1.本发明涉及水下作业设备技术领域，特别是涉及一种液态环境下溶洞勘探机器人及其控制系统、控制方法。


背景技术：

2.我国岩溶发育区域广阔，尤以广西、云南、贵州、湖南等地较为突出，许多工程需要处理地下岩溶问题。在岩溶发育地区选择桩基础来处理工程问题时，由于钻孔灌注桩不受地层变化限制、不需要接桩和截桩、节省钢材、噪声小、适合大型工程、施工安全且不会产生由抽水引起地面沉降等优点，从而得到广泛的应用。但是在大量岩溶地区的应用实践中，特别在大直径工程桩中，一桩一孔施工勘察难以判断桩底是否存在溶洞、软弱夹层等不良地质体。通常除施工勘察外，还辅以物探手段来确认桩底是否存在不良地质体。
3.目前，常用的物探手段有地震法、高密度电法、探地雷达法等方法。由于桩孔底探测面小，很多物探方法不能在此环境中发挥出应有的效果。如高密度电法在狭小的桩孔底无法布置物探测线。在地震法中，探测时需要桩端裸露出鲜基的岩面并且还需要整平，桩孔内还有大量积水，因而在钻孔桩泥浆环境中难以实施。探地雷达法在探测时很难在桩底布设发射天线和接收天线，如果直接布设在地表则探测深度和精度均不够，难以满足工作需要。
4.有鉴于此，目前业内提出一种钻孔灌注桩桩底溶洞声呐探测方法，探索将声呐技术应用于桩底溶洞探测，利用桩孔中的泥浆作为声波传播和耦合的介质来探测桩底的溶洞发育情况。声呐探测是指利用水下声波判断物体的存在、位置及类型的方法和设备。在钻孔灌注桩桩底溶洞探测中，是利用在泥浆及水环境中激发的声呐应力波来探测桩底溶洞。声呐探测这种方法相对容易达到桩底3倍桩径且不小于5m深度范围的探测标准，目前市场上已经有此类产品出现，但在使用过程中存在如下不足之处：
5.1.声呐探测产品重量较重，施工人员需要花费较大力气将测量仪器送到桩底。
6.2.目前的测量方法，是将测量仪水平放置到桩底，采集一组数据；然后施工人员使用绞盘等设备拉起测量仪，换一个桩底位置，再次测量；如此重复若干次。同样因为重量较大，这个操作过程费力费时，工作效率极低。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是提供一种省力省时、工作效率高且可在水下主动探测的液态环境下溶洞勘探机器人及其控制系统、控制方法。
8.为了解决上述技术问题，本技术提供了如下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种液态环境下溶洞勘探机器人，包括安装支架，所述安装支架下部安装有声呐震源，底部设置有若干个与所述声呐震源连接的声呐传感器，所述声呐震源上方设置有密封电控仓，所述安装支架两侧设置有双向推进器组件，顶部设置有浮力块，所述浮力块、声呐传感器、双向螺旋推进器组件及声呐震源均与所述密封电控仓电
连接并受其内的控制系统控制。
10.本发明液态环境下溶洞勘探机器人，所述浮力块内设置有环形翼，所述环形翼在所述控制系统的控制下伸出或缩回浮力块内。
11.本发明液态环境下溶洞勘探机器人，所述环形翼包括半环形的主翼以及活动连接在其两端且在所述控制系统的控制下伸出或缩回主翼内的两个副翼。
12.本发明液态环境下溶洞勘探机器人，所述双向螺旋推进器组件包括设置于安装支架前后两侧的用于沿水平方向推进的水平螺旋推进器一、水平螺旋推进器二、水平螺旋推进器一和水平螺旋推进器一，以及，设置于所述安装支架中部的用于沿垂直方向推进的垂直螺旋推进器一、垂直螺旋推进器二。
13.本发明液态环境下溶洞勘探机器人，所述声呐传感器通过水密接插件与密封电控仓连接。
14.第二方面，本发明还提供了一种应用于上述任一液态环境下溶洞勘探机器人的控制系统，包括：
15.主处理器，用于处理传感器数据，并通过电机驱动模块驱动电机运动；
16.imu传感器，用于检测所述机器人的姿态和速度以获知其是否处于水平状态；
17.flash芯片，用于存储声呐传感器采集的声呐数据；
18.usb/wifi双接口，用于将数据导出到计算机中；
19.rs
‑
485通信模块，用于机器人与地面终端之间的通信；
20.水下接近开关，用于探测机器人是否碰壁。
21.其中，所述地面终端包括显示屏、按键，所述按键用于下发开始/停止工作命令，所述显示屏用于实时显示声呐数据、机器人姿态以及是否碰壁的信息。
22.第三方面，本发明还提供了一种基于上述控制系统的控制方法，包括如下步骤：
23.s1、施工人员将机器人放置到桩底，通过地面终端的按键控制机器人开始工作；
24.s2、机器人进入自主采集数据阶段，将机器人初始的放置位置定义为采集点a，在采集点a上，通过imu传感器检测所述机器人是否处于水平状态，即声呐传感器是否垂直于桩底，如果不水平，调整机器人姿态，直至水平；
25.s3、声呐震源发射声呐信号，声呐传感器采集返回数据，并通过rs
‑
485通信模块将数据传递到地面终端，显示屏实时显示数据，同时，采集到的数据存储到flash芯片中，采集点a的数据采集完毕；
26.s4、主处理器通过电机驱动模块驱动电机运动，进而通过垂直螺旋推进器一、垂直螺旋推进器二推动机器人上升，升至高度i，定义一个固定的水平运动方向a，沿该方向a运动80cm后停下，定义此位置为采集点b，参照步骤s2、s3重复进行一次数据采集，采集点b的数据采集完毕；
27.s5、主处理器再次通过垂直螺旋推进器一、垂直螺旋推进器二推动机器人上升，升至高度ii，定义一个固定的水平运动方向b，沿该方向b运动80cm后停下，定义此位置为采集点c，参照步骤s2、s3重复进行一次数据采集，采集点c的数据采集完毕；
28.s6、主处理器又通过垂直螺旋推进器一、垂直螺旋推进器二推动机器人上升，升至高度iii，定义一个固定的水平运动方向c，沿该方向c运动80cm后停下，定义此位置为采集点d，参照步骤s2、s3重复进行一次数据采集，采集点d的数据采集完毕；
29.s7、机器人上报采集完成，工作结束。
30.上述步骤s4、s5、s6中，如果在运动80cm的过程中机器人到达桩壁，则停止运动，将相应停止点作为采集点b、采集点c、采集点d，下沉采集。其中，所述水平运动方向b为水平运动方向a转动90
°
后的方向，所述水平运动方向c为水平运动方向b转动90
°
后的方向。
31.本发明液态环境下溶洞勘探机器人及其控制系统、控制方法至少具有以下有益效果：
32.本发明液态环境下溶洞勘探机器人在控制系统的控制下能够在液体环境下运动，机器人配备声呐探测部件，在水下通过电机与推进器配合实现自主运动，不需人工作业即可完成整个桩底的数据采集。搭载声呐传感器的机器人采用轻量化设计，本体重量轻，减轻了推进器电机的负荷。同时，因为是在液态环境运行，故配置浮力块，通过水的浮力克服机器人本体的重力，使用较小的推动力即可实现机器人的运动，省时省力，机器人自主升降完成勘探，工作效率显著提高。另外，本技术的机器人还能够通过推进器产生冲刷水流，冲刷泥沙，
33.总之，本技术的机器人结构简单、自重轻，控制系统架构简单，控制方法简单、效率高，同时实现了观测及冲刷浅层泥沙两种功能，实用性大大增强。
34.下面结合附图对本发明液态环境下溶洞勘探机器人及其控制系统、控制方法作进一步说明。
附图说明
35.图1为本发明液态环境下溶洞勘探机器人的立体结构示意图；
36.图2为本发明液态环境下溶洞勘探机器人的主视图；
37.图3为本发明液态环境下溶洞勘探机器人的后视图；
38.图4为本发明液态环境下溶洞勘探机器人的俯视图；
39.图5为本发明液态环境下溶洞勘探机器人的仰视图；
40.图6为本发明液态环境下溶洞勘探机器人的左视图；
41.图7为本发明液态环境下溶洞勘探机器人中的环形翼收起状态结构示意图；
42.图8为本发明液态环境下溶洞勘探机器人中的环形翼展开状态结构示意图；
43.图9为本发明液态环境下溶洞勘探机器人的控制系统框图；
44.图10为本发明液态环境下溶洞勘探机器人的控制方法流程图。
具体实施方式
45.如图1至图6所示，本发明液态环境下溶洞勘探机器人包括作为安装基础的安装支架6，安装支架6呈u字形上开口结构，所述安装支架6下部安装有声呐震源5，底板下表面设置有若干个声呐传感器3，这些声呐传感器3与所述声呐震源5适配并连接。所述声呐震源5上方设置有密封电控仓2，密封电控仓2内布设有控制系统。所述安装支架6的左右两侧设置有6个推进器组成的双向推进器组件4。安装支架6顶部设置有4个结构相同的浮力块1，浮力块1采用玻璃微珠制成，主要是为机器人提供正浮力。所述浮力块1、声呐传感器3、双向螺旋推进器组件4及声呐震源5均与所述密封电控仓2电连接并受其内的控制系统控制，双向螺旋推进器组件4及密封电控仓2是整个推进和控制核心。所述声呐传感器3通过水密接插件
与密封电控仓2连接。在进行具体探测作业时，声呐传感器3可以成套更换，极大地提高了实用性。
46.水下作业的机器人要求实现水下空间多自由度运动，即三种平移运动(推进、升沉、横移)和三种回转运动(转舷、纵倾、横倾)。本技术的机器人的运动是靠电机螺旋桨推进器来实现的。具体的，本实施例中，所述双向螺旋推进器组件4包括6个推进器，具体的，安装支架6前方左右两侧分别设置用于沿水平方向推进的水平螺旋推进器一41、水平螺旋推进器二42，后方左右两侧也分别设置用于沿水平方向推进的水平螺旋推进器一43、水平螺旋推进器一44，这4个推进器在控制系统的控制下负责机器人水平方向运动。安装支架6中部左右两侧设置有用于沿垂直方向推进的垂直螺旋推进器一45、垂直螺旋推进器二46，这2个推进器负责机器人上下方向运动。
47.本技术的机器人安装六个推进器，根据水底淤泥状况进行相应处理：
48.⑴
少量淤泥：针对只有少量淤泥的情况，在机器人下潜到水底前就可以利用推进器的推进水流将淤泥清洗完成；
49.⑵
淤泥量较多，但在可清洗范围内：在此情况下，机器人配备常用的照明设备与水下摄像机，下潜过程中加速，在接触水底前将四个水平推进器关闭，完全通过两个垂直推进器产生向下冲刷的水流，将淤泥冲散，同时淤泥随着冲刷水流转移至别处；
50.⑶
淤泥较厚，无法通过冲刷完成：在此情况下，机器人在接触水底前保持一定运动速度，利用惯性及垂直推进器推力，使声呐传感器3尽可能的接触硬底，完成探测任务。
51.本实施例的机器人以配备6个推进器为例进行说明，实际使用时，可以根据勘探工况需要基于本技术的发明构思灵活增减推进器的个数并适应性调整安装位置，此处不一一列举。
52.结合图7、图8所示，为了调整浮力块1在液体环境中的浮力大小，每个浮力块1内均滑动嵌设有环形翼11，环形翼11通过传动机构连接驱动电机，驱动电机可以为四个分别装设在四个浮力块1内的单独单机，也可以为配设在四个浮力块1之间的一个总电机，在所述控制系统的控制下，该驱动电机驱动所述环形翼11整体伸出或缩回浮力块1内。所述环形翼11包括半环形的主翼111以及活动连接在其两端的两个副翼112。两个副翼112在上述驱动电机的驱动下伸出或缩回主翼111内。主翼111径向向内插入浮力块1中，两副翼112安装在主翼111中，通过调整环形翼11的展开面积调整机器人所受浮力的大小。具体的，两副翼112在上述驱动电机的驱动下完成展开和收起动作，展开动作：电机正传时，主翼111从浮力块1中伸出，浮力增加，电机继续正传，两副翼112从主翼111中伸出展开，浮力进一步增加；收起动作：电机反转时，两副翼112缩回主翼111中，浮力减小，电机继续反转，主翼111缩回到浮力块1中，浮力进一步减小。
53.结合图9所示，应用于上述液态环境下溶洞勘探机器人的控制系统，包括：
54.主处理器，选用stm32f407高性能arm处理器，处理声呐传感器3、imu(惯性导航单元)传感器、水下接近开关、水深传感器(压力型)等的数据，并通过电机驱动模块驱动上述环形翼11的驱动电机以及六个推进器的电机运动；
55.imu(惯性导航单元)传感器，检测所述机器人的姿态(欧拉角)和速度以获知其是否处于水平状态；
56.大容量的flash芯片，用于存储声呐传感器3采集的声呐数据；
57.usb/wifi双接口，用于将采集到的上述声呐数据导出到计算机中；
58.rs
‑
485通信模块，用于机器人与地面终端之间的通信；所述地面终端包括显示屏、按键，所述按键用于下发开始/停止工作命令，所述显示屏用于实时显示声呐数据、机器人姿态以及是否碰壁的信息。
59.水下接近开关，用于探测机器人是否碰壁，具体的，通过机器人运动速度作为综合判断条件，在非主动停止的情况下，如果通过测量速度检测到机器人水平方向静止，则机器人可能碰到桩壁被阻挡，需要结合接近开关检查的障碍距离共同判断是否碰壁。
60.结合图10所示，基于上述控制系统的液态环境下溶洞勘探机器人的控制方法，包括如下步骤：
61.s1、施工人员将机器人放置到桩底，通过地面终端的按键控制机器人开始工作；
62.s2、机器人进入自主采集数据阶段，将机器人初始的放置位置定义为采集点a，在采集点a上，通过imu传感器检测所述机器人是否处于水平状态，即声呐传感器3是否垂直于桩底，如果不水平，调整机器人姿态，直至水平；
63.s3、声呐震源5发射声呐信号，声呐传感器3采集返回数据，并通过rs
‑
485通信模块将数据传递到地面终端，地面终端的显示屏实时显示数据，同时，采集到的数据存储到flash芯片中；此步骤中，需判断采集点a的数据是否采集完毕，是，进入下一步骤；否，重复本步骤直至采集点a的数据采集完毕；
64.s4、主处理器通过电机驱动模块驱动垂直螺旋推进器一45、垂直螺旋推进器二46推动机器人上升，升至高度i，例如，上升30cm，使机器人有一定的垂直行程，依靠重力将声呐传感器3插入桩底泥土中即可，在该高度定义一个固定的水平运动方向a，沿该方向a运动80cm后停下，定义此位置为采集点b，如果在运动80cm的过程中机器人到达桩壁，则停止运动，将相应停止点作为采集点b，此时再次通过垂直螺旋推进器一45、垂直螺旋推进器二46将机器人从采集点b下沉至桩底，并将声呐传感器3插入桩底泥土中，参照步骤s2、s3进行数据采集，直至采集点b的数据采集完毕；
65.s5、主处理器再次通过垂直螺旋推进器一45、垂直螺旋推进器二46推动机器人上升，升至高度ii，定义一个固定的水平运动方向b，该方向b为水平运动方向a顺时针(或逆时针)转动90
°
之后的方向，沿该方向b运动80cm后停下，定义此位置为采集点c，如果在运动80cm的过程中机器人到达桩壁，则停止运动，将相应停止点作为采集点c，此时再次通过垂直螺旋推进器一45、垂直螺旋推进器二46将机器人从采集点c下沉至桩底，并将声呐传感器3插入桩底泥土中，参照步骤s2、s3进行数据采集，直至采集点c的数据采集完毕；
66.s6、主处理器又通过垂直螺旋推进器一45、垂直螺旋推进器二46推动机器人上升，升至高度iii，定义一个固定的水平运动方向c，该方向c为水平运动方向b转动90
°
(与步骤s5中的转动方向相同)之后的方向，沿该方向c运动80cm后停下，定义此位置为采集点d，如果在运动80cm的过程中机器人到达桩壁，则停止运动，将相应停止点作为采集点d，此时再次通过垂直螺旋推进器一45、垂直螺旋推进器二46将机器人从采集点d下沉至桩底，并将声呐传感器3插入桩底泥土中，参照步骤s2、s3进行数据采集，直至采集点d的数据采集完毕；
67.s7、机器人通过rs
‑
485通信模块向控制台上报采集完成，施工人员收回机器人结束工作。
68.如果施工人员认为数据采集不够，可以通过按键启动新一轮数据采集，具体步骤
参见上述步骤s1
‑
s6，此处不复述。
69.上述步骤中，上升高度i、ii、iii使机器人有一定的垂直行程即可，以便依靠重力将声呐传感器3插入桩底泥土中即可，例如，上升30cm。
70.上述步骤中，方向a、b的转动角度均为90
°
，采集点a、b、c、d在桩底均匀分布而非疏密相间，机器人不会较快碰壁，有利于保证测量结果的精确性。
71.桩底溶洞声呐探测法是在桩底泥浆中利用声呐探测设备发射声呐弹性波，当声呐遇到桩基底部一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体时，会产生声呐回波，接收回波并根据回波特性可以分析桩底的不良地质体的情况，是一种探测不良地质体的水中物探方法，可用于岩溶、软弱夹层、裂隙带的探测，评价嵌岩桩桩基持力层完整性可靠，是解决建筑物桩基围岩岩溶探测难、探测成本高两大难题的有效途径。根据《岩土工程勘察规范》，当在施工勘察阶段采用大直径嵌岩桩时，应对桩位进行专门的桩基勘察，勘察点应逐桩布置，勘探的深度应不小于桩底以下桩径的3倍并不小于5米。本技术采用桩底溶洞声呐探测方法对液态环境下的溶洞进行勘探，易解释、精度高、异常明显、分辨能力强、工期短、仪器设备投资少、探测费用低，极大地满足了液态环境下的溶洞勘探需求。
72.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。