本發(fā)明涉及一種地質(zhì)探測機(jī)器人，具體涉及一種地質(zhì)探測機(jī)器人拓展裝置。

背景技術(shù)：

各種堤壩因地質(zhì)條件、施工方法、水頭差作用下的長時(shí)間滲透等因素影響，會(huì)存在滲透變形、內(nèi)部裂縫、蜂窩、塌陷等隱患?，F(xiàn)階段隱患探測的機(jī)器人多采用人工遙控和程序?qū)ぢ?。其中人工遙控的方式效率低且操作繁瑣，增加了檢測人員負(fù)擔(dān)，而程序?qū)ぢ返姆绞揭蚵肪€事先設(shè)定而可能錯(cuò)過最嚴(yán)重的隱患位置。

此外，因堤防等水工建筑物內(nèi)部傷點(diǎn)的分布具有隨機(jī)性，而現(xiàn)有的機(jī)器人探測分辨率一般是事先固定的，往往無法采用最合適的分辨率來對(duì)傷點(diǎn)進(jìn)行探測，在對(duì)建筑內(nèi)部進(jìn)行檢測時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，觀測精度受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種相控尋路地質(zhì)探測機(jī)器人拓展裝置及其探測方法，實(shí)現(xiàn)傷點(diǎn)自動(dòng)追蹤并且能夠針對(duì)傷點(diǎn)在建筑物內(nèi)部的不同分布自適應(yīng)地調(diào)整觀測分辨率，提高探測效率和精度。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種相控尋路地質(zhì)探測機(jī)器人拓展裝置，包括安裝在機(jī)器人上的地質(zhì)探測雷達(dá)、移相器、電力位移模塊、信號(hào)控制模塊、數(shù)據(jù)處理器以及向各方向伸出的工作臂，每個(gè)所述工作臂的末端皆設(shè)有偶極子天線陣列，所述偶極子天線陣列通過信號(hào)饋線順次連接移相器、功率分配器和電力位移模塊，所述電力位移模塊連接信號(hào)控制模塊進(jìn)行雙向傳輸，所述信號(hào)控制模塊與地質(zhì)探測雷達(dá)連接雙向傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還與機(jī)器人的數(shù)據(jù)處理器相連并雙向傳輸。

進(jìn)一步，所述工作臂包括同一水平面內(nèi)的四個(gè)，相鄰兩個(gè)工作臂相互垂直。

進(jìn)一步，所述偶極子天線陣列是由半波長偶極子金屬貼片構(gòu)成的陣列且表面磨砂，固連于絕緣的工作臂端頭。

進(jìn)一步，所述地質(zhì)探測雷達(dá)、移相器、電力位移模塊、信號(hào)控制模塊和數(shù)據(jù)處理器置于屏蔽背噪的金屬罩中。

進(jìn)一步，所述地質(zhì)探測雷達(dá)連接有與其相適配的穩(wěn)壓變頻器及壓縮脈沖波發(fā)射儀。

一種相控尋路地質(zhì)探測機(jī)器人拓展裝置的探測方法，偶極子天線陣列通過發(fā)出的波束識(shí)別傷點(diǎn)，向移相器反饋電磁信號(hào)，并由移相器產(chǎn)生含有傷點(diǎn)位置信息的電相位信號(hào)，電力位移模塊將電相位信號(hào)編譯為力位移信號(hào)并傳輸至信號(hào)控制模塊，信號(hào)控制模塊驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)處理器控制機(jī)器人移動(dòng)靠近傷點(diǎn)，達(dá)到最接近傷點(diǎn)位置后，信號(hào)控制模塊將傷點(diǎn)的位置信息反饋給數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行記錄，并排除對(duì)該傷點(diǎn)位置的繼續(xù)掃描；在最接近傷點(diǎn)位置時(shí)，信號(hào)控制模塊向地質(zhì)探測雷達(dá)發(fā)射工作狀態(tài)指示對(duì)傷點(diǎn)進(jìn)行測深，同時(shí)接收地質(zhì)探測雷達(dá)反饋的分辨率調(diào)整信號(hào)，達(dá)到最佳分辨率后，信號(hào)控制模塊將位置信息反饋給電力位移模塊使其移除已測的位置信息。

進(jìn)一步，所述偶極子天線陣列接收波束的方向函數(shù)滿足：

其中，θ表示天線陣列在遠(yuǎn)場輻射中的方向變量，d為陣列內(nèi)各單元之間的間距，i表示相控尋路的天線陣列中第i個(gè)天線單元，n表示線陣中共有n個(gè)輻射單元，ai表示第i個(gè)天線單元為幅度加權(quán)系數(shù)，i為第i個(gè)天線單元的激勵(lì)電流，λ表示該陣列的工作波長，為相鄰單元之間的饋電相位差，亦稱陣內(nèi)相移值，為相變量，由陣列移相器調(diào)節(jié)；令由歐拉公式化簡得到：

當(dāng)時(shí)，|f(θ)|有最大值，|f(θ)|＝1，此時(shí)波束指向θb的表達(dá)式為：

由上述可知，通過改變陣列內(nèi)相鄰單元之間的陣內(nèi)相移值即可改變天線陣列波束最大值指向；

故移相器改變反饋到電力位移模塊，通過信號(hào)控制模塊控制數(shù)據(jù)處理器調(diào)整機(jī)器人的前進(jìn)方向，使得陣列所得信號(hào)總是處于天線陣列的最大波束處，即總是朝向傷點(diǎn)位置位移，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋路功能。

進(jìn)一步，所述地質(zhì)探測雷達(dá)由穩(wěn)壓變頻器及壓縮脈沖波發(fā)射儀控制發(fā)射頻段呈對(duì)數(shù)周期分布的脈沖波，得到初始分辨率下復(fù)數(shù)周期系列的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)控制模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得到回歸方程并獲取最佳分辨率，由信號(hào)控制模塊控制地質(zhì)探測雷達(dá)調(diào)節(jié)分辨率。

有益效果：本發(fā)明通過采用偶極子天線陣列，運(yùn)用相控陣技術(shù)，將電流相位差轉(zhuǎn)化為機(jī)器人方位偏差，可以使機(jī)器人如同具有“發(fā)聲-回聲-追蹤”一般的工作方式，擺脫逐點(diǎn)排查的程序線路，避免以往技術(shù)中因單向度的探索模式而導(dǎo)致效率底下，從而優(yōu)化了機(jī)器人的工作方式，能夠智能化地追蹤傷點(diǎn)位置。

本發(fā)明在機(jī)器人到達(dá)最優(yōu)探測位置時(shí)，雷達(dá)產(chǎn)生復(fù)數(shù)頻率周期的脈沖波系列，從而收集不同系列的電磁波信號(hào)衰減數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號(hào)控制模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器進(jìn)行最小二乘法擬合曲線，導(dǎo)出最佳分辨率回歸方程的參數(shù)解，使雷達(dá)調(diào)整至最優(yōu)的觀測分辨率，與以往觀測裝置相比，本發(fā)明使地質(zhì)探測機(jī)器人具有更靈活的適應(yīng)性，能夠在不同的堤防、壩面亦或是管道內(nèi)表面順利作業(yè)，提高了探測精確度。

綜上所述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有智能化和自動(dòng)化，探測精確度和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為偶極子天線陣列的局部示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例：一種相控尋路地質(zhì)探測機(jī)器人拓展裝置，如圖1所示，包括安裝在機(jī)器人1上的工作臂6-1、6-2、6-3、6-4以及地質(zhì)探測雷達(dá)13、移相器8、電力位移模塊10、信號(hào)控制模塊11和數(shù)據(jù)處理器12。本實(shí)施例地質(zhì)探測雷達(dá)13選用lpaa深度精測雷達(dá)，還設(shè)有與之連接配合使用的穩(wěn)壓變頻器及壓縮脈沖波發(fā)射儀。

工作臂6-1、6-2、6-3、6-4共有四個(gè)，在同一水平面內(nèi)相鄰兩個(gè)互相垂直，向四周各方向伸出。每個(gè)工作臂6-1、6-2、6-3、6-4的末端皆設(shè)有偶極子天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4，如圖2所示，每個(gè)天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4是由5×5個(gè)半波長偶極子金屬貼片構(gòu)成。

偶極子天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4通過信號(hào)饋線順次連接移相器8和電力位移模塊10，電力位移模塊10連接信號(hào)控制模塊11雙向傳輸，信號(hào)控制模塊11與地質(zhì)探測雷達(dá)13連接雙向傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還與機(jī)器人1的數(shù)據(jù)處理器12相連并雙向傳輸。地質(zhì)探測雷達(dá)13、移相器8、電力位移模塊10、信號(hào)控制模塊11和數(shù)據(jù)處理器12安裝在屏蔽背噪的金屬圓筒中。

上述裝置的裝配過程如下：

第一步，組裝機(jī)器人1基礎(chǔ)動(dòng)力部分，用于機(jī)器人1行走的萬向輪2-1、2-2、2-3、2-4分別與機(jī)械聯(lián)動(dòng)軸承3-1、3-2固連，并進(jìn)行連接檢查，確保在電源電量充足的狀態(tài)下，該部分能夠自由移動(dòng)。

第二步，將偶極子天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4進(jìn)行表面磨砂處理，采用502膠水將天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4分別對(duì)應(yīng)固定在絕緣處理后的工作臂6-1、6-2、6-3、6-4端頭表面，并將雙芯信號(hào)饋線悉數(shù)對(duì)應(yīng)焊接到天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4上，連接完好進(jìn)行檢查，將引出的信號(hào)饋線進(jìn)行整理。組裝完成后，將定位工作臂6-1、6-2、6-3、6-4的一端固定到機(jī)器人1中部的工作臺(tái)5上。

第三步，在工作臺(tái)5上，將地質(zhì)探測雷達(dá)13、移相器8、電力位移模塊10、信號(hào)控制模塊11、數(shù)據(jù)處理器12和偶極子天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4用信號(hào)饋線進(jìn)行連接，其中，地質(zhì)探測雷達(dá)13通過其集成電路9與信號(hào)控制模塊11相連。

本實(shí)施例機(jī)器人拓展裝置具體工作過程如下：

①啟動(dòng)階段，啟動(dòng)裝置并放置于目標(biāo)建筑物表面某位置，選取標(biāo)志物，記入數(shù)據(jù)處理器12建立參考系，并將該位置設(shè)為初始點(diǎn)位置。

②工作階段，分為尋路階段和測深階段：

(a)當(dāng)工作處于所述尋路階段時(shí)，工作臂6-1、6-2、6-3、6-4上的偶極子天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4開始工作，對(duì)空間進(jìn)行一維掃描，經(jīng)過移相器8調(diào)節(jié)，改變天線陣列7-1、7-2、7-3、7-4內(nèi)相鄰單元之間的陣內(nèi)相移值從而改變天線波束最大值指向；移相器8反饋到電力位移模塊10，將電相位信號(hào)編譯為信號(hào)控制模塊11可以識(shí)別的力位移信號(hào)，由信號(hào)控制模塊11傳達(dá)至機(jī)器人1的數(shù)據(jù)處理器12，負(fù)責(zé)調(diào)整機(jī)器人1前進(jìn)方向，使得傷點(diǎn)所反饋的電磁信號(hào)總是處于尋路用相控陣列7-1、7-2、7-3、7-4天線的最大波束處，即探測機(jī)器人1將總是朝向“最近”傷點(diǎn)位置位移，綜合空間位置與傷點(diǎn)破壞程度的信號(hào)衰減反應(yīng)在電磁空間中最近點(diǎn)，直至信號(hào)反饋達(dá)到峰值(電力位移模塊10反饋達(dá)到最小值，機(jī)器人1到達(dá)傷點(diǎn)附近)，記錄該傷點(diǎn)空間位置并由信號(hào)控制模塊11指示數(shù)據(jù)處理器12排除對(duì)該傷點(diǎn)空間位置的繼續(xù)掃描，使得在下一次機(jī)器處于該階段時(shí)不再“陷于”該點(diǎn)，進(jìn)入下一階段；

(b)當(dāng)工作處于測深階段時(shí)，此時(shí)機(jī)器人1啟動(dòng)地質(zhì)探測雷達(dá)13，通過穩(wěn)壓變頻器及壓縮脈沖波發(fā)射儀控制發(fā)射頻段呈對(duì)數(shù)周期分布的脈沖波，對(duì)傷點(diǎn)進(jìn)行大約7-10個(gè)周期的頻率審查，得到初始分辨率下復(fù)數(shù)周期系列的的反饋信號(hào)，并傳導(dǎo)到信號(hào)控制模塊11中進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)行最小二乘法擬合，得到回歸方程并獲取最佳分辨率，數(shù)據(jù)處理器12同時(shí)通過所連接的信號(hào)控制模塊11向地質(zhì)探測雷達(dá)13反饋出相應(yīng)傷點(diǎn)的最佳分辨率，lpaa雷達(dá)13調(diào)整并測量，最終將結(jié)果記載到機(jī)器人1的數(shù)據(jù)處理器12，信號(hào)控制模塊11指示電力位移模塊10移除該節(jié)點(diǎn)位置，并指示掛起地質(zhì)探測雷達(dá)13，啟動(dòng)工作臂6-1、6-2、6-3、6-4繼續(xù)進(jìn)行相控尋路。

重復(fù)上述兩階段，尋找下一傷點(diǎn)。

③分析階段，讀取數(shù)據(jù)處理器12的內(nèi)存，將工作階段所采集的位置信息、深度數(shù)據(jù)和傷點(diǎn)衰減系數(shù)進(jìn)行整合，導(dǎo)出至電子計(jì)算機(jī)終端，由計(jì)算機(jī)軟件的圖像處理器編譯探測數(shù)據(jù)，完成探測工作。