CN106895231A - 一种钢筋质量检测视频数据采集装置及采集方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢筋质量检测视频数据采集装置及采集方法，采集装置包括导轨以及与导轨两端连接用于对其进行支撑的三角支架，导轨上通过步进电机连接滑块，并且步进电机经过步进电机驱动器与步进电机控制器连接，滑块上通过云台安装有用于采集电力管廊施工现场视频的摄像机；步进电机驱动器与步进电机控制器连接电源模块。采集方法包括首先完成采集装置的组装，调整到位后通过步进电机控制器设定脉冲数以及步进电机的转动方向，步进电机驱动器接收到信号之后对应控制步进电机带动滑块匀速平稳的进行移动，事先设定好云台的拍摄角度以及摄像机拍摄焦距，当滑块触碰到导轨两端行程开关后结束拍摄，操作简单、方便，能够实现钢筋施工质量的自动化检测。
Description
技术领域
本发明属于建筑施工领域，具体涉及一种钢筋质量检测视频数据采集装置及采集方法。
背景技术
随着现代社会的发展，城市化建设过程中对钢筋混凝土的需求与日俱增，但在城市建设过程中，经常出现所筑工程钢筋施工的工艺粗糙、瘦身钢筋等问题，以致建筑工程的质量严重不合格，归结起来主要有三方面的原因：第一，相关建筑单位受到巨额利益的诱惑；第二，施工管理的松懈；第三，施工工人与民众安全意识淡薄。传统的钢筋质量检测方法主要采用游标卡尺或者其他快速检查尺等工具进行检测，由人眼进行判断，具体操作时的工作量大、效率低、检测精度极差，且只能进行抽样小批量检测，检测结果不尽人意。目前建筑施工行业中，几乎没有比较高效的针对钢筋质量检测的方法。但是随着计算机视觉以及机器学习的迅速发展，开始出现基于图像处理的钢筋质量检测技术，具备实时性和大批量检测的优点，然而相关研究少之又少。为了实现大批量的钢筋质量检测，需要对现场钢筋绑扎情况进行视频数据采集，针对建筑环境复杂多变，作业环境恶劣，无线信号干扰较大的特点，本发明成功研发了一套视频数据采集设备，采集到钢筋绑扎现场摄像头匀速稳定拍摄的超高清视频，进一步运用计算机图像处理技术和模式识别分类技术，实现对检测建筑中所使用的几种钢筋质量安全规范的大批量检测与判定，更进一步促进建筑安全达到前所未有的新高度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种钢筋质量检测视频数据采集装置及采集方法，其图像采集清晰，具有较高的调节精度，实施过程切实有效。
为了实现上述目的，本发明钢筋质量检测视频数据采集装置包括导轨以及与导轨两端连接用于对其进行支撑的三角支架，导轨上通过步进电机连接滑块，并且步进电机经过步进电机驱动器与步进电机控制器连接，滑块上通过云台安装有用于采集电力管廊施工现场视频的摄像机；步进电机驱动器与步进电机控制器连接电源模块。
所述三角支架上安装有能够控制其升降的手轮，三角支架高度的调节范围为1.3m～2.1m。
所述的三角支架以及导轨上分别安装有水平测量装置。
所述的电源模块能够将220V交流电转换为24V的直流电，输出电压精度为±1％，输出电流为3.2A。
所述的电源模块通过脉冲宽度进行调制，具有短路保护、过载保护及过电压保护的电路；电源模块的输出电压等于负载电压，输出功率大于负载功率，输出电流大于负载的启动电流。
步进电机控制器产生步进电机驱动器能够识别的脉冲信号、方向信号以及使能信号，步进电机控制器根据滑块的期望速度值通过脉冲对速度进行控制，滑块的期望速度值为10cm/s。
所述的步进电机驱动器采用直流供电的两相混合式驱动器，下限值为DC20V，上限值为DC40V，典型值为DC24V；步进电机驱动器采用DSP交流伺服驱动器进行细分控制，输入/输出采用光电隔离信号，8档输出相电流设置，能够实现15档细分以及自动半流，具有电压、欠压、过流以及相间短路保护电路，输入接口步进脉冲信号下降沿有效，每当脉冲由高变低时步进电机行走一步，步进电机驱动器连接多个驱动器拨码开关，不同的驱动器拨码开关组合，实现不同的转速控制。
所述的步进电机采用滑动轴承带轮，通过同步带轮带动同步带进行转动，带轮为3M-50齿，精度等级为H7，内孔直径为6mm，带宽为15mm，电机工作电压为12V，输出功率能够达到40W，扭矩为0.35Nm。
导轨为采用圆柱形实心铬镍合金钢材制成的双管导轨，圆柱度公差为0.1mm，表面粗糙度为R1.6；滑块采用铝合金制成，且内部具有多排直线滚珠；所述的摄像机通过手机无线通信调节或手动调节，摄像头的清晰度为720P，焦距为3.6mm，感光面积为1/4英寸，镜头大小为3.6mm；所述的云台支持WIFI802.11b/g/n和有线网口控制，拍摄视频能够本地存储活着上传到云端，水平旋转最大角度为355°，垂直旋转最大角度为90°，能够实现360°全景查看。
本发明钢筋质量检测视频数据采集方法，包括以下步骤：
1)分别通过三角支架对导轨的两端支撑，导轨上通过步进电机连接滑块，步进电机经过步进电机驱动器与步进电机控制器连接，步进电机驱动器与步进电机控制器连接电源模块，滑块上通过云台安装摄像机，三角支架上安装能够控制其升降的手轮，三角支架及导轨上安装有水平测量装置，通过调整手轮，使导轨两端的三角支架高度相等，并使导轨处于水平；
2)接通电源，步进电机控制器根据滑块的期望速度值选择对应的脉冲数，以此对摄像机的移动速度进行设定，同时设定步进电机的转动方向；
3)步进电机驱动器接收步进电机控制器的脉冲信号，输出控制信号到步进电机；
4)设置云台的拍摄角度以及摄像机拍摄焦距，步进电机通过滑块带动安装有摄像机的云台匀速平稳采集数据，滑块触碰到导轨两端行程开关后结束拍摄。
与现有技术相比，本发明钢筋质量检测视频数据采集装置能够应用于采集建筑施工现场的钢筋网绑扎情况视频，为后期钢筋的质量检测做好准备，各个部件通过组装而成，方便拆卸及搬运，针对解决电力管廊由于窄而深，不易实现对钢筋绑扎情况进行视频数据采集，阻碍进一步通过分析视频数据，检测钢筋质量是否符合安全规范的实际问题。本发明采集装置便于移动，拍摄移动速度可调范围大，也适用于其他视频采集任务。本发明配合设计手机APP端能够实现四个方向拖拽视频窗口，调整画面视角，双指缩放画面，操作简单方便。本发明能够实现钢筋网视频的自动化采集，推动现代建筑业的智能化发展，具有极大的应用前景。
与现有技术相比，本发明钢筋质量检测视频数据采集方法首先完成采集装置的组装，调整到位之后，通过步进电机控制器设定脉冲数以及步进电机的转动方向，步进电机驱动器接收到信号之后对应控制步进电机带动滑块匀速平稳的进行移动，事先设定好云台的拍摄角度以及摄像机拍摄焦距，当滑块触碰到导轨两端行程开关后结束拍摄，整体操作简单、方便，所采集得到的图像清晰，具有较高的调节精度，能够实现钢筋施工质量的自动化检测。
附图说明
图1本发明钢筋质量检测视频数据采集系统示意图；
图2本发明视频数据采集装置整体结构示意图；
图3本发明视频数据采集方法流程图；
图4(a)本发明三角支架收起状态示意图；
图4(b)本发明三角支架打开状态示意图；
图5本发明三角支架与导轨衔接部件示意图；
图6本发明导轨与滑块配合结构示意图；
图7本发明控制电路的接线图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，2，4(a)，4(b)，5-7，本发明视频数据采集装置主要包括以下几部分：
两个三角支架1、一副导轨2、一台步进电机、一台步进电机控制器、一台步进电机驱动器、一台直流电源、一个滑块3以及一个云台4，云台4上安装有摄像机。
三角支架1共两个，导轨2两端各一个，黑色，材料为铁与铝合金。附带可升降手轮，摇动手轮可调节支架高度，可调范围为：1.3m到2.1m，最大承重80kg，自身重量8kg。高度调节分两部分：支脚和手摇式升降杆。采用锯齿设计，精密卡位，升降稳定可靠。配套激光水平尺，激光波长为650nm-680nm，电源采用AG13电池，净重172g，精度为0.01，产品尺寸为：H63mm，W35mm，L188mm，上有磁铁，能够方便测量任意位置。可通过手轮调节导轨2两端的高度，将磁性水平仪分别吸附在两端支座上，当高精度水平泡在圆圈内时，说明两端三角支架1处于水平状态，进一步将水平仪吸附在导轨2上，若气泡在圆圈内则导轨2处于水平状态。采用可伸缩三脚支架1的优点是三角支架支撑稳定，不易折断弯曲，可拉伸支脚至不同长度，实现在凹凸不平的地面保证导轨2平行于被检测面，可伸缩设计携带方便。
电源模块为步进电机控制器和步进电机驱动器供电，该模块能将220V交流电转换为24V直流电，输出电压精度±1％，输出电流为3.2A，接线方式采用7P/9.5mm端子排，调制方式为脉冲宽度调制，采用全桥式连接方式，有短路保护、过载保护、过电压保护，长、宽、高分别为159×97×38mm，采用金属外壳，自然通风冷却，重约0.55公斤。选型时需要注意电源输出电压必须等于负载电压，否则电压不符可能烧毁设备或者无法启动；电源输出功率必须大于负载功率，否则在输出电流大于过载保护电流时导致过载保护；电源输出电流必须大于负载启动电流(对于电机等感性负载)，否则可能引发启动时过载保护，无法开机。
步进电机控制器产生驱动器能识别的脉冲信号、方向信号、使能信号。可根据期望的滑块速度值(一般为10cm/s)，查表到对应的脉冲数控制速度，设置电机转动方向，亦即滑块运动方向，也就是云台的前进方向。该控制器采用进口原装高速智能芯片作为硬件平台，软件上采用独特的抗干扰技术使得控制器的稳定性、可靠性和抗干扰性都非常的好，适用于各种环境恶劣的工程现场，采用DC6-32V直流供电，有反接保护、过压保护、过流保护。采用最优化的S型加速，0-20档可设置。4位数码管显示当前的运行状态，最大输出频率45000HZ，最小输出频率200HZ。外形尺寸为804224(毫米)标准面框尺寸，开孔尺寸为7740(毫米)。采用可插拔插座，接口可直接连接驱动器。转速、转向、加速、减速、停止等信号设置好后，经内部单片机处理，发送出脉冲信号到步进电机驱动器电路板进一步分析处理。该控制器具有简单易用，控制精度高，性能稳定，经济实惠的特点。控制器能够控制电机朝某个方向不停的正转或反转，加电后按中间的键，电机正转，按最右边键电机反转(需要先停止)，按最左边的键电机停止。转动过程中按中间的键电机降速度,按最右边的键电机升速度。
步进电机驱动器用于分析处理步进电机控制器发送过来的转速和转向脉冲信号，进一步驱动步进电机转动。该驱动器为两相混合式步进电机驱动器，采用直流供电，下限值为DC20V，上限值为DC40V，典型值为DC24V，采用DSP交流伺服驱动器进行细分控制，电机转矩波动校，运行平稳，几乎没有振动和噪音。输入/输出采用光电隔离信号，8档输出相电流设置，15档细分和自动半流功能，有过电压、欠压、过流、相间短路保护功能。输入接口步进脉冲信号下降沿有效，每当脉冲由高变低时电机走一步，方向信号低电平信号有效，用于改变电机转向。配合驱动器拨码开关SW5/SW6/SW7/SW8，不同的拨码开关组合，控制不同的转速。
电机采用步进电机，通过同步带轮带动同步带转动，其中带轮采用滑动轴承，能够减少体积和重量，选择一款合适的电机包括功率计算、电机选型、振动分析。
功率计算方式如下：
考虑装配、防尘等影响，假设导轨与滑块间的摩擦系数在0.02-0.05左右，设滑块与云台的总重量为2kg，并取安全系数为α＝5，则摩擦力计算如下：
F＝f×N×α＝0.05×2×10×5＝5(牛)
取带轮直径D＝50mm，电机输出的转矩值为：
T＝F×R＝5×0.025＝0.125N·M
取带轮线速度最大值为0.5m/s，则电机功率值：
P＝T×v＝0.125×0.5＝0.0625W。
电机选型如下：由于本发明的视频采集设备需达到精微采集的标准，因此既要求功率校核符合要求，还应保证电机振动量小，速度波动小。本发明选用的步进电机，工作电压12V，输出功率能够达40W，扭矩为0.35Nm，身长38mm，单出轴，轴径5mm，重量仅0.28kg。通过参数对比，该电机符合使用要求。
电机振动分析如下：电机出现振动的原因有启动增益过大、负载过重等。参考所选步进电机，电机功率小，转速低，负载不大，排除其他错误因素，电机振动可以忽略不计。为防止产生弹性滑动，采用同步带实现动力传动。为保证传动过程中速度平稳无波动，故尽可能选取齿间距小的带和带轮。同时为防止在拉力作用下产生变形而影响速度稳定性，同步带的宽度以尽可能大。结合以上情况，带轮选3M-50齿，精度H7，内孔直径6mm，带宽15mm。
导轨2采用圆柱形实心钢材导轨，长度2000mm，直径25mm，单根重量约8kg，圆柱度公差0.1mm，表面粗糙度要求为R1.6。材料为铬镍合金，加工完成后，一方面对表面实施特殊热处理，保证其刚度、强度，另一方面对表面进行度化处理，保证导轨表面光滑。
导轨2与两端支座采用挤压式固定联接方案，与滑块3采用高精度配合。圆形导轨相比于方形导轨，具有质量轻、刚性大的特点。除两端支撑座，中间不需要其它平面支撑，机械结构简单。采用无缝螺纹连接技术，能够拓展导轨2的长度。如图5所示，两端支座采用的材质为铝合金，采用开口螺栓紧固方式，保证安装拆卸方便。
滑块采用滚珠直线式导轨，内部有多排直线滚珠，减小摩擦力。长度为130mm，宽度为78mm，重量为1.25kg，主要材质为铝合金。与超高清云台连接为一体，云台自携超高清摄像头，摄像头角度可调节。摄像头控制方式有两种，手机无线通信调节和手动调节。清晰度为720P，焦距为3.6mm，感光面积1/4英寸，镜头大小为3.6mm。云台支持WIFI802.11b/g/n和有线网口控制，拍摄视频可本地存储，也可上传到云端，水平旋转355，垂直旋转90，可实现360全景查看，整机重量250g。在手机APP端可实现4个方向拖拽视频窗口，调整画面视角，双指缩放画面，操作简单方面。为适应现场工况，也可以手动调节摄像头角度，方便拍摄。云台跟随滑块在双管导轨上同步前后、匀速运动，其中导轨与滑块采用高配合精度。
本发明装置提供一种视频数据采集方法，如图3所示，具体包括以下步骤：
1)组装装置，调节三脚支架1使双管导轨水平；
依据视频采集设备使用说明书要求，组装装置。机械组装部分主要分为三部分：第一，支座与支架连接；第二，将导轨与支座内的固定孔连接；第三，皮带的连接。
支座与支架连接如下：a.根据工地现场视频采集要求，摇动手轮，调整支架高度，使两支架上端等高；b.拧紧支架上下的夹紧螺栓；c.将支座套在支架顶端，并拧紧夹紧螺栓；d.将水平仪置于支座平面处，检测是否水平，若未达到水平，进行调整。
导轨与支座内安装孔连接如下(需要2-3人配合)：首先将一个导轨先穿过其中一个支座的固定孔；然后将另一个根导轨穿过同一个支座的固定孔；其次保持两根导轨水平且平行，将滑块安装在导轨上；最后将导轨的另一端与支座的另外两个安装孔进行安装。皮带的连接只需将皮带开口处重叠塞入压紧槽内，进行手动拉紧，拧紧夹紧螺栓即可。
2)接通电源，使用步进电机控制器设置拍摄速度；
打开交流电开关，接通开关电源，给步进电机控制器和步进电机驱动器供电，选择合适的拍摄速度(一般为10cm/s)对应的脉冲数，选择电机转动方向，正转或者反转。
速度与控制器脉冲数可由表中查出，具体换算公式如下，根据速度要求范围，选择1000脉冲/转档位，即拨码开关SW5、SW6、SW7、SW8开闭状态为：
| 脉冲数/转 | SW5 | SW6 | SW7 | SW8 |
| 1000 | 1 | 1 | 1 | 0 |
当拨码开关调至1000脉冲/转时：速度(v)与脉冲频率(f)关系为：
v＝f/1000×15mm＝3f/200mm/s
3)驱动器分析处理速度脉冲信号，控制步进电机转动；
步进电机控制器根据设定的速度要求，发出对应个数的脉冲信号，传送到步进电机驱动器驱动电路板，驱动器分析控制器指令，输出控制信号到步进电机。
4)步进电机驱动滑块与云台同步匀速平稳采集数据；
步进电机接收控制信号后，通过同步带轮带动同步带转动，将动力传送到导轨的滑块上，滑块与高精度云台一体连接，随着滑块的运动开始匀速运动。事先设置云台摄像头拍摄角度和焦距，根据需要可垂直地面拍摄侧面钢筋和水平拍摄底面钢筋。采集完成后，滑块自动碰到两端的行程开关，结束此段拍摄。如遇突发事件，可在任意位置立即停止拍摄。
本发明钢筋质量检测视频数据采集装置误差分析如下：
本发明视频采集装置需实现工程概况的精微采集，误差要求不超过1mm。根据装配尺寸误差分析原理，当导轨为最小值而滑块装配孔为最大值时，滑块与导轨间的最大间隙量为2倍公差。考虑到双向误差，则整体间隙应为4倍公差。为减轻振动及导轨刚度变形的影响，此处的最大误差设为0.5mm，因此导轨及滑块孔的公差值应为0.125。此外，两端支座固定孔也会带来一定的误差，虽然它不影响摄像过程中横向振动，但会影响导轨与滑块间的运动。
振动问题也是影响采集视频质量的关键因素，本发明中振动的主要来源有三个：一个是零件的加工、装配误差；二是电机的振动；三是导轨受载变形。第一项可以通过控制加工精度，误差分配等方法得到控制；电机的功率小，转速低，负载不大，所以电机振动问题理论上可以排除。又由于导轨跨度大，中间不可以加支撑，挠度变形是不可避免的，为符合设计要求需提高材料性能和提高截面的惯性矩。
Claims (10)
1.一种钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：包括导轨(2)以及与导轨(2)两端连接用于对其进行支撑的三角支架(1)，导轨(2)上通过步进电机连接滑块(3)，并且步进电机经过步进电机驱动器与步进电机控制器连接，滑块(3)上通过云台(4)安装有用于采集电力管廊施工现场视频的摄像机；步进电机驱动器与步进电机控制器连接电源模块。
2.根据权利要求1所述的钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：所述的三角支架(1)上安装有能够控制其升降的手轮，三角支架(1)高度的调节范围为1.3m～2.1m。
3.根据权利要求1所述的钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：所述的三角支架(1)以及导轨(2)上分别安装有水平测量装置。
4.根据权利要求1所述的钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：所述的电源模块能够将220V交流电转换为24V的直流电，输出电压精度为±1％，输出电流为3.2A。
5.根据权利要求1或4所述的钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：所述的电源模块通过脉冲宽度进行调制，具有短路保护、过载保护以及过电压保护的电路；电源模块的输出电压等于负载电压，输出功率大于负载功率，输出电流大于负载的启动电流。
6.根据权利要求1所述的钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：步进电机控制器产生步进电机驱动器能够识别的脉冲信号、方向信号以及使能信号，步进电机控制器根据滑块(3)的期望速度值通过脉冲对速度进行控制，滑块(3)的期望速度值为10cm/s。
7.根据权利要求1所述的钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：步进电机驱动器采用直流供电的两相混合式驱动器，下限值为DC20V，上限值为DC40V，典型值为DC24V；步进电机驱动器采用DSP交流伺服驱动器进行细分控制，输入/输出采用光电隔离信号，8档输出相电流设置，能够实现15档细分以及自动半流，具有电压、欠压、过流以及相间短路保护电路，输入接口步进脉冲信号下降沿有效，每当脉冲由高变低时步进电机行走一步，步进电机驱动器连接多个驱动器拨码开关，不同的驱动器拨码开关组合，实现不同的转速控制。
8.根据权利要求1所述的钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：步进电机采用滑动轴承带轮，通过同步带轮带动同步带转动，带轮为3M-50齿，精度等级为H7，内孔直径为6mm，带宽为15mm，电机工作电压为12V，输出功率能够达到40W，扭矩为0.35Nm。
9.根据权利要求1所述的钢筋质量检测视频数据采集装置，其特征在于：导轨(2)为采用圆柱形实心铬镍合金钢材制成的双管导轨，圆柱度公差为0.1mm，表面粗糙度为R1.6；滑块(3)采用铝合金制成，且内部具有多排直线滚珠；所述的摄像机通过手机无线通信调节或手动调节，摄像头的清晰度为720P，焦距为3.6mm，感光面积为1/4英寸，镜头大小为3.6mm；所述的云台(4)支持WIFI802.11b/g/n和有线网口控制，拍摄视频能够本地存储活着上传到云端，水平旋转最大角度为355°，垂直旋转最大角度为90°，能够实现360°全景查看。
10.一种钢筋质量检测视频数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别通过三角支架(1)对导轨(2)的两端进行支撑，导轨(2)上通过步进电机连接滑块(3)，步进电机经过步进电机驱动器与步进电机控制器连接，步进电机驱动器与步进电机控制器连接电源模块，滑块(3)上通过云台(4)安装摄像机，三角支架(1)上安装能够控制其升降的手轮，三角支架(1)以及导轨(2)上分别安装有水平测量装置，通过调整手轮，使导轨(2)两端的三角支架(1)高度相等，并使导轨(2)处于水平；
2)接通电源，步进电机控制器根据滑块(3)的期望速度值选择对应的脉冲数，以此对摄像机的移动速度进行设定，同时设定步进电机的转动方向；
3)步进电机驱动器接收步进电机控制器的脉冲信号，输出控制信号到步进电机；
4)设置云台(4)的拍摄角度以及摄像机拍摄焦距，步进电机通过滑块(3)带动安装有摄像机的云台(4)匀速平稳采集数据，滑块(3)触碰到导轨(2)两端行程开关后结束拍摄。
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