CN109443446A - 一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，包括数据采集模块、控制模块、通信模块以及远程操作平台。数据采集模块用于获取桥梁目标位置图像、环境信息等数据；控制模块用于控制数据采集模块执行收到的操作指令进行数据采集；通信模块用于水下机器人和远程操作平台间的数据传输；远程操作平台用于实现用户和水下机器人的交互。通过远程操作平台，用户可以进行水下机器人的控制、数据的处理、桥梁安全指标的管理以及桥梁健康状况的判断。本发明结构简单，各部分功能明确，系统能够高效工作，并直观地给出桥梁当前健康状况，有效地将水下机器人应用于桥梁水下结构检测中。

Description

一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统

技术领域

本发明涉及一种水下检测系统，具体涉及一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统。

背景技术

人类对于水下的探索从未停止，随着科技的发展，人们对水下的认知逐步拓宽，水下机器人也应运而生。水下机器人经过数十年的研究，主要向ROV和AUV两个方向发展，AUV虽然不需要人工控制能够全自动完成任务，但在关键技术方面仍有瓶颈，因此技术相对成熟的ROV被广泛应用于各个行业。水下机器人能够使用在安全搜救、水下检查、科研教学、水下娱乐、海底考古、渔业养殖之中，大大节省了人力，为人类开展水下活动提供了技术保证。

随着我国交通事业的快速发展，桥梁的数目不断增多，桥梁的健康状况也因此成为了一个重要的问题，它不仅关系着我国的交通状况、经济状况，还关系着人民的安全，定期进行桥梁检测就很有必要。桥梁检测主要分为水上和水下两大部分，而桥梁的水下部分检测仍对人工有较大的依赖，人工检测有着作业环境恶劣、安全难以保障、不能长时间作业等缺点，将水下机器人应用于桥梁检测中，不仅能提高安全性，还可以增加检测精度、延长作业时间、降低检测成本，使效率得到显著提高。水下机器人在桥梁检测中的应用也因此得到了人们的关注。

如专利号CN108593005A公开的一种基于水下机器人的海洋环境监测系统，结构简单，灵活方便，通过各模块之间的相互配合，能够实现对海洋水质环境的有效监测，保证了及时发现海洋水质污染从而提前处理，但该系统并不适用于桥梁水下结构的检测。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，包括数据采集模块、控制模块、通信模块以及远程操作平台。其中，所述数据采集模块，用于获取桥梁目标位置图像、环境信息等数据。所述控制模块，用于控制数据采集模块执行收到的操作指令进行数据采集。所述通信模块，用于水下机器人和远程操作平台间的数据传输。所述远程操作平台，用于实现用户和水下机器人的交互。

所述数据采集模块，由图像采集装置和传感器两部分组成。

进一步，所述图像采集装置，由水下高清相机和声学成像设备组成，水下高清相机包括1200万像素摄像头，由控制模块直接控制，能够根据离桥梁表面的距离进行调焦，使图像更为清晰。声学成像设备包括测扫声呐装置，由控制模块直接控制，主要用于光线不足时的数据采集，是用回声测探原理进行水下探测的设备，通过回波时间长短、强弱来判断桥梁位置。水下高清相机和声学成像设备收到控制模块传来的操作指令后进行图像采集。

进一步，所述传感器，包括压力传感器、流速传感器、温度传感器和姿态传感器，由控制模块直接控制。压力传感器用于检测水压，从而确定当前深度以及保证水下机器人能在安全的水压下工作。流速传感器用于检测水流速，当水的流速过大水下机器人不能在水中保持平衡时应放弃检测。温度传感器用于检测水温，环境水温不应超出水下机器人任意组成部分所允许的工作范围。姿态传感器用于反映水下机器人位置状态，保证水下机器人在拍摄时能尽量保持水平。传感器默认始终开启，从而达到实时采集的目的，通过通信模块将数据传输到远程操作平台。

所述控制模块，与数据采集模块和通信模块相连，用于将远程操作平台发出的操作指令转换为数据采集模块能够识别的形式，从而控制数据采集模块执行对应操作指令进行数据采集。远程操作平台发出的操作指令均包含特殊的识别码与数据采集模块内各装置一一对应，控制模块通过识别这些识别码，判断出操作指令的下达对象，从而达成对数据采集模块的控制。

所述通信模块，与控制模块、远程操作平台相连，用于传输操作指令。所述通信模块，与数据采集模块相连，用于接收采集数据并传输到远程操作平台。

所述通信模块包括通信装置和存储装置，存储装置包括只读存储器ROM。

进一步，所述通信装置用于实现数据传输功能，水下机器人与远程操作平台间的数据传输都通过通信装置实现，远程操作平台发出操作指令后通过通信装置传输给控制模块，数据采集模块采集所得数据通过通信装置传输给远程操作平台，形式均为有线传输，抗干扰能力强。所述存储装置用于即时保存采集数据，当数据采集模块将采集数据传输至通信模块时，存储装置将会自动保存采集数据，防止因突发状况造成的数据丢失。

所述远程操作平台，由计算机及相关软硬件组成，包括水上控制中心、数据处理中心、数据应用中心和嵌入式数据库。计算机使用高性能处理器进行数据处理，安装有机器人控制软件和数据处理软件，相关硬件包括键盘、鼠标以及打印机。

进一步，所述水上控制中心，以机器人控制软件的形式安装于计算机中，由人工操作发出操作指令控制水下机器人的数据采集活动，能够控制水下机器人完成最基本的运动功能、主要的采集成像功能、辅助的照明清理功能等。

进一步，所述数据处理中心，以数据处理软件的形式安装于计算机中，用于接收水下机器人的采集数据，进行数据处理。首先对采集数据进行编号，主要是以垂直位置和水平位置作为编号原则，根据桥梁水下结构构件的形状和尺寸决定编号的数量，便于采集数据的管理和使用。其次通过对采集数据主要是采集图像进行降噪、加深对比度等方式进行数据处理，提高采集数据的准确性、可应用性，随后将处理数据存储进嵌入式数据库。最后在数据采集任务完成后，对所有编号的数据进行汇总，将需要累计计算的损伤进行叠加，将需要取最大值的损伤进行筛选。

进一步，所述数据应用中心，与数据处理中心同属一个软件，能够直接使用汇总后的处理数据，并调用嵌入式数据库中数据，比对处理数据和安全指标，根据比对结果是否超出限值，判断桥梁的健康状况。

进一步，所述嵌入式数据库，事先录入数据建立在计算机中，用于存储管理处理后的采集数据、桥梁各项参数数据以及行业规范所要求的桥梁各项安全指标。

本发明具有以下优点：

1、本发明结构简单，各部分功能明确，系统能够高效工作。

2、本发明在数据采集模块的选取上，选用了光学和声学成像设备，能有效应用于多种水质环境。

3、本发明在通信模块中加入了存储装置，能够即时保存采集数据，有效避免了由于突发状况造成的数据损失。

4、本发明将采集数据与数据库中数据进行比对，能够直观的给出桥梁当前健康状况。

附图说明

图1为系统组成结构图；

图2为系统数据传输总图；

图3为远程操作平台和通信模块间的数据传输详图。

图中：1数据采集模块、2控制模块、3通信模块、4远程操作平台、5图像采集装置、6传感器、7水下高清相机、8声学成像设备、9压力传感器、10流速传感器、11温度传感器、12姿态传感器、13通信装置、14存储装置、15水上控制中心、16数据处理中心、17数据应用中心、18嵌入式数据库。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，参见图1所示，包括数据采集模块、控制模块、通信模块以及远程操作平台。其中，

数据采集模块，用于获取桥梁目标位置图像、环境信息等数据。

控制模块，与数据采集模块和通信模块相连，用于控制数据采集模块。

通信模块，与控制模块、远程操作平台相连，用于传输操作指令。与数据采集模块相连，用于接收采集数据并传输到远程操作平台。

远程操作平台，用于发出操作指令，控制水下机器人工作，以及完成数据的处理和应用。

需要进行详细说明的是，上述目标位置图像由水下高清相机拍摄获得，在水下高清相机进行拍摄前，如水下机器人具有清理建筑物表面的功能，应先清理再进行拍摄，这样有利于提高成像质量。同样的，为了提高成像质量，拍摄角度不应偏离拍摄表面法线方向过多，拍摄距离不应过远，且在光照不充足情况下，水下机器人必须进行光照的补足。

进一步，除了水下高清相机外，水下机器人还配备了声学成像设备，这是由于在水下能见度低、水质浑浊的情况下，仅靠水下高清相机无法满足成像要求，需要与声学成像设备配合使用，提高图像数据的可靠性、准确性。

此外，上述环境信息由传感器采集获得，传感器默认始终工作的原因是为了能够实时反映水下环境各项数据。容易理解的是，上述环境信息不局限于水压、水温、水流速、位置状态等，传感器种类可根据用户需求进行添加或减少，用户也可关闭指定传感器。

需要进行说明的是，上述控制模块在整个水下机器人检测系统中主要起的作用是控制数据的采集，将接收到的操作指令进行转换，转换为各数据采集装置能够直接执行的指令形式。但可以理解的是，在整个水下机器人中，控制模块还具有控制机器人行进、供电、作业等功能。

进一步，上述通信模块在整个水下机器人中也具备类似功能。上述通信模块中的存储装置，会即时存储数据采集模块所采集的信息，当存储容量达到上限后，存储装置将不再进行数据存储，用户应及时清理无用数据。优选的，在存储容量达到上限后，存储装置可获得权限自行删除较早的数据或者用户可以对存储数据类型进行选择性存储。优选的，存储装置包括外存储器，便于读取更换。

上述远程操作平台，包括水上控制中心、数据处理中心、数据应用中心和嵌入式数据库。接下来对本发明实施例中远程操作平台的这四个模块进行说明。

上述水上控制中心其实质为水下机器人的操作控制软件，该软件在购买或自行制作水下机器人后用于控制水下机器人，主要功能为控制水下机器人的前进后退、上升下降、转向以及拍摄、供电、使用机械手等，根据不同水下机器人功能的差异，水下控制中心的软件界面会有些许差异，但基本功能都应具备。

上述数据处理中心和数据应用中心其实质为数据处理软件。编号方式以圆形桥墩为例，自水面向下每5米分成一段，每段编号依次为A、B、C……，从而确定垂直位置。自水流方向绕桥墩顺时针进行编号，依次为1、2、3……，从而确定水平位置。图像处理方式以裂缝为例，在取得桥梁水下局部位置图像后，对图像进行数据处理，处理过程分两步进行。首先，对图像进行降噪处理，降噪的原理是在噪点周围采样，进行平均和模糊。然后，通过图像灰度判断裂缝大致位置，通过调节对比度，将较长较为主要的裂缝加深，而忽略长度较短的微小的裂缝。随后根据像素点读取裂缝相对长度，根据可用参照物，得出实际长度。

上述嵌入式数据库，需录入所测桥梁相关数值，例如桥墩直径、边长、截面形状，还需录入国家相应行业规范所要求的桥梁各项安全指标，例如允许最大裂缝长度，用于与所测数据比对。

上述数据应用中心，能直接得到数据处理后的结果以及直接调用数据库中数据，将两者进行比对，根据国家相应行业规范所述，定量地给桥梁当前健康状况作出判断。

最后，对本发明实施例提供的水下机器人检测系统的数据传输过程进行说明，参见图2、图3所示：根据任务要求，由操作人员(用户)在远程操作平台通过水上控制中心(软件)发送操作指令，操作指令通过脐带缆，传输给通信模块中的通信装置，通信装置再将操作指令传输给控制模块，控制模块识别操作指令后，将操作指令转换为对应数据采集装置能够直接执行的指令形式，从而控制数据采集模块进行数据采集，数据采集模块将采集所得的信息传输给通信模块，并在存储装置中存储，进而传输给数据处理中心，数据处理中心将采集数据处理之后，将结果按编号存储至嵌入式数据库，在检测完成后对所有编号的数据进行汇总，数据应用中心调用嵌入式数据库中数据与汇总后结果比对，得出结论。

以上对本发明所提供的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统进行了详细介绍，最后应当说明的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而非对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员，在具体实施方式上可以进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：包括数据采集模块(1)、控制模块(2)、通信模块(3)以及远程操作平台(4)；其中，所述数据采集模块(1)用于获取桥梁目标位置图像、环境信息等数据；所述控制模块(2)用于控制数据采集模块(1)执行收到的操作指令进行数据采集；所述通信模块(3)用于水下机器人和远程操作平台(4)间的数据传输；所述远程操作平台(4)用于实现用户和水下机器人的交互。

2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述数据采集模块(1)，由图像采集装置(5)和传感器(6)两部分组成，其中图像采集装置(5)由水下高清相机(7)和声学成像设备(8)组成。

3.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述传感器(6)，包括压力传感器(9)、流速传感器(10)、温度传感器(11)和姿态传感器(12)。

4.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述控制模块(2)，与数据采集模块(1)和通信模块(3)相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述通信模块(3)，与控制模块(2)、远程操作平台(4)相连用于传输操作指令；所述通信模块(3)，与数据采集模块(1)相连用于接收采集数据并传输到远程操作平台(4)。

6.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述通信模块(3)包括通信装置(13)和存储装置(14)。

7.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述通信装置(13)用于实现数据传输功能；所述存储装置(14)用于即时保存采集数据。

8.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述远程操作平台(4)，由计算机及相关软硬件组成，包括水上控制中心(15)、数据处理中心(16)、数据应用中心(17)和嵌入式数据库(18)。

9.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述水上控制中心(15)，由人工操作发出操作指令控制水下机器人的数据采集活动；所述数据处理中心(16)，用于接收水下机器人的采集数据，进行数据处理；所述嵌入式数据库(18)，用于存储管理桥梁各项数据以及行业规范所要求的桥梁各项安全指标。

10.根据权利要求1所述的一种用于桥梁水下结构检测的水下机器人检测系统，其特征在于：所述数据应用中心(17)，用于比对处理后的采集数据和嵌入式数据库(18)中的安全指标，以此来判断桥梁的健康状况。