本發(fā)明涉及一種用于海洋平臺(tái)水下焊縫缺陷復(fù)合檢測，是一種利用螺紋伸縮及連桿開閉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，利用圖像信號和超聲波陣列探頭復(fù)合作用達(dá)到檢測目的的復(fù)合探測式水下機(jī)器人焊縫缺陷檢測裝置，用于海洋石油勘探開發(fā)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著科技的迅猛發(fā)展，對能源的需求也越來越大。占地球表面積71％的海洋是人類賴以生存和發(fā)展的四大戰(zhàn)略空間——陸、海、空、天中繼陸地之后的第二大空間，是能源、生物資源和金屬資源的戰(zhàn)略性開發(fā)基地，不但是目前最現(xiàn)實(shí)的，而且也是最具發(fā)展?jié)摿Φ目臻g。海洋將成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要基地，水下機(jī)器人從20世紀(jì)后半葉誕生起，就伴隨著人類認(rèn)識(shí)海洋、開發(fā)海洋和保護(hù)海洋的進(jìn)程不斷發(fā)展。在人類爭相向海洋進(jìn)軍的21世紀(jì)，水下機(jī)器人作為人類探索和開發(fā)海洋最重要的工具必將得到空前的重視和發(fā)展。近年來，隨著我國能源戰(zhàn)略的調(diào)整,海洋平臺(tái)作為海上油氣開發(fā)的重要手段得到充分的重視，海洋平臺(tái)的安全性也越發(fā)引人關(guān)注。焊縫缺陷可以說是海洋平臺(tái)最致命的安全危害，可導(dǎo)致環(huán)境污染甚至人員傷亡。海洋平臺(tái)在水下部分環(huán)境具有高鹽度、高腐蝕性、高濕度及難以檢測的特點(diǎn)，易受海水侵蝕產(chǎn)生焊縫缺陷。目前行業(yè)內(nèi)對海洋平臺(tái)水下部分的檢測多采用rov(remoteoperatedvehicle有纜式水下機(jī)器人)進(jìn)行水下焊縫檢測，這樣不僅檢測效率低下，而且纜繩在一定程度上限制了rov的活動(dòng)范圍，同時(shí)纜繩的斷裂也會(huì)造成機(jī)器人的丟失。隨著海洋石油的發(fā)展，auv(autonomousunderwatervehicle無纜自治式水下機(jī)器人)必將得到廣泛的應(yīng)用。

許多沿海國家特別是發(fā)達(dá)國家都致力于水下機(jī)器人技術(shù)的研究和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。上海交通大學(xué)研制的“海馬號”水下機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)海底作業(yè)，缺點(diǎn)是采用的有纜式結(jié)構(gòu)，限制了活動(dòng)范圍；美國bluefinrobotics公司研制的“藍(lán)鰭金槍魚-21”自主式水下航行器采用全封閉式結(jié)構(gòu)利用圖像信號進(jìn)行水下檢測，缺點(diǎn)是水下圖像信號可檢測區(qū)域因水下環(huán)境受限；深海電磁場檢測系統(tǒng)裝置(中國專利：2016108261475)利用了電磁場檢測方法，缺點(diǎn)是自主控制性不強(qiáng)，且受纜繩限制活動(dòng)區(qū)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，檢測和定位水下焊縫缺陷，確定焊縫缺陷在水下的具體位置，為海洋平臺(tái)的維護(hù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，特提供一種復(fù)合探測式水下機(jī)器人焊縫缺陷檢測裝置。

本發(fā)明利用dsp圖像信號處理及超聲波脈沖反射原理，通過控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由螺紋伸縮連桿系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向齒輪系統(tǒng)、連桿開閉系統(tǒng)、分別打開ccd攝像機(jī)采集圖像信號和超聲波陣列探頭采集超聲波掃描信號，達(dá)到檢測焊縫缺陷目的。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種復(fù)合探測式水下機(jī)器人焊縫缺陷檢測裝置，是由仿魚雷流線型殼體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、螺紋伸縮連桿系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向齒輪系統(tǒng)、連桿開閉系統(tǒng)、視覺監(jiān)測系統(tǒng)、超聲波陣列探頭和信號分析定位系統(tǒng)組成，其特征在于：主體由轉(zhuǎn)向齒輪系統(tǒng)、兩套螺紋伸縮連桿系統(tǒng)、連桿開閉系統(tǒng)和仿魚雷流線型殼體組成；轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5(16)后端與伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)相連置于殼體內(nèi)后端水平槽中，轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)置于殼體內(nèi)豎直槽中，轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)下端與轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5(16)前端以齒輪嚙合相連，轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)從殼體上方伸出，四根固定鉸支座(18)安裝在殼體前外端連接連桿τ2(11)，另一水平螺紋桿τ4(14)后端與連桿開閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(10)相連置于殼體內(nèi)前端水平槽中，水平螺紋桿τ4(14)從殼體正前方縮進(jìn)；所述螺紋伸縮連桿系統(tǒng)分為2組，轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)置于殼體內(nèi)豎直槽中，轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)下端與轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5(16)前端以齒輪嚙合相連，轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)從殼體上方伸出，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪螺紋桿τ1(9)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)外螺紋連接結(jié)構(gòu)，桿順著螺紋線方向旋轉(zhuǎn)，桿在豎直槽內(nèi)向上伸出，水平螺紋桿τ4(14)后端與連桿開閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(10)相連置于殼體內(nèi)前端水平槽中，水平螺紋桿τ4(14)從殼體正前方縮進(jìn)，當(dāng)水平螺紋桿τ4(14)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)外螺紋連接結(jié)構(gòu)，桿逆著螺紋線方向旋轉(zhuǎn)，桿在前端水平槽中向內(nèi)縮進(jìn)；所述轉(zhuǎn)向齒輪系統(tǒng)由伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)、轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5(16)、轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)組成，轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5(16)后端與伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)相連置于殼體內(nèi)后端水平槽中，轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)下端與轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5(16)前端以齒輪嚙合相連，伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5(16)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)向齒輪的嚙合作用使轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生改變，使得轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)；所述連桿開閉系統(tǒng)由水平螺紋桿τ4(14)、連桿τ3(13)、連桿τ2(11)組成，水平螺紋桿τ4(14)前端與連桿τ3(13)下端通過螺母連接，連桿τ3(13)上端與連桿τ2(11)下端通過螺母連接，水平螺紋桿τ4(14)向內(nèi)縮進(jìn)，使連桿τ3(13)水平方向夾角增大，連桿τ3(13)垂直高度增加，通過與連桿τ2(11)的連接，使連桿τ2(11)與水平方向夾角增大，連桿τ2(11)向外張開；所述視覺監(jiān)測系統(tǒng)由ccd攝像機(jī)(7)和照明光源(8)組成，ccd攝像機(jī)(7)及照明光源(8)固定在轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)前端，由控制器(5)控制，與伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)同時(shí)開啟，隨轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)一同伸出采集圖像信號；所述超聲波陣列探頭(12)為4個(gè)，分布在4根連桿τ2(11)前端，每個(gè)超聲波陣列探頭覆蓋90°區(qū)域，4個(gè)共覆蓋360°區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無死角掃描，每個(gè)超聲波陣列探頭有72個(gè)探頭陣元(19)，排列成外圓環(huán)形狀，共有288個(gè)探頭陣元；所述仿魚雷流線型殼體仿照魚雷的流線型構(gòu)造在水中力求達(dá)到最小水阻力，在水下機(jī)器人裝置殼體外后方安裝垂直平衡舵(1)、水平平衡舵(2)分別保持垂直方向和水平方向的平衡穩(wěn)定，由螺旋槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(4)驅(qū)動(dòng)螺旋槳(3)在水中推進(jìn)；所述信號分析裝置(17)置于殼體內(nèi)固定槽中，包括視頻解碼器(20)、信號調(diào)理電路(21)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(22)、gps定位模塊(6)、fpga(23)、dsp處理器(24)、程序存儲(chǔ)器(25)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)、顯示器(27)、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(28)及上位機(jī)(29)，其功能在于信號預(yù)處理、分析、判斷，確定焊縫缺陷并存儲(chǔ)和顯示缺陷坐標(biāo)，一路信號經(jīng)視頻解碼器(20)與fpga(23)相連，另一信號經(jīng)信號調(diào)理電路(21)與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(22)相連，轉(zhuǎn)換后信號也送入fpga(23)，fpga(23)與程序存儲(chǔ)器(25)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)雙向連接，經(jīng)fpga(23)預(yù)處理后的信號一方面送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)緩存，一方面送至dsp處理器(24)進(jìn)行處理，gps定位模塊(6)與dsp處理器(24)相連，dsp處理器(24)與程序存儲(chǔ)器(25)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)雙向連接，dsp處理器(24)處理后的信號一方面送至顯示器(27)，一方面送至數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(28)，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(28)與上位機(jī)(29)相連。

復(fù)合探測式水下機(jī)器人焊縫缺陷檢測裝置：在水下到達(dá)檢測區(qū)域后，控制器控制啟動(dòng)伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋伸縮連桿系統(tǒng)伸出ccd攝像機(jī)進(jìn)行圖像信號采集，并將圖像信號送入信號分析定位系統(tǒng)，當(dāng)圖像信號無法判斷缺陷時(shí)，控制器啟動(dòng)連桿開閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)螺紋伸縮連桿系統(tǒng)縮進(jìn)，并通過連桿開閉系統(tǒng)使連桿張開。超聲波陣列探頭進(jìn)行超聲波掃描信號采集，并將超聲波掃描信號送入信號分析定位系統(tǒng)，信號分析定位系統(tǒng)按以下步驟進(jìn)行缺陷信號的分析和定位：

1、ccd攝像機(jī)(7)將圖像信號輸送至視頻解碼器(20)將圖像信號解碼成數(shù)據(jù)信號，處理后的信號送至fpga(23)預(yù)處理，預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)緩存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)中，然后將圖像數(shù)據(jù)送至dsp處理器(24)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及焊縫缺陷的判斷，處理后的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)中，由程序存儲(chǔ)器(25)引導(dǎo)dsp處理器(24)上電自舉；

2、超聲波陣列探頭(12)將采集的超聲波掃描信號輸送至信號調(diào)理電路(21)，調(diào)理后信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(22)a/d轉(zhuǎn)化，然后再送至fpga(23)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，預(yù)處理后的波形信號緩存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)中，然后送到dsp處理器(24)進(jìn)行超聲波掃描信號的處理以及焊縫缺陷的判斷，由程序存儲(chǔ)器(25)引導(dǎo)dsp處理器(24)上電自舉；

3、當(dāng)dsp處理器(24)判斷出焊縫缺陷時(shí)，由gps定位模塊(6)將當(dāng)前三維坐標(biāo)位置發(fā)送到dsp處理器(24)，并由dsp處理器(24)將坐標(biāo)位置存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)中，可送至顯示器(27)實(shí)時(shí)顯示坐標(biāo)信息，同時(shí)可將坐標(biāo)信息通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(28)發(fā)送到上位機(jī)(29)。

本發(fā)明的有益效果是：(1)本裝置利用螺紋伸縮連桿系統(tǒng)準(zhǔn)確有效控制檢測模塊的開啟，通過控制連桿開閉系統(tǒng)的張開角度，實(shí)現(xiàn)了探測器的伸開和收縮，采用仿魚雷流線結(jié)構(gòu)，減少了水下阻力，通過圖像信號與超聲波掃描信號的復(fù)合檢測，大大降低了水下焊縫缺陷檢測的漏檢率，提高了檢測效率；(2)本發(fā)明檢測方便易于控制，增強(qiáng)了檢測的自主性和可控性，提高了檢測的適應(yīng)性、精準(zhǔn)性及穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的復(fù)合探測式水下機(jī)器人焊縫缺陷檢測裝置的主體裝配圖。

圖2是本裝置圖像信號檢測功能部分局部剖圖。

圖3是該裝置掃描信號檢測功能部分局部剖圖。

圖4是本裝置超聲波陣列探頭陣元排列圖。

圖5是本裝置的信號分析處理示意圖。

圖中：1、垂直平衡舵，2、水平平衡舵，3、螺旋槳，4、螺旋槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，5、控制器，6、gps定位模塊，7、ccd攝像機(jī)，8、照明光源，9、轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1,10、連桿開閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，11、連桿τ2，12、超聲波陣列探頭，13、連桿τ3，14、水平螺紋桿τ4，15、伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，16、轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5，17、信號分析裝置，18、固定鉸支座，19、探頭陣元，20、視頻解碼器，21、信號調(diào)理電路，22、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，23、fpga，24、dsp處理器，25、程序存儲(chǔ)器，26：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、27、顯示器，28、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，29、上位機(jī)；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1、2、3、4、5對本發(fā)明裝置做進(jìn)一步說明。

在海洋平臺(tái)水下用水下機(jī)器人進(jìn)行焊縫檢測過程中，首先將水下機(jī)器人在海洋平臺(tái)附近海域放入水中。當(dāng)水下機(jī)器人入水后，控制器(5)啟動(dòng)螺旋槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(4)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺旋槳(3)轉(zhuǎn)動(dòng)，該裝置開始在水中推進(jìn)。當(dāng)gps定位模塊(6)定位坐標(biāo)到達(dá)大致區(qū)域時(shí)，控制器(5)啟動(dòng)伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)。伸縮連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)使轉(zhuǎn)向齒輪桿τ5(16)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)向齒輪嚙合帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向齒輪螺紋桿τ1(9)由于螺紋連接伸出，同時(shí)控制器(5)啟動(dòng)ccd攝像機(jī)(7)攝像。該裝置開始可視化檢查，ccd攝像機(jī)(7)將圖像信號輸送至視頻解碼器(20)將圖像信號解碼，處理后的信號送到fpga(23)及dsp處理器(24)共同進(jìn)行焊縫缺陷的判斷,處理后的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)中，由程序存儲(chǔ)器(25)引導(dǎo)dsp處理器(24)上電自舉；當(dāng)dsp處理器(24)判斷出焊縫缺陷時(shí)，由gps定位模塊(6)將當(dāng)前三維坐標(biāo)位置發(fā)送到dsp處理器(24)，并由dsp處理器(24)將坐標(biāo)位置存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)中，送至顯示器(27)實(shí)時(shí)顯示坐標(biāo)信息，同時(shí)將坐標(biāo)信息通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(28)發(fā)送到上位機(jī)(29)。

當(dāng)焊縫缺陷不能通過圖像信號判斷時(shí)，控制器(5)開始啟動(dòng)連桿開閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(10)帶動(dòng)水平螺紋桿τ4(14)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，水平螺紋桿τ4(14)由于螺紋連接向內(nèi)縮進(jìn)。水平螺紋桿τ4(14)縮進(jìn)使得連桿τ3(13)與水平螺紋桿τ4(14)之間的夾角增大，從而使連桿τ3(13)的垂直高度增加，通過與連桿τ2(11)的連接使連桿τ2(11)與水平方向夾角增加。如此使連桿τ2(11)伸開，同時(shí)控制器(5)在連桿開閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(10)啟動(dòng)的同時(shí)啟動(dòng)超聲波陣列探頭(12)，超聲波陣列探頭(12)的探頭陣元(19)在伸開的連桿τ2(11)上形成陣列。4根連桿τ2(11)垂直交叉分布，每根連桿τ2(11)上覆蓋90°區(qū)域，一共覆蓋360°區(qū)域，該裝置開始超聲波掃描檢查，超聲波陣列探頭(12)將采集的超聲波掃描信號輸送至信號調(diào)理電路(21)，調(diào)理后信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(22)a/d轉(zhuǎn)換，然后再送至fpga(23)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，預(yù)處理后的波形信號緩存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)中，然后送到dsp處理器(24)進(jìn)行超聲波掃描信號的處理以及焊縫缺陷的判斷，當(dāng)dsp處理器(24)判斷出焊縫缺陷時(shí)，由gps定位模塊(6)將當(dāng)前三維坐標(biāo)位置發(fā)送到dsp處理器，并由dsp處理器將坐標(biāo)位置存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(26)中，可送至顯示器(27)實(shí)時(shí)顯示坐標(biāo)信息，同時(shí)可將坐標(biāo)信息通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(28)發(fā)送到上位機(jī)(29)。