本實(shí)用新型涉及土木工程市政管道檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于超聲波相控陣的城市既有市政管網(wǎng)爬行機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

城市市政管網(wǎng)系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，是城市賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是保障城市正常、高效運(yùn)轉(zhuǎn)、保證城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)健康可持續(xù)發(fā)展的重要條件。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷提高，城市市政管網(wǎng)建設(shè)得到快速發(fā)展，近幾年來(lái)，每年新鋪設(shè)和更新改造的市政管網(wǎng)長(zhǎng)度超過(guò)10萬(wàn)公里，市政管網(wǎng)新材料、施工新技術(shù)得到管道工程界廣泛關(guān)注和積極應(yīng)用。

根據(jù)用途，可將市政管網(wǎng)劃分為城市給排水管網(wǎng)、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)、城市集中供熱管網(wǎng)等。城市給排水管網(wǎng)是城市給排水設(shè)施最重要的組成部分，是城市的“地下血脈”。一座城市若想發(fā)展得更好更快，直接取決于城市給排水管網(wǎng)是否規(guī)劃合理和建設(shè)好壞。

隨著我國(guó)城市建設(shè)步伐的加大，城市地下給排水管網(wǎng)系統(tǒng)也逐漸龐大，但與之相關(guān)的弊端也日益顯露。城市給排水管網(wǎng)存在以下問(wèn)題：（1）管網(wǎng)老化、管材低劣、施工技術(shù)落后，造成管網(wǎng)爆漏事故；（2）供水管網(wǎng)非正常工況運(yùn)行，超負(fù)荷工況造成爆管；（3）排水管網(wǎng)建設(shè)與污水處理廠建設(shè)不匹配；（4）雨水管、污水管混接；（5）混凝土管及其接頭破損嚴(yán)重。除去一些人為因素，給排水管網(wǎng)的確是存在質(zhì)量問(wèn)題，這是引發(fā)事故的源頭所在。通過(guò)對(duì)后期檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)完善，可部分預(yù)防相應(yīng)的問(wèn)題。

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)與居民生活息息相關(guān)。城市燃?xì)夤艿罋庠捶N類(lèi)多，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，施工質(zhì)量參差不齊，燃?xì)庠O(shè)備系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性難以得到保證。已經(jīng)投入使用的燃?xì)夤芫W(wǎng)，由于長(zhǎng)期埋設(shè)在地下或裸露在空氣中，受到內(nèi)部腐蝕、外部干擾等諸多因素的影響或破壞，不同程度地出現(xiàn)了各種缺陷，包括管壁減薄、裂紋、膠圈老化等，不僅使管網(wǎng)可用度、可靠性下降，而且給整個(gè)社會(huì)和周邊環(huán)境帶來(lái)巨大的安全危害。城市埋地管道所處區(qū)域的地表情況復(fù)雜，人口密度大，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁，一旦發(fā)生燃?xì)夤艿肋m度將造成巨大的損失?，F(xiàn)階段，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的使用主要存在兩方面問(wèn)題：一方面是對(duì)在役管道過(guò)早或過(guò)度維修，浪費(fèi)巨大；另一方面，一些管道由于沒(méi)有及時(shí)得到維護(hù)而發(fā)生泄漏、破裂，造成不可挽回的損失。因此，必須加強(qiáng)對(duì)城市燃?xì)夤艿赖臋z測(cè)維護(hù)。

城市集中供熱管網(wǎng)是由城市集中供熱熱源向熱用戶輸送和分配供熱介質(zhì)的管線系統(tǒng)。熱網(wǎng)由輸熱干線、配熱干線、支線等組成。輸熱干線自熱源引出，一般不接支線；配熱干線自輸熱干線或直接從熱源接出，通過(guò)配熱支線向用戶供熱。熱網(wǎng)管徑根據(jù)水力計(jì)算確定。在大型管網(wǎng)中，有時(shí)為保證管網(wǎng)壓力工況（見(jiàn)熱網(wǎng)水壓圖），集中調(diào)節(jié)和檢測(cè)供熱介質(zhì)參數(shù)，而在輸熱干線或輸熱干線與配熱干線連接處設(shè)置熱網(wǎng)站。目前，城市集中供熱管網(wǎng)存在諸如以下的問(wèn)題：（1）管網(wǎng)滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，管網(wǎng)輸送效率低，熱損失大；（2）管網(wǎng)中水力失調(diào)問(wèn)題普遍存在，近端過(guò)熱，遠(yuǎn)端過(guò)冷，降低了供電系統(tǒng)的效率。

鑒于我國(guó)城市地下市政管網(wǎng)出現(xiàn)諸如腐蝕、泄漏、變形、破損等諸多問(wèn)題，具備一套行之有效的管網(wǎng)檢測(cè)方法系統(tǒng)就十分有必要。目前，我國(guó)城市地下市政管網(wǎng)的檢漏主要是有檢漏工人采用手持式聽(tīng)診器或簡(jiǎn)單的測(cè)試儀器進(jìn)行檢漏。人工檢漏需要工人在安靜的深夜穿著反光衣、戴耳機(jī)，用耳朵檢查地下管網(wǎng)的暗漏。這種人工檢漏的方式，不僅漏檢率高，而且工作量大，效率低?，F(xiàn)階段沒(méi)有全面解決城市市政管道問(wèn)題的方法、儀器和相應(yīng)的技術(shù)方案。因此，發(fā)展城市既有管道綜合檢測(cè)技術(shù)，研究管道無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)，提高檢測(cè)的可靠性和自動(dòng)化程度，加強(qiáng)在建和在役運(yùn)輸管道的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，對(duì)提高管線運(yùn)輸?shù)陌踩跃哂兄匾饬x。

在現(xiàn)有管道檢測(cè)技術(shù)中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)使用最為廣泛。作為其中一種先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，超聲波檢測(cè)發(fā)展最為迅速，逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，且漸漸成為了管道檢測(cè)的主要手段之一。管道超聲波檢測(cè)是利用現(xiàn)有的超聲波傳感器測(cè)量超聲波信號(hào)往返于缺陷之間的時(shí)間差來(lái)測(cè)定缺陷和管壁之間的距離。測(cè)量反射回波信號(hào)的幅值和超聲波探頭的發(fā)射位置，確定缺陷的大小和方位。

城市地下管道中，污物較為集中，沉積物大多為生活垃圾，管道內(nèi)腐爛物有可能放出有毒性的氣體，某些生活污水還可能析出石油、汽油或苯等氣體，在濃度過(guò)大時(shí)即可引起爆炸。地下管道環(huán)境惡劣，檢測(cè)人員在管道內(nèi)作業(yè)存在一定的危險(xiǎn)性，而且有些管徑較小的管道，直徑只有500mm左右，檢測(cè)人員無(wú)法進(jìn)入，需要使用自動(dòng)行走裝置（如機(jī)器人）進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，同時(shí)仍需要檢測(cè)人員在終端進(jìn)行輔助工作。

所以，如何設(shè)計(jì)一種基于超聲波相控陣的城市既有市政管網(wǎng)爬行機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，成為我們當(dāng)前要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于超聲波相控陣的城市既有市政管網(wǎng)爬行機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：一種基于超聲波相控陣的城市既有市政管網(wǎng)爬行機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng),包括終端處理模塊、終端顯示模塊、終端控制模塊、無(wú)線通信模塊、照明模塊、機(jī)器人控制模塊、GPS定位模塊、機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊、高清攝像模塊、脈沖接收模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、脈沖發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和機(jī)器人爬行模塊，所述機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊通過(guò)電信號(hào)單向連接所述終端處理模塊，所述終端處理模塊通過(guò)所述終端控制模塊單向連接所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所述無(wú)線通信模塊單向連接所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、所述機(jī)器人控制模塊和所述照明模塊，所述機(jī)器人控制模塊單向連接所述機(jī)器人爬行模塊，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)電信號(hào)單向連接所述脈沖接收模塊，所述GPS定位模塊通過(guò)所述無(wú)線通信模塊單向連接所述終端處理模塊，所述終端處理模塊單向連接所述終端控制模塊和所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，所述終端控制模塊單向連接所述機(jī)器人控制模塊和所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所述脈沖接收模塊單向連接所述終端處理模塊，所述終端處理模塊雙向連接所述終端顯示模塊，所述GPS定位模塊和所述機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊均通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述機(jī)器人控制模塊連接，所述高清攝像模塊和所述GPS定位模塊均通過(guò)所述數(shù)據(jù)線與所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接。

所述終端處理模塊、所述終端顯示模塊、所述終端控制模塊、所述無(wú)線通信模塊、所述照明模塊、所述機(jī)器人控制模塊、所述GPS定位模塊、所述機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊、所述高清攝像模塊、所述脈沖接收模塊、所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、所述脈沖發(fā)生模塊、所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和所述機(jī)器人爬行模塊均集成在終端設(shè)備的內(nèi)部，且所述終端設(shè)備為工業(yè)計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、平板電腦或智能移動(dòng)手機(jī)。

進(jìn)一步的，所述脈沖接收模塊采集的信息為市政管道內(nèi)壁反射的超聲回波。

進(jìn)一步的，所述脈沖發(fā)生模塊為超聲波相控陣面形陣列探頭，工作頻率為1MHz到7.5MHz之間，帶寬為60%到80%之間，靈敏度偏差為±2dB。

進(jìn)一步的，所述終端控制模塊通過(guò)所述無(wú)線通信模塊與機(jī)器人子系統(tǒng)連接，且所述無(wú)線通信模塊采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或WIFI。

進(jìn)一步的，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：該種基于超聲波相控陣的城市既有市政管網(wǎng)爬行機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，使用爬行機(jī)器人代替檢測(cè)人員進(jìn)行管道檢測(cè)，避免檢測(cè)人員利用手持式儀器進(jìn)行檢測(cè)，作業(yè)環(huán)境大幅改善，使用超聲波技術(shù)進(jìn)行管道內(nèi)壁進(jìn)行360度全方位腐蝕檢測(cè)，檢測(cè)更加全面，漏檢率大幅降低，可使用機(jī)器人群進(jìn)行協(xié)作，提高檢測(cè)效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖中：1、終端處理模塊；2、終端顯示模塊；3、終端控制模塊；4、無(wú)線通信模塊；5、照明模塊；6、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊；7、GPS定位模塊；8、機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊；9、高清攝像模塊；10、脈沖接收模塊；11、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；12、脈沖發(fā)生模塊；13、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；14、機(jī)器人爬行模塊。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)用新型提供一種基于超聲波相控陣的城市既有市政管網(wǎng)爬行機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)：包括終端處理模塊1、終端顯示模塊2、終端控制模塊3、無(wú)線通信模塊4、照明模塊5、機(jī)器人控制模塊6、GPS定位模塊7、機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊8、高清攝像模塊9、脈沖接收模塊10、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11、脈沖發(fā)生模塊12、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊13和機(jī)器人爬行模塊14，機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊8通過(guò)電信號(hào)單向連接終端處理模塊1，終端處理模塊1通過(guò)終端控制模塊3單向連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11，無(wú)線通信模塊4單向連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11、機(jī)器人控制模塊6和照明模塊5，機(jī)器人控制模塊6單向連接機(jī)器人爬行模塊14，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11通過(guò)電信號(hào)單向連接脈沖接收模塊10，GPS定位模塊7通過(guò)無(wú)線通信模塊4單向連接終端處理模塊1，終端處理模塊1單向連接終端控制模塊3和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊13，終端控制模塊3單向連接機(jī)器人控制模塊6和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11，脈沖接收模塊10單向連接終端處理模塊1，終端處理模塊1雙向連接終端顯示模塊2，GPS定位模塊7和機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊8均通過(guò)數(shù)據(jù)線與機(jī)器人控制模塊6連接，高清攝像模塊9和GPS定位模塊7均通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊13連接。

進(jìn)一步的，終端處理模塊1、終端顯示模塊2、終端控制模塊3、無(wú)線通信模塊4、照明模塊5、機(jī)器人控制模塊6、GPS定位模塊7、機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊8、高清攝像模塊9、脈沖接收模塊10、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11、脈沖發(fā)生模塊12、所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊13和機(jī)器人爬行模塊14均集成在終端設(shè)備的內(nèi)部，且終端設(shè)備為工業(yè)計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、平板電腦或智能移動(dòng)手機(jī)，便于操作和便于攜帶。

進(jìn)一步的，脈沖接收模塊10采集的信息為市政管道內(nèi)壁反射的超聲回波，便于采集信息。

進(jìn)一步的，脈沖發(fā)生模塊12為超聲波相控陣面形陣列探頭，工作頻率為1MHz到7.5MHz之間，帶寬為60%到80%之間，靈敏度偏差為±2dB，通過(guò)電子技術(shù)可為探頭壓電晶片確定相位順序和相繼激發(fā)的速度可以使固定在一個(gè)位置上的探頭發(fā)出的超聲波束通過(guò)一個(gè)選定的角度，無(wú)需調(diào)整相控陣探頭角度。

進(jìn)一步的，終端控制模塊3通過(guò)無(wú)線通信模塊4與機(jī)器人子系統(tǒng)連接，便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指令、超聲波信息、高清圖像信息的傳輸，且無(wú)線通信模塊4采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或WIFI，便于信號(hào)的傳遞。

具體的，機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊8將機(jī)器人位姿信息傳輸給終端處理模塊1，終端處理模塊1據(jù)此計(jì)算脈沖發(fā)生模塊中每個(gè)壓電晶片發(fā)射脈沖的相位和順序，并經(jīng)終端控制模塊3將指令傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11接收無(wú)線通信模塊4傳輸過(guò)來(lái)的反饋指令，驅(qū)動(dòng)超聲波相控陣探頭上每個(gè)壓電晶片發(fā)射指定的超聲波。并驅(qū)動(dòng)脈沖接收模塊接收反射回的超聲波回波信號(hào)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊6接收無(wú)線通信模塊4傳輸過(guò)來(lái)的控制指令，控制爬行機(jī)器人的啟動(dòng)關(guān)閉、速度升降和方向轉(zhuǎn)變、位姿轉(zhuǎn)變，機(jī)器人爬行模塊14具有前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、攀爬等功能，GPS定位模塊7，通過(guò)無(wú)線通信模塊4將機(jī)器人位置信息實(shí)時(shí)傳輸給終端處理模塊1，供終端控制模塊3指定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令。同時(shí)，將機(jī)器人位置信息保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊13，可在機(jī)器人回收后用數(shù)據(jù)線導(dǎo)出，無(wú)線通信模塊4供機(jī)器人子系統(tǒng)與終端控制模塊3進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指令、超聲波信息、高清圖像信息的傳輸終端控制模塊3給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊6發(fā)送相應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令，指導(dǎo)其作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。所述的終端控制模塊3發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11，根據(jù)相應(yīng)指令控制每一壓電晶片發(fā)射脈沖的相位和順序，終端處理模塊1實(shí)時(shí)接收脈沖接收模塊10的超聲波回波信息、高清圖像信息、GPS定位信息和機(jī)器人位姿信息，終端顯示模塊2實(shí)時(shí)顯示終端處理模塊1接收并處理后的信息，爬行機(jī)器人在管道內(nèi)遇到可以越過(guò)的障礙物時(shí)，可向終端顯示模塊2反饋路障信號(hào)，待終端控制模塊3發(fā)出越障指令后，爬行機(jī)器人可攀爬通過(guò)障礙物。所述的爬行機(jī)器人在管道內(nèi)遇到無(wú)法越過(guò)的障礙物時(shí)，可向終端處理模塊1反饋無(wú)法前行信號(hào)，等待進(jìn)一步指令，爬行機(jī)器人在成功越障后，機(jī)載運(yùn)動(dòng)傳感器模塊8和GPS定位模塊7實(shí)時(shí)傳遞機(jī)器人位姿信息和位置信息給終端處理模塊1，供其計(jì)算分析，重新調(diào)整脈沖發(fā)生模塊12中每個(gè)壓電晶片發(fā)射超聲波的相位和順序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊13可保存GPS定位模塊7的位置信息、脈沖接收模塊10的超聲波回波信息、高清攝像模塊9的圖像信息，爬行機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)，可先對(duì)障礙物路段管壁進(jìn)行全方位超聲波掃描，或者攀爬障礙物過(guò)程中，自動(dòng)調(diào)整位姿，繼續(xù)發(fā)射超聲波脈沖進(jìn)行全方位管壁掃描

工作原理：首先，將城市既有管網(wǎng)的地理信息模型導(dǎo)入進(jìn)終端控制模塊3，確定待檢測(cè)區(qū)域后，終端處理模塊1即可對(duì)爬行機(jī)器人群組各自路徑進(jìn)行優(yōu)化分配，其次爬行機(jī)器人接收來(lái)自終端控制模塊3的指令，啟動(dòng)后，進(jìn)入管道，終端顯示模塊2可實(shí)時(shí)顯示高清攝像模塊傳輸?shù)漠?huà)面，檢測(cè)人員可在終端進(jìn)行監(jiān)視，必要時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，然后，終端控制模塊3發(fā)出實(shí)時(shí)掃描指令，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11接收到指令，驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生模塊12沿內(nèi)壁360度全方位進(jìn)行超聲波掃描，同時(shí)接收超聲波回波信息，實(shí)時(shí)傳輸給終端處理模塊1，下一步，一次360度管壁掃描完成后，爬行機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)遇到前方障礙物時(shí)，終端處理模塊1可通過(guò)識(shí)別算法進(jìn)行識(shí)別路障類(lèi)型，并在終端顯示模塊2進(jìn)行顯示，當(dāng)路障可以越過(guò)時(shí)，機(jī)器人可自行越障，默認(rèn)在越障前對(duì)障礙管道段預(yù)先進(jìn)行360度全方位超聲波掃描，路障無(wú)法越過(guò)時(shí)，終端顯示模塊2顯示無(wú)法越過(guò)警告，機(jī)器人停在原地，需要檢測(cè)人員進(jìn)行人工干預(yù)，決定下一步是繼續(xù)越障，或是原路返回，或是停留在原地，待專(zhuān)業(yè)人員清楚障礙，最后，檢測(cè)完成后，爬行機(jī)器人陸續(xù)返回至特定地點(diǎn)，進(jìn)行匯合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。