本發(fā)明涉及水下機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種用于水下設(shè)備巡檢的協(xié)作型auv及巡檢方法。

背景技術(shù)：

1、在海洋開發(fā)過程中，水下設(shè)備是資源開發(fā)的重要組成部分。為了有效預(yù)防海底設(shè)備失效事故，需要定期對水下設(shè)備進(jìn)行運(yùn)維。采用水下無人機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)相比傳統(tǒng)人工作業(yè)更安全可靠高效，其推廣應(yīng)用也越來越明顯。rov(remote?operated?underwatervehicle)具有長效供電和良好的人機(jī)遠(yuǎn)程交互能力可對管道進(jìn)行維修作業(yè)，但受纜線的影響，巡檢范圍有限。況且海底環(huán)境復(fù)雜多變，臍帶纜極易在海底處纏繞、斷裂導(dǎo)致設(shè)備丟失。auv(autonomous?underwater?vehicle)沒有臍帶纜的限制，彌補(bǔ)了rov的一些不足，能夠大范圍自主完成沿管道巡檢的任務(wù)。但同時(shí)只能依靠電池供電，續(xù)航成為了影響auv發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2、目前存在的auv自動(dòng)化巡檢大多只依靠攝像頭進(jìn)行缺陷、故障識(shí)別，在水底環(huán)境中，泥沙較多，推進(jìn)器運(yùn)行將會(huì)使底部泥沙攪動(dòng)，造成周圍水域渾濁，不利于光學(xué)檢測，因此需要研究一款攜帶圖像聲納的auv。

3、目前存在的auv提高續(xù)航的方法多利用巧妙機(jī)械設(shè)計(jì)減少推進(jìn)器的動(dòng)能消耗或者增加電池容量，前者犧牲了auv的空間自由度，使得機(jī)動(dòng)性有所下降，后者增加了auv的重量。并且這兩者都無法保證auv在水下常態(tài)化運(yùn)行，因此需要研究出一款能在水下無線充電的auv。

4、目前存在的auv與母船信息交互更多依賴于聲波直接進(jìn)行傳輸。較低的聲速使得水聲通信的速率、帶寬都遠(yuǎn)不及無線通信，深海情況難以保證反饋給母船auv狀態(tài)的實(shí)時(shí)性，影響作業(yè)安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于水下設(shè)備巡檢的協(xié)作型auv及巡檢方法。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種用于水下設(shè)備巡檢的協(xié)作型auv，該裝置由艏部負(fù)載艙、艏部輔推艙、電子艙、艉部負(fù)載艙、艉部輔推艙和主推艙依次連接而成；

3、所述艏部負(fù)載艙搭載高清網(wǎng)絡(luò)相機(jī)、照明led燈，與auv中軸線成15°安裝多波束聲

4、所述艏部輔推艙上安裝有艏部水平推進(jìn)器、艏部垂直推進(jìn)器、機(jī)械環(huán)掃聲納和定位信標(biāo)，所述電子艙中安裝電池和無線充電裝置，所述艉部負(fù)載艙中安裝高度計(jì)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和水聲通訊機(jī)；艉部輔推艙安裝有艉部水平推進(jìn)器和艉部垂直推進(jìn)器，與艏部輔助推進(jìn)器配合，提供潛浮、俯仰、側(cè)向橫移和改變航向的能力；所述主推艙上安裝兩個(gè)采用水平均布方式放置的主推。

5、進(jìn)一步地，所述電子艙中還包括嵌入式計(jì)算平臺(tái)，將傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令通過水密穿艙件連接外部，通過安裝電池供電。

6、進(jìn)一步地，所述無線充電裝置內(nèi)裝有線圈和升壓模塊，輸出電池電壓通過充電口給auv充電，使其能夠從水下rov中取電。

7、進(jìn)一步地，所述電子倉側(cè)面安裝有布放把手，艉部負(fù)載艙頂部安裝有用于吊裝下水和rov機(jī)械臂抓取的吊環(huán)。

8、另一方面，本說明是還提供了一種所述auv實(shí)現(xiàn)的巡檢方法，包括：

9、s1、到達(dá)巡檢作業(yè)區(qū)域后，將布放設(shè)備吊裝下水，進(jìn)行設(shè)備自檢和初始化操作；

10、s2、使用rov母機(jī)攜帶auv子機(jī)至預(yù)定深度，開始rov母機(jī)作業(yè)任務(wù)；

11、s3、auv子機(jī)使用相機(jī)和聲納設(shè)備進(jìn)行環(huán)境感知，進(jìn)行自主巡檢；

12、所述巡檢過程包括異常點(diǎn)檢測、水聲通信信號(hào)回傳和能源補(bǔ)給；

13、所述異常點(diǎn)檢測包括：在視野模糊環(huán)境將聲納圖像輸入至yolov8神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取異常點(diǎn)，將異常點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換到auv設(shè)備坐標(biāo)系中；

14、所述水聲通信信號(hào)回傳包括：將異常點(diǎn)位置通過水聲通信傳輸至rov母機(jī)，再由rov母機(jī)回傳至操作人員；

15、所述能源補(bǔ)給包括：auv電量檢測，低電量時(shí)發(fā)送請求信號(hào)，由rov反饋?zhàn)鴺?biāo)后auv進(jìn)行無線充電；

16、s4、接收到異常點(diǎn)的位置信息后，操作人員操控rov母機(jī)進(jìn)行搶修；

17、s5、在完成海底設(shè)備運(yùn)維任務(wù)后，auv接到命令后返回多功能運(yùn)維rov母機(jī)周圍，由rov母機(jī)機(jī)械臂抓取auv，一起由布放裝置回收至運(yùn)維船上。

18、進(jìn)一步地，所述異常點(diǎn)檢測具體包括：

19、首先將聲納圖像送入yolov8神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別海底管道裸露異常，得到在扇形聲納圖像上異常點(diǎn)的像素位置p(x,y)；

20、已知將獲得的聲納扇形圖像放置于長為2×rpixel×sin(α/2)，寬為rpixel的圖像中，其中聲納的橫向成像角度為α，實(shí)際成像半徑為r，扇形聲納圖像的像素半徑為rpixel；

21、圖像的像素坐標(biāo)系原點(diǎn)o為圖像左上角，xpixel向右，ypixel向下；其中聲納原點(diǎn)osonar在圖像中的坐標(biāo)為(rpixel×sin(α/2),rpixel)；此時(shí)圖像中一個(gè)像素對應(yīng)的實(shí)際距離為r/rpixel；

22、在聲納原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，xsonar向前、ysonar向左、zsonar垂直圖像平面向上；經(jīng)過yolov8神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別出的異常點(diǎn)p(x,y)相對聲納的位置為(r/rpixel)×(rpixel-y，rpixel×sin(α/2)-x)；

23、已知聲納的安裝傾角為ψ，高度計(jì)測得距海底距離為h，所以聲納圖像中識(shí)別到的海底管道，在auv坐標(biāo)系(xauv朝前，zauv朝上)中的位置估計(jì)為((r/rpixel)×(rpixel-y)×cosψ，rpixel×sin(α/2)-x，-h)+(xauv_sonar，yauv_sonar，zauv_sonar)；其中(xauv_sonar，yauv_sonar，zauv_sonar)為聲納在auv坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。

24、進(jìn)一步地，auv與rov母機(jī)的水聲通信傳輸具體為：由水聲通訊機(jī)通過xrce?dds傳輸。

25、進(jìn)一步地，所述能源補(bǔ)給具體包括：

26、通過電池的bms系統(tǒng)讀取到剩余電量不足10％時(shí)，通過水聲通信機(jī)向rov發(fā)生請求信號(hào)，rov收到后返回自身通過ugps反饋的絕對坐標(biāo)；auv收到反饋?zhàn)鴺?biāo)后，結(jié)束自動(dòng)巡航模式，自動(dòng)導(dǎo)航至rov附近；

27、岸上操作人員通過臨場遙操作機(jī)械臂抓取auv，將auv固定到rov底部支架上，使得無線充電裝置與rov的供電接口對齊；同時(shí)操作人員發(fā)送指令，無線充電發(fā)送端的48v輸入繼電器打開，協(xié)作型auv中接收端線圈感應(yīng)到發(fā)射端線圈的電磁信號(hào)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，輸出48v電壓，通過充電口給電子艙內(nèi)部電池充電；

28、充電過程中，auv持續(xù)檢測電池的剩余電量，當(dāng)達(dá)到95％以上時(shí)，像rov發(fā)送斷開指令，操作人員再次通過機(jī)械臂，將auv從支架上取出；rov發(fā)送斷開完成指令，auv重新切換為自動(dòng)巡航模式。

29、本發(fā)明的有益效果：

30、1.本發(fā)明在艏部負(fù)載艙安裝有多波束圖像聲納并且與auv中軸線成15°放置，進(jìn)行實(shí)時(shí)水下設(shè)備檢測，經(jīng)過后續(xù)yolov8神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理和三維位置重建算法，可以識(shí)別異常點(diǎn)的具體位置，相比常規(guī)只依靠光學(xué)檢測，在泥沙渾濁環(huán)境下自動(dòng)化巡檢魯棒性更好。

31、2.本發(fā)明采用水聲通信機(jī)與rov一對一通訊的方式，利用xrce-dds作為通訊中間件，使得rov在資源受限的嵌入式平臺(tái)下也能夠接入ros2體系，降低了硬件成本。信息再通過臍帶纜線傳輸給母船，相比直接在深海通過水聲通訊反饋給母船，具有更高的效率和更快的速度。