CN105067630A - 斜拉索pe保护层损伤检测装置及其控制电路、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜拉索PE保护层损伤检测装置及其控制电路、控制方法，其装置包括爬行机构和图像采集装置，爬行电机驱动爬行机构沿斜拉索表面上下移动，旋转电机驱动摄像头沿斜拉索周围转动；旋转电机和爬行电机配合转动实现摄像头对斜拉索表面全面采集图像，微控制器对图像处理得到损伤信息，损伤信息经无线传输给地面终端，该检测装置还设置有用于获取位置信息的加速度传感器和用于检测是否到达斜拉索顶端的超声波传感器；有益效果：一个摄像头采集图像并经微控制器处理，提高检测装置的实时性；无线通信模块仅传输损伤位置信息及控制指令，减小无线传输数据量，便于施工人员确认斜拉索检测结果的准确性。

Description

斜拉索PE保护层损伤检测装置及其控制电路、控制方法

技术领域

本发明涉及一种能够在桥梁拉索、吊杆上爬行的机械装置，尤其是能在桥梁拉索表面上下移动并携带相关检测设备对桥梁拉索表面状况检测的装置。

背景技术

随着我国社会迅速发展，大跨度桥梁越来越多，斜拉桥、悬索桥已经成为现代大跨度桥梁的广泛采用桥型。长期暴露在空气中使用，斜拉索表面的聚乙烯(PE)保护层容易出现不同程度的损坏现象，危及桥梁的安全。因此，需要定期对桥梁斜拉索进行定期检测与维护。目前国内研发的桥梁缆索检测机器人因为重量太重、智能化程度不高、使用不方便等缺点，并没有在行业内普及使用。为了解决这一问题，中国专利CN201110285061公开的一种桥梁缆索爬行检测装置，通过在穿套在斜拉索上的环形机器人上均布3个摄像头，在机器人沿斜拉索爬行过程中实现全方位对斜拉索表面进行图像信息采集，采集到的信息经无线传递给终端检测装置，终端检测装置对机器人传递来的图像数据进行处理，检测到斜拉索表面损坏的地方，这种结构具有重量轻、安装简易等特点。但这种结构的检测装置需要将三个摄像头采集的全部图像数据传递给终端装置进行处理，不仅检测的实时性不好，且需要传递的数据量庞大，无线通信的负担较重，而且该装置不具有摄像头防抖动结构，摄像头在检测过程中因抖动拍摄的模糊照片不仅无用且占用无线传输模块。

发明内容

有鉴于此，为提高检测装置的实时性并降低无线通信传输的数据量，本发明提供一种斜拉索PE保护层损伤检测装置，具体技术方案如下：

一种斜拉索PE保护层损伤检测装置，包括爬行机构和图像采集装置，所述爬行机构用于带动所述图像采集装置在斜拉索外表面上下移动，所述图像采集装置用于采集斜拉索PE保护层的损伤信息并实现无线传输，其关键在于：所述图像采集装置包括一用于固定摄像头的安装座，该安装座设置在一环形导轨上，所述环形导轨与所述爬行机构相连，且能套接在斜拉索上，在所述安装座中设置有一旋转电机，在旋转电机的输出轴上连接有旋转机构，在所述旋转电机的带动下，所述安装座能够带着摄像头在所述环形导轨上绕着斜拉索做圆周运动。

基于这种结构的斜拉索PE保护层损伤检测装置只需要一个摄像头即可采集斜拉索表面的全部图像，在一定程度上减少了需要处理的图像数据量，并且结合后面的控制电路及控制电路的控制方法，能够快速有效检测PE保护层受损情况。

进一步地，由于摄像头在检测装置爬行过程中会产生抖动，摄像头在抖动状态下采集的图像不清晰且有重影，这样会加大微控制器对图像处理的工作量，且图像处理的结果会有较大误差；为加强检测装置的稳定性，减小因装置抖动对图像处理带来的麻烦，在所述环形导轨上、下表面分别设置有两圈环形的导向槽，在所述安装座上设置有与所述导向槽相适应的定位柱，在环形导轨的侧壁上设置有纵向齿条，所述旋转机构为一齿轮机构，且与所述环形导轨侧壁上的纵向齿条啮合；所述爬行机构包括环形支撑架和三组均匀分布的爬行轮，所述环形支撑架的上端与所述环形导轨相连，所述三组爬行轮分别通过弹性连杆连接在所述环形支撑架上，每一组爬行轮由上下两个滚轮构成，其中一组爬行轮作为主动轮与爬行电机相连，在所述爬行电机的带动下，所述爬行机构可沿斜拉索的外表面上下移动。

更进一步地，在所述爬行机构上还设置有用于获取位置信息的加速度传感器和用于检测是否到达斜拉索顶端的超声波传感器。

除此之外，本发明还提出了一种用于斜拉索PE保护层损伤检测装置的控制电路，其关键在于：所述爬行机构、图像采集装置、加速度传感器以及超声波传感器均连接在微控制器上，其中图像采集装置中的摄像头、加速度传感器以及超声波传感器分别连接在微控制器的输入端，爬行机构中的爬行电机和图像采集装置中的旋转电机分别连接在微控制器的输出端，在所述微控制器上还连接有无线通信模块，所述无线通信模块用于实现与地面终端之间的无线通信，所述无线通信模块为双向通信，微控制器可经无线通信模块向地面终端发送数据，地面终端也可经过无线通信模块访问微控制器或检测装置上的SD卡；上述各个模块还通过移动电源供电。

针对上述检测装置和控制电路，本发明还提出了一种斜拉索PE保护层损伤检测装置控制电路的控制方法，其关键在于按照以下步骤进行：

S1：系统初始化；

S2：微控制器按照角度θ作为步进控制旋转电机转动，且摄像头每一步拍摄一张照片传递给微控制器进行图像处理；当图像处理结果显示PE保护层受损时，微处理器将该张照片保存至SD卡，并根据加速度传感器信息标定该图片对应的斜拉索位置信息，然后通过无线通信模块传递给地面终端；

其中，图像处理的过程包括：

S21：使用中值滤波法对原图像去噪；

S22：背景减除法提取斜拉索图像；

S23：对步骤S22中获得的斜拉索图像二值化；

S24：对二值化图像进一步去噪并提取黑色区域的轮廓，即为PE保护层上损伤区域；

S25：判定图像中黑色区域的面积是否超过阈值，如果是，则判定为PE保护层受损，否则，认定PE保护层完好。

S3：判断摄像头是否旋转一圈，是则转向步骤S4；否则返回步骤S2；

S4：微控制器根据超声波传感器所检测的信息判定爬行机构是否达到斜拉索的顶端，是则控制爬行电机反转，回收检测装置；否则进入步骤S5；

S5：微控制器控制爬行电机正转，使得爬行机构向上移动距离为H，返回步骤S2循环检测。

有益效果：结构简单，只需要一个摄像头经巧妙设置即可实现对斜拉索表面的全方位图像采集，且机器人自带的微处理器对斜拉索表面损坏部位进行实时检测，将检测到的斜拉索表面损坏的坐标信息等发送给地面终端，无线传送的数据量骤减；机器人自带的SD卡用于存储存在损坏情况的图像，便于施工人员确认斜拉索检测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的图像采集装置结构图；

图3为本发明的图像采集装置剖面图；

图4为本发明的爬行结构俯视图；

图5为本发明的控制电路框图；

图6为本发明的控制方法流程图；

图7为本发明的图像处理算法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示的一种斜拉索PE保护层损伤检测装置，包括爬行机构1和图像采集装置2，所述爬行机构1用于带动所述图像采集装置2在斜拉索外表面上下移动，所述图像采集装置2用于采集斜拉索PE保护层的损伤信息并实现无线传输，其关键在于：所述图像采集装置2包括一用于固定摄像头2d的安装座2a，该安装座2a设置在一环形导轨2b上，所述环形导轨2b与所述爬行机构1相连，且能套接在斜拉索上，在所述安装座2a中设置有一旋转电机2e，在旋转电机2e的输出轴上连接有旋转机构2c，在所述旋转电机2e的带动下，所述安装座2a能够带着摄像头2d在所述环形导轨2b上绕着斜拉索做圆周运动。

基于这种结构的斜拉索PE保护层损伤检测装置只需要一个摄像头即可采集斜拉索表面的全部图像，在一定程度上减少了需要处理的图像数据量，并且结合后面的控制电路及控制电路的控制方法，能够快速有效检测PE保护层受损情况。

进一步地，由于摄像头在检测装置爬行过程中会产生抖动，摄像头在抖动状态下采集的图像不清晰且有重影，这样会加大微控制器对图像处理的工作量，且图像处理的结果会有较大误差；为加强检测装置的稳定性，减小因装置抖动对图像处理带来的麻烦，从图3可以看出，为加强摄像头2d在旋转过程中的稳定性，所述环形导轨2b上、下表面分别设置有两圈环形的导向槽2b1，在所述安装座2a上设置有与所述导向槽2b1相适应的定位柱2a1，在环形导轨2b的侧壁上设置有纵向齿条，所述旋转机构2c为一齿轮机构，且与所述环形导轨2b侧壁上的纵向齿条啮合；从图4可以看出，为增加检测装置在斜拉索上爬行过程中的稳定性，在所述爬行机构1的环形支撑架1a上设置三组均匀分布的爬行轮1b，所述环形支撑架1a的上端与所述环形导轨2b相连，所述三组或四组爬行轮1b分别通过弹性连杆1c连接在所述环形支撑架1a上，每一组爬行轮1b由上下两个滚轮构成，其中一组爬行轮1b作为主动轮与爬行电机1e相连，在所述爬行电机1e的带动下，所述爬行机构1可沿斜拉索的外表面上下移动，为了适应斜拉索的需要，爬行轮1b的表面设置为凹形。

更进一步地，在所述爬行机构1上还设置有用于获取位置信息的加速度传感器3和用于检测是否到达斜拉索顶端的超声波传感器4。

除此之外，本发明还提出了一种用于斜拉索PE保护层损伤检测装置的控制电路，该控制电路框图如图5所示，所述爬行机构1、图像采集装置2、加速度传感器3以及超声波传感器4均连接在微控制器5上，其中图像采集装置2中的摄像头2d、加速度传感器3以及超声波传感器4分别连接在微控制器5的输入端，爬行机构1中的爬行电机1e和图像采集装置2中的旋转电机2e分别连接在微控制器5的输出端，在所述微控制器5上还连接有无线通信模块6，所述无线通信模块6用于实现与地面终端8之间的无线通信，所述无线通信模块6为双向通信，微控制器5可经无线通信模块6向地面终端8发送数据，地面终端8也可经过无线通信模块6访问微控制器5或检测装置上的SD卡；上述各个模块还通过移动电源7供电，具体实施时，采用蓄电池为检测装置供电。

如图6-图7所示，针对上述检测装置和控制电路，本发明还提出了一种斜拉索PE保护层损伤检测装置控制电路的控制方法，其关键在于按照以下步骤进行：

S1：系统初始化；

S2：微控制器5按照角度θ作为步进控制旋转电机2e转动，且摄像头2d每一步拍摄一张照片传递给微控制器5进行图像处理；当图像处理结果显示PE保护层受损时，微处理器5将该张照片保存至SD卡，并根据加速度传感器3信息标定该图片对应的斜拉索位置信息，然后通过无线通信模块6传递给地面终端8；具体实施时，根据摄像头与斜拉索之间的距离及摄像头的拍摄范围，这里可以使旋转电机2e按照120°步进，带动摄像头2d在斜拉索周围每隔120°拍摄一张照片，这样可以实现对斜拉索表面不留死角的360°拍摄，在不影响检测装置检测效果的前提下，不仅减小拍摄数据量，也减小微控制器图像处理的工作量；

其中，微控制器对图像处理的过程包括：

第一步，使用中值滤波法对原图像去噪；

第二步，背景减除法提取斜拉索图像；

第三步，对步骤S22中获得的斜拉索图像二值化；

第四步，对二值化图像进一步去噪并提取黑色区域的轮廓，即为PE保护层上损伤区域；

第五步，判定图像中黑色区域的面积是否超过阈值，如果是，则判定为PE保护层受损，否则，认定PE保护层完好。

S3：判断摄像头2d是否旋转一圈，是则转向步骤S4；否则返回步骤S2；

S4：微控制器5根据超声波传感器4所检测的信息判定爬行机构1是否达到斜拉索的顶端，是则控制爬行电机1e反转，回收检测装置；否则进入步骤S5；

S5：微控制器5控制爬行电机1e正转，使得爬行机构1向上移动距离为H，返回步骤S2循环检测，这里的H为检测装置上的摄像头2d拍摄一张照片在斜拉索上范围的高度。

本发明在工作时，由施工人员将检测装置安装在斜拉索上，摄像头拍摄照片时，爬行电机不工作，摄像头拍摄一张后立即传递给微控制器处理，旋转电机驱动安装架旋转120°，摄像头再拍摄一张照片传递给微控制器处理，直到摄像头旋转一圈后，旋转电机不工作，爬行电机向上爬行距离H，重复上述动作直到检测装置爬到斜拉索的顶部，爬行电机反转，回收检测装置；这一过程中，可能会遇到斜拉索下面粗上面细这种结构，导致摄像头在不同高度的H不同，这时，可经地面终端向微控制器输入斜拉索半径与高度的关系，微控制器根据斜拉索半径与高度的关系控制爬行电机每次爬行的高度H。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种斜拉索PE保护层损伤检测装置，包括爬行机构(1)和图像采集装置(2)，所述爬行机构(1)用于带动所述图像采集装置(2)在斜拉索外表面上下移动，所述图像采集装置(2)用于采集斜拉索PE保护层的损伤信息并实现无线传输，其特征在于：所述图像采集装置(2)包括一用于固定摄像头(2d)的安装座(2a)，该安装座(2a)设置在一环形导轨(2b)上，所述环形导轨(2b)与所述爬行机构(1)相连，且能套接在斜拉索上，在所述安装座(2a)中设置有一旋转电机(2e)，在旋转电机(2e)的输出轴上连接有旋转机构(2c)，在所述旋转电机(2e)的带动下，所述安装座(2a)能够带着摄像头(2d)在所述环形导轨(2b)上绕着斜拉索做圆周运动。

2.根据权利要求1所述的斜拉索PE保护层损伤检测装置，其特征在于：所述环形导轨(2b)上、下表面分别设置有两圈环形的导向槽(2b1)，在所述安装座(2a)上设置有与所述导向槽(2b1)相适应的定位柱(2a1)，在环形导轨(2b)的侧壁上设置有纵向齿条，所述旋转机构(2c)为一齿轮机构，且与所述环形导轨(2b)侧壁上的纵向齿条啮合。

3.根据权利要求1或2所述的斜拉索PE保护层损伤检测装置，其特征在于：所述爬行机构(1)包括环形支撑架(1a)和三组均匀分布的爬行轮(1b)，所述环形支撑架(1a)的上端与所述环形导轨(2b)相连，所述三组爬行轮(1b)分别通过弹性连杆(1c)连接在所述环形支撑架(1a)上，每一组爬行轮(1b)由上下两个滚轮构成，其中一组爬行轮(1b)作为主动轮与爬行电机(1e)相连，在所述爬行电机(1e)的带动下，所述爬行机构(1)可沿斜拉索的外表面上下移动。

4.根据权利要求3所述的斜拉索PE保护层损伤检测装置，其特征在于：在所述爬行机构(1)上还设置有用于获取位置信息的加速度传感器(3)和用于检测是否到达斜拉索顶端的超声波传感器(4)。

5.如权利要求4所述的斜拉索PE保护层损伤检测装置的控制电路，其特征在于：所述爬行机构(1)、图像采集装置(2)、加速度传感器(3)以及超声波传感器(4)均连接在微控制器(5)上，其中图像采集装置(2)中的摄像头(2d)、加速度传感器(3)以及超声波传感器(4)分别连接在微控制器(5)的输入端，爬行机构(1)中的爬行电机(1e)和图像采集装置(2)中的旋转电机(2e)分别连接在微控制器(5)的输出端，在所述微控制器(5)上还连接有无线通信模块(6)，所述无线通信模块(6)用于实现与地面终端(8)之间的无线通信，上述各个模块还通过移动电源(7)供电。

6.如权利要求5所述的斜拉索PE保护层损伤检测装置控制电路的控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：

S1：系统初始化；

S2：微控制器(5)按照角度θ作为步进控制旋转电机(2e)转动，且摄像头(2d)每一步拍摄一张照片传递给微控制器(5)进行图像处理；当图像处理结果显示PE保护层受损时，微处理器(5)将该张照片保存至SD卡，并根据加速度传感器(3)信息标定该图片对应的斜拉索位置信息，然后通过无线通信模块(6)传递给地面终端(8)；

S3：判断摄像头(2d)是否旋转一圈，是则转向步骤S4；否则返回步骤S2；

S4：微控制器(5)根据超声波传感器(4)所检测的信息判定爬行机构(1)是否达到斜拉索的顶端，是则控制爬行电机(1e)反转，回收检测装置；否则进入步骤S5；

S5：微控制器(5)控制爬行电机(1e)正转，使得爬行机构(1)向上移动距离为H，返回步骤S2循环检测。

7.如权利要求6所述的斜拉索PE保护层损伤检测装置控制电路的控制方法，其特征在于：

步骤S2中图像处理过程包括：

S21：使用中值滤波法对原图像去噪；

S22：背景减除法提取斜拉索图像；

S23：对步骤S22中获得的斜拉索图像二值化；

S24：对二值化图像进一步去噪并提取黑色区域的轮廓，即为PE保护层上损伤区域；

S25：判定图像中黑色区域的面积是否超过阈值，如果是，则判定为PE保护层受损，否则，认定PE保护层完好。