CN102735686A

CN102735686A - 基于可移动无线传感器的钢结构健康监测系统

Info

Publication number: CN102735686A
Application number: CN2012102019484A
Authority: CN
Inventors: 李惠; 鲍跃全; 朱晓铖; 吴峰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: CN102735686B

Abstract

基于可移动无线传感器的钢结构健康监测系统，包括计算机终端、可移动机器人、机器人控制器、无线加速度传感器、传感器数据接收基站，计算机终端与传感器数据接收基站以及机器人控制器相连，可移动机器人通过机器人控制器无线远程控制，可移动机器人上的机械臂将无线加速度传感器安放在钢结构被测点处，采集完数据之后，可移动机器人拾起无线加速度传感器继续下一个测点的测试，无线传感器的测试数据无线传输给数据接收基站。该系统可以实现钢结构的可视化裂缝、腐蚀检测与分布式振动与温度数据采集，节省人工维护成本；并可以到达人工难以到达的结构部位，极大的提高工程结构日常检测的效率。

Description

基于可移动无线传感器的钢结构健康监测系统

技术领域

本发明涉及钢结构健康监测领域，具体涉及一种基于可移动无线传感器的钢结构健康监测系统。

背景技术

随着全世界经济的迅速发展，土木工程领域也取得了令人瞩目的成就，各种大型复杂结构不断出现。当今的土木工程结构正在向超大化、复杂化方向发展，如大型桥梁、超高层建筑、规模巨大的体育馆和剧院、大型水坝、核电站及近海结构等。然而这类重大工程结构的设计使用期长达几十年、甚至上百年，在环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应等灾害因素的共同作用下将不可避免地导致结构技术的损伤积累和抗力衰减，极端情况下可能引起灾难性的突发事故。

随着对工程结构的安全性、耐久性及正常使用功能的日益关注，人们希望能够在结构的服役期，即使出现一些如地震、台风、爆炸等灾害性事故后，能充分了解结构的健康状况，以决定是否需要对结构进行维修和养护，以及何时进行维修和养护。因此，结构健康监测系统成为保障结构安全的重要途径，对现存的重要结构和设施进行健康监测，评价其安全状况，修复、控制损伤及在新建结构和设施中增设长期的健康监测系统已成为必须。

在结构健康系统中最基本的是传感器及其数据采集系统，目前广泛的使用的有线的数据采集法的具有数据采集稳定可靠，受噪声影响小等优点，但是其繁琐的布线工作需要花费非常大的成本，而且由于有线数据采集节点一旦布置后就不可移动，因此不能做到所有节点都处于重点监测地段，在检测中很难全面展示桥梁的安全状况。因此，目前国际上开始研究使用无线传感器及无线数据采集系统，同时配备无线遥控检测机器人，可有效地节省大量的施工时间，节约大量的成本，同时降低了人工布线的危险程度。此外无线遥控检测机器人能攀爬至人工不能够达到的地方，能更加全面地展示桥梁的安全状况。可以实现大规模、分布式、低造价桥梁自动智能监测，对桥梁结构健康监测的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明主要针对上述问题而提出一种解决途径，结合了无线电通讯技术、电子技术、机械自动化技术以及磁吸附原理，提出了一种基于可移动无线传感器的钢结构健康监测系统。

本发明采用如下技术：

基于可移动无线传感器的钢结构健康监测系统，包括计算机终端、可移动机器人、机器人控制器、无线加速度传感器、传感器数据接收基站，计算机终端与传感器数据接收基站以及机器人控制器相连，可移动机器人通过机器人控制器无线远程控制，可移动机器人携带无线加速度传感器在钢结构表明移动，可移动机器人上的机械臂将无线加速度传感器安放在钢结构被测点处，无线加速度传感器通过电磁铁吸附在钢结构上，采集完数据之后，可移动机器人拾起无线加速度传感器继续下一个测点的测试，无线传感器的测试数据无线传输给数据接收基站，实现被测结构的数据的采集与显示，检查钢结构表面健康状况；所述的可移动机器人包括车体、多自由度云台、四轮驱动行走机构、伺服电机、直流减速电机、电源单元、姿态感应与控制单元、机械臂、CCD摄像头、无线视频传输模块，四轮驱动行走机构安装在车体上，四轮驱动行走机构的每个驱动轮上安装有一圈磁铁，磁铁的磁力强度能够使可移动机器人吸附在钢结构上，多自由度云台安装在车体上，机械臂安装在多自由度云台上，机械臂通过伺服电机驱动，机械臂能够伸缩，CCD摄像头安装在机械臂上，车体上还安装有电源单元和姿态感应与控制单元，直流减速电机与四轮驱动行走机构连接，电源单元分别与多自由度云台、姿态感应与控制单元、无线视频传输模块、直流减速电机、伺服电机、CCD摄像头电信号连接，姿态感应与控制单元分别于多自由度云台、驱动电机、伺服电机、CCD摄像头电信号连接，无线视频传输模块与CCD摄像头电信号连接；无线视频传输模块与机器人控制器无线连接。

该系统可以实现土木工程结构的可视化裂缝、腐蚀检测与分布式振动与温度数据采集，为土木工程结构的日常维护提供高自动化的有效电子检测手段，节省人工维护成本；并可以到达人工难以到达的结构部位，极大的提高工程结构日常检测的效率，能更加全面地反映结构的安全状况更好的保证结构健康安全地运行。

附图说明

图1为基于可移动无线传感器的结构健康监测技术流程图；

图2为本系统的结构示意简图；

图3为16层钢框架实验模型测得的第2层加速度振动响应数据；

图4为16层钢框架实验模型测得的第4层加速度振动响应数据；

图5为16层钢框架实验模型测得的第6层加速度振动响应数据。

其中1、计算机终端，2、机器人控制器，3、传感器数据接收基站，4、无线加速度传感器，5、机械臂，6、多自由度云台，7、直流减速电机，8、CCD摄像头，9、四轮驱动行走机构，10、姿态感应与控制单元，11、车体。

具体实施方式

本发明实现过程如下：通过利用磁铁对钢铁的磁力作用，使机器人可以牢固地吸附于钢架结构表面。机器人控制接收器遥控机器人可以在任何角度的钢结构表面移动，CCD摄像头、多自由度云台和无线视频传输模块，向操作者提供一个清晰、稳定的图像信息，操作者可以通过图像信息查看结构表面的锈蚀、裂纹等安全隐患，同时可以确定无线加速度传感器的布置位置。移动机器人机械臂可携带无线加速度传感器节点，并通过电磁铁吸放，将传感器布置于结构上某测量点，实现该点振动测试以及温度数据的采集，并将数据传回基站，完成该点测试之后，控制机器人的机械手，将传感器拾起，继续进行下一个待测点的振动测试，如此重复，可以实现在仅用一个传感器即可实现结构多点振动测试。并将数据无线传输给无线加速度传感器数据接收基站，基站与计算机终端相连，实现数据的采集与显示。

实施方案一：可移动机器人是本发明的关键技术，其主要分两个部分，分别是机械结构设计和电子系统设计。在机械结构方面，主要着眼于提高机器人的稳定性、安全性、可靠性。从实际需要出发，本发明的机器人必须要轻量化、高强度，吸附力要足够大。根据以上要求，机器人本体材料主要以铝合金为主，同时在结构设计中，尽量在保证强度的前提下，减少材料的使用量，以达到轻量化的目的，车体重量：2.5kg。本发明的机械结构主要分两部分，四轮驱动的车体以及多自由度机械臂。四轮驱动车体结构均采用2A12高强度铝合金，车体尺寸为250mm*170mm。车轮尺寸为Φ60*22mm，外边多边形结构用于安装强力磁铁，电机采用涡轮蜗杆直流减速电机，额定电压为12V，输出轴额定转速为75r/min，额定功率为25W。机械臂采用伺服电机作提供驱动力，共有5个伺服电机提供5个自由度。机械臂的结构部件全部采用聚合物材料机械结构装配完成。所采用的磁铁型号及参数：烧结铷铁磁铁型号N35，尺寸是20*10*4mm。主要性能参数：剩磁(Br)，1170-1220mT，矫顽力(Hcb)≥868kA/m，内禀矫顽力(Hcj)≥955kA/m，最大磁能积(BH)为263-287kj/m³，最高工作温度80℃。

在电子系统部分，主要分机器人控制系统，以及地面接收控制站两部分。机器人控制系统由电源管理模块、电机驱动模块、姿态感应与控制模块等组成。电源模块通过稳压器78M05(U2、U3)将外部电压转换成稳定的5V直流电压，供整个控制系统使用；通过LM2576(U1)大功率电源转换IC将外部电压转换成5V直流电压，给机械臂的5个伺服电机供电，U4作为备用电源，用于扩展外围部件时使用。外部电源通过开关与整个系统连接，并直接给直流减速电机驱动模块供电。

由电机驱动模块采用英飞凌公司生产的BTS7960(U2、U3)半H桥驱动IC搭建的H桥电路实现电机的正反转以及PWM调速控制，为了防止驱动电路中恶劣的电气环境影响单片机的正常运转，必须将单片机控制引脚与驱动电路输入端隔离，本方案采用6N137(U6-U8)光电耦合IC进行电气隔离，防止电机运行过程中产生的电流脉冲损坏微处理器。控制信号通过单片机的INA1、INA2、ENA引脚输出，进入6N137后进行信号变换后，经限流电阻(R7、R8、R9、R10)输出至BTS7960，实现控制信号到电机驱动方式的控制。其中INA1/INA2为正反装控制信号，ENA为PWM使能信号，控制形式见表1。

姿态感应与控制模块采用飞思卡尔MMA7660(U18)加速度传感器以及滤波电路和AD采样电路实现机器人姿态的感应。加速度传感器输出的模拟信号经R30-C14(R31-C15、R32-C16)组成的低通滤波器滤波后映射到单片机(STC12C5A60S2)A/D采集引脚上。同时单片机接受来自无线通信模块(XL03)的控制信号，经内部程序处理后产生控制直流电机运动的信号以及伺服电机控制信号(PWM1-PWM8)。此外直流电机的速度控制采用闭环控制，经PID算法实现速度的稳定控制。速度信号的采集采用欧姆龙公司生产的增量式编码器E6A2-CS5C200P/R。信号经G_dian1和G_dian2端口输入单片机。

地面接收与控制模块则由三轴手柄、按键、LCD显示屏、微处理器、电管管理、无线通信等组成，通过微处理器采集按键、手柄的输入判断操作者的控制意图，产生相应的控制代码通过无线模块发送至机器人，同时接受机器人的反馈信号，并显示在LCD屏幕上。

实施方案二：这里给出采用该技术对结构进行振动测试的实例，16层钢框架实验模型，采用本发明的技术其进行振动测试。

可移动机器人携带一个无线加速度传感器，在结构表面攀爬，在远程控制下，将无线加速度传感器按放在框架第2层节点处。测试结构振动的加速度响应，在脉冲荷载激励下，所测得加速度振动响应数据如图3所示。测完第2层之后，机器人拾起传感器，继续移动第4层与第6层，所测的加速度响应数据分别如图4、图5所示。依次重复，可以实现全部楼层的结构振动响应数据。采用本发明的技术，可以用单个传感器即实现结构的多点分布式测量，对实际工程结构的健康监测有重要的应用价值。

Claims

1.基于可移动无线传感器的钢结构健康监测系统，其特征在于：包括计算机终端、可移动机器人、机器人控制器、无线加速度传感器、传感器数据接收基站，计算机终端与传感器数据接收基站以及机器人控制器相连，可移动机器人通过机器人控制器无线远程控制，可移动机器人携带无线加速度传感器在钢结构表明移动，可移动机器人上的机械臂将无线加速度传感器安放在钢结构被测点处，无线加速度传感器通过电磁铁吸附在钢结构上，采集完数据之后，可移动机器人拾起无线加速度传感器继续下一个测点的测试，无线传感器的测试数据无线传输给数据接收基站，实现被测结构的数据的采集与显示，检查钢结构表面健康状况；所述的可移动机器人包括车体、多自由度云台、四轮驱动行走机构、伺服电机、直流减速电机、电源单元、姿态感应与控制单元、机械臂、CCD摄像头、无线视频传输模块，四轮驱动行走机构安装在车体上，四轮驱动行走机构的每个驱动轮上安装有一圈磁铁，磁铁的磁力强度能够使可移动机器人吸附在钢结构上，多自由度云台安装在车体上，机械臂安装在多自由度云台上，机械臂通过伺服电机驱动，机械臂能够伸缩，CCD摄像头安装在机械臂上，车体上还安装有电源单元和姿态感应与控制单元，直流减速电机与四轮驱动行走机构连接，电源单元分别与多自由度云台、姿态感应与控制单元、无线视频传输模块、直流减速电机、伺服电机、CCD摄像头电信号连接，姿态感应与控制单元分别于多自由度云台、驱动电机、伺服电机、CCD摄像头电信号连接，无线视频传输模块与CCD摄像头电信号连接；无线视频传输模块与机器人控制器无线连接。