CN110217360A - 一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统及其工作方法 - Google Patents

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张学武
徐灵丽
侯一兴
万至达
朱晓坡
徐晓龙
李敏
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    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
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Abstract

本发明公开了一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统，包括水下机器人探测单元、电缆装置单元和定位基阵单元，水下机器人探测单元包括框架，框架前部固定有双目摄像头，后部固定有六自由度推进器，框架上部固定有定位模块和控制模块，框架中部固定有电池仓，电缆装置单元与控制模块之间通过电缆相连，电缆装置单元内设置有有线网卡模块；定位基阵单元下部设置有多个水听器，定位基阵单元内部设置有仓体，仓体设置有信号处理模块和光纤模块。本发明还公开了对应的工作方法。本发明提供的一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统及其工作方法，能够实时、远程地采集和分析水下结构物表面缺陷图像，还同时对缺陷进行测量分析，提高了水下结构物表面缺陷探测的智能化水平。

Description

一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统及其工作方法
技术领域
本发明具体涉及一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统及其工作方法，属于视觉检测技术领域。
背景技术
随着我国水利工程、水电工程、桥梁工程等的持续建设，水下构筑物(大坝、海洋平台、港口码头以及桥梁工程等)的覆盖范围变得越来越广泛。水下结构物由于长期处于水下复杂化境中，容易受到水流冲刷、渗透、侵蚀以及自身老化等原因，会产生一系列的结构性损伤，进而在水下结构物表面形成各种各样的缺陷。如果不对其进行快速有效的修复，水下结构物表面缺陷会继续扩展，严重威胁到整体工程的安全运行，成为重大安全事故的主要隐患。
目前，为了解决这一重大安全性难题，国内外专家学者们提出了很多解决方法，比如高密度电阻率法、面波勘探法、瞬变电流法、超声波检测法、振动法和传感器检测法等。但这些方法存在着共同的缺陷，测量深度浅，对百米的深水大坝等水下结构物无法完整探测整体情况，而且这些方法定位误差大、效率低下、适应性较弱等问题。
随着计算机技术以及数字摄影技术的发展，数字图像处理技术的发展也越来越快、广泛应用于各行各业。数字图像处理技术具有灵活性高、处理精度高、适用面广等特点，将数字图像处理技术应有于水下结构物表面裂缝检测，不仅可以有效的解决人工目测存在的众多难点，而且降低了检测成本，增加了检测的实时性，从而极大地保障了水下结构物的安全运行，增大服役寿命。视觉检测技术作为图像处理技术的一个分支，在水下大坝裂缝识别中发挥了重要的作用，因具有光谱敏感范围广、感知信息丰富、便于利用信息技术进行精细分析及可视化等优势，日益成为水下结构物表面缺陷检测的主流技术。但是，水下光学环境复杂，辅助照明的使用无疑降低了水下图像的成像质量，并且，水下图像采集系统硬件性能的制约，也使得水下图像成像画质差。主要表现为图像对比度低、缺陷特征信息匮乏、模糊残缺、难以形成细微精确的边界特征，且包含大量的随机噪声，这使得裂缝的精确表征和描述遇到难题，使得现有的裂缝检测方法检出率低，虚警率高，不能得到很好的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服克服水下无线通信的局限性，提供一种能够实时、远程地采集和分析水下结构物表面缺陷图像，还同时对缺陷进行测量分析，提高了水下结构物表面缺陷探测的智能化水平的水下结构物表面缺陷探测机器人系统及其工作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统，包括水下机器人探测单元、电缆装置单元和定位基阵单元，所述水下机器人探测单元包括框架，所述框架前部固定有双目摄像头，后部固定有六自由度推进器，所述框架上部固定有定位模块和控制模块，所述框架中部固定有电池仓，所述电池仓内设置有蓄电池，所述电池仓通过电缆线分别与所述定位模块和控制模块连接；所述电缆装置单元与所述控制模块之间通过电缆相连，所述电缆装置单元内设置有有线网卡模块，所述电缆装置单元上设置有用于插网线的接口，电脑的网线插入接口；所述定位基阵单元下部设置有第一水听器、第二水听器、第三水听器和第四水听器，所述定位基阵单元内部设置有仓体，所述仓体设置有与各个水听器相连的信号处理模块，所述仓体上设置有与所述信号处理模块通讯相连的光纤模块。
包括遥控手柄，所述遥控手柄设置有与电脑相连的USB接口。
所述框架的材质为碳素。
所述电池仓、定位模块、控制模块均为防水仓体。
所述光纤模块通过支架安装在所述仓体的顶部。
一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统工作方法，包括以下步骤：
S01，将水下机器人探测单元放置于水中，定位基阵单元放置于水面上；
S02，水下机器人探测单元的定位模块在水中时发出声波，定位基阵单元的水听器置于水中接收定位模块在水中发出的声波，并将其转换为电信号数据，数据由仓体中的信号处理模块进行解算后得到水下机器人探测单元置相对于定位基阵单元的三维坐标，并由光纤模块传至网络；
S03，遥控手柄依次通过电脑、网线、电缆装置单元和电缆将操作信号输送给水下机器人探测单元的控制模块，控制模块控制六自由度推进器，使水下机器人探测单元进行六自由度的自由运动；
S04，水下机器人探测单元的双目摄像头将采集到的图像可以由控制模块里搭载的微型计算机处理后实时由电缆上传至电缆装置单元，然后电缆装置单元通过网线将数据传输给电脑。
本发明的有益效果：本发明提供的一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统及其工作方法，采用结合机器视觉检测缺陷和声学定位方式综合声学、光学、物理学、电子学、信息科学与智能科学和技术等，对检测到的缺陷的具体位置进行定位，由于在控制模块搭载了可进行处理的微型计算机，能够对双目摄像头采集到的图像进行在线处理，实现了对缺陷的自动识别；由于使用了双目摄像头，能够获得距离信息，实现了只用图像实现了对缺陷三维尺寸的测量；由于使用了水下机器人装置，能够实现远程探测，相比于人工下水目测法节省了人力，财力，也提高了安全性。
附图说明
图1本发明中水下机器人探测单元的结构示意图；
图2本发明中电缆装置单元的结构示意图；
图3本发明中定位基阵单元的结构示意图。
图中附图标记如下：1-定位模块；2-控制模块；3-六自由度推进器；4-电池仓；5-双目摄像头；6-电缆；7-接口；8-水下机器人探测单元；9-电缆装置单元；10-仓体；11-第一水听器；12-光纤模块；13-定位基阵单元；14-框架；15-第二水听器；16-第三水听器；17-第四水听器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1到图3所示，一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统，用于对水下结构物表面缺陷进行探测，水下结构物指的是水库大坝、防洪大堤、海洋平台、水下混凝土结构、港口码头以及桥梁工程。主要包括水下机器人探测单元8、电缆装置单元9和定位基阵单元13。水下机器人探测单元8包括框架14，框架14的材质为碳素。框架14前部固定有双目摄像头5，后部固定有六自由度推进器3，框架14上部固定有定位模块1和控制模块2，框架14中部固定有电池仓4，电池仓4内设置有蓄电池，电池仓4通过电缆线分别与定位模块1和控制模块2连接，实现电池仓4对定位模块1和控制模块2供电以及两个模块之间的通信。同时双目摄像头5和六自由度推进器3也由蓄电池供电。双目摄像头5采集到的图像数据进入到控制模块2，控制模块2里搭载的微型计算机能够对缺陷进行分类，以及对缺陷的三维尺寸进行测量。优选地，电池仓4、定位模块1、控制模块2均为防水仓体。
电缆装置单元9与控制模块2之间通过电缆6相连，电缆装置单元9内设置有有线网卡模块，电缆装置单元9上设置有用于插网线的接口7，电脑的网线插入接口7。控制模块2将处理过的图像数据通过电缆6输送给电缆装置单元9，电缆装置单元9通过网线将数据传输给电脑。
定位基阵单元13下部设置有第一水听器11、第二水听器15、第三水听器16和第四水听器17，定位基阵单元13内部设置有仓体10，仓体10设置有与各个水听器相连的信号处理模块，信号处理模块是一块嵌入在仓体10内部的电路板，仓体10上设置有与信号处理模块通讯相连的光纤模块12，光纤模块12通过支架安装在仓体10的顶部。
本发明还包括遥控手柄，遥控手柄为市场上常见的如xbox手柄等具有USB接口可与电脑相连的产品，配合软件QGroundContorl，当电脑与电缆装置9用网线相连时，可以使用遥控手柄对水机器人探测单元8进行遥控。
本发明的一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统工作方法，包括以下步骤：
步骤一，将水下机器人探测单元8放置于水中，定位基阵单元13放置于水面上；
步骤二，水下机器人探测单元8的定位模块1在水中时发出声波，定位基阵单元13的水听器置于水中接收定位模块1在水中发出的声波，并将其转换为电信号数据，数据由仓体10中的信号处理模块进行解算后得到水下机器人探测单元8置相对于定位基阵单元13的三维坐标，并由光纤模块传至网络。
步骤三，遥控手柄依次通过电脑、网线、电缆装置单元9和电缆6将操作信号输送给水下机器人探测单元8的控制模块2，控制模块2控制六自由度推进器3，使水下机器人探测单元8进行六自由度的自由运动，操作者配合定位模块1操纵水下机器人沿着大坝坝体表面移动。
步骤四，水下机器人探测单元8的双目摄像头5将采集到的图像可以由控制模块2里搭载的微型计算机处理，控制模块2会自动检测坝体表面是否有缺陷，如果检测到缺陷，会上传缺陷信息至网络，缺陷信息包括缺陷种类、三维尺寸和位置，然后实时由电缆6上传至电缆装置单元9，然后电缆装置单元9通过网线将数据传输给电脑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统，其特征在于：包括水下机器人探测单元(8)、电缆装置单元(9)和定位基阵单元(13)，所述水下机器人探测单元(8)包括框架(14)，所述框架(14)前部固定有双目摄像头(5)，后部固定有六自由度推进器(3)，所述框架(14)上部固定有定位模块(1)和控制模块(2)，所述框架(14)中部固定有电池仓(4)，所述电池仓(4)内设置有蓄电池，所述电池仓(4)通过电缆线分别与所述定位模块(1)和控制模块(2)连接；所述电缆装置单元(9)与所述控制模块(2)之间通过电缆(6)相连，所述电缆装置单元(9)内设置有有线网卡模块，所述电缆装置单元(9)上设置有用于插网线的接口(7)，电脑的网线插入接口(7)；所述定位基阵单元(13)下部设置有第一水听器(11)、第二水听器(15)、第三水听器(16)和第四水听器(17)，所述定位基阵单元(13)内部设置有仓体(10)，所述仓体(10)设置有与各个水听器相连的信号处理模块，所述仓体(10)上设置有与所述信号处理模块通讯相连的光纤模块(12)。
2.根据权利要求1所述的一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统，其特征在于：包括遥控手柄，所述遥控手柄设置有与电脑相连的USB接口。
3.根据权利要求1所述的一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统，其特征在于：所述框架(14)的材质为碳素。
4.根据权利要求1所述的一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统，其特征在于：所述电池仓(4)、定位模块(1)、控制模块(2)均为防水仓体。
5.根据权利要求1所述的一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统，其特征在于：所述光纤模块(12)通过支架安装在所述仓体(10)的顶部。
6.一种水下结构物表面缺陷探测机器人系统工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，将水下机器人探测单元(8)放置于水中，定位基阵单元(13)放置于水面上；
S02，水下机器人探测单元(8)的定位模块(1)在水中时发出声波，定位基阵单元(13)的水听器置于水中接收定位模块(1)在水中发出的声波，并将其转换为电信号数据，数据由仓体(10)中的信号处理模块进行解算后得到水下机器人探测单元(8)置相对于定位基阵单元(13)的三维坐标，并由光纤模块传至网络；
S03，遥控手柄依次通过电脑、网线、电缆装置单元(9)和电缆(6)将操作信号输送给水下机器人探测单元(8)的控制模块(2)，控制模块(2)控制六自由度推进器(3)，使水下机器人探测单元(8)进行六自由度的自由运动；
S04，水下机器人探测单元(8)的双目摄像头(5)将采集到的图像可以由控制模块(2)里搭载的微型计算机处理后实时由电缆(6)上传至电缆装置单元(9)，然后电缆装置单元(9)通过网线将数据传输给电脑。
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