24、对外数据接口25、散热器27、存储器28，大容量电池22为智能摄像模块31、航行器本体及航行器主板21供电，智能摄像模块主板34、航行器本体分别与树莓派控制模块26信号连接。大容量电池22上部设有快充接口，存储器28为固态硬盘或闪存设备。陀螺仪传感器23和加速度传感器24构成惯性传感器。
45.反光标识在海底管道内壁上沿其长度方向设置，海底管道内周壁上沿其周向间隔设有三道反光标识。反光标识为反光带42或为沿海底管道延伸方向排列的一排反光点41，三条反光标识的依次连线呈倒三角形，反光标识为玻璃微珠型或微棱镜型反光膜。
46.如图4所示，以管道轴向为ξ轴、管道径向为η轴、地心方向为ζ轴建立地面坐标系，航行器自身运动坐标系以进退方向为x轴，横向为y轴，浮潜方向为z轴。航行器基于惯性传感器(加速度传感器和陀螺仪)实现自我定位和姿态自检。基于加速度传感器数据，对加速度数据进行二次积分，可得航行器位移数据(x,y,z)；基于陀螺仪数据，测得航行器相对地面坐标系角度为(θ,ψ,φ)，其中θ为纵倾角，ψ为艏向角，φ为横倾角。运动坐标系和地面坐标系之间坐标转换矩阵是c，转换关系如下列公式所示。最后求得航行器的偏移量(ξ,η,ζ)并将其传输给树莓派控制模块，树莓派控制模块内嵌pid控制器，通过pid控制器实现自我定位与姿态调整。
[0047][0048][0049]
如图5所示，海底管道在自主巡检前，需在内壁贴有反光点或者反光带，这些反光材料呈倒三角形布置，与120度广角智能摄像头圆盘相对应。其中，每组反光点的铺设位置标注为m1、m2、m3；反光带则沿着管道内壁连续铺设。
[0050]
如图6左图所示，中海底管道内壁反光标识定位原理是，智能摄像头检测到反光材料，会打开闪光灯连续拍摄高清图片，通过对图片进行分析，实现光学定位功能，测得相对航行器各个反光材料的坐标，再依据三角形有且只有一个外接圆的特性，计算得到外接圆圆心的位置，然后航行器进行二次自我定位和姿态自检，通过垂直推进器、水平推进器自动移动到管道轴心的位置。如图6右图所示，外接圆圆心坐标的计算数学模型如下所述。以航行器自身为坐标轴原点s(0,0)，反光材料的坐标分别测量为m1(x1,y1),m2(x2,y2)和m3(x3,y3)，设外接圆圆心o坐标(x0,y0)。由于三角形垂直平分线的交点必是外接圆圆心，故只需求解直线段m1m2、m2m3或者m3m1中任意两条的垂直平分线交点坐标即可。假设以上两条直线段中点坐标分别是p1(m,n)和p2(p,q)，斜率分别是k1和k2，那么其中垂线的点斜式方程为：
[0051][0052]
求解可得外接圆圆心o坐标：
[0053][0054]
pid控制器基于计算结果，控制垂直推进器、水平推进器，自动沿着矢量移动到管道轴心的位置，实现二次自我定位和姿态调整。
[0055]
如图7所示，本发明基于模糊pid算法设计了艏向运动的控制系统，进行一个闭环控制，系统以惯性传感器或者图5～7所示的内壁反光标识定位技术测得偏移坐标为反馈，以直流电机和螺旋推进装置为执行机构，信号使用can串行通讯，can总线作为总控，基于图8所示的运动形式，实现自我定位和姿态自检。其中pid控制器、直流电机、螺旋推进器和航行器艏向运动的传递函数分别为g1(s)、g2(s)、g3(s)和g4(s)。
[0056]
如图8所示，航行器通过改变垂直与水平推进器叶片的旋转方向和速度，差速控制推进器，可以实现航行器六自由度的运动，按照图中顺序分别为横向运动、轴向运动、垂向运动以及三个方向的转动。基于自我定位和姿态自检的信号数据，pid控制器将六自由度的运动方式进行组合，实现对航行器的偏移量进行补偿，保证航行器沿管道轴线前进。
[0057]
本发明利用陀螺仪和加速度传感器进行初步的航行器自我定位和姿态自检，再基于光学识别法进行二次自我定位和姿态自检，从而实现水下航行器自主巡检海底管道的功能。本发明的工作方法具体步骤如下：
[0058]
步骤一：在海底管道内壁以倒三角形的形状铺设反光材料制成的反光标识。
[0059]
步骤二：将海底管道路线图输入至航行器控制模块中，考虑到长距离海底管道的路线图通常存在精度不够的情况，这里作为参考对比使用。
[0060]
步骤三：开启水下航行器，将其放入海底管道内部，进行管道自主巡查。
[0061]
步骤四：水下航行器开启头部智能摄像头进行录像，同时根据自身陀螺仪传感器和加速度传感器传递的数据进行姿态检测及初步的自我定位。初步自我定位设定为管道轴线运动，其偏差将由接下来的二次定位(光学定位)矫正。
[0062]
步骤五：航行器前端的智能摄像头检测到海底管道内壁布置的反光标识，开启闪光灯，对反光标识所在位置进行拍照，通过分析高清数码照片中反光标识的位置，依据三角形有且只有一个外接圆的特性，实现航行器的二次自我定位和姿态检测，保持自身航线位于海底管道的轴线上。
[0063]
步骤六：将航行器的航行轨迹与海底管道路线图对比，实时确认航行器自身所在位置，在管道轨迹变化处，提前调整自身姿态，做好相应的六自由度运动准备。
[0064]
步骤七：航行器到达指定位置后，自动驶出海底管道或者原路返航。
[0065]
步骤八：操作人员关闭航行器，打开航行器舱盖，拷贝录像数据，对管道内壁完整性进行检测。
[0066]
本发明使用陀螺仪传感器和加速度传感器实现航行器的自我定位和姿态检测功能；航行器前端的摄像头与海底管道内壁布置的反光膜组成光学定位系统，实现航行器的二次自我定位，确保航行器定位的准确性；树莓派构成的控制模块根据航行器的姿态和位置，可以利用外侧的推进器自行调节航行器的运动轨迹及运动姿态，保证航行器自主地沿着海底管线轴线运动并全程录制管道内部状况。综上所述，本发明可以自主巡检海底管道内部状况，具有检测效率高、生产成本低，实用性强、使用方便等优点。

技术特征：

1.一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：包括航行器本体、航行器主板(21)、智能摄像模块(31)、反光标识，航行器本体的前端为透明防水罩(16)，航行器主板(21)与智能摄像模块(31)分别安装于航行器本体内部，智能摄像模块(31)位于航行器本体前端，智能摄像模块(31)包括与航行器本体内壁固定的安装板以及安装于安装板上的智能摄像头(32)、闪光灯(33)、智能摄像模块主板(34)，闪光灯(33)设置于安装板中央并朝向透明防水罩(16)，智能摄像头(32)以闪光灯(33)为中心，在其外周呈周向均布有三个，闪光灯(33)、智能摄像头(32)分别通过智能摄像模块主板(34)与航行器主板(21)信号连接，反光标识在海底管道内壁上沿其长度方向设置，海底管道内周壁上沿其周向间隔设有三道反光标识。2.根据权利要求1所述的一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：航行器主板(21)包括树莓派控制模块(26)以及分别与其信号连接的大容量电池(22)、陀螺仪传感器(23)、加速度传感器(24)、对外数据接口(25)、散热器(27)、存储器(28)，大容量电池(22)为智能摄像模块(31)、航行器本体及航行器主板(21)供电，智能摄像模块主板(34)、航行器本体分别与树莓派控制模块(26)信号连接。3.根据权利要求2所述的一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：大容量电池(22)上部设有快充接口，存储器(28)为固态硬盘或闪存设备。4.根据权利要求1所述的一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：航行器本体还包括防水舱外壳(11)、推进器组件、起落架(14)、防水舱盖(15)，防水舱外壳(11)为圆筒形，防水舱外壳(11)的前端与透明防水罩(16)密封连接，后端与防水舱盖(15)密封连接，推进器组件安装于防水舱外壳(11)的外周面上，起落架(14)在防水舱外壳(11)的底部对称间隔安装有两个，航行器主板(21)、智能摄像模块(31)安装于防水舱外壳(11)的内部，推进器组件与航行器主板(21)信号连接。5.根据权利要求4所述的一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：推进器组件包括垂直推进器(12)和水平推进器(13)，水平推进器(13)设有四个，在防水舱外壳(11)的水平相对两侧面分别对称间隔安装有两个，垂直推进器(12)设有三个，在防水舱外壳(11)的水平相对两侧面以及底面上分别安装有一个，水平推进器(13)中心装有led灯。6.根据权利要求4所述的一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：航行器本体还包括配重块(17)，每个起落架(14)的前部和后部分别安装有一个配重块(17)。7.根据权利要求1所述的一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：智能摄像模块(31)的安装板呈圆盘形，智能摄像头(32)为120度广角智能摄像头。8.根据权利要求1所述的一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：透明防水罩(16)为半球形钢化玻璃防水罩。9.根据权利要求1所述的一种海底管道内壁自主巡检水下航行器，其特征在于：反光标识为反光带(42)或为沿海底管道延伸方向排列的一排反光点(41)，三条反光标识的依次连线呈倒三角形，反光标识为玻璃微珠型或微棱镜型反光膜。10.一种如权利要求1～9任一所述的海底管道内壁自主巡检水下航行器的工作方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：在海底管道内壁以倒三角形的形状铺设三条反光标识；步骤二：将海底管道路线图输入至航行器主板中，考虑到长距离海底管道的路线图通
常存在精度不够的情况，这里作为参考对比使用；步骤三：开启水下航行器，将其放入海底管道内部，进行管道自主巡查；步骤四：水下航行器开启头部的智能摄像头进行录像，同时根据航行器主板传递的数据进行初步的姿态检测及自我定位；步骤五：水下航行器前端的智能摄像头检测到海底管道内壁布置的反光标识，开启闪光灯，对反光标识所在位置进行拍照，通过分析高清数码照片中反光标识的位置，依据三角形有且只有一个外接圆的特性，计算得出管道截面圆心的位置，实现水下航行器的二次自我定位和姿态检测，保持自身航线位于海底管道的轴线上；步骤六：将水下航行器的航行轨迹与海底管道路线图对比，实时确认水下航行器自身所在的大致位置，在管道轨迹变化处，提前调整自身姿态，做好相应的六自由度运动准备；步骤七：水下航行器到达指定终点位置后，自动驶出海底管道或者原路返航；步骤八：操作人员关闭水下航行器，拷贝录像数据，对管道内壁完整性进行检测。

技术总结

本发明公开了一种海底管道内壁自主巡检水下航行器及其工作方法，航行器的垂直推进器布置在防水舱外壳两侧，水平推进器呈倒三角型布置在防水舱外壳外侧，防水舱外壳底部连接有起落架，防水舱外壳内部装有航行器主板。本发明使用陀螺仪传感器和加速度传感器实现航行器的初步自我定位和姿态检测功能；利用智能摄像模块的三个广角摄像头与海底管道内壁铺设的反光标识组成光学定位系统，实现航行器的二次自我定位和姿态检测；树莓派构成的控制模块根据航行器的姿态和位置，可以利用外侧的推进器自行调节航行器的运动轨迹及运动姿态，本发明可以自主巡检海底管道内部状况，具有检测效率高、生产成本低，实用性强、使用方便等优点。使用方便等优点。使用方便等优点。