基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测方法和系统

技术领域

本发明属于管道检测领域，具体涉及了一种基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测方法和系统。

背景技术

海底管道的外检测的主要目的是掌握管道外部状况和管道在海床上的状态，主要内容包括海底管道地貌状况、水深，海底管道埋深、路由、走向，管道周围的冲刷情况，有无裸露悬空、有无发生位移及外力破坏、外部防腐层状况、管道外壁及其损伤情况、土壤腐蚀状况等。

现有技术通常采用的外检测方式有两类，一类是工程物探方式，使用浅剖面仪、多波束水深测量、侧扫声呐系及磁力探测等方法，进行常规海底管道外部检测。另一类是潜水检测方式，由潜水员或ROV进行水下检测作业，主要方法包括水下目视检测、水下磁粉探伤、水下常规超声纵波探伤、常规超声横波探伤、涡流探伤、超声衍射时差法、漏磁探伤、水下交流场检测和水下射线探伤等。

传统的ROV检测通常是先找到大致的目标区域进行投放，通过人工遥控使ROV靠近目标管线并找寻异常区域。传统ROV检测管道外部的方法，通常必须由人工操控且只能离散的对海底管线进行检查，得不到ROV对应外部管线的精确位置，无法实现自动化对全管线的外部进行检查。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即由于传统ROV检测管道外部的方法，通常必须由人工操控且只能离散的对海底管线进行检查，得不到ROV对应外部管线的精确位置，无法实现自动化对全管线的外部进行检查的问题。，本发明提供了一种基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测方法，所述方法包括：

步骤S100，基于目标海底管线的线路图，生成无人艇的航行路线；

步骤S200，基于所述无人艇的航行路线选取ROV投放位置；

步骤S300，无人艇根据所述航行路线行驶，并在所述ROV投放位置释放遥控无人潜水器ROV；

步骤S400，无人艇实时通过声波多波束扫描和侧扫的方式对目标海底管线进行扫描获取反射声波；

步骤S500，在完成无人艇的扫描后，遥控无人潜水器ROV通过水下图像检测、水下磁粉探伤、水下常规超声纵波探伤、常规超声横波探伤、涡流探伤、超声衍射时差法、漏磁探伤、水下交流场检测和水下射线探伤中的一种或多种方式对目标海底管线进行近距扫描，获得ROV检测数据；

实时记录无人艇位置和ROV与无人艇位置之间的相对位置；

步骤S600，基于所述相对位置，将反射声波和ROV检测数据进行位置匹配，获得组合检测图像。

在一些优选的实施方式中，所述无人艇的航行路线，包括沿管线阶段、沿单侧阶段和折返扫描阶段；

所述沿管线阶段，具体为在水面上从目标管线的第一端开始，沿着目标管线的位置航行至目标管线的第二端，定义沿管线阶段航行的方向为正方向，与正方向相反的为负方向；

所述沿单侧阶段，具体为在沿管线阶段之后，沿着目标管线的位置第一侧距离

折返扫描阶段，具体为在沿单侧阶段后，无人艇在所述目标管线的位置第一侧和目标管线的位置第二侧进行往返航行，每次往/返后向正方向移动预设的距离，每次往/返的航线平行且间隔相等。

在一些优选的实施方式中，当所述反射声波显示的波形凸起小于预设的阈值或观测不到期望声波时，，将折返扫描阶段替换为设置夹角的折返扫描阶段，具体为使往/返的航线预设的夹角切割目标管线的位置。

在一些优选的实施方式中，所述ROV为最大工作深度1000m的轻作业型ROV，通过50匹功率的脐带线与无人艇连接。

在一些优选的实施方式中所述无人艇，所述无人艇，无人艇包括艇体和遥控无人潜水器ROV，艇体上设置有动力装置、通讯定位装置；艇体底部设置有载荷舱，所述载荷舱用于安装海底检测设备，海底检测设备实时向下方发出检测声波，检测声波触及海底管线后发生反射产生反射声波，海底检测设备根据反射声波对海底管线进行定位并形成海底管线三维点云数据；遥控无人潜水器ROV通过ROV收放装置设置在所述载荷舱中，所述遥控无人潜水器ROV上设置有声光探测设备和超短基线水下定位装置。

在一些优选的实施方式中，所述无人艇，通过GPS北斗系统的定位功能获得无人艇位置，并通过无线网络与岸端上位机进行通讯。

在一些优选的实施方式中，所述遥控无人潜水器ROV，通过获取ROV与无人艇位置之间的相对位置，结合通过GPS北斗系统获得的无人艇位置，获得ROV位置；

当ROV位置递近目标海底管线时，开启近距扫描，当相对位置的距离大于预设的通信阈值时，控制无人艇向无人遥控潜水器ROV方向移动直至相对位置的距离小于预设的可靠通信阈值。

在一些优选的实施方式中，所述无人艇根据所述航行路线行驶，还包括自主避障的步骤，具体为：

通过传感器获取无人艇的航行路线上的环境信息；

基于所述环境信息判断初始的航行路线上是否存在障碍物；

若存在障碍物，通过预设时段的所述环境信息判断所述障碍物是否为静态障碍物；

若所述障碍物为静态障碍物，则通过A*算法重新规划新的航行路线；

所述新的可行路线，其获得方法为根据所述初始的航行路线计算得到期望角度，基于所述期望角度生成新的航行路线；

若所述障碍物为动态障碍物，则基于所述航行路线计算期望角度，通过VO方法预测障碍物行驶方向并重新生成新的航行路线；

基于所述新的航行路线，通过海事规则进行决定避障方向；

基于所述避障方向，通过控制器计算油门舵角，执行所述油门舵角使无人艇沿着新的航行路线行驶。

在一些优选的实施方式中，所述无人艇根据所述航行路线行驶，还包括失联时自主控制的步骤：

S1，无人艇驶出，实时监测无人艇的电源、交换机、工控机和天线的工作状态；

S2，若电源、交换机、工控机和天线的工作状态正常，UDP心跳包检测岸端上位机是否联通；

S3，若岸端上位机未联通，则进行重连直至无人艇与上位机成功联通，成功联通前自主控制或原地悬停；

S4，若岸端上位机成功联通，则岸端上位机获得实时数据并通过人机交互界面显示，转至S6；

S5，若电源、交换机、工控机和天线的工作状态异常，则进入艇端自主控制，并由岸端上位机向无人艇发送界面操控指令，转至S6；

S6，判断是否连接成功且是否由岸端上位机设置是否切换界面操控，若均为是则转至S7，若未连接成功或不由岸端上位机操控则转至S1；

S7，由岸端上位机发送航控命令通过界面操控航行，无人艇执行航控命令即界面操控指令。

本发明的另一方面，提出了一种基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测检测系统，所述系统包括：

航行路线生成模块，配置为基于目标海底管线的线路图，生成无人艇的航行路线；

ROV投放位置选取模块，配置为基于所述无人艇的航行路线选取ROV投放位置；

遥控无人潜水器ROV投放模块，配置为无人艇根据所述航行路线行驶，并在所述ROV投放位置释放控无人潜水器ROV；

实时检测模块，包括无人艇扫描单元和ROV扫描单元；

所述无人艇扫描单元，配置为无人艇实时通过声波多波束扫描和侧扫的方式对目标海底管线进行扫描获取反射声波；

所述ROV扫描单元，配置为在完成无人艇的扫描后，遥控无人潜水器ROV通过水下图像检测、水下磁粉探伤、水下常规超声纵波探伤、常规超声横波探伤、涡流探伤、超声衍射时差法、漏磁探伤、水下交流场检测和水下射线探伤中的一种或多种方式对目标海底管线进行近距扫描，获得ROV检测数据；

位置记录模块，配置为实时记录无人艇位置和ROV与无人艇位置之间的相对位置；

图像整合模块，配置为基于所述相对位置，将反射声波和ROV检测数据进行位置匹配，获得组合检测图像。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过设置带有磁源信标的ROV，实现自动化的对海底管线全线进行外部检测，并对检出异常的位置进行精准定位。

(2)本发明为无人驾驶的浅海船只，相比于海洋工程船吃水浅可以自动化进行海底管线检测，提高浅海海底油气管线检测效率、降低成本与检测周期的问题，通过本发明的无人船定期对海底管线进行扫描，大幅节省巡检的成本，无人船与无人机，无人潜水器协同，可以扩大扫描的可工作范围。。

(3)本发明通过长期汇总与处理海底管线的腐蚀、暴露、顺坏的情况，海底管网检测与管理系统采用人工智能算法对还未发生故障的管道区段进行预测模拟，分析管道的腐蚀速率，预测损坏发生的时间。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例中基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中的无人艇俯视的结构示意图；

图3是本发明实施例中通过ROV对目标海底管线进行检测的示意图；

图4是本发明实施例中沿管线阶段航行的示意图；

图5是本发明实施例中沿单侧阶段航行的示意图；

图6是本发明实施例中折返扫描阶段航行的示意图；

图7是本发明实施例中无人艇获得的反射声波的效果图；

图8是本发明实施例中进行预设夹角切割目标管线的折返扫描阶段航行的示意图；

图9是本发明实施例中进行自主避障的流程示意图；

图10是本发明实施例中进行失去联系时自主控制的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请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用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测方法，本方法通过设置带有磁源信标的ROV，通过接力定位的方式对管道内检测机器人的位置进行精准定位，使得管道内检测图像能够与具体位置结合，并能够与外部检测的图像进行共同分析，能够提高故障定位效率和准确性。

本发明的一种基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测方法，包括：

步骤S100，基于目标海底管线的线路图，生成无人艇的航行路线；

步骤S200，基于所述无人艇的航行路线选取ROV投放位置；

步骤S300，无人艇根据所述航行路线行驶，并在所述ROV投放位置释放遥控无人潜水器ROV；

步骤S400，无人艇实时通过声波多波束扫描和侧扫的方式对目标海底管线进行扫描获取反射声波；

步骤S500，在完成无人艇的扫描后，遥控无人潜水器ROV通过水下图像检测、水下磁粉探伤、水下常规超声纵波探伤、常规超声横波探伤、涡流探伤、超声衍射时差法、漏磁探伤、水下交流场检测和水下射线探伤中的一种或多种方式对目标海底管线进行近距扫描，获得ROV检测数据；步骤S500，实时记录无人艇、ROV和管道内部检测器的位置；

实时记录无人艇位置和ROV与无人艇位置之间的相对位置；

步骤S600，基于所述相对位置，将反射声波和ROV检测数据进行位置匹配，获得组合检测图像。

为了更清晰地对本发明基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。

本发明第一实施例的基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测方法，包括步骤S100-步骤S600，各步骤详细描述如下：

步骤S100，基于目标海底管线的线路图，生成无人艇的航行路线；

在本实施例中，所述无人艇的航行路线，包括沿管线阶段、沿单侧阶段和折返扫描阶段；

所述沿管线阶段如图4所示，具体为在水面上从目标管线的第一端开始，沿着目标管线的位置航行至目标管线的第二端，定义沿管线阶段航行的方向为正方向，与正方向相反的为负方向；

所述沿单侧阶段如图5所示，具体为在沿管线阶段之后，沿着目标管线的位置第一侧距离

折返扫描阶段如图6所示，具体为在沿单侧阶段后，无人艇在所述目标管线的位置第一侧和目标管线的位置第二侧进行往返航行，每次往/返后向正方向移动预设的距离，每次往/返的航线平行且间隔相等。

在本实施例中，当所述反射声波显示的波形凸起小于预设的阈值或观测不到期望声波时，如图7中的凸起的清晰度或弧度未达到预期时，将折返扫描阶段替换为设置夹角的折返扫描阶段，具体为使往/返的航线预设的夹角切割目标管线的位置，如图8所示。

步骤S200，基于所述无人艇的航行路线选取ROV投放位置；

在本实施例中，所述无人艇，无人艇包括艇体和遥控无人潜水器ROV，艇体上设置有动力装置、通讯定位装置；艇体底部设置有载荷舱，所述载荷舱用于安装海底检测设备，海底检测设备实时向下方发出检测声波，检测声波触及海底管线后发生反射产生反射声波，海底检测设备根据反射声波对海底管线进行定位并形成海底管线三维点云数据；遥控无人潜水器ROV通过ROV收放装置设置在所述载荷舱中，所述遥控无人潜水器ROV上设置有声光探测设备和超短基线水下定位装置。无人艇可以柴油发动机进行驱动，搭载侧扫声呐、浅层剖面仪和海洋磁力仪的扫描装置。船长15米以上，具有基于GPS北斗系统的定位功能，可以采用遥控、自动控制模式。可对指定的海域执行巡航与海底扫描作业。采集的数据包括：海水升度、海底地形、海底磁力数据、海面油膜状况、海底管道埋深、防腐层损坏程度、管道周围状况。

如图2所示，艇体前端设置有通信定位系统GPS2，通信定位系统GPS2后侧设置有短基线应答机，短基线应答机(其接收的数据计算ROV与无人艇的相对位置)后侧设置为压载水仓，压载水仓后侧设置为前月池，前月池左侧设置有穿线孔；所述艇体尾端的左右两侧设置有两个A型架，本发明两个A型架对称设置，在其他实施例中，可以根据实际情况设置；

靠近艇体前端后侧设置有船舶控制设备舱，所述船舶控制设备舱的后侧为驾驶舱，所述驾驶舱的前后侧设置有船底安装孔，左侧为测量设备主机舱，右侧为电源与通信主机舱；

靠近艇体尾端的前侧设置有通信定位系统GPS1，通信定位系统GPS1的前侧设置有减摇陀螺，减摇陀螺的两侧设置有穿线孔，每个穿线孔的外侧都设置有侧挂点；各侧挂点的外侧(即艇体的外侧)设置有侧翼(本发明中侧翼优选设置为流线形(具体例如：头部为梭形，尾部为圆柱体)，在其他实施例中，可以根据实际需要进行设计)，侧翼的尾端设置有穿线孔，穿线孔的前侧设置有短基线应答机；所述减摇陀螺前侧设置有起吊点。

在本实施例中，所述ROV为最大工作深度1000m的轻作业型ROV，通过50匹功率的脐带线与无人艇连接。ROV搭载的检测工具包括声光探测设备、机械手、射线探伤仪、漏磁探伤仪。

步骤S300，无人艇根据所述航行路线行驶，并在所述ROV投放位置释放遥控无人潜水器ROV；；

在本实施例中，所述无人艇根据所述航行路线行驶，还包括自主避障的步骤，如图9所示，具体为：

通过传感器获取无人艇的航行路线上的环境信息；

基于所述环境信息判断初始的航行路线上是否存在障碍物；

若存在障碍物，通过预设时段的所述环境信息判断所述障碍物是否为静态障碍物；

若所述障碍物为静态障碍物，则通过A*算法重新规划新的航行路线；

所述新的可行路线，其获得方法为根据所述初始的航行路线计算得到期望角度，基于所述期望角度生成新的航行路线；

若所述障碍物为动态障碍物，则基于所述航行路线计算期望角度，通过VO方法预测障碍物行驶方向并重新生成新的航行路线；

基于所述新的航行路线，通过海事规则进行决定避障方向；

基于所述避障方向，通过控制器计算油门舵角，执行所述油门舵角使无人艇沿着新的航行路线行驶。

在本实施例中，所述无人艇根据所述航行路线行驶，还包括失联时自主控制的步骤，如图10所示：

S1，无人艇驶出，实时监测无人艇的电源、交换机、工控机和天线的工作状态；

S2，若电源、交换机、工控机和天线的工作状态正常，UDP心跳包检测岸端上位机是否联通；

S3，若岸端上位机未联通，则进行重连直至无人艇与上位机成功联通，成功联通前自主控制或原地悬停；

S4，若岸端上位机成功联通，则岸端上位机获得实时数据并通过人机交互界面显示，转至S6；

S5，若电源、交换机、工控机和天线的工作状态异常，则进入艇端自主控制，并发送界面操控指令，转至S6；

S6，判断是否连接成功且切换界面操控，是则转至S7，否则转至S1；

S7，通过界面操控航行，由岸端上位机发送航控命令，无人艇执行航控命令。

步骤S400，无人艇实时通过声波多波束扫描和侧扫的方式对目标海底管线进行扫描获取反射声波；

步骤S500，在完成无人艇的扫描后，遥控无人潜水器ROV通过水下图像检测、水下磁粉探伤、水下常规超声纵波探伤、常规超声横波探伤、涡流探伤、超声衍射时差法、漏磁探伤、水下交流场检测和水下射线探伤中的一种或多种方式对目标海底管线进行近距扫描，获得ROV检测数据；

在本实施例中，所述无人艇，通过GPS北斗系统的定位功能和潮汐文件获得无人艇位置，并通过无线网络与岸端上位机进行通讯；

所述遥控无人潜水器ROV，通过获取ROV与无人艇位置之间的相对位置，结合通过GPS北斗系统获得的无人艇位置，获得ROV位置；

当ROV位置递近目标海底管线时，开启近距扫描，当相对位置的距离大于预设的通信阈值时，控制无人艇向无人遥控潜水器ROV方向移动直至相对位置的距离小于预设的可靠通信阈值。

步骤S600，基于所述相对位置，将反射声波和ROV检测数据进行位置匹配，获得组合检测图像。

本发明的第二实施例，包括将本发明用于辅助管道内检测球精确定位的方法，如图3所示；

通过如步骤S100-步骤S500的方法获取反射声波和ROV检测数据；

为ROV设置低频电磁波接收定位装置，所述低频电磁波接收定位装置与所述超短基线水下定位装置邻接设置；

将设置有低频磁感应发射器的管道内部检测球送入管道；

通过低频电磁波接收定位装置接收内部检测球发出的磁感应信号，获得内部检测球与ROV的第二相对位置，基于所述第二相对位置和ROV位置，内部检测球相对于目标海底管线的精确位置；

设置无人遥控潜水器ROV与内部检测球保持相同速度前进，内部检测球一边清洁一边检测管道内部是否有损坏，并实时获得精确的定位，获得精确的内部检测图像。

传统的内部检测球在管道内部以预设速度前进，通过漏磁，X光探伤法等方式对管壁进行扫描检测，但是内部检测球只通过自带的惯性定位或计程轮定位的方法确定位置，因此无法精确的定位故障所在，通过本实施例能够将内部检测得到的图像与外部检测的图像对齐，提高检测出故障的准确度，和检测效率。

所述ROV通过磁感应信号获取管道内部检测器的第二相对位置，具体为，管道内部检测器通过惯性定位或计程轮定位的方式获取管道内部检测器粗定位，ROV基于移动至管道内检测器粗定位的10米范围内并进行巡回，当管道内部检测器接收到ROV的磁源信标的信号时，发出位置反馈信号，ROV记录位置反馈信号的夹角和强度并传输至无人艇。

上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。

本发明第三实施例的基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测检测系统，所述系统包括：

航行路线生成模块，配置为基于目标海底管线的线路图，生成无人艇的航行路线；

ROV投放位置选取模块，配置为基于所述无人艇的航行路线选取ROV投放位置；

遥控无人潜水器ROV投放模块，配置为无人艇根据所述航行路线行驶，并在所述投放位置释放控无人潜水器ROV；

实时检测模块，包括无人艇扫描单元和ROV扫描单元；

所述无人艇扫描单元，配置为无人艇实时通过声波多波束扫描和侧扫的方式对目标海底管线进行扫描获取反射声波；

所述ROV扫描单元，配置为在完成无人艇的扫描后，遥控无人潜水器ROV通过水下图像检测、水下磁粉探伤、水下常规超声纵波探伤、常规超声横波探伤、涡流探伤、超声衍射时差法、漏磁探伤、水下交流场检测和水下射线探伤中的一种或多种方式对目标海底管线进行近距扫描，获得ROV检测数据；

位置记录模块，配置为实时记录无人艇位置和ROV与无人艇位置之间的相对位置；

图像整合模块，配置为基于所述相对位置，将反射声波和ROV检测数据进行位置匹配，获得组合检测图像。所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的基于搭载ROV的无人艇的海底管线检测检测系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。