本發(fā)明涉及一種超大型橋隧工程建設(shè)深基槽用清淤設(shè)備，特別是一種深水基槽清淤智能有軌機器人。

背景技術(shù)：

進入21世紀后，我國進入跨海橋梁建設(shè)的新時期，跨海橋梁從淺水逐漸走向深水，跨海形式從單一的橋梁連接逐漸走向橋、島、隧的互聯(lián)互通。例如，正在建設(shè)中的港珠澳跨海大橋和深中通道，均采用了橋、島、隧結(jié)合的平面線形設(shè)計方案。此外，未來10～20年，大連灣海底隧道、廈門海底隧道、瓊州海峽海底隧道、臺灣海峽海底隧道等一大批超大型的橋隧工程將相繼從圖紙走向現(xiàn)實。

在這種超級工程的施工建設(shè)過程中，需要開挖超大型水下基槽，用于隧道沉管的安放，例如港珠澳大橋沉管基槽長5600米，寬40米，最大開挖深度達40米。然而，由于深基槽的開挖極大改變了水下局部水流流場結(jié)構(gòu)，打破了原有的水沙輸運平衡，因此極易引起深基槽自身的沉積物回淤，致使工程停工，嚴重影響進度，并造成巨大的經(jīng)濟損失。如在港珠澳大橋第e15節(jié)沉管安放過程中，由于深基槽的回淤問題，工程進度因此延誤達4個月之久，并造成了上億元的經(jīng)濟損失。

目前，超大型橋隧工程建設(shè)過程中的深基槽回淤問題不僅是我國工程界近年來遇到的新的挑戰(zhàn)和致力解決的難題，也是一項世界性難題，相關(guān)的方法、工程規(guī)范、技術(shù)手段、設(shè)備幾乎是空白。隧道沉管安放施工前的最后一道工序是鋪設(shè)碎石基床，在碎石基床鋪設(shè)前，基槽發(fā)生回淤事故一般還可動用機械設(shè)備進行清淤，但在碎石基床鋪設(shè)后至沉管安放期間，為保持碎石基床的平整度，淤積在基床上的泥沙則不能采用傳統(tǒng)的大型機械清淤。截至目前，解決這一問題的唯一可靠途徑就是人工潛水清淤的方法。顯而易見，這種辦法目前遇到以下幾大難題：(1)施工需要待氣象水文條件適宜時才能進行，清淤窗口期較短，工期完全靠天決定；(2)需大量清淤隊伍、水文氣象輔助監(jiān)測隊伍及設(shè)備的投入，成本很高，效率卻較低；(3)人員、設(shè)備等需深入水下幾十米的基槽進行人工作業(yè)，存在較大的人員、設(shè)備安全風險?？傮w而言，這種傳統(tǒng)的方法成本高、效率低、安全風險大、機械化智能化程度低，已無法滿足水運工程建設(shè)現(xiàn)代化的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種深水基槽清淤智能有軌機器人，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)智能機械化清淤，解放人力，大幅節(jié)約建設(shè)成本、效率高、安全隱患少。

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種深水基槽清淤智能有軌機器人，包括運動機體、底沙清理系統(tǒng)、含沙量水下地形監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述運動機體包括雙軌道、托架、前車輪和后車輪，所述前車輪和所述后車輪均安裝在托架上，并在所述雙軌道上運行，所述后車輪由運動電機驅(qū)動，所述運動電機由外部電源供電，所述運動電機由運動變頻器控制；所述底沙清理系統(tǒng)包括固定在所述托架上的一根水平設(shè)置的蛇形充水管和一根水平設(shè)置的蛇形充氣管，所述充水管和所述充氣管平行固接，所述充水管和所述充氣管均設(shè)有與所述雙軌道垂直且橫跨所述雙軌道的多個橫向管段，在所述充水管的橫向管段上設(shè)有多個水流噴頭，在所述水流噴頭上設(shè)有單向逆水閥，在所述充氣管的橫向管段上設(shè)有多個氣流噴頭，在所述氣流噴頭上設(shè)有單向逆止閥，所述氣流噴頭和所述水流噴頭朝前傾斜設(shè)置，多個所述氣流噴頭和多個所述水流噴頭左右交錯、均勻布置，所述充水管采用高壓水泵充水，所述高壓水泵由與其固接的水泵電機驅(qū)動，所述水泵電機由水泵變頻器控制，所述水泵電機由外部電源供電；所述充氣管采用高壓氣泵充氣，所述高壓氣泵由與其固接的氣泵電機驅(qū)動，所述氣泵電機由氣泵變頻器控制，所述氣泵電機由外部電源供電，所述高壓氣泵通過進氣軟管與進氣頭連接，所述進氣頭固定在浮體上并暴露在水面以上；所述高壓水泵和所述高壓氣泵均固定在所述托架上；所述含沙量水下地形監(jiān)測系統(tǒng)包括obs濁度儀、水下超聲地形測量儀、水下高清攝像頭和水下光源，在所述托架的前后兩端均設(shè)有所述obs濁度儀，所述水下超聲地形測量儀可滑動地安裝在直線導軌上，所述直線導軌固定在所述托架上并橫跨所述雙軌道；在所述托架的前后兩端均設(shè)有所述水下高清攝像頭和所述水下光源；所述控制系統(tǒng)包括終端上位機、水下控制模塊、gps模塊和水壓力傳感器，所述gps模塊和所述水壓力傳感器安裝在所述托架上，所述水下控制模塊包括固定在所述托架上的密封箱體，在所述密封箱體內(nèi)設(shè)有單片機，所述終端上位機通過所述單片機與所述gps模塊、所述水壓力傳感器、所述obs濁度儀、所述水下超聲地形測量儀及所述水下高清攝像頭進行數(shù)據(jù)傳輸，所述終端上位機通過所述單片機對所述運動變頻器、水泵變頻器和氣泵變頻器進行控制。

在所述托架上固定有柵欄型管托，所述充水管和所述充氣管裝在所述柵欄型管托內(nèi)，所述水流噴頭和所述氣流噴頭均探出在所述柵欄型管托的外面。

所述托架由若干型鋼焊接而成。

在所述高壓水泵的進水口上連接有進水頭，在所述進水頭的最外側(cè)設(shè)有濾網(wǎng)。

所述直線導軌與所述柵欄型管托固接。

所述浮體由上部浮架和下部浮箱組成，所述進氣頭固定在所述上部浮架上。

在所述進氣頭的最外側(cè)設(shè)有濾網(wǎng)。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：

1)可實現(xiàn)超大型橋隧工程深水基槽沉積物清理的自動化和智能化，避免了傳統(tǒng)方法巨大的人物、物力投入，大幅節(jié)省了建設(shè)成本，填補了國內(nèi)外在這一類型設(shè)備技術(shù)方面的空白。

2)清理智能機器人設(shè)計成有軌形式，并通過gps定位模塊實時返回坐標數(shù)據(jù)，使其清理范圍可控。

3)水下超聲地形測量儀實時監(jiān)測水下地形變化，從而實現(xiàn)了清理過程的自動化，同時配合gps定位模塊的定位數(shù)據(jù)，可自動控制運動機體的運動。

4)通過obs濁度儀實時監(jiān)測基槽底部的含沙量，從而實現(xiàn)清理強度的自動控制，保證了清理的準確性。

5)通過水下高清攝像頭對基槽底部清理情況進行觀察，保證了清理的效果。

6)機器人結(jié)構(gòu)緊湊、呈扁平狀，棲息在深水基槽的底部，避開了淺水的強水流區(qū)，運動時阻力小，性能穩(wěn)定。

7)采用外部電源通過水下電纜給機器人供電，動力充足，續(xù)航能力強。

綜上所述，本發(fā)明是一種自動化和智能化的有軌機器人，能夠用于深水基槽的清理，極大地節(jié)省超大型橋隧工程建設(shè)成本，為工程建設(shè)的順利開展保駕護航。填補了國內(nèi)外這類設(shè)備的空白，促進了我國水運、海洋行業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。本發(fā)明設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，自動化智能化程度高、安裝使用方便，也適用于其它類水運、海洋工程建設(shè)過程中沉積物的清理工序，因此，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和市場空間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的水下部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的水上浮體部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的柵格型管托內(nèi)充氣管和充水管走線示意圖；

圖5為本發(fā)明的底沙清理系統(tǒng)中的充氣管和充水管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的高壓水泵細節(jié)圖；

圖7為本發(fā)明的控制系統(tǒng)框圖。

圖中：1、雙軌道；201、前車輪；202、后車輪；3、托架；4、柵欄型管托；5、運動電機；6、高壓水泵；7、高壓氣泵；8、水下控制模塊；9、浮體；10、終端上位機；11、數(shù)據(jù)電纜；12、進氣軟管；13、供電電纜；14、obs濁度儀；15、水下光源；16、水下超聲地形測量儀；17、水下高清攝像頭；18、直線導軌；19、水流噴頭；20、氣流噴頭；21、單向逆水閥；22、單向逆止閥；23、充氣管；24、充水管；25、水泵電機；26、進水頭；27、進氣頭；28、單片機；29水泵變頻器；30、氣泵變頻器；31、運動變頻器；32、gps模塊；33、水壓力傳感器；901、上部浮架；902、下部浮箱。

具體實施方式

為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

請參閱圖1～圖7，一種深水基槽清淤智能有軌機器人，包括運動機體、底沙清理系統(tǒng)、含沙量水下地形監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。所述底沙清理系統(tǒng)和所述含沙量水下地形監(jiān)測系統(tǒng)固定在所述運動機體上隨運動機體的運動而運動，控制系統(tǒng)通過內(nèi)部單片機、外部終端上位機及植入程序控制底沙清理系統(tǒng)、運動機體、含沙量水下地形監(jiān)測系統(tǒng)的工作。

所述運動機體包括雙軌道1、托架3、前車輪201和后車輪202，所述前車輪201和所述后車輪202均安裝在托架3上，并在所述雙軌道1上運行，所述后車輪202由運動電機5驅(qū)動，所述運動電機5由外部電源供電，所述運動電機5由運動變頻器31控制。

所述雙軌道1按照規(guī)定的間距鋪設(shè)在深水基槽底部，并保持一定的懸空高度，以防止泥沙掩埋。兩個前車輪201和兩個后車輪202安裝在托架3底部對稱的四個角上，并設(shè)置在雙軌道1上，可自由前進后退。兩臺伺服電機5由運動變頻器31控制，分別與兩個后車輪202連接，通過齒輪將動力傳至后車輪202以驅(qū)動整個托架3運動。所述托架3由若干型鋼焊接而成，用于搭載底沙清理系統(tǒng)、含沙量水下地形監(jiān)測系統(tǒng)和控制模塊8。外部電源通過供電電纜13給兩臺運動電機5供電。

所述底沙清理系統(tǒng)包括固定在所述托架3上的一根水平設(shè)置的蛇形充水管24和一根水平設(shè)置的蛇形充氣管23，所述充水管24和所述充氣管23平行固接，所述充水管24和所述充氣管23均設(shè)有與所述雙軌道1垂直且橫跨所述雙軌道1的多個橫向管段，在所述充水管24的橫向管段上設(shè)有多個水流噴頭19，在所述水流噴頭19上設(shè)有單向逆水閥21，在所述充氣管23的橫向管段上設(shè)有多個氣流噴頭20，在所述氣流噴頭20上設(shè)有單向逆止閥22，所述氣流噴頭20和所述水流噴頭19朝前傾斜設(shè)置，多個所述氣流噴頭20和多個所述水流噴頭19左右交錯、均勻布置；所述充水管24采用高壓水泵6充水，所述高壓水泵6由與其固接的水泵電機25驅(qū)動，所述水泵電機25由水泵變頻器29控制，所述水泵電機25由外部電源供電；所述充氣管23采用高壓氣泵7充氣，所述高壓氣泵7由與其固接的氣泵電機驅(qū)動，所述氣泵電機由氣泵變頻器30控制，所述氣泵電機由外部電源供電，所述高壓氣泵7通過進氣軟管12與進氣頭27連接，所述進氣頭27固定在浮體9上并暴露在水面以上；所述高壓水泵6和所述高壓氣泵7均固定在所述托架3上。

所述水流噴頭19朝向前下方。在高壓水泵6的進水口上連接有進水頭26，在進水頭26的最外側(cè)設(shè)濾網(wǎng)，以防止雜物進入。高壓水泵6由一臺水泵電機25驅(qū)動，將進水頭26周圍的水抽至充水管24內(nèi)，最后從水流噴頭19噴出，所述單向逆水閥21連接在水流噴頭19的最外側(cè)，保證水流只能向外噴出而不能回流，所述水泵電機25由水泵變頻器29控制其轉(zhuǎn)動。類似地，所述氣流噴頭20朝向前下方。充氣管23與高壓氣泵7連接，高壓氣泵7通過進氣軟管12與水面以上的進氣頭27連接，進氣頭27固定在一個浮體9上，浮體由上部的浮架901和下部的浮箱902組成，所述進氣頭27固定在所述上部浮架901上。浮體9可隨水位的升降而起伏，進氣頭27最外側(cè)設(shè)有濾網(wǎng)以防止雜物進入。高壓氣泵7采用一臺氣泵電機驅(qū)動將進氣頭27周圍的空氣抽至充氣管23內(nèi)，最后從氣流噴頭20噴出，所述單向逆止閥22連接在氣流噴頭20的最外側(cè)，保證只能向外噴氣而不能回水，所述氣泵電機由氣泵變頻器30控制其轉(zhuǎn)動。外部電源通過供電電纜13給所述氣泵電機和所述水泵電機25供電。

所述充水管24和充氣管23平行捆綁布置，為維持其穩(wěn)定性，在托架3上固定欄型管托4，將充水管24和充氣管23裝在管托4內(nèi)，所述水流噴頭19和所述氣流噴頭20均探出在柵欄型管托4的外面，交叉布置，形成噴頭陣列。

所述含沙量水下地形監(jiān)測系統(tǒng)包括obs濁度儀14、水下超聲地形測量儀16、水下高清攝像頭17和水下光源15，在所述托架3的前后兩端均設(shè)有所述obs濁度儀14，所述水下超聲地形測量儀16可滑動地安裝在直線導軌18上，所述直線導軌18固定在所述托架3上并橫跨所述雙軌道1；在所述托架3的前后兩端均設(shè)有所述水下高清攝像頭17和所述水下光源15。

所述obs濁度儀14用于實時測量深水基槽底部附近的懸沙濃度。水下超聲地形測量儀16可在直線導軌18上來回自由移動，用于實時監(jiān)測水下地形的變化。所述水下高清攝像頭17用于實時監(jiān)視水下泥沙清理情況，所述水下光源15用于深水基槽暗環(huán)境下的補光。

所述控制系統(tǒng)包括終端上位機10、水下控制模塊8、gps模塊32和水壓力傳感器33，所述gps模塊32和所述水壓力傳感器33安裝在所述托架3上。

所述水下控制模塊8包括固定在所述托架3上的密封箱體，在所述密封箱體內(nèi)設(shè)有單片機28，所述終端上位機10通過所述單片機28與所述gps模塊32、所述水壓力傳感器33、所述obs濁度儀14、所述水下超聲地形測量儀16及所述水下高清攝像頭17進行數(shù)據(jù)傳輸，所述終端上位機10通過所述單片機28對所述運動變頻器31、水泵變頻器29和氣泵變頻器30進行控制。

所述單片機28分別所述運動變頻器31、水泵變頻器29、氣泵變頻器30、gps模塊32、水壓力傳感器33、obs濁度儀14、水下超聲地形測量儀16及水下高清攝像頭17連接，水下超聲地形測量儀16用于實時掃描水下地形的變化，同時輸出數(shù)據(jù)以控制運動機體中車輪2的滾動。obs濁度儀14用于實時測量深水基槽底部附近的懸沙濃度，同時輸出數(shù)據(jù)以控制高壓水泵6和高壓氣泵7分別進行噴水和噴氣動作；水下高清攝像頭17用于觀測深水基槽底部泥沙的運動情況及深水基槽的清淤效果。

gps模塊32用于監(jiān)測整個機體的運動和位置，最好安裝在運動機體內(nèi)部。水壓力傳感器33用于測量壓力信號，以確定整個機體所處的水下深度，通常安裝在托架3的外側(cè)。

所述單片機28通過數(shù)據(jù)電纜11與終端上位機10相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

本發(fā)明的工作原理是：

使用時，先設(shè)置雙導軌1，然后將運動機體吊裝在雙導軌1上，使前后車輪與雙導軌1配合。在終端上位機10上設(shè)定機器人的運動范圍閾值、含沙量閾值和水下地形變化閾值。采用外部電源給運動電機5供電，運動機體沿雙軌道1自行運行，同時啟動水下超聲地形測量儀16、obs濁度儀14和水下高清攝像頭17。

水下超聲地形測量儀16在直線導軌18上來回移動，實時監(jiān)測水下地形數(shù)據(jù)，并將地形數(shù)據(jù)經(jīng)單片機28處理后傳輸給終端上位機10。終端上位機10根據(jù)用戶設(shè)定的水下地形變化閾值判斷是否啟用底沙清理系統(tǒng)，當判斷為是時，自動開啟高壓水泵6和高壓氣泵7的供電開關(guān)，高壓水泵6開啟后，水流噴頭19噴出高速水流沖擊深水基槽床面沉積物，在基槽背景水流的帶動下，沉積物起懸和上揚。高壓氣泵7開啟后，氣流噴頭20射出氣體，產(chǎn)生大量氣泡，促使沉積物繼續(xù)大幅上升，并被基槽背景水流帶離基槽，從而實現(xiàn)深水基槽沉積物的清理。當水下超聲地形測量儀16監(jiān)測的數(shù)據(jù)經(jīng)終端上位機10判斷需要關(guān)閉底沙清理系統(tǒng)時，自行關(guān)閉高壓水泵6和高壓氣泵7。

obs濁度儀14實時監(jiān)測深水基槽底部的含沙量，并將含沙量數(shù)據(jù)經(jīng)單片機28處理后傳輸至終端上位機10。終端上位機10根據(jù)用戶設(shè)定的含沙量閾值自動調(diào)解高壓水泵6和高壓氣泵7的轉(zhuǎn)速，從而自動控制噴水和噴氣的強度。

gps模塊32實時監(jiān)測運動機體的運動速度、加速度和位置，并將數(shù)據(jù)通過單片機28發(fā)送至終端上位機10，終端上位機10根據(jù)用戶設(shè)定的機器人定位坐標、運動范圍閾值以及水下地形變化閾值自動控制運動電機5，實現(xiàn)運動機體的變速運動和位置修正。

水壓力傳感器33實時監(jiān)測水壓力信號，以此確定運動機體所處的水下深度；水下高清攝像頭17實時監(jiān)視深水基槽底部地形和沉積物清理的情況。二者將數(shù)據(jù)經(jīng)單片機28輸送至終端上位機10，供用戶決策。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍的情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。