申请/专利权人：长江勘测规划设计研究有限责任公司

申请日：2019-05-29

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN110146896B

主分类号：G01S15/88

分类号：G01S15/88;G01S17/08;G01S17/58;G01S17/87;G01C23/00;B63B35/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2019.09.13#实质审查的生效;2019.08.20#公开

摘要：本发明涉及水上巡视技术领域，公开了一种用于无压输水隧洞的无人巡视装备及方法，用于无压输水隧洞的无人巡视装备包括水面航行的巡视艇、探测水下断面信息的声纳系统、拍摄水上洞壁视频的摄影系统以及储存所述水下断面信息和所述水上洞壁信息的数据存储设备，所述声纳系统、所述摄影系统承载在所述巡视艇上。本发明的用于无压输水隧洞的无人巡视装备及方法中，通过在巡视艇上集成声纳系统、摄影系统及数据存储设备，实现水下和水上的一体化监测，无需派遣人员入洞巡视监测，巡视视角能覆盖隧洞整个断面主要部位，实现了隧洞局部破坏、泥沙淤积等问题的及时发现，大幅度降低人工巡视的危险性。

主权项：1.一种用于无压输水隧洞的无人巡视装备100，其特征在于：所述用于无压输水隧洞的无人巡视装备包括水面航行的巡视艇10、探测水下断面信息的声纳系统30、拍摄水上洞壁视频的摄影系统50以及储存所述水下断面信息和所述水上洞壁信息的数据存储设备60，所述声纳系统30、所述摄影系统50承载在所述巡视艇10上；所述用于无压输水隧洞的无人巡视装备100进一步包括控制所述巡视艇10的航迹和航向的航迹航向控制系统20，所述航迹航向控制系统20设置在所述巡视艇10上；所述航迹航向控制系统20包括航迹控制环21、航向控制环22、激光测距雷达23、航迹反馈装置24及航向反馈装置25，所述航迹反馈装置24和所述航向反馈装置25接收所述激光测距雷达23测得的所述巡视艇10的信息并分别发送至所述航迹控制环21和所述航向控制环22，所述航迹控制环21和所述航向控制环22根据接收到的信息确定所述巡视艇10的航迹和航向；所述航迹控制环21比较所述航迹反馈装置24发来的当前航迹与计划航迹得到所述巡视艇10的航迹偏差以控制所述巡视艇10的航迹；所述航向控制环22比较所述航向反馈装置25发来的当前航向与计划航向得到所述巡视艇10的航向偏差以控制所述巡视艇10的航向；所述航迹航向控制系统20包括两个测量水平距离数据的所述激光测距雷达23，两个所述激光测距雷达23分别设置在所述巡视艇10两侧以分别测量两侧的水平距离数据并发送给所述航向反馈装置25得到当前航向；所述航向反馈装置25通过所述激光测距雷达23得到同时刻左、右侧水平距离数据，判定当前航向，并通过对比当前航向与理想航向，修正巡视装备的当前航向。

全文数据：用于无压输水隧洞的无人巡视装备及方法技术领域本发明涉及水上巡视技术领域，具体地指一种用于无压输水隧洞的无人巡视装备及方法。背景技术跨流域引调水工程的线路穿山越岭，输水建筑物大多采用长距离无压输水隧洞形式。无压输水隧洞面临不良地质体、高地应力、活动断层、泥沙淤积、长期溶蚀等挑战，可能产生变形、垮塌、开裂、淤塞、溶蚀等局部破坏，进而影响到工程的正常运行和结构安全。为保证隧洞的正常运行及安全性，输水隧洞的安全监测是全面了解洞室结构运行性态、实现灾情预测预警的重要途经。无压输水隧洞或无压过水涵管的安全监测包括仪器量测和巡视检查两部分内容。受监测工程投资所限，监测仪器仅在建筑物的代表性或典型部位布置，不可能对建筑物的所有位置起到完全监控。巡视检查是安全监测的重要环节，也是仪器量测的有力补充，对保障输水隧洞运行安全性具有不可或缺的作用。巡视检查通常由巡查人员携带量尺、量杯、照相机、摄像机等便携设备，采用肉眼观察、人工计量、影像记录等方式进行。输水隧洞正常运行情况下，由于隧洞内呈稳定的明流状态洞壁部分在水下、部分在水上，不具备人员进入条件，难以定期开展巡视检查工作，也就不能及时发现和消除上述安全隐患。受正常运行状态下人员难以进入隧洞巡检的限制，我国此类输水隧洞的巡视检查，通常是利用输水间歇或隧洞检修时段，将隧洞内积水完全排干后，由巡查人员携带设备进入隧洞开展检查。这种人工巡视检查存在以下缺点：1由于输水间歇或隧洞检修每1～3年才遇到一次，导致巡视检查频次非常低，许多局部坡坏得不到及时发现与处理；2输水隧洞内缺少照明和交通条件，当隧洞长度较大时，开展人工巡查的工作难度很大；3部分隧洞存在缺氧或有害气体，还可能危及巡查人员的人身安全。发明内容本发明的目的在于，提供一种用于无压输水隧洞的无人巡视装备，实现无人化自动巡视，避免人工巡查的弊端。为实现上述目的，本发明所设计的用于无压输水隧洞的无人巡视装备包括水面航行的巡视艇、探测水下断面信息的声纳系统、拍摄水上洞壁视频的摄影系统以及储存所述水下断面信息和所述水上洞壁信息的数据存储设备，所述声纳系统、所述摄影系统承载在所述巡视艇上。作为优选方案，所述用于无压输水隧洞的无人巡视装备进一步包括控制所述巡视艇的航迹和航向的航迹航向控制系统，所述航迹航向控制系统设置在所述巡视艇上；所述航迹航向控制系统包括航迹控制环、航向控制环、激光测距雷达、航迹反馈装置及航向反馈装置，所述航迹反馈装置和所述航向反馈装置接收所述激光测距雷达测得的所述巡视艇的信息并分别发送至所述航迹控制环和所述航向控制环，所述航迹控制环和所述航向控制环根据接收到的信息确定所述巡视艇的航迹和航向。作为优选方案，所述航迹控制环比较所述航迹反馈装置发来的当前航迹与计划航迹得到所述巡视艇的航迹偏差以控制所述巡视艇的航迹；所述航向控制环比较所述航向反馈装置发来的当前航向与计划航向得到所述巡视艇的航向偏差以控制所述巡视艇的航向。作为优选方案，所述航迹航向控制系统包括两个测量水平距离数据的所述激光测距雷达，两个所述激光测距雷达分别设置在所述巡视艇两侧以分别测量两侧的水平距离数据并发送给所述航向反馈装置得到当前航向。作为优选方案，所述用于无压输水隧洞的无人巡视装备进一步包括设置在所述巡视艇上的行程记录系统，所述行程记录系统包括实时测定当前航速的计程仪感应器和记录当前时间的计时器。本发明的目的在于，提供一种用于无压输水隧洞的无人巡视方法，实现无人化自动巡视，避免人工巡查的弊端。为实现上述目的，本发明所设计的用于无压输水隧洞的无人巡视方法，包括以下步骤：步骤a，确定无压输水隧洞的入口，设置巡视艇的初始行进速度并放置于无压输水隧洞的水面；步骤b，在所述巡视艇在无压输水隧洞中航行过程中，设置在所述巡视艇上的声纳系统按照预设频率逐步收集水下断面信息，设置在所述巡视艇上的摄影系统拍摄水上洞壁视频，所述水下断面信息及所述水上洞壁视频传送至设置在所述巡视艇上的数据存储设备中存储；步骤c，确定无压输水隧洞的出口，在出口处依据预估时间回收所述巡视艇；步骤d，分析从所述数据存储设备中导出所述摄影系统所收集的视频数据以判断水面以上洞壁情况并进行标定；步骤e，根据所述数据存储设备中存储的所述声纳系统收集的声纳数据确定水下断面构造情况并进行标定；步骤f，汇集所述水面以上洞壁信息和所述水下断面构造信息，生产无压输水隧洞的巡视结果。作为优选方案，在所述步骤b中，所述数据存储设备同时记录由计程仪感应器实时测定的当前航速以及由计时器记录的时间历程。作为优选方案，在所述步骤d中，逐帧分析所述视频数据判断水面以上洞壁情况并结合所述数据存储设备中记录的信息采集时间和所述巡视艇当时的速度标定水面以上洞壁区段，以供后续对水面以上洞壁进行处理。作为优选方案，在所述步骤e中，所述声纳数据经过电声信号处理的得到断面图，按照时间先后顺序查看所述断面图并标定存在水下断面区段。作为优选方案，在所述步骤b中，所述巡视艇的航及航向由设置在所述巡视艇上的航迹航向控制系统按照如下方式进行控制：所述航迹航向控制系统中的航迹控制环根据比较当前航迹与计划航迹得到所述巡视艇的航迹偏差控制所述巡视艇的航迹；所述航迹航向控制系统中的航向控制环根据比较当前航向与理想航向得到所述巡视艇的航向偏差控制所述巡视艇的航向。本发明的有益效果是：本发明的用于无压输水隧洞的无人巡视装备及方法中，通过在巡视艇上集成声纳系统、摄影系统及数据存储设备，实现水下和水上的一体化监测，无需派遣人员入洞巡视监测，巡视视角能覆盖隧洞整个断面主要部位，实现了隧洞局部破坏、泥沙淤积等问题的及时发现，大幅度降低人工巡视的危险性。附图说明图1为本发明优选实施例的用于无压输水隧洞的无人巡视装备应用在无压输水隧洞的示意图。图2为图1中的用于无压输水隧洞的无人巡视装备的结构示意图。图3为图2中的航迹航向控制系统的结构示意图。图4为图2中的声纳系统的声纳探测原理示意图。图中各部件标号如下：巡视艇10、航迹航向控制系统20其中，航迹控制环21、航向控制环22、激光测距雷达23、航迹反馈装置24、航向反馈装置25、声纳系统30、行程记录系统40计时器41、计程仪感应器42、摄影系统50其中，摄影机51、照明设备52、数据存储设备60。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请参阅图1，其为本发明优选实施例的无压输水隧洞的无人巡视装备100的结构示意图，其进入无压输水隧洞中对隧洞进行巡视后返回。请结合参阅图2，本发明优选实施例的无压输水隧洞的无人巡视装备100包括巡视艇10、航迹航向控制系统20、声纳系统30、行程记录系统40、照明设备52摄影系统50及数据存储设备60。巡视艇10为巡视装备的主体，其实现水面航行并承载航迹航向控制系统20、声纳系统30、行程记录系统40、摄影系统50及数据存储设备60。航迹航向控制系统20和巡视艇10协同工作，共同决定巡视装备的航迹航向，实现巡视装备的自动化壁障。声纳系统30主要用于探测水下构造，随巡视装备的航行逐幅获取水下断面信息，判断隧洞内是否有泥沙淤积等情况。行程记录系统40主要对巡视艇10的航行过程进行测量和记录，包括航行速度和航行时间。摄影系统50中摄影机51和照明设备52协同工作，照明设备52自适应地为摄影机51提供光源，以保证摄影质量，确保所拍摄的视频数据能够覆盖整个无压输水隧洞水面以上主要区域。数据存储设备60保障整个系统的正常运行，数据记录和自动存储。请参阅图3，航迹航向控制系统20包括航迹控制环21、航向控制环22、激光测距雷达23、航迹反馈装置24及航向反馈装置25。通过接收从激光测距雷达23扫描得到的信息，经过航迹控制环21和航向控制环22的控制和自动反馈纠偏，自动矫正巡视艇10的航迹和航向。航迹控制环21、航向控制环22分别接收航迹反馈器24、航向反馈器25的反馈信息，并据此调整航迹、航向。激光测距雷达23用于测量雷达与洞壁的水平距离。巡视艇10上左右两侧各设有一个激光测距雷达，同时刻左、右侧的激光测距雷达23可各获取一个水平距离的数据，以供航向反馈装置25判定当前航向。航迹反馈装置24通过记录的巡视装备的当前航速和巡视时间，判断巡视装备的当前航迹，将该信息反馈到航迹控制环21。通过对比计划航迹与航迹反馈装置24反馈得到的当前航迹，修正当前航迹。航向反馈装置25通过激光测距雷达23得到同时刻左、右侧水平距离数据，判定当前航向。通过对比当前航向与理想航向，修正巡视装备的当前航向。具体地，理想状况下巡视艇10的航线与计划航线一致，巡视艇10处于巡视水面的中间位置，且航向与无压输水隧洞内巡视水面中轴线平行。巡视艇10的航迹和航向的自动矫正过程如下：航迹控制环21将航迹反馈装置24接收的当前航迹与计划航线对比，得到巡视艇10的位置偏差信息，采用制导算法得到航迹控制环21的期望值，发出命令给巡视艇10用以消除航迹偏差；航向控制环22接收航向反馈装置25获取的当前航向，并计算航向偏差，发出命令给巡视艇10以消除航向偏差。通过上述过程，实现巡视艇10的航迹航向控制。声纳系统30利用声波在水下传播的特性，结合电声转换和信息处理，声纳系统30可以获取水下断面包括泥沙淤积情况等。如图4中所示，假如声波在水中传播的速度为V，t0时刻声波从声纳发出，声波信号传入水中经过水底反射再传入水中，接受到反射后的信号为t1时刻，那么声呐o点到水底o1的距离为h，即为：h＝V×t1-t02。由于该声纳系统30可以向水下大角度范围小于180°且大于90°发射声波，于是可以探测水下大角度范围的构造，将电声信号经过信息处理后得到水下断面图，识别隧洞水下局部破坏和淤泥淤积区域。行程记录系统40包括计时器41和计程仪感应器422，计程仪感应器42实时测定航行速度，计时器41对当前时间及时间历程进行计量。摄影系统50中，摄影机51与照明设备52协同工作。电源系统为摄影机51和照明设备52的正常工作提供电源，照明设备52根据洞内光亮强度，自动调整照明灯光的强度。摄影系统50自巡视装备进入无压输水隧洞内开始向水上洞壁区域拍摄，形成连续的拍摄视频数据，用于检查洞壁完整性。声纳系统30、摄影系统50所获得的数据存储在数据存储设备60内。上述用于无压输水隧洞的无人巡视装备，其用于无压隧洞巡视检查的实施步骤如下：步骤a，确定无压输水隧洞的入口，开启巡视装备电源开关，设置巡视艇10的初始行进速度，摆正巡视艇10姿态并将其放置于无压输水隧洞的水面。步骤b，巡视艇10在航行过程中，借助航迹航向控制系统20自动规划当前的航迹航向；行程记录系统40中，计程仪感应器42实时测定航行速度，并由计时器41记录时间历程；声纳系统30按照一定频率逐步收集每一个断面的信息。步骤c，确定无压输水隧洞的出口，根据隧洞粗估长度和巡视艇10的速度，在洞口处依据预估时间回收巡视装备。步骤d，从数据存储设备60中导出摄影系统50所收集的视频数据，逐帧分析数据，判断水面以上洞壁是否存在裂缝、损伤、漏水等情况，结合数据存储设备60中记录的时间和速度，标定发生有裂缝、损伤等问题的洞壁区段，以便于后续的补修。步骤e，根据数据存储设备60中存储的声纳系统30收集的声纳数据，经过电声信号的处理，确定水下断面构造，按照时间先后顺序查看生成的断面图，标定存在局部破坏和泥沙淤积等问题的区段。步骤f，汇集由摄影系统50所拍摄的视频数据处理得到的水面以上洞壁信息和由声纳系统30收集的声纳数据所得到的声呐数据处理得到的水下空间构造信息，组成无压输水隧洞全断面的自动化全断面无人巡视检查成果。本发明的用于无压输水隧洞的无人巡视装备及方法的有益效果如下：1可以实现无压输水隧洞正常运行中的全断面自动化巡视检查。常规人工巡视需要在检修期洞内无水状态下进行，检查频次低，局部破坏难以得到及时发现；人力和时间成本高，危险系数大。无压输水隧洞在正常运行状态下，受空间、成本和危险性等限制难以进行人工巡视。本发明通过在巡视艇上集成声纳系统、照明系统、摄影系统及数据存储设备，实现水下和水上的一体化监测，无需派遣人员入洞巡视监测，巡视视角能覆盖隧洞整个断面主要部位，实现了隧洞局部破坏、泥沙淤积等问题的及时发现，大幅度降低人工巡视的危险性。2可以实现无压输水隧洞正常运行中巡视装备航行姿态的自动化矫正。在长距离无压输水隧洞中，难以实现长距离信号的传输，难以实现巡视艇的自动定位，难以预定航迹航向并导航。本发明的巡视艇上设有航迹航向控制系统，实时对巡视艇的航迹、航向进行调整、纠正，保证航行姿态的自动化纠正，无需借助定位系统和连接外界的通讯电缆，实现了无定位系统下的自动化避障和航行。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

权利要求：1.一种用于无压输水隧洞的无人巡视装备100，其特征在于：所述用于无压输水隧洞的无人巡视装备包括水面航行的巡视艇10、探测水下断面信息的声纳系统30、拍摄水上洞壁视频的摄影系统50以及储存所述水下断面信息和所述水上洞壁信息的数据存储设备60，所述声纳系统30、所述摄影系统50承载在所述巡视艇10上。2.根据权利要求1所述的用于无压输水隧洞的无人巡视装备，其特征在于：所述用于无压输水隧洞的无人巡视装备100进一步包括控制所述巡视艇10的航迹和航向的航迹航向控制系统20，所述航迹航向控制系统20设置在所述巡视艇10上；所述航迹航向控制系统20包括航迹控制环21、航向控制环22、激光测距雷达23、航迹反馈装置24及航向反馈装置25，所述航迹反馈装置24和所述航向反馈装置25接收所述激光测距雷达23测得的所述巡视艇10的信息并分别发送至所述航迹控制环21和所述航向控制环22，所述航迹控制环21和所述航向控制环22根据接收到的信息确定所述巡视艇10的航迹和航向。3.根据权利要求2所述的用于无压输水隧洞的无人巡视装备，其特征在于：所述航迹控制环21比较所述航迹反馈装置24发来的当前航迹与计划航迹得到所述巡视艇10的航迹偏差以控制所述巡视艇10的航迹；所述航向控制环22比较所述航向反馈装置25发来的当前航向与计划航向得到所述巡视艇10的航向偏差以控制所述巡视艇10的航向。4.根据权利要求3所述的用于无压输水隧洞的无人巡视装备，其特征在于：所述航迹航向控制系统20包括两个测量水平距离数据的所述激光测距雷达23，两个所述激光测距雷达23分别设置在所述巡视艇10两侧以分别测量两侧的水平距离数据并发送给所述航向反馈装置25得到当前航向。5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于无压输水隧洞的无人巡视装备，其特征在于：所述用于无压输水隧洞的无人巡视装备100进一步包括设置在所述巡视艇10上的行程记录系统40，所述行程记录系统40包括实时测定当前航速的计程仪感应器42和记录当前时间的计时器41。6.一种用于无压输水隧洞的无人巡视方法，包括以下步骤：步骤a，确定无压输水隧洞的入口，设置巡视艇10的初始行进速度并放置于无压输水隧洞的水面；步骤b，在所述巡视艇10在无压输水隧洞中航行过程中，设置在所述巡视艇10上的声纳系统30按照预设频率逐步收集水下断面信息，设置在所述巡视艇10上的摄影系统50拍摄水上洞壁视频，所述水下断面信息及所述水上洞壁视频传送至设置在所述巡视艇10上的数据存储设备60中存储；步骤c，确定无压输水隧洞的出口，在出口处依据预估时间回收所述巡视艇10；步骤d，分析从所述数据存储设备60中导出所述摄影系统50所收集的视频数据以判断水面以上洞壁情况并进行标定；步骤e，根据所述数据存储设备60中存储的所述声纳系统30收集的声纳数据确定水下断面构造情况并进行标定；步骤f，汇集所述水面以上洞壁信息和所述水下断面构造信息，生产无压输水隧洞的巡视结果。7.根据权利要求6所述的用于无压输水隧洞的无人巡视方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述数据存储设备60同时记录由计程仪感应器42实时测定的当前航速以及由计时器41记录的时间历程。8.根据权利要求7所述的用于无压输水隧洞的无人巡视方法，其特征在于：在所述步骤d中，逐帧分析所述视频数据判断水面以上洞壁情况并结合所述数据存储设备60中记录的信息采集时间和所述巡视艇10当时的速度标定水面以上洞壁区段，以供后续对水面以上洞壁进行处理。9.根据权利要求8所述的用于无压输水隧洞的无人巡视方法，其特征在于：在所述步骤e中，所述声纳数据经过电声信号处理的得到断面图，按照时间先后顺序查看所述断面图并标定存在水下断面区段。10.根据权利要求8所述的用于无压输水隧洞的无人巡视方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述巡视艇10的航及航向由设置在所述巡视艇10上的航迹航向控制系统20按照如下方式进行控制：所述航迹航向控制系统20中的航迹控制环21根据比较当前航迹与计划航迹得到所述巡视艇10的航迹偏差，控制所述巡视艇10的航迹；所述航迹航向控制系统20中的航向控制环22根据比较当前航向与计划航向得到所述巡视艇10的航向偏差，控制所述巡视艇10的航向。

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