CN214311395U - 一种桥梁健康检测预警分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于桥梁检测技术领域，尤其涉及一种桥梁健康检测预警分析装置，包括受控载体、服务器和上位机，所述受控载体个数至少为五个，所述受控载体均电连接服务器和上位机；所述受控载体包括电源电路、单片机、树莓派、IIC接口电路、GPS电路、PWM输出电路、温度传感器电路、光照传感器电路、大气压强传感器电路、行走电机、机械臂和摄像头。本实用新型提供一种检测具有实时性、检测工作量小、检测效率高且不影响桥梁通行的桥梁健康检测预警分析装置。

Description

一种桥梁健康检测预警分析装置

技术领域

本实用新型属于桥梁检测技术领域，尤其涉及一种桥梁健康检测预警分析装置。

背景技术

目前，我国已建桥梁工程中混凝土桥梁达90％以上，因自然灾害及荷载长期作用下，桥梁在运营阶段往往会出现结构安全性、耐久性下降的趋势，甚至造成严重经济损失。为全面了解桥梁结构状态是否健康，减少“疲劳带病”状态的发生，做好桥梁结构健康检测显得尤为关键。

桥梁检查主要分为桥梁经常检查与桥梁特殊检查两类，其中桥梁经常检查包括桥梁日常巡查和桥梁定期检查，桥梁日常巡查一般一月一次，由路段养护人员或桥梁养护人员负责。其目的是随时掌握桥梁技术状态，确保桥梁结构功能正常，发现问题及时采取应对措施，对需要做进一步检查和维修的桥梁写出报告。暴风雨和洪水过后，对桥梁要加大检查频率。

现有技术中主流的桥梁检测的方式，使用桥梁检测车，桥梁检测车是一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器,用于流动检测和(或)维修作业的专用汽车。每过一定时间，桥梁检测车与工作人员会对指定桥梁进行一次检修，受此种方式限制他的检测一定是周期性的，并且在检测期间会对桥梁的通行造成影响，每次检测需要花费大量人力物力，使得检测工作量大且工作重复但又没有脱离人工。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种检测具有实时性、检测工作量小、检测效率高且不影响桥梁通行的桥梁健康检测预警分析装置。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种桥梁健康检测预警分析装置，包括受控载体、服务器和上位机，所述受控载体个数至少为五个，所述受控载体均电连接服务器和上位机；

所述受控载体包括电源电路、单片机、树莓派、IIC接口电路、GPS电路、PWM输出电路、温度传感器电路、光照传感器电路、大气压强传感器电路、行走电机、机械臂和摄像头，所述电源电路分别电连接单片机和树莓派，所述单片机分别电连接IIC接口电路、GPS电路、PWM输出电路和树莓派，所述IIC接口电路分别电连接温度传感器电路、光照传感器电路和大气压强传感器电路，所述PWM输出电路电连接行走电机、机械臂，所述树莓派分别电连接摄像头、服务器和上位机。

进一步，所述单片机还分别电连接SWD下载电路、BOOT选择电路、USB转TTL串口电路。

进一步，所述电源电路包括12V转5V降压电路、5V转3.3V降压电路和滤波电路，所述5V转3.3V降压电路分别电连接12V转5V降压电路、滤波电路和单片机，所述12V转5V降压电路电连接树莓派。

进一步，所述单片机还分别电连接晶振电路和复位电路。

进一步，所述单片机采用STM32F103ZET6型号单片机，所述树莓派采用4B型树莓派，所述摄像头采用CSI免驱摄像头，所述温度传感器电路采用DHT11数字温湿度传感器，所述光照传感器电路采用数字式环境光传感器。

本实用新型的有益效果为：

1、本装置的至少五个受控载体之间协调配合获取到每座桥梁上更多的健康状况相关数据，再将数据发送给服务器端和上位机，服务器将数据处理之后渲染在web页面。与现有技术桥梁检测车相比，本装置将桥梁检测车分解为五个受控载体同时去检测数据，不仅可以提高检测效率，而且受控载体的单片机、树莓派组成的主控系统体积较小，使得五个受控载体的检测不会影响桥梁通行。

2、本装置的桥梁检测过程中，受控载体通过各种传感器实时获取当前受控载体所处位置的各种相关参数数据，并且可以通过摄像头获取图像数据传给上位机与服务器，以及接收服务器或上位机的返回数据，进行标识有风险处，或是运行模式切换的相应操作；服务器保存受控载体发送的数据到数据库，web后端读取数据库数据后分析并渲染至前端。可见，本装置桥梁检测过程自动化操作程度高，与现有技术的人工利用桥梁检测车检测方式相比，本装置桥梁检测过程具有实时性且检测工作量小。

附图说明

图1是本实用新型一种桥梁健康检测预警分析装置的原理框图。

图2是本实用新型的受控载体的原理框图。

图3是本实用新型的单片机的电路图。

图4(a)-图4(b)是本实用新型的IIC接口电路的电路图。

图5是本实用新型的温度传感器电路的电路图。

图6是本实用新型的光照传感器电路的电路图。

图7是本实用新型的大气压强传感器电路的电路图。

图8(a)-图8(d)是本实用新型的PWM输出电路的电路图。

图9(a)-图9(d)是本实用新型的单片机与树莓派连接选择电路图。

图10是本实用新型的5V转3.3V降压电路的电路图。

图11是本实用新型的SWD下载电路的电路图。

图12是本实用新型的BOOT选择电路的电路图。

图13(a)-图13(b)是本实用新型的USB转TTL串口电路。

图14是本实用新型的晶振电路的电路图。

图15是本实用新型的复位电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-15所示，本实用新型提供一种桥梁健康检测预警分析装置，包括受控载体、服务器和上位机，受控载体个数至少为五个，受控载体均电连接服务器和上位机。

受控载体包括电源电路、单片机、树莓派、IIC接口电路、GPS电路、PWM输出电路、温度传感器电路、光照传感器电路、大气压强传感器电路、行走电机、机械臂和摄像头，电源电路分别电连接单片机和树莓派，单片机分别电连接IIC接口电路、GPS电路、PWM输出电路和树莓派，IIC接口电路分别电连接温度传感器电路、光照传感器电路和大气压强传感器电路，PWM输出电路电连接行走电机、机械臂，树莓派分别电连接摄像头、服务器和上位机。

其中，机械臂安装在履带车受控载体之上，在巡检时，可以进行排障、取样作业，当控制原理不变时，将机械臂搭载手爪，焊枪，喷枪等工具时也可以针对性的完成不同的工作。

单片机还分别电连接SWD下载电路、BOOT选择电路、USB转TTL串口电路。其中，SWD下载电路、BOOT选择电路、USB转TTL串口电路均为技术人员后期调试用接口电路。

电源电路包括12V转5V降压电路、5V转3.3V降压电路和滤波电路，5V转3.3V降压电路分别电连接12V转5V降压电路、滤波电路和单片机，12V转5V降压电路电连接树莓派。

单片机还分别电连接晶振电路和复位电路。

单片机采用STM32F103ZET6型号单片机，树莓派采用4B型树莓派，摄像头采用CSI免驱摄像头，温度传感器电路采用DHT11数字温湿度传感器，光照传感器电路采用数字式环境光传感器。

其中，STM32F103ZET6型号单片机可以同时输出超过20路自由调节的PWM波，足够满足各种控制的需求，除此之外负责搭载各种传感器采集数据，本装置的STM32F103ZET6型号单片机主要用来获取各种传感器设计以及一部分的控制驱动，通过串口与树莓派进行通信，获取树莓派得到的上位机与服务器传来的信息。

树莓派上面搭载了CSI摄像头，它将CSI摄像头获取到的每帧图像数据存为np数组，通过opencv编码为byte数组并通过UDP协议发送给上位机，同时又周期性的将图像帧数据发送给服务器。树莓派使用PWM来控制电机的速度、ADC来读取模拟量信号、外部中断口可以实时处理一些任务，通过TCP协议接收上位机发送的指令控制履带车、摄像头云台以及机械臂的运动，因为树莓派的标准PWM输出口有限，所以采用了树莓派通过外部中断控制STM32F103ZET6单片机来间接控制履带车、摄像头云台、以及机械臂的运动。

摄像头由两个SG90舵机控制转动，可以在水平180°、竖直120°的范围内自由转动，充分获取周围影像。同时摄像头还具有夜视功能，可以定时获取摄像头的图像数据识别是否为危险路，夜视功能使小车可以在昏暗环境或夜间正常工作。

实施例

如图1-2所示，五个受控载体可以安置在同一桥梁的不同位置，从五个位置同时检测桥梁健康状态，并将检测数据上传至服务器进行分析，对有风险的位置进行拍照标记与定位，并发出预警。

受控载体通过各种传感器实时获取当前受控载体所处位置的各种相关参数数据，并且可以通过摄像头获取图像数据传给上位机与服务器，以及接收服务器或上位机的返回数据，进行标识有风险处，或是运行模式切换的相应操作。

如图2所示，根据桥梁实际检测需求，当受控载体为履带车形式时，单片机通过PWM输出电路驱动行走电机使履带车行走，电源电路为单片机和树莓派供电，单片机通过串口获取当前GPS电路定位数据，通过IIC协议读取温度传感器电路的温度、光照传感器电路的光照强度、大气压强传感器电路的大气压强等参数数据，单片机将获取参数数据进行数据处理之后通过串口通信发送给树莓派；树莓派接收到参数数据并发送给服务器，同时每隔一定时间也会将当前摄像头获取的图像数据发送给服务器。

当受控载体处于上位机控制模式下，上位机可以控制受控载体实时运动；当受控载体处于服务器控制模式下，则采用模式切换控制方式，例如让受控载体在自动巡检模式中自动按照既定路线行驶，将路上的图像数据传到服务器，之后切换为定点检查模式让受控载体直接前往之前服务器回传信息中有裂纹的地点，进行仔细勘察并且做记号。

根据桥梁实际检测位置需求，同一检测桥上的多个受控载体可以采用不同的机械结构与功能选择设计，比如受控载体可以为履带车、多足机器人、利用涵道负压实现的可以吸附在桥体上的特殊机器人、多旋翼飞行器、普通车型机器人等多种形式，多个受控载体之间相互合作，分别获取不同的数据信息以更好的完成桥梁健康检测的任务。

服务器接收树莓派发送的数据并存储数据库中，web后端读取数据库数据后分析并渲染至前端。服务器装有Mysql8.0数据库、Tomcat7以及Nodejs 14.15.0、OpenCV等基本环境，以保证后续功能的完善。图片等关键历史数据将存在数据库中，以供前端页面读取。

上位机用于实际运用时工作人员定期对受控载体进行检查维修，当上位机进入某个受控载体的可接收信号范围内之后，受控载体会自动连接到上位机所处的局域网之内，手持上位机的工作人员可以通过上位机实时获取某一个确定的受控载体端所获取的所有数据并且对之进行单独调试维修，上位机与树莓派之间通过socket通信，可以实时获取到已连接受控载体的具体情况和回传的各类数据。

上位机作为工作人员与受控载体交互的接口，上位机使用了Android Studio软件编写调试，使用户可以在手机端通过app接收受控载体获取的所有数据信息，并控制受控载体的运动，本装置的app支持接收树莓派的数据回传包括传感器数据与视频流、发送指令给受控载体、手动拍照。上位机与树莓派进行TCP连接之后进行数据传输，接收相应数据并以textview文本控件构件一个数据文本框，将受控载体行进速度、环境温度、湿度、光照强度等显示在app界面上。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种桥梁健康检测预警分析装置，其特征在于：包括受控载体、服务器和上位机，所述受控载体个数至少为五个，所述受控载体均电连接服务器和上位机；

所述受控载体包括电源电路、单片机、树莓派、IIC接口电路、GPS电路、PWM输出电路、温度传感器电路、光照传感器电路、大气压强传感器电路、行走电机、机械臂和摄像头，所述电源电路分别电连接单片机和树莓派，所述单片机分别电连接IIC接口电路、GPS电路、PWM输出电路和树莓派，所述IIC接口电路分别电连接温度传感器电路、光照传感器电路和大气压强传感器电路，所述PWM输出电路电连接行走电机、机械臂，所述树莓派分别电连接摄像头、服务器和上位机。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁健康检测预警分析装置，其特征在于：所述单片机还分别电连接SWD下载电路、BOOT选择电路、USB转TTL串口电路。

3.根据权利要求1所述的一种桥梁健康检测预警分析装置，其特征在于：所述电源电路包括12V转5V降压电路、5V转3.3V降压电路和滤波电路，所述5V转3.3V降压电路分别电连接12V转5V降压电路、滤波电路和单片机，所述12V转5V降压电路电连接树莓派。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁健康检测预警分析装置，其特征在于：所述单片机还分别电连接晶振电路和复位电路。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁健康检测预警分析装置，其特征在于：所述单片机采用STM32F103ZET6型号单片机，所述树莓派采用4B型树莓派，所述摄像头采用CSI免驱摄像头，所述温度传感器电路采用DHT11数字温湿度传感器，所述光照传感器电路采用数字式环境光传感器。

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