1.本发明涉及海底电缆巡视技术领域，尤其涉及一种便携式海底电缆巡视无人潜航器。


背景技术：

2.随着对海岛及海洋资源的开发，海底电缆越来越多的应用于远距离跨海输电、海上风力发电等电力传输过程。和陆地电缆不同，海底电缆铺设于海底深度，甚至是通过冲埋等方式进行机械的保护，因此无法直接对海底电缆本体及周围环境进行巡视检查，海底电缆运行状况及风险分析的判断存在较大的主观性。
3.造成海底电缆故障的原因有很多，最常见的引起海底电缆故障的原因有：船舶抛锚引起海底电缆损伤；电缆护管和电缆之间的摩擦造成电缆护层及绝缘层逐渐磨损；海缆交叉点经常发生摩擦导致绝缘层的损坏形成相间短路；地壳变动形成拉力导致海缆损伤；潮汐引发的波浪流使海缆摆动和移位；海洋微生物和有机体长时间在海底电缆表面附着导致化学腐蚀。
4.目前对于海底电缆都是采用巡检的方式进行监测和检测，都是依靠巡视船定期巡视，巡视人员巡视仅限于视距范围，对于巡视人员的技术要求较高，而且无法精准判断隐患及故障的位置，巡视成本高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种便携式海底电缆巡视无人潜航器，以解决对海底电缆的巡视检测精度低和成本高的问题。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种便携式海底电缆巡视无人潜航器，包括：
8.框架；
9.主机舱，所述主机舱固定在所述框架上，所述主机舱内设有控制器和图像采集装置，尾部设有仿生鱼尾，所述控制器能够控制所述仿生鱼尾的运动以调节所述主机舱的运动姿态；所述图像采集装置实时采集海底电缆的巡视图像和/或视频并通过所述控制器上传给地面控制台；
10.驱动组件，所述驱动组件固定在所述框架上，且所述驱动组件设置在所述主机舱的下方以驱动所述主机舱运动；所述驱动组件与所述控制器之间电连接，通过所述控制器控制所述驱动组件的工作；
11.气瓶，所述气瓶设有至少两个，所述气瓶固定在所述框架上且对称设置在所述主机舱的两侧，所述控制器通过控制所述气瓶的重量和体积以调整所述主机舱的浮沉状态；
12.传感组件，固定在所述框架上，所述传感组件与所述控制器电连接以向所述控制器发送传感信号；
13.舵机，固定在所述框架上且所述舵机的输出端连接所述传感组件以调节所述传感
组件的角度；所述控制器与所述舵机电连接以向所述舵机发送控制信号。
14.可选地，所述驱动组件包括无刷电机和螺旋桨，所述螺旋桨设有至少两个，至少两个所述螺旋桨对称设置在所述主机舱的下方两侧，所述无刷电机的输出端连接所述螺旋桨以为所述螺旋桨提供驱动力。
15.可选地，所述控制器包括定位模块，所述定位模块采用北斗和gps组合导航定位。
16.可选地，所述传感组件包括位置传感器，所述位置传感器设有至少两个，至少两个所述位置感器转动连接于所述框架，且所述位置传感器位于所述主机舱前端的下方以根据海底电缆的位置进行自适应调节定位。
17.可选地，所述传感组件还包括避障传感器，所述避障传感器设置在所述框架上且绕所述主机舱的周向设置。
18.可选地，所述主机舱的前端设置可视窗口，所述图像采集装置正对所述可视窗口设置在所述主机舱的内部，所述图像采集装置连接所述控制器以将采集的所述巡视图像和/或视频发送给所述控制器，并通过所述控制器上传至所述地面控制台。
19.可选地，所述便携式海底电缆巡视无人潜航器还包括搭载平台，所述搭载平台转动连接于所述框架，所述舵机的输出端连接所述搭载平台以调整所述搭载平台的姿态，所述传感组件设置在所述搭载平台上。
20.可选地，所述传感组件还包括电磁传感器，所述电磁传感器设于所述搭载平台上以检测所述主机舱的运动速度，所述电磁传感器连接于所述控制器以向所述控制器发送电磁探测信号。
21.可选地，所述控制器通过线缆、遥控天线或无线通讯方式与所述地面控制台通讯连接。
22.可选地，所述无人潜航器包括三种工作模式：第一种为遥控控制模式，所述控制器通过天线接收所述地面控制台的遥控信号直到所述控制器到达所述海底电缆的巡视初始位置；第二种为自动巡视模式，所述控制器向所述舵机发送控制指令以调节所述传感组件使得所述主机舱定位在所述海底电缆的管道上并开始自动巡检，巡检过程中，图像采集装置采集的所述巡视图像和/或视频发送给控制器；第三种为返航模式，所述控制器根据定位模块确认当前位置，在接收到返航信号后，控制所述气瓶加压排水并上升，实现返航。
23.本发明的有益效果：
24.本发明的一种便携式海底电缆巡视无人潜航器，通过设置驱动组件和气瓶对主机舱的运动姿态和沉浮状态进行调节，气瓶体积和重量可调，舵机在控制器的作用下调节传感组件的工作角度以及姿态，以便传感组件可以实现主机舱对海底电缆位置的定位和主机舱对海底电缆的跟踪巡视，主机舱上设置图像采集装置，可以通过控制器与地面控制台通讯，实现对海底电缆的高精度和高准确度的巡视检测。
25.本发明的一种便携式海底电缆巡视无人潜航器，不受潮汐的影响，节省人力物力成本，且操作简单，携带方便，主机舱、驱动组件和舵机以及传感组件的总重小，体积小，因此实现了一种便携式的无人潜航器。
附图说明
26.图1是本发明的一种便携式海底电缆巡视无人潜航器的第一视角结构示意图；
27.图2是本发明的一种便携式海底电缆巡视无人潜航器的第二视角结构示意图；
28.图3是本发明的一种便携式海底电缆巡视无人潜航器中主机舱的俯视图。
29.图中：
30.1.框架；2.主机舱；21.仿生鱼尾；22.可视窗口；23.安装口；3.驱动组件；31.无刷电机；32.螺旋桨；4.气瓶；5.传感组件；51.位置传感器；52.避障传感器；6.舵机；7.搭载平台。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
32.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。术语“多个”应该理解为两个以上。
35.本发明提供一种便携式海底电缆巡视无人潜航器，利用水下机器人技术，通过定位和图像传输，实现对海底电缆的巡视过程。具体地，如图1所示，该便携式海底电缆巡视无人潜航器包括框架1、主机舱2、驱动组件3、气瓶4、传感组件5和舵机6，主机舱2固定在框架1上，主机舱2内设有控制器和图像采集装置，尾部设有仿生鱼尾21，控制器能够控制仿生鱼尾21的运动以调节主机舱2的运动姿态；图像采集装置实时采集海底电缆的巡视图像和/或视频并通过控制器上传给地面控制台；驱动组件3固定在框架1上，且驱动组件设置在主机舱2的下方以驱动主机舱2运动；驱动组件3与控制器之间电连接，通过控制器控制驱动组件3的工作；气瓶4设有至少两个，气瓶4固定在框架1上且对称设置在主机舱2的两侧，控制器通过控制气瓶4的重量和体积以调整主机舱2的浮沉状态；传感组件5固定在框架1上，传感组件5与控制器电连接以向控制器发送传感信号；舵机6固定在框架1上且舵机6的输出端连接传感组件5以调节传感组件5的角度；控制器与舵机6电连接以向舵机6发送控制信号。
36.如图1所示，本发明提供的一种便携式海底电缆巡视无人潜航器，其便携性体现在
体积小，重量轻，由于主机舱2的体积小，因此设置框架1进行整合固定，形成紧凑的无人潜航器整体，并提供足够的强度支撑。框架1设置多个预留安装位或安装孔，具有减重和扩展安装的作用。主机舱2的主要作用是为控制器提供一个载体，保护控制器的通讯连接，并保证控制器正常的接收和发送信号，主机舱2作为无人潜航器的主体结构，根据水下机器鱼原理，在尾部设置仿生鱼尾21，由控制器驱动仿生鱼尾21的摆动以提供主机舱2在水中潜行的动力及方向调节。驱动组件3作为主机舱2的动力来源，为主机舱2提供驱动力并可以调节潜行速度，且驱动组件3与控制器连接，根据控制器的控制指令执行驱动输出，实现无人潜航器在下潜、巡视和上升等过程的速度可控。气瓶4的体积和重量可调，通过向气瓶4内充气或放气，以及充水和排水，使得气瓶4的体积和重量改变，进而调整主机舱2的沉浮，辅助驱动组件3实现无人潜航器的自动控制。其中，气瓶4的容积根据框架1和主机舱2的整体体积和重量进行预先设计，以便于携带和操作，本发明中，每个气瓶4的体积不超过2l，略小于主机舱2的体积，实现小型、便携的无人潜航器。本发明实施例中在主机舱2内设置图像采集装置，用于实时采集巡视图像和/或视频并可以通过控制器上传给地面控制台，进而实现实时监测和巡视可控，便于地面控制台对无人潜航器的巡视环境和海底电缆进行监测，当图像采集装置采集的巡视图像和/或视频显示海底电缆存在表面缺陷等问题时，地面控制台可以通过控制器得到所采集的图像和/或视频的定位信息，便于后期人工进行精准维护或维修。传感组件5除了可以实现无人潜航器整体的避障传感，还包括对海底电缆的定位传感，以便无人潜航器可以沿海底电缆方向进行巡视，传感组件5与控制器的通讯，可以实现控制器通过控制舵机6以对传感组件5的位置角度进行调整，保证正常的巡视过程。
37.可以理解，本发明通过设置驱动组件3和气瓶4对主机舱2的运动姿态和沉浮状态进行调节，气瓶4体积和重量可调，舵机6在控制器的作用下调节传感组件5的工作角度以及姿态，以便传感组件5可以实现主机舱2对海底电缆位置的定位和主机舱2对海底电缆的跟踪巡视，主机舱2上设置图像采集装置，可以通过控制器与地面控制台通讯，实现对海底电缆的巡视检测。
38.本发明的一种便携式海底电缆巡视无人潜航器，自动潜入水中和上升，不受潮汐的影响，节省人力物力，且操作简单，携带方便，主机舱2、驱动组件3和舵机6以及传感组件5的总重小，体积小，因此实现了一种便携式的无人潜航器。
39.可选地，驱动组件3包括无刷电机31和螺旋桨32，螺旋桨32设有至少两个，至少两个螺旋桨32对称设置在主机舱2的下方两侧，无刷电机31的输出端连接螺旋桨32以为螺旋桨32提供驱动力。
40.如图2所示实施例中，每个无刷电机31分别用于连接和控制一个螺旋桨32，螺旋桨32设有两个，对称设于主机舱2的两侧，通过控制器调节两个无刷电机31的输出功率可以实现对本发明的无人潜航器整体的速度的调节，并且通过两个无刷电机31的差速，实现对无人潜航器的转向等姿态的调节。控制器采用stm32控制芯片，对无刷电机31、舵机6、仿生鱼尾21进行控制，接收传感组件5的传感信号，并可以实现对海底电缆管道的自动潜航控制。
41.可选地，控制器包括定位模块，定位模块采用北斗和gps组合导航。
42.控制器通过定位模块，可以实现定位、通过pid算法可进行自动返航，将带有经纬度定位信息和故障点或隐患点的巡视图像和/或视频通过控制器发送到地面控制台，实现对海底电缆巡视的精确定位和检测。控制器在开机后会自动刷新返航位置经纬度，当地面
控制台遥控发出返航信号后，控制器通过pid算法控制无人潜航器返航。
43.可选地，传感组件5包括位置传感器51，位置传感器51设有至少两个，至少两个位置感器51转动连接于框架1，且位置传感器51位于主机舱2前端的下方以根据海底电缆的位置进行自适应调节定位。
44.如图2所示实施例中，便携式海底电缆巡视无人潜航器还包括搭载平台7，搭载平台7转动连接于框架1，舵机6的输出端连接搭载平台7以调整搭载平台7的姿态，位置传感器51设置在搭载平台7上。搭载平台7上预留扩展安装位，可加装电磁传感器等，对海底电缆埋深等进行电磁探测，同时，电磁传感器设于搭载平台7上可以检测主机舱2的运动速度，电磁传感器连接于控制器以向控制器发送电磁探测信号，便于顺利实现海底电缆巡视。两个位置传感器51均为光电传感器，分列在主机舱2的两侧，通过搭载平台7，可以实现两个位置传感器51相对于主机舱2具有更低的位置以贴近海底电缆，在进行巡视前，两个位置传感器51能够分别在海底电缆的两侧自适应调节以便实现对海底电缆的定位，主机舱2沿着两个位置传感器51的定位方向运动实现自动巡视。需要说明的是，当巡检过程中发生外力或碰撞等作用，位置传感器51发生角度偏转或位置偏移导致脱离海底电缆的巡视管道时，会发送状态信号给控制器，控制器通过控制仿生鱼尾21可以使得位置传感器51回到管道正上方定位和导向。本实施例中两个位置传感器51分列在海底电缆的管道两侧并自适应贴靠管道外侧壁上，因此两个位置传感器51的位置间距要根据海底电缆管道的管径预先进行设计确定，减少海底定位调节时间。
45.可选地，传感组件5还包括避障传感器52，避障传感器52设置在框架1上且绕主机舱2的周向设置。
46.如图2所示，避障传感器52采用红外传感器，对主机舱2前进方向的障碍物进行检测，以便控制器控制驱动组件3、仿生鱼尾21和气瓶4及时避障。避障传感器52设有两个，对称设置在主机舱2的两侧，由于海底生物复杂，为了确保无人潜航器的工作环境的安全，避障传感器52绕主机舱2的周向可以设置多个，实现周向无死角监测和避障。
47.可选地，主机舱2的前端设置可视窗口22，图像采集装置正对可视窗口22设置在主机舱2的内部，图像采集装置连接控制器以将采集的巡视图像和/或视频发送给控制器，并通过控制器上传至地面控制台。
48.如图3所示，可视窗口22采用透明有机玻璃材质，主机舱2内设置监测舱，图像采集装置包括4k相机和摄像机，设置在主机舱2的监测舱内并正对可视窗口22，可以通过可视窗口22拍摄水中的巡视图像和/或视频，并通过控制器上传至地面控制台。监测舱内还可以设置5.8g图传模块，可以将采集的5.8g图传信号包括巡视图像和/或视频直接上传至地面控制台的手机等终端，以便及时获得海底电缆的信息。
49.可选地，控制器通过线缆、遥控天线或无线通讯方式与地面控制台通讯连接。
50.本发明的实施例中，控制器主要采用有缆遥控和无缆遥控两种潜水器的通讯控制方法相结合，当无人潜航器的潜航深度影响到图传质量时，优先采用线缆连接方式通讯，如图3所示，主机舱2上设有安装口23，通信线缆通过该安装口23实现控制器与地面控制台之间的有线连接和通讯，确保准确的信息传递。
51.可选地，无人潜航器包括三种工作模式：第一种为遥控控制模式，控制器通过天线接收地面控制台的遥控信号直到控制器到达海底电缆的巡视初始位置；第二种为自动巡视
模式，控制器向舵机6发送控制指令以调节传感组件5使得主机舱2定位在海底电缆的管道上并开始自动巡检，巡检过程中，图像采集装置不断采集巡视图像和/或视频并发送给控制器；第三种为返航模式，控制器根据定位模块确认当前位置，在接收到返航信号后，控制气瓶4加压排水并上升，实现返航。
52.本发明提供的无人潜航器的三种工作模式对应海底电缆线巡视的三个阶段，第一阶段为遥控控制模式，当无人潜航器下水后，控制器通过天线与地面控制台的遥控器通讯连接，主机舱2内的5.8g图传模块能够将图像采集模块采集的巡视图像和/或视频发送至地面控制台，通过手机等终端对无人潜航器的下潜过程进行观察监测。
53.自动巡视模式，当无人潜航器下水后定位至海底电缆的巡视初始位置后，可以将遥控控制模式切换为自动巡视模式，在自动巡视模式下，控制器通过舵机6自动调节位置传感器51与海底电缆管道的距离，两个位置传感器51对海底电缆管道实现自适应调节，然后通过控制器上设置的如蜂鸣提示信息提示控制器设计驱动力值，无刷电机31和螺旋桨32采用自动巡视模式进行自动巡检。在巡检过程中，如果位置传感器51脱离海底电缆管道，控制器根据位置传感器51的电信号，控制仿生鱼尾21使得无人潜航器回到正确的巡视位置继续巡视。
54.自动返航模式，巡视结束后，地面控制台向控制器发送返航信号，控制器刷新当前经纬度定位信息，并控制气瓶4加压排水并上升。气瓶4内排水并抽真空可以实现体积和重量的减小，充水或充压缩空气可以实现体积和重量的增加，进而可以配合主机舱2实现浮沉。
55.需要说明的是，为了实现驱动组件3的数量少而驱动功能满足要求，驱动组件3中的螺旋桨32的角度可调，转动方向可变，可以实现对主机舱2的任意方向的驱动力供给和调节，包括下潜、巡视和返航阶段提供驱动力。
56.本发明的便携式海底电缆无人潜航器可以对海底电缆进行定期巡视、外力破坏故障巡视以及缺陷定位；该无人潜航器搭载4k相机、5.8g图传模块、北斗卫星定位和传感组件5等，通过stm32单片机控制器进行控制，能够通过遥控的方式进行运动以及自动巡视运动。节省人力物力，同时对海缆的巡视也可以不受潮汐的影响控制操作简单，携带方便。
57.通过此无人潜航器，可以有效地通过图像采集装置对海底电缆本体外观、保护情况、路由地形地貌特点进行检查，通过定位模块和传感组件5对海底电缆坐标和海底电缆埋深等进行检查，图像采集装置采集的巡视图像和/或视频可以直观地查找海底电缆的风险薄弱点，以便及时采取有效措施或调整运维策略，对风险点进行重点关注或处理，防止海底电缆故障的发生。
58.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。