CN208329018U - 水下桩基外观完整性检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水下桩基外观完整性检测系统，包括：声学检测装置、光学检测装置、机械运动装置、综合控制处理系统和连接固定套件。本实用新型通过高分辨率一维线阵声纳和机械运动装置的组合应用，生成水下桩基三维点云图像，并通过断面对比分析桩基外观完整性，解决了浊水条件下桩基外观检测难题。在此基础上，应用光学检测装置弥补水面层等声学检测盲区缺陷，推动了水下桩基外观检测从经验性判断向科学定量检测的迈进。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下桩基外观完整性检测系统，属于水下结构检测领域。
背景技术
桩基础做为桥梁、码头等涉水工程的重要基础形式具有承载力高、沉降小、施工方便等优点，在我国应用十分广泛。但水下桩基由于自身耐久性相对较差，再加上常年受水流冲刷、化学腐蚀等不利因素作用，容易发生破损劣化。目前水下桩基检测以潜水员水下肉眼观察和探摸为主，该方法具有诸多弊端：（1）潜水员水下定位困难，不能进行系统全面的检测；（2）在浊水条件下，水下视觉和触觉误差大，检测结果可靠性不高；（3）恶劣的水文条件会对潜水员的生命安全造成威胁。除人工探摸外，水下摄像机也有所应用，但该方法同样受水质影响很大，适用于水质清澈的环境，并且只能进行局部检测，无法得到完整地水下桩基外观图像。因此研发一种适用于浊水条件的水下桩基外观检测系统，清晰完整的呈现水下桩基外观情况，具有十分重要的现实意义。
发明内容
为了解决浊水条件下桩基外观检测难题，更为科学准确的呈现及评价水下桩基外观，本发明提供了一种水下桩基外观完整性检测系统。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
提供一种水下桩基外观完整性检测系统，所述系统包括声学检测装置、光学检测装置、机械运动装置、综合控制处理系统和连接固定套件。
所述声学检测装置是以竖向一维线阵波束为基础的高分辨率声纳 101 为主，通过安装板 306 上的预留安装孔位与倾斜旋转云台 301 连接。高分辨率声纳 101 结合机械运动装置中云台的水平和倾斜旋转得到桩基外观三维点云图像。
所述光学检测装置包括高清摄像头 201 、辅助光源 202 、前置膜式清水罩 203、微型灌泄水装置 204 ，光学检测装置以高清摄像头 201 为主，四周配辅助光源 202 ；高清摄像头 201 前面为前置膜式清水罩 203 ，其四周为透明有机玻璃 203（2）与高清摄像头 201 外壳连为一体；其前端为透明橡胶膜 203 （1），充水后向外膨胀，抽水后收缩进有机玻璃内，高清摄像头通过输水孔 205与微型灌泄水装置204相连。
所述机械运动装置包括倾斜旋转云台 301 、水平旋转云台 302 、竖向伸缩机械臂 303 、横向伸缩机械臂 304 、固定底座 305 和声/光学检测装置安装板 306 ，所述机械运动装置的云台最顶端为固定底座 305 ，安装时与连接固定套件中的可调平连接件402 连接，固定底座 305 下方为“T”型水平旋转云台302 ，该云台可实现360°水平旋转，再下方为倾斜旋转云台 301 ，它与水平旋转云台 302 的横边相连，倾斜旋转云台 301 下方的安装板 306 ，预留声/光学检测装置安装孔位，安装完成后声/光学检测装置与倾斜旋转云台 301 同步运动，竖向伸缩机械臂303和横向伸缩机械臂 304 为一体式结构；竖向伸缩机械臂303通过固定螺栓402(1）与可调平连接件 402连接。横向伸缩机械臂 304通过螺栓与桩身固定架 401连接。
所述机械运动装置中的倾斜旋转云台 301和水平旋转云台 302满足声纳一维线阵波束的三维扫测覆盖需求；横向伸缩机械臂 304满足声学检测设备的最小测试距离要求0.5m和光学检测设备的最大测试距离要求 1m，竖向伸缩机械臂 303满足桩身不同高度位置的检测需求。
所述连接固定套件包括不同规格型号的桩身固定架 401、云台与机械臂之间的可调平连接件 402；可调平连接件 402 ，分上下两个底盘，上底盘通过固定螺栓 402-1 与竖向伸缩机械臂 303 连接，下底盘通过固定螺栓402(1）与水平旋转云台 302 连接；上下底盘之间通过三颗调平螺旋402(2）连接，且下底盘上安装有气泡水平仪402(3），调平螺旋402(2）和气泡水平仪402(3）用于声/光学检测设备初始安装位调平。
所述综合控制处理系统包含声纳采集控制模块、摄像机采集控制模块、微型灌泄水控制模块、机械运动控制模块（四个自由度）、光学检测画面与机械运动坐标数据时间同步处理模块、声学检测数据与机械运动坐标数据时间同步处理模块、声学点云数据去噪模块、声学点云数据断面分析模块。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1）通过高分辨率一维线阵声纳和机械运动装置的组合应用，生成水下桩基三维点云图像，成像结果不受水下浑浊度影响，解决了浊水条件外观成像问题。
2）在声学成像的基础上增加光学检测装置，一方面弥补了水面层的声学扫测盲区，另一方面对声学检测的缺陷怀疑区做辅助性验证检测，提高了检测结果的准确性。
3) 高清摄像头前增加前置膜式清水罩，通过前置膜与桩身的充分接触，排掉了摄像头与桩身之间的局部浊水，提高了成像清晰度。
4）将声/光学检测设备固定在四维机械运动装置上，使检测设备能够在最佳位置实现桩身的全覆盖扫描。
5）综合控制处理系统将机械运动装置坐标数据和声/光学检测数据的进行时间同步处理，赋予了声/光学检测数据位置坐标。在此基础上通过点云数据拼接，得到完整的水下桩基三维点云图，结果更为形象直观。
6）将桩身点云断面图与设计断面进行对比分析，实现了科学的定量检测。
附图说明
图1是本发明所述水下桩基外观完整性检测系统的整体结构图；
图2是水下桩基外观完整性检测系统的光学检测装置大样图；
图3是水下桩基外观完整性检测系统的云台大样图；
图4是水下桩基外观完整性检测系统可调平连接件大样图。
图中：101-声学检测装置；201-高清摄像头；202-辅助光源；203-前置膜式清水罩；203(1)-透明橡胶膜；203(2)-透明有机玻璃；204-微型灌泄水装置；205-输水孔；301-倾斜旋转云台；302-水平旋转云台；303-竖向伸缩机械臂；304-向伸缩机械臂；305-固定底座；306-声/光学检测装置安装板；401-身固定架；402-可调平连接件；402(1)-固定螺栓；402(2)-调平螺旋；402(3)-气泡水平仪。
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。
实施例1
如图1所示，本发明的水下桩基外观完整性检测系统，包括：声学检测装置、光学检测装置、机械运动装置、综合控制处理系统和连接固定套件。声学检测装置包括高分辨率声纳 101 。光学检测装置包括高清摄像头 201 、辅助光源 202 、前置膜式清水罩 203 、微型灌泄水装置 204 。机械运动装置包括倾斜旋转云台 301 、水平旋转云台 302 、竖向伸缩机械臂 303 、横向伸缩机械臂 304 。连接固定套件包括不同规格型号的桩身固定架401 、云台与机械臂之间的可调平连接件 402 。
声学检测装置是以竖向一维线阵波束为基础的高分辨率声纳 101 为主，通过安装板 306 上的预留安装孔位与倾斜旋转云台 301 连接。高分辨率声纳 101 结合机械运动装置中云台的水平和倾斜旋转得到桩基外观三维点云图像。
如图2所示，本发明的光学检测装置以高清摄像头 201 为主，四周配辅助光源202 ，增加水下画面清晰度。高清摄像头 201 前面为前置膜式清水罩 203 ，其四周为透明有机玻璃 203 （2）与高清摄像头 201外壳连为一体；其前端为透明橡胶膜 203（1），充水后向外膨胀，可与桩身密切接触，抽水后收缩进有机玻璃内，不会影响声纳扫测。高清摄像头通过输水孔 205 与微型灌泄水装置相连 204 。
如图3所示，本发明机械运动装置的云台最顶端为固定底座 305 ，安装时与可调平连接件 402 连接。固定底座 305 下方为“T”型水平旋转云台 302 ，该云台可实现360°水平旋转，再下方为倾斜旋转云台 301 ，它与水平旋转云台 302 的横边相连。倾斜旋转云台 301 下方的安装板 306 ，预留声/光学检测装置安装孔位，安装完成后声/光学检测装置与倾斜旋转云台 301 同步运动。竖向伸缩机械臂303和横向伸缩机械臂 304 为一体式结构。竖向伸缩机械臂303)通过固定螺栓402(1) 与可调平连接件 402 连接。横向伸缩机械臂 304 通过螺栓与桩身固定架 401 连接。
如图4所示，本发明连接固定套件的可调平连接件 402 ，分上下两个底盘，上底盘通过固定螺栓 402-1 与竖向伸缩机械臂 303 连接，下底盘通过固定螺栓402(1）与水平旋转云台 302连接。上下底盘之间通过三颗调平螺旋402(2）连接，且下底盘上安装有气泡水平仪402(3），调平螺旋402(2）和气泡水平仪402(3）用于声/光学检测设备初始安装位调平。
本发明综合控制处理系统包含声纳采集控制模块、摄像机采集控制模块、微型灌泄水控制模块、机械运动控制模块（四个自由度）、光学检测画面与机械运动坐标数据时间同步处理模块、声学检测数据与机械运动坐标数据时间同步处理模块、声学点云数据去噪模块、声学点云数据断面分析模块。控制处理系统对本发明所有硬件进行系统控制和数据处理。
实施例2
本发明的水下桩基外观完整性检测系统具体检测方法如下：
1）装置硬件连接：
依次连接桩身——II号连接件——机械伸缩臂——I号连接件——旋转云台——光学检测装置/声学检测装置；
2）声/光学检测设备初始安装位调平：
通过气泡水平仪和调平螺丝对声纳初始安装位调平；
3）检测零坐标调整：
机械运动装置四个自由度调整，使水下摄像机靠近桩身水平层并正对桩身，四个自由度数据调零，此位置即为初始测量零坐标
4）光学检测：
光学检测装置充水，清水罩与桩身密切接触，高清摄像头拍摄桩身水面层外观情况，机械伸缩臂和云台根据拍摄需要调整长度和角度。综合控制处理系统通过时间同步，将机械伸缩臂坐标数据输入摄像画面。
5）声学检测准备：
机械伸缩臂横向伸长到最大距离，满足声学检测装置工作最小距离要求，云台水平旋转180°，使声学检测装置正对桩身。
6）声学检测：
声学检测装置与云台水平旋转同步工作，综合控制处理系统通过时间同步和声学数据处理模块，得到断面范围内的点云数据。依次增加机械伸缩臂竖向长度，在不同深度处重复进行声纳水平旋转扫测。当机械伸缩臂达到最大竖向长度后，调整倾斜云台不同倾角，重复进行声纳水平旋转扫测。
7）点云数据处理
综合控制处理系统根据竖向坐标和倾斜角，拼接多次扫测得到的点云数据，形成完整的桩身点云图。
8）桩身点云断面分析
沿竖向每隔一段距离截取桩身断面点云图，将其与设计断面进行对比分析。
9）光学补充检测
对可能存在外观缺陷的断面，利用光学检测装置进一步摄像。
10）桩身完整性判断
综合点云断面分析结果和水下摄像情况，对水下桩基外观完整性进行综合判断。
本发明通过高分辨率一维线阵声纳和机械运动装置的组合应用，生成水下桩基三维点云图像，并通过断面对比分析外观完整性，解决了浊水条件下桩基外观检测难题。在此基础上，应用光学检测装置弥补水面层等光学检测盲区缺陷。本发明推动了水下桩基外观检测从经验性判断向科学定量检测的迈进。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种水下桩基外观完整性检测系统，其特征在于所述系统包括声学检测装置、光学检测装置、机械运动装置、综合控制处理系统和连接固定套件，通过多个装置数据的时间同步，可得到桩基外观三维点云图像和含有坐标位置的局部水下摄像画面。
2.根据权利要求1所述水下桩基外观完整性检测系统，其特征在于，所述声学检测装置是以竖向一维线阵波束为基础的高分辨率声纳（101）为主，通过安装板（306）上的预留安装孔位与倾斜旋转云台（301）连接，高分辨率声纳（101）结合机械运动装置中云台的水平和倾斜旋转得到桩基外观三维点云图像。
3.根据权利要求1所述水下桩基外观完整性检测系统，其特征在于，所述光学检测装置包括高清摄像头（201）、辅助光源（202）、前置膜式清水罩（203）、微型灌泄水装置（204），光学检测装置以高清摄像头（201）为主，四周配辅助光源（202）；高清摄像头（201）前面为前置膜式清水罩（203），其四周为透明有机玻璃（203（2））与高清摄像头（201）外壳连为一体；其前端为透明橡胶膜（203（1）），充水后向外膨胀，抽水后收缩进有机玻璃内，高清摄像头通过输水孔（205）与微型灌泄水装置（204）相连。
4.根据权利要求1所述水下桩基外观完整性检测系统，其特征在于，所述机械运动装置包括倾斜旋转云台（301）、水平旋转云台（302）、竖向伸缩机械臂（303）、横向伸缩机械臂（304）、固定底座（305）和声/光学检测装置安装板（306），所述机械运动装置的云台最顶端为固定底座（305），安装时与连接固定套件中的可调平连接件（402）连接，固定底座（305）下方为“T”型水平旋转云台（302），该云台可实现360°水平旋转，再下方为倾斜旋转云台（301），它与水平旋转云台（302）的横边相连，倾斜旋转云台（301）下方的安装板（306），预留声/光学检测装置安装孔位，安装完成后声/光学检测装置与倾斜旋转云台（301）同步运动，竖向伸缩机械臂(303)和横向伸缩机械臂（304）为一体式结构；竖向伸缩机械臂(303)通过固定螺栓402(1）与可调平连接件（402）连接，
横向伸缩机械臂（304）通过螺栓与桩身固定架（401）连接。
5.根据权利要求4所述水下桩基外观完整性检测系统，其特征在于，所述机械运动装置中的倾斜旋转云台（301）和水平旋转云台（302）满足声纳一维线阵波束的三维扫测覆盖需求；横向伸缩机械臂（304）满足声学检测设备的最小测试距离要求（0.5m）和光学检测设备的最大测试距离要求（1m），竖向伸缩机械臂（303）满足桩身不同高度位置的检测需求。
6.根据权利要求1所述水下桩基外观完整性检测系统，其特征在于，所述连接固定套件包括不同规格型号的桩身固定架（401）、云台与机械臂之间的可调平连接件（402）；可调平连接件（402），分上下两个底盘，上底盘通过固定螺栓（402-1）与竖向伸缩机械臂（303）连接，下底盘通过固定螺栓402(1）与水平旋转云台（302）连接；上下底盘之间通过三颗调平螺旋402(2）连接，且下底盘上安装有气泡水平仪402(3），调平螺旋402(2）和气泡水平仪402(3）用于声/光学检测设备初始安装位调平。
7.根据权利要求1所述水下桩基外观完整性检测系统，其特征在于，所述综合控制处理系统包含声纳采集控制模块、摄像机采集控制模块、灌泄水控制模块、机械运动控制模块（四个自由度）、光学检测画面与机械运动坐标数据时间同步处理模块、声学检测数据与机械运动坐标数据时间同步处理模块、声学点云数据去噪模块、声学点云数据断面分析模块。
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