针对海洋结构物清理、检测和修复的装置及联动作业方法

本发明涉及海洋结构物检测，具体涉及一种针对海洋结构物清理、检测和修复的装置及联动作业方法。

背景技术：

1、腐蚀损伤及腐蚀疲劳对海洋结构物的服役安全构成严重威胁，也是导致结构破坏及失效的主要因素。当前部分海洋结构物(导管架平台，风电平台等)已达到服役年限，面临维修、拆除的问题。全面和准确评估海洋结构物的腐蚀及腐蚀疲劳是海洋工程领域的重要课题。

2、近年来，水下作业机器人的理论研究和样机验证取得了长足进步，但依托水下智能作业装备独立进行海洋大型构筑物智能检测、作业，目前仍属空白；

3、综上所述，研制一款能够应用于海洋环境水下大型结构物损伤检测以及修复的智能作业装备及其联动作业系统尤为重要，包括水下智能作业装备机器人rov、搭载的仪器设备、作业工具集、软件控制系统、供电系统以及收放系统等。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种针对海洋结构物清理、检测和修复的装置及联动作业方法。本发明可以通过更换水下搭载平台的部分子系统，实现水深的升级，同时也可以选配各种仪器设备，执行进一步的检测和修复工作，且采用相对独立的模块化联动作业，能够大幅提升联动作业装置的稳定性、响应速度和采集数据的实时性。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，包括：水下搭载平台、水面母船、收放系统；

4、所述水面母船用于辅助水下检测和修复作业，提供搭载空间及电力来源；

5、所述收放系统设于水面母船上，所述收放系统与水下搭载平台连接；

6、所述水下搭载平台包括推进系统、爬行系统、水下工具系统、液压系统、控制系统、监控系统、导航系统；

7、所述控制系统分别与推进系统、爬行系统、水下工具系统、液压系统、监控系统和导航系统连接；

8、所述推进系统设有多个推进器，用于驱动水下搭载平台的六自由度运动；

9、所述液压系统分别与爬行系统、水下工具系统连接，用于提供液压动力；

10、所述爬行系统用于驱动水下搭载平台的爬行运动；

11、所述水下工具系统用于清理海洋结构物表面、检测海洋结构物是否存在缺陷裂痕、对海洋结构物缺陷裂痕位置进行修复；

12、所述控制系统包括水面控制单元和水下控制单元；

13、所述水面控制单元用于接收水下控制单元传回的数据并进行显示，同时下发预设及调整指令控制水下工具系统；

14、所述水下控制单元用于采集水下视频信号、路线轨迹、设备姿态、状态数据；

15、所述监控系统用于对水下环境进行监控；

16、所述导航系统用于输出水下搭载平台导航控制信号。

17、作为优选的技术方案，所述收放系统包括脐带缆绞车、提升绞车、门架、甲板液压站；

18、所述门架与提升绞车配合，所述提升绞车设于门架后，二者中心位于同一直线，用于提升和下放水下搭载平台；

19、所述门架的底板、提升绞车的撬架底板均与水面母船的甲板固定连接；

20、所述甲板液压站分别与脐带缆绞车、提升绞车连接，用于提供液压动力；

21、所述脐带缆绞车用于存储脐带缆，所述脐带缆的一端与水面控制单元连接，所述脐带缆的另一端与水下控制单元连接，所述水下控制单元的输出端分别与水下液压系统和推进系统连接。

22、作为优选的技术方案，所述推进系统设有水平方向和竖直方向的多个推进器，水平方向的推进器对称分布，在xoy平面上，将水平四个推进器环形布置，每个推进器均与平面成45°；

23、竖直方向的推进器均布在顶部四角，与垂直于顶部的平面呈10°夹角；

24、所述推进系统设有推进器电机，所述推进器电机与电子仓连接。

25、作为优选的技术方案，所述爬行系统包括履带梁底盘、主动链轮、链条、从动轮、惰轮、液压马达、减速机、制动器；

26、所述履带梁底盘采用可拆卸式结构，所述链条分别与主动链轮、从动轮、惰轮配合连接，所述液压系统与液压马达连接；

27、左右两侧履带液压马达的减速机的输出轴和主动链轮通过键连接，驱动链条和从动轮工作，进而带动履带作业；

28、所述惰轮用于导向、支撑和张紧链条，所述制动器用于在运动过程中进行制动。

29、作为优选的技术方案，所述水下工具系统包括：水下清理刷、水下射流工具、水下打磨器、acfm电磁探伤仪、水下焊接工具；

30、所述水下清理刷、水下射流工具、水下打磨器用于清理海洋结构物表面；

31、所述acfm电磁探伤仪用于通过推进扫描的方式检测海洋结构物是否存在缺陷裂痕，同时将即时解析的直流信号转换后通过光纤传输至水面控制单元实时显示；

32、所述水下焊接工具用于对海洋结构物缺陷裂痕位置进行焊接修复。

33、作为优选的技术方案，所述水面控制单元包括水面操作台、水面主控模块和人机交互界面模块；

34、所述水面操作台用于下发控制指令；

35、所述水面主控模块包括中央处理器、电源模块、输入模块、输出模块、通信模块；

36、所述输入模块、输出模块分别与中央处理器连接，所述中央处理器与通信模块连接，所述电源模块分别与中央处理器、通信模块连接；

37、所述中央处理器用于监视输入信号状态并控制输出设备状态；

38、所述电源模块用于提供电源；

39、所述输入模块用于将外部传感器或开关输入的信号转换为数字信号；

40、所述输出模块用于将中央处理器输出的信号进行格式转换；

41、所述通信模块用于中央处理器与外部上位机、人机交互界面模块进行通信；

42、所述人机交互界面模块用于显示水下控制单元采集的数据。

43、作为优选的技术方案，所述水下控制单元包括水下的电子仓、水下通信接口模块；

44、所述电子仓与水下通信接口模块连接；

45、所述水下通信接口模块设有多个水密接口，分别与监控系统、导航系统、推进系统、水下工具系统、爬行系统连接，

46、所述电子仓用于获取监控系统采集的图像数据，生成水下搭载平台运动控制信号。

47、作为优选的技术方案，所述监控系统包括摄像头、照明灯、云台；

48、所述摄像头、照明灯、云台分别电子仓连接；

49、所述摄像头采集的图像数据信号由水密电缆传输至电子仓内的水下交换机，水下交换机另一端对应的接口连接电子仓内的水下光端机，将图像数据信号转成光信号，通过脐带缆连接水面光端机，再连接水面交换机将光信号转换成图像数据信号；

50、所述电子仓调整脉冲信号的宽度控制电压，调整照明灯的亮度，所述电子仓基于水面控制单元的调整指令调整云台的位置。

51、作为优选的技术方案，所述导航系统包括避障声呐、水声测深仪、光纤惯导和压力传感器；

52、所述避障声呐、水声测深仪、光纤惯导和压力传感器分别电子仓连接；

53、所述避障声呐采集的数据信号由水密电缆传输至电子仓内的水下交换机，交换机另一端对应的接口连接水下光端机，将数据信号转成光信号，通过脐带缆接到水面的光端机，再连接水面交换机将光信号转换成数据信号，对数据信号进行深度学习处理形成rov运动轨迹；

54、水声测深仪采集的声学信号，经过声学处理电路将声学信号转换成数据信号，传输至电子仓内的水下交换机，水下交换机另一端对应的接口连接光端机，将数据信号转成光信号，通过脐带缆接到水面的光端机，再连接水面的交换机将光信号转换成数据信号，对数据信号进行深度学习处理形成深度数据，；

55、光纤惯导采集的角速度和加速度数据信号、压力传感器采集的压力数据信号，传输至电子仓内的水下交换机，水下交换机另一端对应的接口连接光端机，将数据信号转成光信号，通过脐带缆接到水面的光端机，再连接水面的交换机将光信号转换成数据信号，对数据信号进行深度学习处理形成导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息。

56、本发明还提供一种针对海洋结构物清理、检测和修复的装置的联动作业方法，包括下述步骤：

57、水面控制单元下发控制指令，启动水下搭载平台；

58、水面控制单元通过调整水下搭载平台的移动路径，将水下搭载平台移动至待清理、检测和修复的结构物位置，或通过调整水下搭载平台的工作模式，对水下搭载平台的位置和姿态进行预期值数据下发，将运动控制运算结果发送至水下搭载平台的水下工具系统，移动至待清理、检测和修复的结构物位置；

59、水下控制单元采集水下视频信号、路线轨迹、设备姿态、状态数据上传至水面控制单元并显示，进行实时监控调整；

60、下发控制指令，控制水下工具系统靠近待清理、检测和修复的海洋结构物位置，对海洋结构物进行表面清理；

61、调整水下搭载平台姿态，控制水下工具系统对结海洋结构物表面进行扫描，通过推进扫描的方式检测海洋结构物是否存在缺陷裂痕，并对海洋结构物缺陷裂痕位置进行焊接修复；

62、判定海洋结构物清理、检测和修复工作完成后，控制收放系统进行回收作业，将水下搭载平台收回水面。

63、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

64、(1)本发明可以通过更换水下搭载平台的部分子系统，实现水深的升级，同时也可以选配各种仪器设备，执行进一步的检测和修复工作，且采用相对独立的模块化联动作业，能够大幅提升联动作业装置的稳定性、响应速度和采集数据的实时性。

65、(2)本发明的rov八个推进器可实现rov的六自由度运动，即三个平移运动：横荡、纵荡、垂荡，三个旋转运动：横摇、纵摇、艏摇；独立控制，通过相互组合组成适量控制功能，在推进器产生的力矩下调整自身姿态，可以实现rov的水下悬停前进、翻滚和结构物攀底运动。

66、(3)本发明的rov设有可拆式的爬行机构的安装接口，高分子材质合成的履带可适应不同结构物表面和各种工况海床表面；也可以根据作业海况和重量需要安装或拆卸爬行机构。

67、(4)本发明rov本体设计了多个相对独立的安装接口，可作为多种功能工具系统的搭载平台，可以通过更换部分子系统，达到清理、检测和修复不同功能需求：

68、水下清理刷和水下打磨机与rov本体设计有固定架连接接口，其中固定架内安装有磁铁，水下清理刷和水下打磨器通过磁铁与固定架紧密连接，分别安装在平行于履带轮的rov本体机械手两端，方便执行机构抓取，完成作业；

69、集搭载低耗、低负载的电机驱动的两自由度h型滑轨平台，用以搭载探头，保证acfm挂载在机械手的同时，自身仍能一定范围内移动保证作业灵活性，提升作业效率；同时可依据具体作业需求调整滑轨平台移动行程，拓展能用范围与领域。

70、(5)本发明的水下搭载平台设有独立的液压系统，可避免液压油由水面传递至水下的过程能量损耗和系统延迟。

71、(6)本发明的水下搭载平台设有导航系统，对rov位置信息的实时获取及跟踪，具备在作业实施区域进行作业路径规划，rov可保持预定姿态并自主跟随路径进行作业，具备最后保障的超短基线应答功能。

72、(7)本发明在水面母船有完善监测水面水下状态的装置，并由操作人员通过此对水下设备进行操作rov工作：包括人机对话功能、水面水下视频监控功能、水下hcu和tcu监控功能、水下pod监控功能、水温观测功能、甲板电源监控功能等。

技术特征：

1.一种针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，包括：水下搭载平台、水面母船、收放系统；

2.根据权利要求1所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，所述收放系统包括脐带缆绞车、提升绞车、门架、甲板液压站；

3.根据权利要求1所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，所述推进系统设有水平方向和竖直方向的多个推进器，水平方向的推进器对称分布，在xoy平面上，将水平四个推进器环形布置，每个推进器均与平面成45°；

4.根据权利要求1所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，所述爬行系统包括履带梁底盘、主动链轮、链条、从动轮、惰轮、液压马达、减速机、制动器；

5.根据权利要求1所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，所述水下工具系统包括：水下清理刷、水下射流工具、水下打磨器、acfm电磁探伤仪、水下焊接工具；

6.根据权利要求1所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，所述水面控制单元包括水面操作台、水面主控模块和人机交互界面模块；

7.根据权利要求1所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，所述水下控制单元包括水下的电子仓、水下通信接口模块；

8.根据权利要求7所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，所述监控系统包括摄像头、照明灯、云台；

9.根据权利要求7所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置，其特征在于，所述导航系统包括避障声呐、水声测深仪、光纤惯导和压力传感器；

10.根据权利要求1-9任一项所述的针对海洋结构物清理、检测和修复的装置的联动作业方法，其特征在于，包括下述步骤：

技术总结
本发明公开了一种针对海洋结构物清理、检测和修复的装置及联动作业方法，包括：水下搭载平台、水面母船、收放系统；水面母船辅助水下检测和修复作业，提供搭载空间及电力来源；收放系统设于水面母船上，收放系统与水下搭载平台连接；水下搭载平台包括推进系统、爬行系统、水下工具系统、液压系统、控制系统、监控系统、导航系统；水下工具系统清理海洋结构物表面、检测海洋结构物是否存在缺陷裂痕、对海洋结构物缺陷裂痕位置进行修复；控制系统下发预设及调整指令控制水下工具系统。本发明采用相对独立的模块化联动作业，能够大幅提升联动作业装置的稳定性、响应速度和采集数据的实时性。

技术研发人员：陈超核,董迎恺,江梦洁,刘鲲,梁富琳,贾广言
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23