CN116289543A - 一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统及方法，其中结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统包括智能支座单元、桥梁检测爬行机器人及定期巡检无人机；所述智能支座单元用于长期监测；所述桥梁检测爬行机器人用于问题典检；所述定期巡检无人机用于定期巡检。本发明利用无人机搭载摄像平台对桥梁支座外观进行拍摄，通过图像处理分析，得到表观评估数据。虽然也有其他方法利用无人机进行桥梁图像拍摄，获取支座的表面裂缝，但桥梁支座属于桥梁下部结构，存在GPS信号弱、空间狭小等问题，无人机飞行安全存在风险。桥梁监测爬行机器人贴在在桥面下部爬行，近距离无线传输信号更稳定，信息更及时更精确。

Description

一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统及方法
技术领域
本发明涉及桥梁监测技术，具体涉及一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统及方法。
背景技术
目前，在桥梁工程建设过程中，支座属于桥梁下部结构的重要组成部分，支座的安全状况直接影响着桥梁的结构安全和稳定。桥梁支座的损伤及破坏己经成为我国现役桥梁的主要病害之一。其典型病害表现为局部脱空、剪切变形超限、橡胶表面开裂及不均匀鼓凸变形，各类病害对支座稳定性、安全性乃至整个桥梁的健康造成极大影响，必须予以防治。但由于支座在桥梁工程造价中所占比例较小，往往未引起工程技术人员和管理人员的重视，在使用过程中极易成为桥梁结构的薄弱环节。
定期人工检测是获得桥梁支座健康状况的常用手段，但由于桥梁支座安装位置的隐蔽性，支座预留位置比较小，光线昏暗，工作人员很难对支座进行准确的观测，跟实际结果相比存在很大误差。对于一些跨江河和桥墩较高的桥梁，更是需要动用桥梁检测车等设备，费用昂贵，因此人工检测方法存在着检测困难、成本高、损伤程度判定主观，不能提前预警等缺点。
目前，具备实时监测的智能支座主要是通过布置各类传感器，通过数据传输与处理，对支座的受力情况进行监测，但不能对支座表观病害及支座周围环境情况进行有效监测，如支座表面裂纹情况、支座是否偏斜、支座有无锈蚀、支承垫石是否积水以及有无建筑遗留垃圾堆积等问题等。所以，结合无人机或桥梁检测爬行机器人进行表观病害检测，研发具有远程实时监测和预警功能的桥梁支座监测系统，实现对支座内部受力的实时监控、外观病害的有效检测，对服役支座及桥梁健康状况及潜在风险及时掌控，对保障桥梁的健康，延长桥梁的使用寿命具有显而易见的经济价值。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供了一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统及方法。
本发明采用的技术方案是：
根据本发明的一个方面，提供了一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统，包括智能支座单元、桥梁检测爬行机器人及定期巡检无人机；
所述智能支座单元用于长期监测；
所述桥梁检测爬行机器人用于问题典检；
所述定期巡检无人机用于定期巡检。
进一步地，所述智能支座单元包括上顶板、不锈钢板、聚四氟乙烯滑板、中间钢板、橡胶块、下底盆及光纤光栅应变传感器元件组；
所述上顶板、不锈钢板、聚四氟乙烯滑板、中间钢板及橡胶块放置于下底盆内部，在底盆的内侧壁上，其和橡胶板接触部位设置有凹槽，凹槽内螺栓固定有光纤光栅应变传感器元件组，传感器通过贯穿底盆的导线和外部光纤连接。
更进一步地，所述桥梁检测爬行机器人主要包括机器人主体、俯仰关节、偏航关节、摄像头、运动腿及吸盘结构；
所述机器人主体结构包括电路板、单片机、电源和真空产生装置；
所述摄像头由控制电路连接控制；
在机器人的主体的左右两侧对称布置有四条运动腿，相对机体呈对称分布，每条运动腿腿部都安装三个驱动伺服电机，驱动伺服电机通过单片机进行控制，每条运动腿的足部都带有真空吸盘结构；
每条运动腿的大腿与身体躯干位置安装一个驱动伺服电机，通过控制伺服电机来实现在垂直平面的旋转，从而控制腿关节的下落与抬起功能；
每条运动腿的大腿与小腿之间安装一个驱动伺服电机，负责完成脚掌在水平面内的上下运动，实现脚掌在接触面的前后移动；
每条运动腿的足部安装一个驱动伺服电机，负责电磁装置在接触面上的吸附与脱附工作，吸盘结构产生吸附力可以承受机器人自身的重量以及机器人上搭载的检测设备和其他的仪器的重量；
在机器人主体躯干中间区域增加俯仰关节和偏航关节两个驱动电机。
更进一步地，所述桥梁检测爬行机器人的控制系统主要包括上位机人机交互系统和下位机控制系统两部分；
上位机人机交互系统负责完成对桥梁检测爬行机器人的监控，通过无线通信模块实现与下位机控制系统实时通信传输，使操作人员能够通过无线通信实现对机器人远程控制；
下位机控制系统负责执行上位机发送的任务命令，控制机器人完成移动、翻越与摄像这些任务，并将传感器实时采集的机器人内外部环境状态数据传送给上位机；
下位机控制系统主要包括中央控制模块、无线通信模块、伺服电机及运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块；
控制系统硬件电路主要包括中央控制模块、无线通信模块、舵机运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块；机器人的硬件功能主要通过中央控制模块实现与地面的上位机之间的通信，执行上位机传过来的指令，并上传摄像机和其他传感器采集的数据，通过图像处理，增加用于训练神经网络的图片集；将获取的桥梁支座病害照片划分训练集和测试集；建立卷积神经网络，得到具有自动识别桥梁支座病害功能的神经网络模型；掌握支座有无裂纹、脱空，计算裂纹尺寸及脱空程度。
更进一步地，所述定期巡检无人机主要包括无人机旋翼、前向距离感知模块、摄像机云台、高清摄影测量相机、左侧距离感知模块、微型GPS定位导航模块、后向距离感知模块、右侧距离感知模块、顶部距离感知模块；
高清摄影测量相机为采集支座图像数据的高清摄像机，以旋转云台的方式设置在无人机的机身顶部，多角度拍摄桥梁支座结构及周围环境的多视角照片；
微型GPS定位导航模块，设置在无人机的机身顶部，用于确定无人机在作业过程中航向及位置信息，实现精准定位；
前向感知模块、左侧距离感知模块、后向距离感知模块、右侧距离感知模块及顶部距离感知模块为激光测距传感器，分别检测不同方位的障碍物，将障碍物与无人机之间的距离信息实时通过信号传输系统传送回动力装置及飞行控制系统进行处理，获得实时飞行路径，并指挥无人机的飞行路径；
无人机设置信号传输与通信模块，用于接收处理器传输来的处理后的状态数据和影像数据，并将处理后的状态数据和影像数据传输到地面接收站，进行后续人工检查。
根据本发明的又一个方面，提供了一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测方法，该方法利用智能支座单元实时监测重点支座的受力情况，利用桥梁检测爬行机器人对问题支座进行典检，利用无人机进行巡检，然后根据三者得到监测和检测数据进行桥梁支座损伤等级评定。具体方法包括：
智能支座单元为智能盆式橡胶支座，智能盆式橡胶支座基于光纤光栅传感器实现对支座压力信号的获取，当支座受到竖向承载力时，光纤光栅能准确感知压力载荷变化，通过输出压力波长信号传输到解调仪上并显示出来，解调仪与无线路由器连接，将压力载荷数据无线传送到互联网终端，终端设备接收数据、分析及处理后直观显示支座实际荷载并与支座正常使用荷载进行对比，计算风险系数，如果风险系数达到限值，立即发送给桥梁运维中心，桥梁运维中心进行人工确认，对支座进行下一步问题典查；
桥梁支座受力载荷达到风险界限时，经桥梁运维中心确认后，启动问题典查，利用桥梁检测爬行机器人进行支座局部细节及裂缝的精细检测；
桥梁检测爬行机器人利用仿生学原理，模仿壁虎翻越墙壁在桥梁下部对支座裂缝移位情况进行检查，桥梁检测爬行机器人由机械结构平台、视觉系统、控制系统三部分组成；
视觉系统装载在机械接结构平台上，用于对桥梁支座进行近距离裂缝、脱空、移位这些外观细节检测，控制系统用于远程控制机械平台及视觉系统工作；
控制系统控制系统硬件电路主要包括中央控制模块、无线通信模块、舵机运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块等。通过中央控制模块实现与地面的上位机之间的通信，执行上位机传过来的指令，并上传摄像机和其他传感器采集的数据，通过图像处理，增加用于训练神经网络的图片集；建立卷积神经网络，得到具有自动识别桥梁支座病害功能的神经网络模型；掌握支座有无裂纹、脱空，计算裂纹尺寸及脱空程度，达到极限值则需更换支座；
无人机定期巡检：在无人机顶部以旋转云台的方式设置高清摄像头，并安装GPS、测距仪这些检测传感设备，多角度转动拍摄桥梁支座结构及周围环境的多视角照片，对桥梁下部及支座表观进行全面、高效、快捷检测；在无人机上设置信号传输与通信模块，将处理后的支座表观状态数据和影像数据远程传输到地面接收站，接收站接收到数据及图像后，相关管理人员通过目视判读的方式对支座锈蚀、支承垫石是否积水以及有无建筑遗留垃圾堆积这些问题进行检查判定，并根据实际情况安排工人进行清理维修。
本发明的优点：
本发明对桥梁支座开裂及裂缝的识别，利用桥梁检测爬行机器人吸附到病害位置处的结构表面，采集病害图像和病害表面内部损伤信息，并通过循环神经网络分析直接得到病害的几何信息。对于支座表观的锈蚀及垃圾堆积问题，本发明利用无人机搭载摄像平台对桥梁支座外观进行拍摄，通过图像处理分析，得到表观评估数据。虽然也有其他方法利用无人机进行桥梁图像拍摄，获取支座的表面裂缝，但桥梁支座属于桥梁下部结构，存在GPS信号弱、空间狭小等问题，无人机飞行安全存在风险。桥梁监测爬行机器人贴在在桥面下部爬行，近距离无线传输信号更稳定，信息更及时更精确。因此，利用两者特性实现的支座定期表观巡检和重点支座裂缝典检更加合理，进一步实现对桥梁支座状态和结构检测评估。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的实现结合定期巡检及典检的桥梁支座实时监测流程图；
图2为本发明的智能支座单元结构图；
图3为本发明的桥梁检测爬行机器人机械结构图；
图4为本发明的桥梁检测机器人控制系统图；
图5为本发明的桥梁检测机器人控制系统主控CPUSTM32控制板引脚图；
图6为本发明的桥梁定期巡检用无人机结构示意图。
附图标记：
21为支座上顶板、22为不锈钢板、23为聚四氟乙烯板、24为中间刚衬板、25为橡胶承压板、26为支座下底盆、27为光纤光栅应变传感器元件组；
31为机器人主体、32为俯仰关节、33为偏航关节、34为摄像头、35为运动腿、36为吸盘结构；
61为无人机旋翼、62为前向距离感知模块、63摄像机云台、64为高清摄影测量相机、65为左侧距离感知模块、66为无人机机身、67为微型GPS定位导航模块、68为后向距离感知模块、69为右侧距离感知模块、610为顶部距离感知模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1至图6
一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统，包括智能支座单元、桥梁检测爬行机器人及定期巡检无人机；
所述智能支座单元用于长期监测；
所述桥梁检测爬行机器人用于问题典检；
所述定期巡检无人机用于定期巡检。
所述智能支座单元包括上顶板21、不锈钢板22、聚四氟乙烯滑板23、中间钢板24、橡胶块25、下底盆26及光纤光栅应变传感器元件组27；
所述上顶板21、不锈钢板22、聚四氟乙烯滑板23、中间钢板24及橡胶块25放置于下底盆26内部，在底盆的内侧壁上，其和橡胶板接触部位设置有凹槽，凹槽内螺栓固定有光纤光栅应变传感器元件组27，传感器通过贯穿底盆的导线和外部光纤连接。
所述桥梁检测爬行机器人主要包括机器人主体 31、俯仰关节32、偏航关节33、摄像头34、运动腿35及吸盘结构36；
所述机器人主体31结构包括电路板、单片机、电源和真空产生装置；
所述摄像头34由控制电路连接控制；
在机器人的主体31的左右两侧对称布置有四条运动腿35，相对机体呈
对称分布，每条运动腿35腿部都安装三个驱动伺服电机，驱动伺服电机通过单片机进行控制，每条运动腿的足部都带有真空吸盘结构36；
每条运动腿35的大腿与身体躯干位置安装一个驱动伺服电机，通过控制伺服电机来实现在垂直平面的旋转，从而控制腿关节的下落与抬起功能；
每条运动腿35的大腿与小腿之间安装一个驱动伺服电机，负责完成脚掌在水平面内的上下运动，实现脚掌在接触面的前后移动；
每条运动腿35的足部安装一个驱动伺服电机，负责电磁装置在接触面上的吸附与脱附工作，吸盘结构36产生吸附力可以承受机器人自身的重量以及机器人上搭载的检测设备和其他的仪器的重量；
在机器人主体31躯干中间区域增加俯仰关节32和偏航关节33两个驱动电机。
所述桥梁检测爬行机器人的控制系统主要包括上位机人机交互系统和下位机控制系统两部分；
上位机人机交互系统负责完成对桥梁检测爬行机器人的监控，通过无线通信模块实现与下位机控制系统实时通信传输，使操作人员能够通过无线通信实现对机器人远程控制；
下位机控制系统负责执行上位机发送的任务命令，控制机器人完成移动、翻越与摄像这些任务，并将传感器实时采集的机器人内外部环境状态数据传送给上位机；
下位机控制系统主要包括中央控制模块、无线通信模块、伺服电机及运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块；
控制系统硬件电路主要包括中央控制模块、无线通信模块、舵机运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块；机器人的硬件功能主要通过中央控制模块实现与地面的上位机之间的通信，执行上位机传过来的指令，并上传摄像机和其他传感器采集的数据，通过图像处理，增加用于训练神经网络的图片集；将获取的桥梁支座病害照片划分训练集和测试集；建立卷积神经网络，得到具有自动识别桥梁支座病害功能的神经网络模型；掌握支座有无裂纹、脱空，计算裂纹尺寸及脱空程度。
所述定期巡检无人机主要包括主要包括无人机旋翼61、前向距离感知模块62、摄像机云台63、高清摄影测量相机64、左侧距离感知模块65、微型GPS定位导航模块67、后向距离感知模块68、右侧距离感知模块69、顶部距离感知模块610；
高清摄影测量相机64为采集支座图像数据的高清摄像机，以旋转云台的方式设置在无人机的机身顶部，多角度拍摄桥梁支座结构及周围环境的多视角照片；
微型GPS定位导航模块67，设置在无人机的机身顶部，用于确定无人机在作业过程中航向及位置信息，实现精准定位；
前向感知模块62、左侧距离感知模块65、后向距离感知模块68、右侧距离感知模块69及顶部距离感知模块610为激光测距传感器，分别检测不同方位的障碍物，将障碍物与无人机之间的距离信息实时通过信号传输系统传送回动力装置及飞行控制系统进行处理，获得实时飞行路径，并指挥无人机的飞行路径；
无人机设置信号传输与通信模块，用于接收处理器传输来的处理后的状态数据和影像数据，并将处理后的状态数据和影像数据传输到地面接收站，进行后续人工检查。
一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测方法，包括：
智能支座单元为智能盆式橡胶支座，智能盆式橡胶支座基于光纤光栅传感器实现对支座压力信号的获取，当支座受到竖向承载力时，光纤光栅能准确感知压力载荷变化，通过输出压力波长信号传输到解调仪上并显示出来，解调仪与无线路由器连接，将压力载荷数据无线传送到互联网终端，终端设备接收数据、分析及处理后直观显示支座实际荷载并与支座正常使用荷载进行对比，计算风险系数，如果风险系数达到限值，立即发送给桥梁运维中心，桥梁运维中心进行人工确认，对支座进行下一步问题典查；
桥梁支座受力载荷达到风险界限时，经桥梁运维中心确认后，启动问题典查，利用桥梁检测爬行机器人进行支座局部细节及裂缝的精细检测；
桥梁检测爬行机器人利用仿生学原理，模仿壁虎翻越墙壁在桥梁下部对支座裂缝移位情况进行检查，桥梁检测爬行机器人由机械结构平台、视觉系统、控制系统三部分组成；
视觉系统装载在机械接结构平台上，用于对桥梁支座进行近距离裂缝、脱空、移位这些外观细节检测，控制系统用于远程控制机械平台及视觉系统工作；桥梁检测爬行机器人主要由4条腿和机体组成，4条腿相对机体呈对称分布且结构设计基本完全一致，每条腿腿部都安装三个驱动伺服电机，足部安装吸盘吸附机构实现机器人爬墙、外直角过渡运动；
在躯干中间区域增加俯仰和偏航两个关节驱动，增大了机器人在过渡面爬行时的工作空间；
桥梁检测爬行机器人的硬件功能主要通过中央控制模块实现与地面的上位机之间的通信，执行上位机传过来的指令，并上传摄像机和其他传感器采集的数据，通过图像处理，增加用于训练神经网络的图片集；将获取的桥梁支座病害照片划分训练集和测试集；建立卷积神经网络，得到具有自动识别桥梁支座病害功能的神经网络模型；掌握支座有无裂纹、脱空，计算裂纹尺寸及脱空程度，达到极限值则需更换支座；
无人机定期巡检：在无人机顶部以旋转云台的方式设置高清摄像头，并安装GPS、测距仪这些检测传感设备，多角度转动拍摄桥梁支座结构及周围环境的多视角照片，对桥梁下部及支座表观进行全面、高效、快捷检测；在无人机上设置信号传输与通信模块，将处理后的支座表观状态数据和影像数据远程传输到地面接收站，接收站接收到数据及图像后，相关管理人员通过目视判读的方式对支座锈蚀、支承垫石是否积水以及有无建筑遗留垃圾堆积这些问题进行检查判定，并根据实际情况安排工人进行清理维修。
参照图2，为本发明提供的智能支座单元，其具有监测桥梁支座的载荷数据情况和健康状态的功能。
智能支座监测系统主要由智能支座单元、数据采集单元、数据传输单元及供电系统单元组成。本发明中的桥梁智能盆式橡胶支座利用光纤光栅传感器实现对支座压力信号的获取。智能支座单元主要有支座上顶板21、不锈钢板22、聚四氟乙烯板23、中间刚衬板24、橡胶承压板25、支座下底盆26、光纤光栅应变传感器元件组27组成。其中，支座上顶板21、不锈钢板22、聚四氟乙烯滑板23、中间钢板24、橡胶块25放置于下底盆26内部，在底盆的内侧壁上，其和橡胶板接触部位设置有凹槽，凹槽内螺栓固定有光纤光栅应变传感器元件组27，传感器通过贯穿底盆的导线和外部光纤连接。相邻的智能支座单元通过光缆组成光纤光栅网络，各监测线路通过一根光纤串接在一起接入支座外围的光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪直接与无线路由器连接，通过无线网络实现远距离传输发送至终端设备，光纤光栅解调仪与数据传输单元分别连接有UPS电源，每座桥共用一个光纤光栅局域网。
当支座受到竖向承载力时，光纤光栅组合模块能准确感知压支座所受载荷的应力变化，转换为光纤波长信号传输到光纤光栅解调仪上，解调仪直接与无线路由器连接，将利用光纤光栅传感器监测的支座受力数据通过无线传送到互联网终端，终端设备接收数据、分析及处理后直观显示支座实际荷载并与支座正常使用荷载进行对比，同时，结合数据采集技术，实现数据采集和分析保存等的自动化，出现异常时进行报警，实现远距离对支座载荷进行监测。
桥梁检测爬行机器人
参照图3为仿壁虎桥梁检测爬行机器人的机械结构图。桥梁检测爬行机器人以单片机为控制核心，实现其在桥墩壁面上的移动。桥梁检测爬行机器人主要由机器人主体31、俯仰关节32、偏航关节33、摄像头34、运动腿35 和吸盘结构36组成。机器人主体31 结构包含电路板、单片机、电源和真空产生装置，摄像头34 由控制电路连接控制。在机器人的主体31 的左右两侧对称布置有四条运动腿35，相对机体呈对称分布，结构设计基本完全一致，每条运动腿35腿部都安装三个驱动伺服电机，驱动伺服电机通过单片机进行控制，每条运动腿的足部都带有真空吸盘结构36。每条运动腿35的大腿与身体躯干位置安装一个驱动伺服电机，通过控制伺服电机来实现在垂直平面的旋转，从而控制腿关节的下落与抬起功能；每条运动腿35的大腿与小腿之间安装一个驱动伺服电机，负责完成脚掌在水平面内的上下运动，实现脚掌在接触面的前后移动；每条运动腿35的足部安装一个驱动伺服电机，负责电磁装置在接触面上的吸附与脱附工作，吸盘结构 36产生吸附力可以承受机器人自身的重量以及机器人上搭载的检测设备和其他的仪器的重量。除此之外，在机器人主体31躯干中间区域增加俯仰关节32和偏航关节33两个驱动电机，从而使机器人的腰关节自由度增加到了两个，增大机器人在过渡面爬行时的工作空间，提高其在运动过程中的灵活性。桥梁检测爬行机器人的运动腿采用铝合金材料，其他部分采用工程塑料，整体重量较轻，可以保证结构的牢固性机和壁面吸附的紧密性，防止运行过程中脱落。
参照图4为仿壁虎桥梁检测爬行机器人控制系统图。仿壁虎桥梁检测机器人的控制系统主要包括上位机人机交互系统和下位机控制系统两部分。上位机人机交互系统负责完成对桥梁检测爬行机器人的监控，通过无线通信模块实现与下位机控制系统实时通信传输，使操作人员能够通过无线通信实现对机器人远程控制；下位机控制系统负责执行上位机发送的任务命令，控制机器人完成移动、翻越与摄像等任务，并将传感器实时采集的机器人内外部环境状态数据传送给上位机。下位机控制系统主要包括中央控制模块（单片机）、无线通信模块、伺服电机及运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块等。中央控制模块（单片机）选择STM32F103ZET芯片。桥梁检测爬行机器人通过中央处理器（单片机）实现与地面的上位机之间的通信，执行上位机传过来的指令，并上传摄像机和桥梁其他传感器采集的数据；中央处理器（单片机）通过控制包括14个驱动伺服电机和4个吸盘结构来完成机器人爬墙、外直角过渡运动等。桥梁检测爬行机器人采用蓝牙定位，解决桥梁下部结构GPS信号无法接收的问题。电源模块采用锂电池，通过内部转压电路进行降压处理，并供给相应的电路器件。
中央控制模块（单片机）STM32F103ZET引脚与外部设备连接起来，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。STM32F103ZET控制板详细电路引脚图如图5，STM32F103ZET的11个I/O口作为PWM输出控制11个驱动伺服电机的转角，4个I/O口输出的控制信号作为脚掌吸附力控制端口，控制脚掌吸盘的吸附与释放。4个压力传感器和1个红外线传感器的数据采集占用5个ADC 接口。控制器SPI 串口外接一个 WIFI/蓝牙模块，负责与上位机通讯，进行数据的交换。
定期巡检无人机
参照图5为桥梁支座定期巡检用无人机结构示意图。定期巡检无人机主要由无人机旋翼61、前向距离感知模块62、摄像机云台63、高清摄影测量相机64、左侧距离感知模块65、微型GPS定位导航模块67、后向距离感知模块68、右侧距离感知模块69和顶部距离感知模块610组成。高清摄影测量相机64为采集支座图像数据的高清摄像机，以旋转云台的方式设置在无人机的机身顶部，可以多角度拍摄桥梁支座结构及周围环境的多视角照片，有效弥补了从单张照片中进行目视判读检测时视角偏差、死角、模糊等问题，显著提高了桥梁检测的准确性和效率。微型GPS定位导航模块67，设置在无人机的机身顶部，用于确定无人机在作业过程中航向，位置等信息，实现精准定位。前向感知模块62、左侧距离感知模块65、后向距离感知模块68、右侧距离感知模块69、顶部距离感知模块610为激光测距传感器，分别检测不同方位的障碍物，确保无人机与桥梁保持安全距离，并将障碍物与无人机之间的距离信息实时通过信号传输系统传送回动力装置及飞行控制系统进行处理，获得实时飞行路径，并指挥无人机的飞行路径。无人机设置信号传输与通信模块，用于接收处理器传输来的处理后的状态数据和影像数据，并将处理后的状态数据和影像数据传输到地面接收站，进行后续人工检查。
本发明包括：
智能支座监测系统
本发明中的智能支座监测系统具有远程监测桥梁支座的受力载荷数据和健康状态的功能，智能支座监测系统主要由智能支座单元、数据采集单元、数据传输单元及供电系统单元组成。本发明中的智能支座单元为智能盆式橡胶支座，智能盆式橡胶支座基于光纤光栅传感器实现对支座压力信号的获取，当支座受到竖向承载力时，光纤光栅能准确感知压力载荷变化，通过输出压力波长信号传输到解调仪上并显示出来，解调仪与无线路由器连接，将压力载荷数据无线传送到互联网终端，终端设备接收数据、分析及处理后直观显示支座实际荷载并与支座正常使用荷载进行对比，计算风险系数，如果风险系数达到限值，立即发送给桥梁运维中心，桥梁运维中心进行人工确认，对支座进行下一步问题典查。
桥梁支座受力载荷达到S10中的风险界限时，经桥梁运维中心确认后，启动问题典查，利用桥梁检测爬行机器人进行支座局部细节及裂缝的精细检测。
本发明中的桥梁检测爬行机器人利用仿生学原理，模仿壁虎翻越墙壁在桥梁下部对支座裂缝移位情况进行检查，桥梁检测爬行机器人由机械结构平台、视觉系统、控制系统三部分组成，视觉系统装载在机械接结构平台上，用于对桥梁支座进行近距离裂缝、脱空、移位等外观细节检测，控制系统用于远程控制机械平台及视觉系统工作。桥梁检测爬行机器人主要由4条腿和机体组成，4条腿相对机体呈对称分布且结构设计基本完全一致，每条腿腿部都安装三个驱动伺服电机，足部安装吸盘吸附机构实现机器人爬墙、外直角过渡运动等。除此之外，为了满足壁面过渡的需求，在躯干中间区域增加俯仰和偏航两个关节驱动，增大了机器人在过渡面爬行时的工作空间，提高其运动过程中的灵活性。。
控制系统硬件电路主要包括中央控制模块、无线通信模块、舵机运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块等。机器人的硬件功能主要通过中央控制模块实现与地面的上位机之间的通信，执行上位机传过来的指令，并上传摄像机和其他传感器采集的数据，通过图像处理，增加用于训练神经网络的图片集；将获取的桥梁支座病害照片划分训练集和测试集；建立卷积神经网络，得到具有自动识别桥梁支座病害功能的神经网络模型。掌握支座有无裂纹、脱空，计算裂纹尺寸及脱空程度，达到极限值则需更换支座。
无人机定期巡检。
在无人机顶部以旋转云台的方式设置高清摄像头，并安装GPS、测距仪等检测传感设备，多角度转动拍摄桥梁支座结构及周围环境的多视角照片，对桥梁下部及支座表观进行全面、高效、快捷检测。在无人机上设置信号传输与通信模块，将处理后的支座表观状态数据和影像数据远程传输到地面接收站，接收站接收到数据及图像后，相关管理人员通过目视判读的方式对支座锈蚀、支承垫石是否积水以及有无建筑遗留垃圾堆积等问题进行检查判定，并根据实际情况安排工人进行清理维修。
本发明提出了一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统及方法，该系统首先将桥梁支座检测划分为长期监测、定期巡检和问题典检三个层次。针对于支座长期监测，本发明结合物联网技术、传感器技术、数据传输与处理技术搭建智能支座监测系统，能够实时观测支座受力情况。当支座风险系数达到极限值时，进行问题典检，利用桥梁检测爬行机器人为工作平台，搭载光学照相机对处于狭小空间的问题支座进行全方位拍照与检测，对采集到的支座裂缝图片进行图像处理，通过神经网络识别损伤等级。同时，设置定期巡检，利用无人机搭载摄像平台对桥梁外观自动展开巡检，快速获取支座表观及周围宏观情况，判断是否存在支座锈蚀、支承垫石积水以及建筑遗留垃圾堆积等问题。
本发明利用智能支座实时监测重点支座的受力情况，利用桥梁检测爬行机器人对问题支座进行典检，利用无人机进行巡检，然后根据三者得到监测和检测数据进行桥梁支座损伤等级评定。
对桥梁支座开裂及裂缝的识别，本发明利用桥梁检测爬行机器人吸附到病害位置处的结构表面，采集病害图像和病害表面内部损伤信息，并通过循环神经网络分析直接得到病害的几何信息。
对于支座表观的锈蚀及垃圾堆积问题，本发明利用无人机搭载摄像平台对桥梁支座外观进行拍摄，通过图像处理分析，得到表观评估数据。虽然也有其他方法利用无人机进行桥梁图像拍摄，获取支座的表面裂缝，但桥梁支座属于桥梁下部结构，存在GPS信号弱、空间狭小等问题，无人机飞行安全存在风险。
桥梁监测爬行机器人贴在在桥面下部爬行，近距离无线传输信号更稳定，信息更及时更精确。因此，利用两者特性实现的支座定期表观巡检和重点支座裂缝典检更加合理，进一步实现对桥梁支座状态和结构检测评估。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统，其特征在于，包括智能支座单元、桥梁检测爬行机器人及定期巡检无人机；
所述智能支座单元用于长期监测；
所述桥梁检测爬行机器人用于问题典检；
所述定期巡检无人机用于定期巡检。
2.根据权利要求1所述的结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统，其特征在于，所述智能支座单元包括上顶板（21）、不锈钢板（22）、聚四氟乙烯滑板（23）、中间钢板（24）、橡胶块（25）、下底盆（26）及光纤光栅应变传感器元件组（27）；
所述上顶板（21）、不锈钢板（22）、聚四氟乙烯滑板（23）、中间钢板（24）及橡胶块（25）放置于下底盆（26）内部，在底盆的内侧壁上，其和橡胶板接触部位设置有凹槽，凹槽内螺栓固定有光纤光栅应变传感器元件组（27），传感器通过贯穿底盆的导线和外部光纤连接。
3.根据权利要求1所述的结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统，其特征在于，所述桥梁检测爬行机器人主要包括机器人主体（31）、俯仰关节（32）、偏航关节（33）、摄像头（34）、运动腿（35）及吸盘结构（36）；
所述机器人主体（31）结构包括电路板、单片机、电源和真空产生装置；
所述摄像头（34 ）由控制电路连接控制；
在机器人的主体（31）的左右两侧对称布置有四条运动腿（35），相对机体呈对称分布，每条运动腿（35）腿部都安装三个驱动伺服电机，驱动伺服电机通过单片机进行控制，每条运动腿的足部都带有真空吸盘结构（36）；
每条运动腿（35）的大腿与身体躯干位置安装一个驱动伺服电机，通过控制伺服电机来实现在垂直平面的旋转，从而控制腿关节的下落与抬起功能；
每条运动腿（35）的大腿与小腿之间安装一个驱动伺服电机，负责完成脚掌在水平面内的上下运动，实现脚掌在接触面的前后移动；
每条运动腿（35）的足部安装一个驱动伺服电机，负责电磁装置在接触面上的吸附与脱附工作，吸盘结构（36）产生吸附力可以承受机器人自身的重量以及机器人上搭载的检测设备和其他的仪器的重量；
在机器人主体（31）躯干中间区域增加俯仰关节（32）和偏航关节（33）两个驱动电机。
4.根据权利要求1所述的结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统，其特征在于，所述桥梁检测爬行机器人的控制系统主要包括上位机人机交互系统和下位机控制系统两部分；
上位机人机交互系统负责完成对桥梁检测爬行机器人的监控，通过无线通信模块实现与下位机控制系统实时通信传输，使操作人员能够通过无线通信实现对机器人远程控制；
下位机控制系统负责执行上位机发送的任务命令，控制机器人完成移动、翻越与摄像这些任务，并将传感器实时采集的机器人内外部环境状态数据传送给上位机；
下位机控制系统主要包括中央控制模块、无线通信模块、伺服电机及运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块；
控制系统硬件电路主要包括中央控制模块、无线通信模块、舵机运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块；机器人的硬件功能主要通过中央控制模块实现与地面的上位机之间的通信，执行上位机传过来的指令，并上传摄像机和其他传感器采集的数据，通过图像处理，增加用于训练神经网络的图片集；将获取的桥梁支座病害照片划分训练集和测试集；建立卷积神经网络，得到具有自动识别桥梁支座病害功能的神经网络模型；掌握支座有无裂纹、脱空，计算裂纹尺寸及脱空程度。
5.根据权利要求1所述的结合巡检与典检的桥梁支座实时监测系统，其特征在于，所述定期巡检无人机主要包括无人机旋翼（61）、前向距离感知模块（62）、摄像机云台（63）、高清摄影测量相机（64）、左侧距离感知模块（65）、微型GPS定位导航模块（67）、后向距离感知模块（68）、右侧距离感知模块（69）、顶部距离感知模块（610）；
高清摄影测量相机（64）为采集支座图像数据的高清摄像机，以旋转云台的方式设置在无人机的机身顶部，多角度拍摄桥梁支座结构及周围环境的多视角照片；
微型GPS定位导航模块（67），设置在无人机的机身顶部，用于确定无人机在作业过程中航向及位置信息，实现精准定位；
前向感知模块（62）、左侧距离感知模块（65）、后向距离感知模块（68）、右侧距离感知模块（69）及顶部距离感知模块（610）为激光测距传感器，分别检测不同方位的障碍物，将障碍物与无人机之间的距离信息实时通过信号传输系统传送回动力装置及飞行控制系统进行处理，获得实时飞行路径，并指挥无人机的飞行路径；
无人机设置信号传输与通信模块，用于接收处理器传输来的处理后的状态数据和影像数据，并将处理后的状态数据和影像数据传输到地面接收站，进行后续人工检查。
6.一种结合巡检与典检的桥梁支座实时监测方法，其特征在于，包括：
该方法利用智能支座单元实时监测重点支座的受力情况，利用桥梁检测爬行机器人对问题支座进行典检，利用无人机进行巡检，然后根据三者得到监测和检测数据进行桥梁支座损伤等级评定；
智能支座单元为智能盆式橡胶支座，智能盆式橡胶支座基于光纤光栅传感器实现对支座压力信号的获取，当支座受到竖向承载力时，光纤光栅能准确感知压力载荷变化，通过输出压力波长信号传输到解调仪上并显示出来，解调仪与无线路由器连接，将压力载荷数据无线传送到互联网终端，终端设备接收数据、分析及处理后直观显示支座实际荷载并与支座正常使用荷载进行对比，计算风险系数，如果风险系数达到限值，立即发送给桥梁运维中心，桥梁运维中心进行人工确认，对支座进行下一步问题典查；
桥梁支座受力载荷达到风险界限时，经桥梁运维中心确认后，启动问题典查，利用桥梁检测爬行机器人进行支座局部细节及裂缝的精细检测；
桥梁检测爬行机器人利用仿生学原理，模仿壁虎翻越墙壁在桥梁下部对支座裂缝移位情况进行检查，桥梁检测爬行机器人由机械结构平台、视觉系统、控制系统三部分组成；
视觉系统装载在机械接结构平台上，用于对桥梁支座进行近距离裂缝、脱空、移位这些外观细节检测，控制系统用于远程控制机械平台及视觉系统工作；
控制系统控制系统硬件电路主要包括中央控制模块、无线通信模块、舵机运动机构模块、吸附机构模块、传感器检测模块、电源模块；通过中央控制模块实现与地面的上位机之间的通信，执行上位机传过来的指令，并上传摄像机和其他传感器采集的数据，通过图像处理，增加用于训练神经网络的图片集；建立卷积神经网络，得到具有自动识别桥梁支座病害功能的神经网络模型；掌握支座有无裂纹、脱空，计算裂纹尺寸及脱空程度，达到极限值则需更换支座；
无人机定期巡检：在无人机顶部以旋转云台的方式设置高清摄像头，并安装GPS、测距仪这些检测传感设备，多角度转动拍摄桥梁支座结构及周围环境的多视角照片，对桥梁下部及支座表观进行全面、高效、快捷检测；在无人机上设置信号传输与通信模块，将处理后的支座表观状态数据和影像数据远程传输到地面接收站，接收站接收到数据及图像后，相关管理人员通过目视判读的方式对支座锈蚀、支承垫石是否积水以及有无建筑遗留垃圾堆积这些问题进行检查判定，并根据实际情况安排工人进行清理维修。
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