CN105067631A - 基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法及其检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法及其检测机器人，通过输水隧洞水下初始检测和输水隧洞水下跟踪检测实现对输水隧洞洞壁的检测，检测机器人包括机体、红外摄像头、升降推进器、水平推进器、主推进器和导向尾翼，机体的前后两端分别设置有前端盖和后端盖，后端盖内设置有主推进器，机体的左右两侧均设置有升降推进器，升降推进器的侧边上设置有水平推进器，机体内设置有主蓄电池和控制面板，机体的侧面上设置有伸缩扣板和水平水翼，机体的底部两侧均设置有柱形支架。本发明检测方法简单，不仅有效提高了输水隧洞的检测效果和检测质量，提高了系统的准确性和实时性，而且有效延长了检测机器人的续航和检测能力，经济效益显著。

Description

基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法及其检测机器人

技术领域

本发明涉及水下检测领域，尤其涉及一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法及其检测机器人。

背景技术

随着水资源的日益匮乏，越来越多的地方通过建设输水隧洞实现河水的灌溉，并且取得了很好的经济效果。但是由于输水隧洞常年累月裸露在空气中，容易受到风蚀等自然因素的侵蚀，时间长了容易造成输水隧洞的洞壁开裂，严重影响着输水的安全性，例如发生地震之后，输水隧洞的水面以上洞壁可以观察到裂缝并进行检修，但对于长时间浸泡在水下的洞壁，一旦产生裂缝之后容易受到水流的侵蚀。

现有技术中的检修人员通常采用人工下水检测洞壁的裂缝，由于水下光线不好，对洞壁的检测效果不好，因此人们开始采用水下机器人进行检测，然而由于水下的水流湍急不一，对机器人的操作要求较高，而且容易消耗水下机器人的能量，严重影响水下检测的连续性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的诸多不足，提供一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法及其检测机器人，不仅有效提高了输水隧洞的检测效果和检测质量，提高了系统的准确性和实时性，而且有效延长了检测机器人的续航和检测能力，经济效益显著。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)输水隧洞水下初始检测

1)将检测机器人放入输水隧洞中，使检测机器人快速下潜至目标深度，在接近目标深度30cm处进行减速，然后对输水隧洞进行初始识别，得到隧洞洞壁的特征曲线，当连续的图像识别的洞壁壁面中心线之间偏差小于5mm，则确定检测机器人已经检测到裂缝位置，并将检测机器人稳定的停留在检测的起始位置，防止发生错位而影响最终的图像合成；

2)然后利用序列洞壁图像间的特征变化特点建立动态窗口限制检测区域，限制检测区域的大小以裂缝最长距离为长边，裂缝上下高度差为短边的矩形状区域，在进行检测的过程中，控制检测机器人的速度为0.5m/min；

3)接着将检测机器人垂直隧洞洞壁停置，保持检测机器人与隧洞洞壁之间的距离，该距离的长度以显示屏幕上的画面看清楚为止，通过水面控制台检测洞壁的裂缝，然后控制检测机器人沿着裂缝横向移动，并随时调节动态窗口的跨度，使图像保持清晰；

(2)输水隧洞水下跟踪检测；

1)根据限制检测区域的位置，在限制检测区域的上下两侧分别建立相应面积大小的检测区域，使隧洞洞壁形成格子片状的检测区域，不仅可以防止细小裂缝的疏漏，保持最终图像的完整性，而且可以有效提高检测效率，通过检测机器人的数据采集层、图像处理层、解释层和环境理解层将信号传递至水面控制台，数据采集层可以通过图像采集卡为系统提供图像数据，图像处理层可以进行图像预处理和图像分割，提高了系统处理的速度和实时性，解释层可以对洞壁裂缝进行识别，在图像进行分割后，利用轮廓提取对图像进行拟合，得到相关的信息数据，环境理解层可以对行驶环境做出及时可靠的参数分析和判断；

2)将检测机器人移动至第一块限制检测区域，根据(1)输水隧洞水下初始检测的过程进行检测，当第一块限制检测区域检测完毕后，将检测机器人移动至下一块检测区域，按上述操作步骤直至最后一块限制检测区域检测完毕；

3)最后将上述得到的每张限制检测区域的图像进行拼接，即可得到输水隧洞洞壁的整体裂缝分布图。

由于识别的原始隧洞洞壁图像中包含大量噪声和虚假信息，并且图像存在强烈的灰度不均，同时由于光照条件不同，使得图像上的边界宽窄不同，因此通过动态窗口便能够将隧洞洞壁上的裂缝边界区域与其他干扰区别开来，提高了检测的准确性和实时性。

进一步，解释层包括轮廓提取、数字形态处理、图像拟合和数据关联更新，轮廓提取的输入端口连接分割图像，轮廓输出端口连接数字形态处理，数字形态处理的输入端口连接有图像膨胀和图像腐蚀，数字形态处理输出端口连接图像拟合，图像拟合的输出端口连接数据关联更新，数据关联更新的输出端连接信息输出。

进一步，环境解释层包括摄像头视觉系统模型，摄像头视觉系统模型的输入端口依次连接有AUV姿态信息、图像信息、摄像头标定和摄像头安装位置，摄像头视觉系统模型的输出端口连接信息输出。

用于上述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法的检测机器人，其特征在于：检测机器人包括机体、红外摄像头、升降推进器、水平推进器、主推进器和导向尾翼，机体的前后两端分别设置有前端盖和后端盖，前端盖上设置有玻璃罩，玻璃罩内设置有红外摄像头，后端盖内设置有主推进器，机体的左右两侧均设置有升降推进器，升降推进器的侧边上设置有水平推进器，水平推进器通过第二悬臂连接升降推进器，水平推进器与升降推进器相互垂直，机体的顶面上设置有吊装架，吊装架通过固定片固定连接在机体上，导向尾翼位于靠近后端盖的一侧，机体内设置有主蓄电池和控制面板，机体的侧面上设置有伸缩扣板和水平水翼，机体的底部两侧均设置有柱形支架，柱形支架的前后两端分别设置有第一缓冲层和第二缓冲层，第一缓冲层内设置有水平感应器，柱形支架内设置有辅助电池，辅助电池与第一缓冲层之间设置有第一进排水腔，辅助电池与第二缓冲层之间设置有第二进排水腔，第一进排水腔和第二进排水腔的侧面上均设置有进排水孔，辅助电池的两侧设置有深度感应器；玻璃罩可以有效起到保护红外摄像头的作用，防止红外摄像头损坏而影响正常的检测，主推进器可以加速检测机器人前进或后退，缩短检测时间，当发生意外时可以加速离开检测区域，提高了安全性，水平推进器和升降推进器可以实现在检测洞壁的过程中，使检测机器人保持较慢的速度前进和升降，降低红外摄像头的抖动，提高了画面拍摄的清晰度，同时升降推进器可以转动，满足检测机器人的横向移动，提高了检测的灵活性，吊装架可以满足检测机器人在水下航行器的带动下前进，适合深水域和远距离的水下检测，柱形支架不仅可以方便检测机器人停留在河床底部，而且可以通过进水和排水稳定检测机器人，防止检测机器人在进行检测的过程中发生晃动，导向尾翼可以使检测机器人能在水下自如地转弯，防止检测机器人撞击河床底部的基石或洞壁。

进一步，主推进器包括电机和推进叶片，推进叶片转动连接在电机上，电机可以单独控制推进叶片，在检测机器人剩下的电量不多时，可以加速检测机器人离开水底，在恶劣的环境下可以加速检测机器人离开检测区域，提高了安全性。

进一步，升降推进器连接在第一悬臂上，第一悬臂通过支撑杆连接机体，支撑杆的端部设置有转动轴，转动轴转动连接第一悬臂，转动轴上设置有限位块，可以使升降推进器转动，实现检测机器人横向移动，便于对洞壁进行检测工作。

进一步，机体的顶面上设置有探照灯，探照灯位于靠近前端盖的一侧，探照灯可以有效地对检测位置进行照明，使红外摄像头拍摄的图像更清晰。

进一步，伸缩扣板包括定位板、第一框架和第二框架，定位板固定连接在第一框架的一侧，第二框架位于第二框架的底部，第二框架的顶面上设置有限位槽，第一框架的底部设置有限位条，限位条与限位槽相匹配，伸缩连接的第一框架和第二框架可以减小空间的占用，不影响升降推进器的转动。

进一步，第一框架和第二框架上均设置有太阳能板，当主蓄电池的电量耗尽时，通过太阳能板可以对主蓄电池进行充电，方便检测机器人进行连续工作。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

1、由于识别的原始隧洞洞壁图像中包含大量噪声和虚假信息，并且图像存在强烈的灰度不均，同时由于光照条件不同，使得图像上的边界宽窄不同，因此本发明通过动态窗口便能够将隧洞洞壁上的裂缝边界区域与其他干扰区别开来，提高了检测的准确性和实时性；

2、通过格子片状区域检测的方法，大大提高了输水隧洞洞壁的检测效率，同时提高了检测的精度，防止由于裂缝过小而发生遗漏，进而影响最终的检测效果；

3、检测机器人可以根据检测方案的实际需要进行不同方向的移动检测，既可以实现快速移动，在发生意外情况下快速撤离检测区域，又可以在检测的过程中缓慢前进和倒退，提高检测的精度，同时辅助电池延长了检测机器人的续航能力，提高了安全性；

4、太阳能板可以有效地使检测机器人自行进行能量供给，提高了连续检测工作的能力。

本发明检测方法简单，不仅有效提高了输水隧洞的检测效果和检测质量，提高了系统的准确性和实时性，而且有效延长了检测机器人的续航和检测能力，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法及其检测机器人中数据传递的结构图；

图2为本发明中解释层的系统框图；

图3为本发明中环境理解层的系统框图；

图4为本发明中检测机器人的结构示意图；

图5为本发明中机体的结构示意图；

图6为本发明中柱形支架的结构示意图；

图7为本发明中伸缩扣板的结构示意图。

图中：1-机体；2-前端盖；3-后端盖；4-柱形支架；5-玻璃罩；6-红外摄像头；7-探照灯；8-导向尾翼；9-第一悬臂；10-第二悬臂；11-升降推进器；12-水平推进器；13-伸缩扣板；14-吊装架；15-固定片；16-水平水翼；17-主蓄电池；18-控制面板；19-电机；20-推进叶片；21-支撑杆；22-转动轴；23-限位块；24-第一缓冲层；25-第二缓冲层；26-第一进排水腔；27-第二进排水腔；28-水平感应器；29-进排水孔；30-辅助电池；31-深度感应器；32-定位板；33-第一框架；34-第二框架；35-太阳能板；36-限位槽。

具体实施方式

如图1至图3所示为本发明基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法，包括如下步骤：

(1)输水隧洞水下初始检测

1)将检测机器人放入输水隧洞中，使检测机器人快速下潜至目标深度，在接近目标深度30cm处进行减速，然后对输水隧洞进行初始识别，得到隧洞洞壁的特征曲线，当连续的图像识别的洞壁壁面中心线之间偏差小于5mm，则确定检测机器人已经检测到裂缝位置，并将检测机器人稳定的停留在检测的起始位置，防止发生错位而影响最终的图像合成；

2)然后利用序列洞壁图像间的特征变化特点建立动态窗口限制检测区域，限制检测区域的大小以裂缝最长距离为长边，裂缝上下高度差为短边的矩形状区域，在进行检测的过程中，控制检测机器人的速度为0.5m/min；

3)接着将检测机器人垂直隧洞洞壁停置，保持检测机器人与隧洞洞壁之间的距离，该距离的长度以显示屏幕上的画面看清楚为止，通过水面控制台检测洞壁的裂缝，然后控制检测机器人沿着裂缝横向移动，并随时调节动态窗口的跨度，使图像保持清晰；

(2)输水隧洞水下跟踪检测；

1)根据限制检测区域的位置，在限制检测区域的上下两侧分别建立相应面积大小的检测区域，使隧洞洞壁形成格子片状的检测区域，不仅可以防止细小裂缝的疏漏，保持最终图像的完整性，而且可以有效提高检测效率，通过检测机器人的数据采集层、图像处理层、解释层和环境理解层将信号传递至水面控制台，数据采集层可以通过图像采集卡为系统提供图像数据，图像处理层可以进行图像预处理和图像分割，提高了系统处理的速度和实时性，解释层可以对洞壁裂缝进行识别，在图像进行分割后，利用轮廓提取对图像进行拟合，得到相关的信息数据，环境理解层可以对行驶环境做出及时可靠的参数分析和判断；

解释层包括轮廓提取、数字形态处理、图像拟合和数据关联更新，轮廓提取的输入端口连接分割图像，轮廓输出端口连接数字形态处理，数字形态处理的输入端口连接有图像膨胀和图像腐蚀，数字形态处理输出端口连接图像拟合，图像拟合的输出端口连接数据关联更新，数据关联更新的输出端连接信息输出。

环境解释层包括摄像头视觉系统模型，摄像头视觉系统模型的输入端口依次连接有AUV姿态信息、图像信息、摄像头标定和摄像头安装位置，摄像头视觉系统模型的输出端口连接信息输出。

2)将检测机器人移动至第一块限制检测区域，根据(1)输水隧洞水下初始检测的过程进行检测，当第一块限制检测区域检测完毕后，将检测机器人移动至下一块检测区域，按上述操作步骤直至最后一块限制检测区域检测完毕；

3)最后将上述得到的每张限制检测区域的图像进行拼接，即可得到输水隧洞洞壁的整体裂缝分布图。

由于识别的原始隧洞洞壁图像中包含大量噪声和虚假信息，并且图像存在强烈的灰度不均，同时由于光照条件不同，使得图像上的边界宽窄不同，因此通过动态窗口便能够将隧洞洞壁上的裂缝边界区域与其他干扰区别开来，提高了检测的准确性和实时性。

用于上述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法的检测机器人(如图4至图7所示)，检测机器人包括机体1、红外摄像头6、升降推进器11、水平推进器12、主推进器和导向尾翼8，机体1的前后两端分别设置有前端盖2和后端盖3，前端盖2上设置有玻璃罩5，玻璃罩5内设置有红外摄像头6，玻璃罩5可以有效起到保护红外摄像头6的作用，防止红外摄像头6损坏而影响正常的检测，后端盖3内设置有主推进器，主推进器包括电机19和推进叶片20，推进叶片20转动连接在电机19上，电机19可以单独控制推进叶片20，主推进器可以加速检测机器人前进或后退，缩短检测时间，在检测机器人剩下的电量不多时，可以加速检测机器人离开水底，在恶劣的环境下可以加速检测机器人离开检测区域。

机体1的左右两侧均设置有升降推进器11，升降推进器11连接在第一悬臂9上，第一悬臂9通过支撑杆21连接机体1，支撑杆21的端部设置有转动轴22，转动轴22转动连接第一悬臂9，转动轴22上设置有限位块23，可以使升降推进器11转动，实现检测机器人横向移动，便于对洞壁进行检测工作，升降推进器11的侧边上设置有水平推进器12，水平推进器12通过第二悬臂10连接升降推进器11，水平推进器12与升降推进器11相互垂直，水平推进器12和升降推进器11可以实现在检测洞壁的过程中，使检测机器人保持较慢的速度前进和升降，降低红外摄像头6的抖动，提高了画面拍摄的清晰度，同时升降推进器11可以转动，满足检测机器人的横向移动，提高了检测的灵活性。

机体1的顶面上设置有吊装架14，吊装架14通过固定片15固定连接在机体1上，吊装架14可以满足检测机器人在水下航行器的带动下前进，适合深水域和远距离的水下检测，机体1的顶面上设置有探照灯7，探照灯7位于靠近前端盖2的一侧，探照灯7可以有效地对检测位置进行照明，使红外摄像头6拍摄的图像更清晰，导向尾翼8位于靠近后端盖3的一侧，导向尾翼8可以使检测机器人能在水下自如地转弯，防止检测机器人撞击河床底部的基石或洞壁，机体1内设置有主蓄电池17和控制面板18，机体1的侧面上设置有伸缩扣板13和水平水翼16，伸缩扣板13包括定位板32、第一框架33和第二框架34，定位板32固定连接在第一框架33的一侧，第二框架34位于第二框架34的底部，第二框架34的顶面上设置有限位槽36，第一框架33的底部设置有限位条(图中未标出)，限位条与限位槽36相匹配，伸缩连接的第一框架33和第二框架34可以减小空间的占用，不影响升降推进器11的转动，第一框架33和第二框架34上均设置有太阳能板35，当主蓄电池17的电量耗尽时，通过太阳能板35可以对主蓄电池17进行充电，方便检测机器人进行连续工作。

机体1的底部两侧均设置有柱形支架4，柱形支架4的前后两端分别设置有第一缓冲层24和第二缓冲层25，第一缓冲层24内设置有水平感应器28，柱形支架4内设置有辅助电池30，辅助电池30与第一缓冲层24之间设置有第一进排水腔26，辅助电池30与第二缓冲层25之间设置有第二进排水腔27，第一进排水腔26和第二进排水腔27的侧面上均设置有进排水孔29，辅助电池30的两侧设置有深度感应器31，柱形支架4不仅可以方便检测机器人停留在河床底部，而且可以通过进水和排水稳定检测机器人，防止检测机器人在进行检测的过程中发生晃动。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)输水隧洞水下初始检测

1)将检测机器人放入输水隧洞中，使检测机器人下潜至目标深度，然后对输水隧洞进行初始识别，得到隧洞洞壁的特征曲线，当连续的图像识别的洞壁壁面中心线之间偏差小于5mm，则确定检测机器人已经检测到裂缝位置；

2)然后利用序列洞壁图像间的特征变化特点建立动态窗口限制检测区域，所述限制检测区域的大小以裂缝最长距离为长边，裂缝上下高度差为短边的矩形状区域；

3)接着将检测机器人垂直隧洞洞壁停置，保持检测机器人与隧洞洞壁之间的距离，通过水面控制台检测洞壁的裂缝，然后控制检测机器人沿着裂缝横向移动，并随时调节动态窗口的跨度；

(2)输水隧洞水下跟踪检测；

1)根据所述限制检测区域的位置，在所述限制检测区域的上下两侧分别建立相应面积大小的检测区域，使隧洞洞壁形成格子片状的检测区域，通过检测机器人的数据采集层、图像处理层、解释层和环境理解层将信号传递至水面控制台；

2)将检测机器人移动至第一块限制检测区域，根据(1)输水隧洞水下初始检测的过程进行检测，当第一块限制检测区域检测完毕后，将检测机器人移动至下一块检测区域，按上述操作步骤直至最后一块限制检测区域检测完毕；

3)最后将上述得到的每张限制检测区域的图像进行拼接，即可得到输水隧洞洞壁的整体裂缝分布图。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法，其特征在于：所述解释层包括轮廓提取、数字形态处理、图像拟合和数据关联更新，所述轮廓提取的输入端口连接分割图像，所述轮廓输出端口连接所述数字形态处理，所述数字形态处理的输入端口连接有图像膨胀和图像腐蚀，所述数字形态处理输出端口连接所述图像拟合，所述图像拟合的输出端口连接所述数据关联更新，所述数据关联更新的输出端连接信息输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法，其特征在于：所述环境解释层包括摄像头视觉系统模型，所述摄像头视觉系统模型的输入端口依次连接有AUV姿态信息、图像信息、摄像头标定和摄像头安装位置，所述摄像头视觉系统模型的输出端口连接信息输出。

4.用于如根据权利要求1所述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法的检测机器人，其特征在于：所述检测机器人包括机体、红外摄像头、升降推进器、水平推进器、主推进器和导向尾翼，所述机体的前后两端分别设置有前端盖和后端盖，所述前端盖上设置有玻璃罩，所述玻璃罩内设置有所述红外摄像头，所述后端盖内设置有所述主推进器，所述机体的左右两侧均设置有升降推进器，所述升降推进器的侧边上设置有水平推进器，所述水平推进器通过第二悬臂连接所述升降推进器，所述水平推进器与所述升降推进器相互垂直，所述机体的顶面上设置有吊装架，所述吊装架通过固定片固定连接在所述机体上，所述导向尾翼位于靠近所述后端盖的一侧，所述机体内设置有主蓄电池和控制面板，所述机体的侧面上设置有伸缩扣板和水平水翼，所述机体的底部两侧均设置有柱形支架，所述柱形支架的前后两端分别设置有第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层内设置有水平感应器，所述柱形支架内设置有辅助电池，所述辅助电池与所述第一缓冲层之间设置有第一进排水腔，所述辅助电池与所述第二缓冲层之间设置有第二进排水腔，所述第一进排水腔和所述第二进排水腔的侧面上均设置有进排水孔，所述辅助电池的两侧设置有深度感应器。

5.根据权利要求4所述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法的检测机器人，其特征在于：所述主推进器包括电机和推进叶片，所述推进叶片转动连接在所述电机上。

6.根据权利要求4所述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法的检测机器人，其特征在于：所述升降推进器连接在第一悬臂上，所述第一悬臂通过支撑杆连接所述机体，所述支撑杆的端部设置有转动轴，所述转动轴转动连接所述第一悬臂，所述转动轴上设置有限位块。

7.根据权利要求4所述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法的检测机器人，其特征在于：所述机体的顶面上设置有探照灯，所述探照灯位于靠近所述前端盖的一侧。

8.根据权利要求4所述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法的检测机器人，其特征在于：所述伸缩扣板包括定位板、第一框架和第二框架，所述定位板固定连接在所述第一框架的一侧，所述第二框架位于所述第二框架的底部，所述第二框架的顶面上设置有限位槽，所述第一框架的底部设置有限位条，所述限位条与所述限位槽相匹配。

9.根据权利要求8所述的一种基于动态窗口的输水隧洞水下检测方法的检测机器人，其特征在于：所述第一框架和所述第二框架上均设置有太阳能板。