CN113358658A - 一种实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，包括如下步骤：S1、采用吊运的方式将高铁箱梁自动化检测装置运输至待检测的高铁梁箱内；S2、对高铁梁箱的内壁进行缺陷检测。本发明不仅可实现对高铁箱梁缺陷的自动化检测，而且检测速度快、效率高，可使工作人员免于在高危、严苛、残酷的工作环境下探伤，同时避免了检查结果的主观性，能为高铁的安全运营提供及时维护和有力支撑。

Description

一种实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法

技术领域

本发明是涉及一种实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，属于轨道缺陷检测技术领域。

背景技术

我国高铁运营里程达到3.5万公里，约占全球高铁网的七成。而高架桥梁能确保高铁线 路的高平顺性，因此在我国的高铁建设中被广泛运用。箱梁是高架桥梁的关键部件，直接 承受着高铁轨道传递的列车荷载。在往复荷载(如列车频繁运行)、环境变化(如温湿度 交替变化)及突发灾害(如地震)等复杂因素的交变作用下，高铁箱梁会萌生微小疲劳裂缝。裂缝的发展和累积将导致箱梁的服役性能不断劣化，极端条件下甚至会发生疲劳断裂，是高铁运行安全的主要危险源之一。

国内尚无针对高架铁路箱梁缺陷的自动化检测设备，高铁箱梁的日常维护与维修以高 铁桥隧工的人工巡检为主，该种检测方式存在：检测效率低、检测精度差、漏检率高等不 足。此外，箱梁内冬冷夏热、狭小、黑暗、高温且还有列车通过时的强噪音等，工人工作环境差工作效率低，检测结果取决于检察人员的主观判断，长期在该环境下工作对工人的身体心理健康都会产生巨大损害。因此如何实现高铁箱梁缺陷的快速自动化检测，是高铁线路基础结构维护养修领域的关键核心问题，具有重要的科学意义、工程价值和市场前景。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种检测精确、全面、不易受外 界条件干扰的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，为高铁安全运营提供及时预警和有力 保障。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，包括如下步骤：

S1、采用吊运方式将高铁箱梁自动化检测装置运输至待检测的高铁梁箱内：

S2、对高铁梁箱的内壁进行缺陷检测：

首先，通过激光传感器对周围环境进行立体扫描，并将获取的信息传给处理器，处理 器对信息进行处理，生成高铁梁箱内部的全局二维地图并定位检测装置的相对位置，同时， 利用定位模块获取检测装置在环境内的绝对位置信息并将获取的绝对位置信息传输给处理 器，处理器结合生成的地图以及绝对位置信息通过通用的路径规划算法在地图中规划出检 测装置的走行路径；接着，处理器将规划好的走行路径传输给运动控制处理器，运动控制 处理器再通过控制姿态检测模块和左独立驱动行走机构、右独立驱动行走机构的运动来控 制左单边履带驱动模块和右单边履带驱动模块运动，进而控制检测装置的移动；

接着，检测装置移动过程中，工业相机检测模块对高铁梁箱内部进行全局拍摄，并将 拍摄的图像传递给处理器，处理器采用通用的图像分析和处理方法对图像进行分析和处理， 即能获取高铁梁箱的内部缺陷图像，从而实现高铁梁箱的缺陷检测。

一种实施方案，所述高铁箱梁自动化检测装置包括中间仓体模块、左单边履带驱动模 块、右单边履带驱动模块和支撑轴套组件，所述左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模 块对称设于中间仓体模块的左右两侧，所述中间仓体模块包括中间仓体，所述中间仓体的 顶部可拆卸的设有工业相机检测模块和激光传感器，所述中间仓体的前侧设有控制箱，所 述控制箱的底部水平设有控制箱承载板，所述左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块 分别对应包括左、右履带和设于左、右履带上的左、右独立驱动行走机构，所述支撑轴套 组件包括水平设置的前支撑轴、控制箱支撑轴和后支撑轴，所述中间仓体的前端与左单边 履带驱动模块、右单边履带驱动模块的前端通过前支撑轴可拆卸连接，所述中间仓体的后 端与左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块的后端通过后支撑轴可拆卸连接，所述控 制箱支撑轴位于控制箱承载板的下方且控制箱支撑轴的两端分别与左单边履带驱动模块、 右单边履带驱动模块可拆卸连接；所述控制箱包括控制箱体和设于控制箱体内的处理器、 运动控制处理器、空气悬架避震器控制模块、定位模块、姿态检测模块和无线传输模块， 所述工业相机检测模块、激光传感器、运动控制处理器、空气悬架避震器控制模块、定位 模块和无线传输模块均与处理器信号连接，所述运动控制处理器与姿态检测模块、左独立 驱动行走机构、右独立驱动行走机构信号连接，所述姿态检测模块与左独立驱动行走机构、 右独立驱动行走机构信号连接。

一种实施方案，步骤S1中，所述吊运装置包括不封顶的轿厢、主控制器、模糊控制模 块、速度控制模块、变频器、质量传感器、曳引机、激光测距模块、停层装置，所述质量 传感器设于轿厢的底部，且质量传感器与主控制器信号连接，所述主控制器与模糊控制模 块信号连接，所述模糊控制模块与速度控制模块信号连接，所述速度控制模块与变频器信 号连接，所述变频器与曳引机信号连接，所述曳引机与轿厢信相连，所述轿厢与停层装置 相连，所述激光测距模块设于轿厢的外部，且激光测距模块分别与主控制器和模糊控制模 块信号连接；

通过吊运装置对高铁箱梁自动化检测装置进行吊运的方法如下：

将高铁箱梁自动化检测装置中需要吊运的部件装入不封顶的轿厢内；然后利用质量传 感器测量轿厢内转载的需要吊运的部件的重量，并将测量的重量信息传递给主控制器，主 控制器内预设有额定重量，当测量重量小于额定重量，即判断允许轿厢运行；然后激光测 距模块测出轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距离，模糊控制模块根据激光测距模块测出的 距离计算轿厢后续的运行速度，并将运行速度指令通过速度控制模块传递给变频器；再通 过变频器控制曳引机的转速，从而控制轿厢的目标运行状态，使轿厢到达理想位置，当轿 厢到达理想位置后，停层装置固定轿厢，然后将需要吊运的部件卸载于高铁箱梁内；如此 循环反复，即可将高铁箱梁自动化检测装置的所有部件均吊运至高铁箱梁内。

一种优选方案，所述激光测距模块包括激光发射器，接收镜头和CCD，激光发射器和 接收镜头对齐平行放置，所述激光测距模块采用三角测距算法测量轿厢的当前位置到箱梁 内顶面的距离d，具体为：

假设dt时间后吊运装置将巡检车向上吊起长度为m，则通过以下公式可计算出激光发 射器与待测箱梁内顶面的距离即轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距离：

由于ΔOPN相似于ΔOP′N′，则，

又因为：

代入整理得：

解方程可得到m，然后d＝z-m(6)；

上述公式中，OO’为镜头焦距，z为初始距离,b为镜头光轴和发射激光间距，N’O’为成像与镜头光轴间距，M’、N’点的位置通过高分辨率线阵CCD测量，以上均为已知 参数，通过计算可以求出吊起长度m与剩余距离d。

一种优选方案，所述模糊控制模块以激光测距模块测量出的距离d为模糊变量，通过 模糊决策选择合适的输出速度，具体包括如下步骤：

a)吊运上升或下降阶段开始，激光测距模块测出的轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距 离d作为精确输入参数，同时判断运行状态同样作为输入参数；

b)对输入参数做模糊处理，得到模糊距离变量和运行状态模糊变量；

c)通过模糊控制规则得到精确控制量即运行速度。

一种实施方案，所述工业相机检测模块包括顶面检测相机、左侧面检测相机、右侧面 检测相机和底面检测相机。

一种实施方案，所述激光传感器包括导航传感器和检修传感器。

一种实施方案，所述控制箱体内还设有用于供电的蓄电池。

一种实施方案，所述控制箱体内还设有无线充电模块。

一种实施方案，所述运动控制处理器为STM32处理器。

一种实施方案，所述定位模块为GNSS定位系统。

一种实施方案，所述姿态检测模块为姿态检测陀螺仪。

一种实施方案，所述中间仓体模块上设有移动电源。

一种实施方案，所述中间仓体模块上设有硬件性能自检和预警模块。

相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

本发明提供的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，不仅可实现对高铁箱梁缺陷的自 动化检测，而且检测速度快、效率高，可使工作人员免于在高危、严苛、残酷的工作环境 下探伤，同时避免了检查结果的主观性，能为高铁的安全运营提供及时维护和有力支撑； 因此，本发明相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高铁箱梁自动化检测装置吊运至高铁箱梁的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高铁箱梁自动化检测装置的拆解结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种高铁箱梁自动化检测装置的立体结构示意图；

图4为本发明实施例中控制箱内功能模块示意图；

图5为本发明实施例中吊运装置的原理示意图；

图6为本发明实施例中激光测距模块采用的激光三角测距法的原理示意图；

图7为本发明实施例中得到的第二隶属度函数图；

图中标号示意如下：1、中间仓体模块；11、中间仓体；111、中前连接孔；112、中后连接孔；12、工业相机检测模块；13、激光传感器；14、控制箱；141、控制箱体；142、 处理器；143、运动控制处理器；144、空气悬架避震器控制模块；145、定位模块；146、 姿态检测模块；147、无线传输模块；148、蓄电池；149、无线充电模块；15、控制箱承载 板；2、左单边履带驱动模块；21、左右履带；22、左独立驱动行走机构；23、左前连接孔； 24、左中连接孔；25、左后连接孔；3、右单边履带驱动模块；31、右履带；32、右独立驱 动行走机构；33、右前连接孔；34、右中连接孔；35、右后连接孔；4、支撑轴套组件；41、 前支撑轴；42、控制箱支撑轴；43、后支撑轴；5、桥墩；51、预留通道；6、支架；7、高 铁梁箱；71、高铁梁箱的人孔；8、吊运装置；81、轿厢；82、主控制器；83、模糊控制模 块；84、速度控制模块；85、变频器；86、质量传感器；87、曳引机；88、激光测距模块； 881、激光发射器；882、接收镜头；883、CCD；89、停层装置。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。

实施例

请结合图1至图4所示：本实施例提供的一种高铁箱梁自动化检测装置，包括中间仓 体模块1、左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3和支撑轴套组件4，所述左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3对称设于中间仓体模块1的左右两侧，所述中间仓体模块1包括中间仓体11，所述中间仓体11的顶部可拆卸的设有工业相机检测模块12和 激光传感器13，所述中间仓体11的前侧设有控制箱14，所述控制箱14的底部水平设有控 制箱承载板15，所述左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3分别对应包括左、右 履带21/31和设于左、右履带21/31上的左、右独立驱动行走机构22/32，所述支撑轴套组 件4包括水平设置的前支撑轴41、控制箱支撑轴42和后支撑轴43，所述中间仓体11的前 端与左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3的前端通过前支撑轴41可拆卸连接， 所述中间仓体11的后端与左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3的后端通过后支 撑轴43可拆卸连接，所述控制箱支撑轴42位于控制箱承载板15的下方且控制箱支撑轴42 的两端分别与左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3可拆卸连接；所述控制箱14 包括控制箱体141和设于控制箱体141内的处理器142、运动控制处理器143、空气悬架避 震器控制模块144、定位模块145、姿态检测模块146和无线传输模块147，所述工业相机 检测模块12、激光传感器13、运动控制处理器143、空气悬架避震器控制模块144、定位 模块145和无线传输模块147均与处理器142信号连接，所述运动控制处理器143与姿态 检测模块146、左独立驱动行走机构22、右独立驱动行走机构32信号连接，所述姿态检测 模块146与左独立驱动行走机构22、右独立驱动行走机构32信号连接。处理器142用于存 储、分析和统筹协调工业相机检测模块12、激光传感器13、运动控制处理器143、空气悬 架避震器控制模块144、定位模块145、姿态检测模块146和无线传输模块147。

请再参见图2和图3所示，左单边履带驱动模块2的前、中、后部分别水平设有左前连接孔23、左中连接孔24、左后连接孔25，右单边履带驱动模块3的前、中、后部分别水 平设有右前连接孔33、右中连接孔34、右后连接孔35，中间仓体11的前后两部分别水平 设有中前连接孔111和中后连接孔112，前支撑轴41穿过左前连接孔23、右前连接孔33 和中前连接孔111将中间仓体11的前端与左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3 的前端通过前支撑轴41可拆卸连接，形成所述检测装置的前支撑连接机构；后支撑轴43 穿过左后连接孔25、右后连接孔35和中后连接孔112将中间仓体11的后端与左单边履带 驱动模块2、右单边履带驱动模块3的后端通过后支撑轴43可拆卸连接，形成所述检测装 置的前后支撑连接机构；控制箱支撑轴42穿过左中连接孔24和右中连接孔34，加强对控 制箱14和控制箱承载板15的支撑以及左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3之间 的连接，加强了整个检测装置的稳固性。

本实施例中，中间仓体11与工业相机检测模块12和激光传感器13之间的可拆卸连接， 采用通用可拆卸连接方式即可，例如，可以通过螺栓、螺母等可拆卸连接。

请再参见图3所示，所述工业相机检测模块12包括四个工业相机，四个工业相机分别 为顶面检测相机、左侧面检测相机、右侧面检测相机和底面检测相机，分别用于采集高铁 箱梁顶面、左面、右面、前底面的图像。

本实施例中，左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3中的左、右履带21/31和 设于左、右履带21/31上的左、右独立驱动行走机构22/32均采用现有技术即可，左单边履 带驱动模块2、右单边履带驱动模块3具有较强的爬坡能力，可保证检测装置在复杂、箱梁 底面不平整、有障碍物的环境下平稳运行与工作。左、右履带21/31均采用ASV摩擦橡胶履带，使检测装置具有良好的稳定性。

本实施例中，所述激光传感器13包括导航传感器和检修传感器，其中，导航传感器能 够在箱梁内规避水管和各种障碍，自动规划巡检路线，实现无人控制；检修处理器对整个 检测装置进行自检，并可以发送预警或故障信号。

此外，所述控制箱体141内还设有用于供电的蓄电池148。

此外，所述控制箱体141内还设有无线充电模块149。此外，为方便检测装置的充电， 还可以在高铁梁箱7内预先设置无线充电桩板(未显示)，以避免检测装置在黑暗无光的 高铁梁箱7内电量耗尽。

本实施例中，所述运动控制处理器143为STM32处理器，运动控制处理器143和处理器142之间通过串口发送和接收数据，运动控制处理器143左独立驱动行走机构22、右独 立驱动行走机构32信号连接，用于控制左独立驱动行走机构22、右独立驱动行走机构32 信号连接，进而控制左履带21和右履带31的运动，进而控制检测装置的运动。

本实施例中，所述空气悬架避震器控制模块144为巡检车搭载空气悬架避震器，可以 保证检测装置在不平整的底板行走时依旧能较清晰采集图像和识别路况，同时可以改变检 测装置整体的高度，防止检测装置的底盘卡住或受损。

本实施例中，所述定位模块145为GNSS定位系统，可利用BDS、GPS、GLONASS 和GALILEO全球卫星导航系统中的一个或多个系统进行导航定位，并同时提供卫星的完备 性检验信息和足够的导航安全性告警信息，实现检测装置的高精度导航定位。

本实施例中，所述姿态检测模块146为姿态检测陀螺仪，运动控制处理器143通过姿 态检测模块146进而控制左独立驱动行走机构22、右独立驱动行走机构32的转向，进而控 制左履带21和右履带31的转向。此外，运动控制处理器143也可以直接与左独立驱动行走机构22、右独立驱动行走机构32信号连接，直接通过控制左独立驱动行走机构22、右 独立驱动行走机构32而控制左履带21和右履带31的止行。

本实施例中，所述无线传输模块147为无线传输天线，用于将处理器142内存储盒分 析的数据传输给网络，以便于通过网络实现数据交互。

此外，所述中间仓体模块1上设有移动电源(未显示)，以对整个检测装置进行移动供电。

此外，所述中间仓体模块1上设有硬件性能自检和预警模块(未显示)，以对检测装置上的硬件进行自检，并可以发送预警或故障信号。

本发明所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，包括如下步骤：

S1、采用吊运方式将高铁箱梁自动化检测装置运输至待检测的高铁梁箱内：

如图1所示，预先在高铁梁箱7内搭建一个可移动的吊运装置8(本实施例中，所述吊 运装置8以龙门架的样式进行显示)，高铁梁箱7的底部设有桥墩5，桥墩5的顶部两侧与高铁梁箱7的底部之间设有支架6；然后如图2所示，将所述高铁箱梁自动化检测装置拆解成中间仓体模块1、左单边履带驱动模块2、右单边履带驱动模块3，然后将拆解后的模块 通过乘坐臂长合适的臂架式桥梁检测车或桁架式桥梁检测车抵达桥墩5的预留通道51，然 后通过吊运装置8将各模块从预留通道51和高铁梁箱7的人孔71处吊运至高铁梁箱7内， 然后通过支撑轴套组件4将拆解的模块组装起来，形成完整的高铁箱梁自动化检测装置(如 图3所示)，即可将高铁箱梁自动化检测装置的运输至待检测的高铁梁箱7内；

其中，如图5所示，所述吊运装置8包括不封顶的轿厢81、主控制器82、模糊控制模块83(具体为模糊控制器)、速度控制模块84、变频器85、质量传感器86、曳引机87、 激光测距模块88、停层装置89，所述质量传感器86设于轿厢81的底部，且质量传感器86 与主控制器信82号连接，所述主控制器82与模糊控制模块83信号连接，所述模糊控制模 块83与速度控制模块84信号连接，所述速度控制模块84与变频器85信号连接，所述变 频器85与曳引机87信号连接，所述曳引机87与轿厢81信相连，所述轿厢81与停层装置 89相连，所述激光测距模块88设于轿厢81的外部，且激光测距模块88分别与主控制器 82和模糊控制模块83信号连接；本实施例的吊运装置8中，轿厢81、变频器85、曳引机 87、停层装置89均属于现有技术，四个部件之间的连接方式均属于现有技术，核心点在于 主控制器82、模糊控制模块83、速度控制模块84、质量传感器86、激光测距模块88组成 的控制部分的控制运行方法；

通过吊运装置8对高铁箱梁自动化检测装置进行吊运的方法如下：

将高铁箱梁自动化检测装置中需要吊运的部件装入不封顶的轿厢81内；然后利用质量 传感器86测量轿厢81内转载的需要吊运的部件的重量，并将测量的重量信息传递给主控 制器82，主控制器82内预设有额定重量，当测量重量小于额定重量，即判断允许轿厢81 运行；然后激光测距模块88测出轿厢81的当前位置到箱梁7内顶面的距离，模糊控制模块83根据激光测距模块88测出的距离计算轿厢81后续的运行速度，并将运行速度指令通过速度控制模块84传递给变频器85；再通过变频器85控制曳引机87的转速，从而控制轿 厢81的目标运行状态，使轿厢81到达理想位置，当轿厢81到达理想位置后，停层装置89 固定轿厢81，然后将需要吊运的部件卸载于高铁箱梁7内；如此循环反复，即可将高铁箱 梁自动化检测装置的所有部件均吊运至高铁箱梁7内；

其中，所述激光测距模块88包括激光发射器881，接收镜头882和CCD883，激光发射器881和接收镜头882对齐平行放置，所述激光测距模块88采用三角测距算法测量轿厢81的当前位置到箱梁7内顶面的距离d，如图6所示，即激光发射器881与接收镜头882 对齐平行放置，发射激光与镜头光轴平行，发射一束激光照射到被测物体上产生光斑,由物 体表面散射或反射的光经过透镜将光斑成像在焦平面上,焦平面上放置位置敏感器件CCD883。当物体移动时,光斑位置发生移动,其位于焦平面附近的像相应的发生位置变化,通 过位置敏感器件可以求出物体的位移量，从而达到测距的目的：

假设dt时间后吊运装置将巡检车向上吊起长度为m，则通过以下公式可计算出激光发 射器与待测箱梁内顶面的距离即轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距离：

由于ΔOPN相似于ΔOP′N′，则，

又因为：

代入整理得：

解方程可得到m，然后d＝z-m(6)；

上述公式中，OO’为镜头焦距，z为初始距离,b为镜头光轴和发射激光间距，N’O’为成像与镜头光轴间距，M’、N’点的位置通过高分辨率线阵CCD测量，以上均为已知 参数，通过计算可以求出吊起长度m与剩余距离d；

此外，考虑每次实施吊运总会处于高度有所差异但差距不大的工作环境下，故为了适 应现实情况，增大安全性和自适应性，所述模糊控制模块83以激光测距模块88测量出的 距离d为模糊变量，通过模糊决策选择合适的输出速度，主要包括三个步骤：a)吊运上升或下降阶段开始，激光测距模块测出的轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距离d作为精确输入参数，同时判断运行状态同样作为输入参数；轿厢运行状态的判断为：Δd表示Δt时间段内的位移，当前运行状态判定表达式为C＝Δd/Δt，若C>0,则67轿厢处于下降状态；若C<0, 则67轿厢处于上升状态；b)对输入参数做模糊处理，得到模糊距离变量和运行状态模糊变 量；c)通过模糊控制规则得到精确控制量即运行速度；

模糊控制模块83进行模糊处理的更为详细步骤如下：

首先，对输入参数做模糊处理，获得相应的模糊输入量运行状态R和剩余距离D，运行状态R的论域为{上升，下降}，相应的第一模糊集为{UP,DN},论域内初始输入参数依据第一隶属度函数表获得模糊输入量R，第一隶属度函数表如下表1所示：

表1

例如：当获得的运行状态是上升状态时，隶属于UP的隶属度值为1，故此时模糊输入 量R为UP；

测距模块测得的剩余距离取值范围[1,6](距离单位默认为米，后续不在重复叙述),其 论域划分为6个等级；第二模糊集为{PA,PB,PC,PD,PE,PF},论域内初始输入参数依据第二隶 属度图(参见图7)获得模糊输入量D，六个模糊子集的模糊变量中，PA、PB、PF用梯度 隶属函数表示，PC、PD、PE用三角形隶属函数表示(参见图7)，梯形隶属函数和三角形 隶属函数如下，函数取值参数表见表2：

式(7)中，x为输入参数，[a,b,c,d]为决定梯形隶属度函数的取值范围的参数；

式(8)中，x为输入参数，[a,b,c]为决定梯形隶属度函数的取值范围的参数。

表2

名称	类型	参数
			PA	<u>Trapmf</u>	[0 0，2 2 2]
PB	<u>Trapmf</u>	[1.8 2.4 3 3.2]
			PC	<u>Trimf</u>	[2.9 3.8 4.2]
PD	<u>Trimf</u>	[3.9 4.8 5.2]
			PE	<u>Trimf</u>	[4.9 5.9 6.2]
PF	<u>Trapmf</u>	[5.9 6.5 7 7.5]

当测得距离不能从第二隶属度图中查到时，利用插值法查找距离对应的隶属度，并取 隶属度最大的模糊变量作为作为模糊输入量D；

上述第一模糊集和第二模糊集的全部模糊变量的所有状态组合形成了模糊控制规则， 应用重心法进行模糊推理和模糊决策，最后反模糊化得到最终的精确输出参数，即速度V， 其集合为{0，0.1，0.3，0.5}(单位是m/s，后续不再重复叙述)，模糊控制结果表如下表3：

表3

经过模糊控制模块83模糊处理的输入参数D和C按照各种组合方式得到12种状态，查找上述表格即可得到精确控制量，精确控制量V1表示以0.5m/s的速度运行，V2表示以0.3m/s的速度运行，V3表示以0.1m/s的速度运行，V4表示以0m/s的速度运行，即停止运行；举例说明，经过模糊处理后的输入距离和运行状态分别为PA和UP的，此时精确控制量为 V4即运行速度应为0m/s，轿厢停止；

S2、对高铁梁箱的内壁进行缺陷检测：

首先，通过激光传感器13对周围环境进行立体扫描，并将获取的信息传给处理器142， 处理器142对信息进行处理，生成高铁梁箱7内部的全局二维地图并定位检测装置的相对 位置，同时，利用定位模块145获取检测装置在环境内的绝对位置信息，并将获取的绝对 位置信息传输给处理器142，处理器142结合生成的地图以及绝对位置信息通过通用的路径 规划算法在地图中规划出检测装置的走行路径；接着，处理器142将规划好的走行路径传 输给运动控制处理器143，运动控制处理器143通过控制姿态检测模块146和左独立驱动行 走机构22、右独立驱动行走机构32的运动来控制左单边履带驱动模块2和右单边履带驱动 模块3走行，进而控制检测装置的走行；

接着，检测装置移动过程中，工业相机检测模块12对高铁梁箱7内部进行全局拍摄， 并将拍摄的图像传递给处理器142，处理器142采用通用的图像分析和处理方法对图像进行 分析和处理(例如，采用卷积神经网络中的HED深度边缘特征检测方法对拍摄的图像边缘 特征进行提取)，即可获取高铁梁箱7的内部缺陷图像，从而实现高铁梁箱7的缺陷检测。

综上所述可见，本发明不仅可实现对高铁箱梁缺陷的自动化检测，而且检测速度快、 效率高，可使工作人员免于在高危、严苛、残酷的工作环境下探伤，同时避免了检查结果 的主观性，能为高铁的安全运营提供及时维护和有力支撑；此外，当所述的高铁箱梁自动 化检测装置包括中间仓体模块、左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块，三个模块之 间通过支撑轴套组件可拆卸连接时，整个装置可以模块化拆解与组装，以致在缺陷检测的 时候，可以模块形式、采用吊运方式通过桥墩预留通道与高铁箱梁人孔进入高铁箱梁内， 进入工作环境非常方便，可降低人力成本，提高施工安全性；尤其是，吊运过程中，采用模糊决策优化的运行方案，能够适应不同高度桥梁箱梁环境下的自动化运输，节省了人力与时间，更重要的是降低了吊运过程中的风险，使检测过程更加自动化与流程化；因此， 本发明相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保 护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻 易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用吊运方式将高铁箱梁自动化检测装置运输至待检测的高铁梁箱内：

S2、对高铁梁箱的内壁进行缺陷检测：

首先，通过激光传感器对周围环境进行立体扫描，并将获取的信息传给处理器，处理器对信息进行处理，生成高铁梁箱内部的全局二维地图并定位检测装置的相对位置，同时，利用定位模块获取检测装置在环境内的绝对位置信息并将获取的绝对位置信息传输给处理器，处理器结合生成的地图以及绝对位置信息通过通用的路径规划算法在地图中规划出检测装置的走行路径；接着，处理器将规划好的走行路径传输给运动控制处理器，运动控制处理器再通过控制姿态检测模块和左独立驱动行走机构、右独立驱动行走机构的运动来控制左单边履带驱动模块和右单边履带驱动模块运动，进而控制检测装置的移动；

接着，检测装置移动过程中，工业相机检测模块对高铁梁箱内部进行全局拍摄，并将拍摄的图像传递给处理器，处理器采用通用的图像分析和处理方法对图像进行分析和处理，即能获取高铁梁箱的内部缺陷图像，从而实现高铁梁箱的缺陷检测。

2.根据权利要求1所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于：所述高铁箱梁自动化检测装置包括中间仓体模块、左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块和支撑轴套组件，所述左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块对称设于中间仓体模块的左右两侧，所述中间仓体模块包括中间仓体，所述中间仓体的顶部可拆卸的设有工业相机检测模块和激光传感器，所述中间仓体的前侧设有控制箱，所述控制箱的底部水平设有控制箱承载板，所述左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块分别对应包括左、右履带和设于左、右履带上的左、右独立驱动行走机构，所述支撑轴套组件包括水平设置的前支撑轴、控制箱支撑轴和后支撑轴，所述中间仓体的前端与左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块的前端通过前支撑轴可拆卸连接，所述中间仓体的后端与左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块的后端通过后支撑轴可拆卸连接，所述控制箱支撑轴位于控制箱承载板的下方且控制箱支撑轴的两端分别与左单边履带驱动模块、右单边履带驱动模块可拆卸连接；所述控制箱包括控制箱体和设于控制箱体内的处理器、运动控制处理器、空气悬架避震器控制模块、定位模块、姿态检测模块和无线传输模块，所述工业相机检测模块、激光传感器、运动控制处理器、空气悬架避震器控制模块、定位模块和无线传输模块均与处理器信号连接，所述运动控制处理器与姿态检测模块、左独立驱动行走机构、右独立驱动行走机构信号连接，所述姿态检测模块与左独立驱动行走机构、右独立驱动行走机构信号连接。

3.根据权利要求1所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于：步骤S1中，所述吊运装置包括不封顶的轿厢、主控制器、模糊控制模块、速度控制模块、变频器、质量传感器、曳引机、激光测距模块、停层装置，所述质量传感器设于轿厢的底部，且质量传感器与主控制器信号连接，所述主控制器与模糊控制模块信号连接，所述模糊控制模块与速度控制模块信号连接，所述速度控制模块与变频器信号连接，所述变频器与曳引机信号连接，所述曳引机与轿厢信相连，所述轿厢与停层装置相连，所述激光测距模块设于轿厢的外部，且激光测距模块分别与主控制器和模糊控制模块信号连接；

通过吊运装置对高铁箱梁自动化检测装置进行吊运的方法如下：

将高铁箱梁自动化检测装置中需要吊运的部件装入不封顶的轿厢内；然后利用质量传感器测量轿厢内转载的需要吊运的部件的重量，并将测量的重量信息传递给主控制器，主控制器内预设有额定重量，当测量重量小于额定重量，即判断允许轿厢运行；然后激光测距模块测出轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距离，模糊控制模块根据激光测距模块测出的距离计算轿厢后续的运行速度，并将运行速度指令通过速度控制模块传递给变频器；再通过变频器控制曳引机的转速，从而控制轿厢的目标运行状态，使轿厢到达理想位置，当轿厢到达理想位置后，停层装置固定轿厢，然后将需要吊运的部件卸载于高铁箱梁内；如此循环反复，即可将高铁箱梁自动化检测装置的所有部件均吊运至高铁箱梁内。

4.根据权利要求3所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于：所述激光测距模块包括激光发射器，接收镜头和CCD，激光发射器和接收镜头对齐平行放置，所述激光测距模块采用三角测距算法测量轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距离d，具体为：

假设dt时间后吊运装置将巡检车向上吊起长度为m，则通过以下公式可计算出激光发射器与待测箱梁内顶面的距离即轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距离：

由于ΔOPN相似于ΔOP′N′，则，

又因为：

代入整理得：

解方程可得到m，然后d＝z-m (6)；

上述公式中，OO’为镜头焦距，z为初始距离,b为镜头光轴和发射激光间距，N’O’为成像与镜头光轴间距，M’、N’点的位置通过高分辨率线阵CCD测量，以上均为已知参数，通过计算求出吊起长度m与剩余距离d。

5.根据权利要求3所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于，所述模糊控制模块以激光测距模块测量出的距离d为模糊变量，通过模糊决策选择合适的输出速度，具体包括如下步骤：

a)吊运上升或下降阶段开始，激光测距模块测出的轿厢的当前位置到箱梁内顶面的距离d作为精确输入参数，同时判断运行状态同样作为输入参数；

b)对输入参数做模糊处理，得到模糊距离变量和运行状态模糊变量；

c)通过模糊控制规则得到精确控制量即运行速度。

6.根据权利要求1或2所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于：所述工业相机检测模块包括顶面检测相机、左侧面检测相机、右侧面检测相机和底面检测相机，所述激光传感器包括导航传感器和检修传感器。

7.根据权利要求2所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于：所述控制箱体内还设有用于供电的蓄电池。

8.根据权利要求2所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于：所述控制箱体内还设有无线充电模块。

9.根据权利要求2所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于：所述定位模块为GNSS定位系统。

10.根据权利要求2所述的实现高铁箱梁缺陷自动化检测的方法，其特征在于：所述姿态检测模块为姿态检测陀螺仪。

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