CN215415106U - 用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统及方法，检测系统包括轨道和扫描小车，轨道安装在机器人上，扫描小车安装在轨道上；轨道由若干个导轨组成，导轨之间通过连接板连接；导轨上设有第一接滑槽、第二滑槽、第三滑槽，扫描小车的底部安装有驱动轮和轮架；轮架包括第一轮子、第二轮子和第三轮子，第二轮子位于第一轮子和第三轮子中间；驱动轮与滑槽接触。本实用新型通过将导轨的两侧面和顶面均设置了滑槽，在底板的相连接的轮架底部对应的安装了三个轮子，通过第一轮子和第三轮子可以使得扫描小车绕着轨道移动，中间的第二轮子可以对底板进行限位，防止扫描小车在行走的过程中向两边晃动。

Description

用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统

技术领域

本实用新型涉及大型基础设施自动化检测、检测作业机器人、控制系统、图像测量控制、人工智能技术领域，具体涉及一种用于墩体结构病害检测机器人的检测系统及方法。

背景技术

随着我国国民经济的发展，大型基础设施如雨后春笋不断被修建，经过多年的发展我国已经成为基础设施保有大国，截止目前我国基础设施大部分已经进入使用和养护期。在使用过程中，由于运营和恶劣的环境条件，不断恶化运营性能，特别是基础设施承重墩体的裂缝会对整个结构的完整性和安全性造成严重的影响，为了防止结构失效，在未来很长一段时间内，基础设施运营养护将会成为重点。

为节约维修费用，墩体结构的健康检测成为近年来的难点和热点。在过去的几十年中，为了对现场桥墩进行检测，广泛地进行了目视检查。然而，专家的人工检查是相当劳动密集、不可靠的，且无法到达诸如高墩体的不可接近区域。

近年来出现了无人机检测方案，然而无人机在绕墩飞行方面存在重大缺陷，一方面受墩塔结构影响，其周围风向和风力发生不稳定随机突变，受该风力影响，无人机悬停精度受限，导致测量精度不能保证，无法实现墩塔表面细小裂缝的检测识别，另外，无人机在检测过程中因为GNSS信号遮挡丢失，无人机飞行只能人工操作，无法稳定进行环绕飞行，更无法实施自动多圈稳定绕飞。

无人机续航时间难以保证，常常需要多次换电池完成一次完整的检测，因此，很难保证两次检测点的连续进行，导致效率低下。加之，如果墩塔周围结构复杂(比如悬索)，无人机很容易和结构碰撞导致爆炸，对原结构造成二次损伤，安全性难以保证。

现有的是采用环形机器人环抱在墩体结构上，然后通过扫描小车绕着墩体进行检测。扫描小车在在环形轨道上行走时由于只有驱动轮，扫描小车所有的重量都集中在驱动轮上，为了减轻驱动轮的重量，还安装了从动轮，驱动轮要么与轨道的两侧接触，要么与轨道的顶部接触，由于扫描小车上安装有很多设备，扫描小车在绕着轨道移动时有可能会左右摇晃，导致扫描小车检测的数据有可能不准确。

发明内容

本实用新型针对目前扫描小车在检测时由于扫描小车的是与导轨的侧面或者顶部接触，这样扫描小车在轨道上移动时有可能左右晃动导致扫描小车检测的结果不是很准确的问题，提供一种用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统及方法。

为了实现上述发明目的，本实用新型提供了以下技术方案：

一方面，本实用新型提供了一种用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，包括环形的轨道和扫描小车，所述轨道安装在机器人上，所述扫描小车安装在所述环形的轨道上；所述轨道由若干个弧形的导轨组成，所述导轨之间通过连接板连接；所述导轨上设有第一滑槽、第二滑槽和第三滑槽；所述扫描小车的底部安装有驱动轮和轮架；所述轮架包括第一轮子、第二轮子和第三轮子，所述第二轮子位于所述第一轮子和第三轮子中间；所述第一轮子与所述第一滑槽接触连接，所述第二轮子与所述第二滑槽接触连接，所述第三轮子与所述第三滑槽接触连接；所述驱动轮与所述第一滑槽接触连接。

优选的，所述轮架还包括第一支架，所述第一支架安装在所述底板的底部，所述第一轮子、第二轮子和第三轮子均安装在所述第一支架上，所述驱动轮的前后两侧均安装有轮架。第一轮子、第二轮子和第三轮子均安装在所述第一支架上，这样只需要将第一支架安装在底板的底部即可，方便安装。

优选的，所述底板上安装有电池，所述电池上安装有主板，所述电池的一侧安装有工控机，所述电池的另一侧安装有第一编码器和电机，所述第一编码器远离电池的一侧安装有摄像头。

优选的，所述第一编码器的底部安装有编码器计米轮，所述编码器计米轮与所述第二滑槽接触连接。由于扫描小车在绕着轨道行走时有可能会被卡住，如果采用定时拍摄则有可能会出现一些对于的图片，加大后期处理的难度。

优选的，所述编码器计米轮与所述驱动轮之间连接有第一弹簧，编码器计米轮与驱动轮对应设置，通过第一弹簧可以调节驱动轮与第一滑槽之间的预紧力。

优选的，所述底板上还安装有滑轨，所述滑轨上安装有滑块，所述滑块上连接有第二支架，所述摄像头安装在所述第二支架上，所述滑轨用于调节所述摄像头与墩体之间的距离，滑轨沿着墩体半径方向安装。通过滑轨可以条二级摄像头与墩体之间的距离，从而调节摄像头的摄像宽度。且滑轨沿着指向圆心的半径方向安装以保证摄像头图像平面和检测端面法向垂直。

优选的，所述导轨的底部安装有支撑柱，螺钉穿过所述机器人上的主支架与支撑柱连接，所述支撑柱上设有凸起，所述支撑柱外套设有第二弹簧。导轨在安装在机器人上时，有可能有点不平，这样就会影响安装，在前期螺钉没有拧紧时，可以通过第二弹簧调节导轨，使得导轨能比较轻松地安装到机器人上。

优选的，所述连接板上设有条形孔，这样方便调节距离。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：本实用新型将圆形轨道设计为6段圆弧形可拆卸的导轨，且很方便的通过连接板连接，这样使得系统容安装且方便携带；此外，通过将导轨的两侧面和顶面均设置了滑轨，在底板的底部对应的安装了三个轮子，通过第一轮子和第三轮子可以使得扫描小车绕着圆形轨道移动，中间的第二轮子可以对底板进行限位，防止扫描小车在行走的过程中向两边晃动；再者，通过驱动轮和编码器计米轮的安装沿着环形轨道对称安装，且可通过弹簧调节驱动力，这样即保证了小车可靠行走又能够准确测量行走的距离。

另一方面，本实用新型还提供了一种用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测方法，包括以下步骤：

S1、通过上位机向主板发送指令，设定各个参数，主板控制电机转动，所述参数包括电机参数，摄像头参数等；

S2、扫描小车移动，第一编码器采集脉冲发送给主板，当采集的脉冲到达设定的脉冲值后，摄像头开始采集数据，采集完成后关闭摄像头；

S3、判断扫描小车是否完成一圈图像采集；

S4、如果没有完成，则重复步骤S2，如果完成了扫描小车停止移动，机器人上升或者下降设定高度后重复步骤S2。

优选的，所述步骤S2通过第一编码器采集脉冲后，主板计算出扫描小车每次行进的距离，当计算出的距离达到预设的距离时则扫描小车停止前进，摄像头开始摄像；当第一编码器检测到的距离等于预设的距离时，第一编码器清零；摄像头视场宽度为W，各个采集点之间的距离为L，所述L小于W；所述电机内设有第二编码器，所示第二编码器用于采集扫描小车从一开始的距离，当达到预设的墩体一整圈的周长时，则扫描小车完成一周数据采集。通过第一编码器采集摄像头从前一个采集点开始扫描小车行驶的脉冲数，主板将脉冲数计算成为距离，计算的距离达到预定的距离时则扫描小车停止行驶，进行采集，此时第一编码器的脉冲数量清零，为到达下一次的采集点做好准备。由于扫描小车在行驶过程中有可能会被卡住，如果定时拍摄的话，则有可能会采集到很多重复的数据，这样就加大了后续分析的工作。为了保证摄像头每次采集的数据重复的不要太多，本实用新型通过将上一个采集点到下一个采集点的距离设定得小于摄像头的市场宽度，这样使得每个采集点之间有一定的重合，但是L只是略小于W，不然重复太多。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：机器人运行到位后，扫描小车绕着墩体运行，当第一编码器检测到的脉冲达到设定值后，扫描小车停止，然后摄像头开始采集数据，扫描小车在运行的过程中，摄像头是关闭的，这样就可以节省电能，摄像头绕着墩体完成一圈采集后，机器人再载着扫描小车上升或者下降。本实用新型提供的检测方法简单、实用，相比于现有的人工采集效率高，相比于无人机采集更稳定。

附图说明：

图1为本实用新型提供的用于墩体结构病害检测机器人的检测系统的结构示意图；

图2为扫描小车的结构示意图一；

图3为扫描小车的结构示意图二；

图4为导轨的结构示意图；

图5为导轨的剖视图；

图6为检测方法的流程图；

图7扫描小车视觉采集点示意图。

图中标记：1-机器人，2-扫描小车，3-轨道，4-导轨，5-连接板，6-第一滑槽，7-滑轨，8-第三滑槽，9-底板，10-轮架，11-第一轮子，12-第二轮子，13-第三轮子，14-驱动轮，15-第一支架，16-电池，17-主板，18-工控机，19-第一编码器，20-电机，21-摄像头，22-编码器计米轮，23-第一弹簧，24-滑轨，25-滑块，26-第二支架，27-支撑柱，28-凸起，29-第二弹簧，30-条形孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图5所示，本实用新型提供了一种用于墩体结构病害检测机器人的检测系统，包括环形的轨道3和扫描小车2，所述环形的轨道3安装在机器人1上，所述扫描小车2安装在所述轨道3上。所述轨道3由若干个弧形的导轨4组成，所述导轨4之间通过连接板5连接，连接板5上设有条形孔30，这样可以可以适当调整位置，防止导轨4变形安装不上。本实用新型提供的轨道3由六段相同的导轨4组成，所述导轨4的底部安装有支撑柱27，螺钉穿过所述机器人1上的主支架与支撑柱27连接，所述支撑柱27上设有凸起28，所述支撑柱27外套设有第二弹簧29。每段导轨4的底部设有三个支撑柱27与机器人1连接，该结构能够保证在现场重组连接简便易行，节省时间。

所述导轨4的两侧以及顶部均分别设有第一滑槽6、第二滑槽7和第三滑槽8；所述扫描小车2包括底板9，所述底板9的底部安装有驱动轮14和轮架10，为了更好的将扫描小车2的重量转移到轨道3上使得驱动轮14的负载减小，因此在驱动轮14的前后均安装了轮架10。所述轮架10包括第一支架15、第一轮子11、第二轮子12和第三轮子13，第一轮子11、第二轮子12和第三轮子13安装在第一支架15上，第一支架15安装在底板9的底部所述第二轮子12位于所述第一轮子11和第三轮子13中间。所述第一轮子11与所述第一滑槽6接触连接，所述第二轮子12与所述第二滑槽7接触连接，所述第三轮子13与所述第三滑槽8接触连接；所述驱动轮14与所述第一滑槽6接触连接。在扫描小车2的底部安装了两套轮架10，保障了扫描小车2不仅可以自适应轨道3的弧度，而且可以将扫描小车2的重力传递给导轨4表面。驱动轮14与第一滑槽6形成摩擦副，扫描小车2的动力系统由扫描小车2底部中间的摩擦副提供，该摩擦副可以兼顾动力系统和编码计程两个功能，驱动轮14可以采用橡胶制作而成。第二轮子12可以限制扫描小车2在检测作业运动过程中沿着径向窜动，使其能够平稳运动。

在底板9上安装有电池16，所述电池16上安装有主板17，所述电池16的一侧安装有工控机18，所述电池16的另一侧安装有第一编码器19和电机20，所述第一编码器19远离电池16的一侧安装有摄像头21。工控机18与摄像头21连接，第一编码器19的底部安装有编码器计米轮22，编码器计米轮22安装在驱动轮14对应的位置，所述编码器计米轮22与所述第二滑槽7接触连接。编码器计米轮22与驱动轮14同步，通过第一编码器19可以检测出扫描小车2行走的脉冲。电机20最好选用伺服电机20，方便控制。为了能调节驱动轮14与第一滑槽6、编码器计米轮22与第二滑槽7之间的预紧力，因此在编码器计米轮22和驱动轮14之间连接有第一弹簧23，即在调节第一编码器19与电机20之间的距离即可调节预紧力。

主板17采用基于FPGA为核心的控制单元，不仅可以对第一编码器19进行高精度的数据采集、计数、精确解算扫描小车2走过的距离，通过行走距触发CCD像机进行同步扫描拍摄，而且能够通过主板17对电机20进行高精度的伺服控制，控制电机20以一定的速度灵活行走，另外，还可以和上位机进行通信，接受上位机的控制指令实现扫描方式和检测方式的灵活改变，并将系统运行的状态传递给主控上位机系统。

所述底板9上还安装有滑轨24，所述滑轨24上安装有滑块25，所述滑块25上连接有第二支架26，所述摄像头21安装在所述第二支架26上，所述第二滑槽7用于调节所述摄像头21与墩体之间的距离。所述滑轨24沿着墩体的半径方向安装，即滑轨24是指向墩体的圆心的，滑块25在滑轨24上滑动，以此调节摄像头21与墩体之间的距离。

如图5所示，所述导轨4的底部安装有支撑柱27，螺钉穿过所述机器人1上的主支架与支撑柱27连接，所述支撑柱27上设有凸起28，所述支撑柱27外套设有第二弹簧29。

扫描小车2可以携带相应的视觉检测扫描装置沿着导轨4自行行走完成视觉扫描检测，实现对墩体结构表面的全域视觉扫描。扫描小车2沿着轨道3行走一周，视觉检测扫描装置沿通过第一编码器19计算拍摄时间点，对触发照明和拍摄系统同步获取沿圆周的带状表面病害高精度图像。扫描小车2在上位机的控制下沿轨道3以一定的速度绕被检测墩体结构表面做圆周运动，在运动过程中在一定的时刻高速拍摄获取待检测表面的高清图像，并进行记录，为了保障所拍摄的图像清晰摄像头21和工控机18选取了一款高灵敏度整体曝光CCD像机，CCD像机曝光时间最小可设定为100μs。

组装过程：

1、将六段导轨4沿墩体圆周顺序摆放好。

2、组装重构环形导轨4组件。分别将6段导轨4的弧形导轨4两两对齐，将每一段下方的两个销钉插入机器人1的弧形架上所固定的支撑柱27上，将每段轨道3固定，基本重构成一个圆环结构，其中扫描小车2位于第一段轨道3中。

3、由于导轨4连接处可能出现对不准的现象，将导轨4连接板5放入各弧段链接处正上方的槽中，利用碟形螺丝在条形孔30中移动手动锁紧，消除导轨4连接处的接茬缝隙，保证检测小车的平稳行走，导轨4连接完成。

4、安装检测小车，将检测小车安装在导轨4上，安装供电锂电池16，连接供电线缆。

5、安装视觉检测系统，安装扫描的摄像头21，调节其到墩塔结构表面的距离，并安装补光照明系统，并将数据线和采集装置相连接。

6、连接硬件控制系统，将主板17和补光照明单元相连接。

7、环带扫描上电，将各组驱动器的供电锂电池16组和控制电路相连接，打开工控机18。

8、联动发送环带扫描检测指令，通过上位机给定扫描速度，发送环带检测指令，可以设置检测方式，为自动和控制方式，在自动方式下，系统在控制板的控制下自动扫描采集墩体结构表面的病害，并实施传输图像进行存储，在控制方式下系统可以通过按钮调整扫描方式。

9、拆卸扫描检测系统，完成检测。当完成检测后，首先将摄像头21、供电电池16拆除，然后按照相反的顺序将导轨4连接板5拆卸，最后将轨道3定位销拔出，然后放入收纳箱。

另一方面，本实用新型还提供了一种用于墩体结构病害检测机器人的检测方法，包括以下步骤：

S1、通过上位机向主板17发送指令，设定各个参数，主板17控制电机20转动，所述参数包括电机20参数，摄像头21参数等；比如设定机器人1是上升还是下降，以及爬行的速度，每次爬行的距离。

S2、扫描小车2移动，第一编码器19采集脉冲发送给主板17，当采集的脉冲到达设定的脉冲值后，摄像头21开始采集数据，采集完成后关闭摄像头21。第一编码器19采集脉冲后，主板17计算出扫描小车2每次行进的距离，当计算出的距离达到预设的距离时则扫描小车2停止前进，摄像头21开始摄像；当第一编码器19检测到的距离等于预设的距离时，第一编码器19清零；摄像头21视场宽度为W，各个采集点之间的距离为L，所述L小于W。通过第一编码器19采集摄像头21从前一个采集点开始扫描小车2行驶的脉冲数，主板17将脉冲数计算成为距离，计算的距离达到预定的距离时则扫描小车2停止行驶，进行采集，此时第一编码器19的脉冲数量清零，为到达下一次的采集点做好准备。由于扫描小车2在行驶过程中有可能会被卡住，如果定时拍摄的话，则有可能会采集到很多重复的数据，这样就加大了后续分析的工作。为了保证摄像头21每次采集的数据重复的不要太多，本实用新型通过将上一个采集点到下一个采集点的距离设定得小于摄像头21的市场宽度，这样使得每个采集点之间有一定的重合，但是L只是略小于W，不然重复太多。

S3、判断扫描小车2是否完成一圈图像采集；所述电机20内设有第二编码器，所示第二编码器用于采集扫描小车2从一开始的距离，当达到预设的墩体一整圈的周长时，则扫描小车2完成一周数据采集。

S4、如果没有完成，则重复步骤S2，如果完成了扫描小车2停止移动，机器人1上升或者下降设定高度后重复步骤S2。

检测方法：机器人1上升到位后，检测小车开始环绕行驶，第一编码器19将检测到的脉冲数传递到主板17，主板17计算出检测小测从开始以来的距离，当达到预设的距离L时则检测小车停止行驶，第一编码器19的数据清零，主板17控制摄像头21进行采集数据。摄像头21采集完数据后，主板17继续控制检测小车继续行驶，第一编码器19重新进行采集从上一次检测点开始的脉冲，第二编码器记录检测小车从最开始以来的脉冲，当第二编码器检测到的数据与预设的墩体一圈的时候，则检测小车停止行驶，机器人1上升预设的距离，检测小车在进行一圈的扫描，直到将整个墩体扫描完成。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，其特征在于，包括环形的轨道(3)和扫描小车(2)，所述轨道(3)安装在机器人(1)上，所述扫描小车(2)安装在所述环形的轨道(3)上；所述轨道(3)由若干个弧形的导轨(4)组成，各个所述导轨(4)之间通过连接板(5)连接；所述导轨(4)上设有第一滑槽(6)、第二滑槽(7)和第三滑槽(8)；所述扫描小车(2)包括底板(9)，所述底板(9)的底部安装有驱动轮(14)和轮架(10)；所述轮架(10)包括第一轮子(11)、第二轮子(12)和第三轮子(13)，所述第二轮子(12)位于所述第一轮子(11)和第三轮子(13)之间；所述第一轮子(11)与所述第一滑槽(6)接触连接，所述第二轮子(12)与所述第二滑槽(7)接触连接，所述第三轮子(13)与所述第三滑槽(8)接触连接；所述驱动轮(14)与所述第一滑槽(6)接触连接。

2.根据权利要求1所述的用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，其特征在于，所述轮架(10)还包括第一支架(15)，所述第一支架(15)安装在所述底板(9)的底部，所述第一轮子(11)、第二轮子(12)和第三轮子(13)均安装在所述第一支架(15)上，所述驱动轮(14)的前后两侧均安装有轮架(10)。

3.根据权利要求1所述的用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，其特征在于，所述底板(9)上安装有电池(16)，所述电池(16)上安装有主板(17)，所述电池(16)的一侧安装有工控机(18)，所述电池(16)的另一侧安装有第一编码器(19)和电机(20)，所述第一编码器(19)远离电池(16)的一侧安装有摄像头(21)。

4.根据权利要求3所述的用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，其特征在于，所述第一编码器(19)的底部安装有编码器计米轮(22)，所述编码器计米轮(22)与所述第二滑槽(7)接触连接。

5.根据权利要求4所述的用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，其特征在于，所述编码器计米轮(22)与所述驱动轮(14)之间连接有第一弹簧(23)。

6.根据权利要求3所述的用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，其特征在于，所述底板(9)上还安装有滑轨(24)，所述滑轨(24)上安装有滑块(25)，所述滑块(25)上连接有第二支架(26)，所述摄像头(21)安装在所述第二支架(26)上，所述滑轨(24)和滑块(25)用于调节所述摄像头(21)与墩体之间的距离；所述滑轨(24)沿着墩体半径方向安装。

7.根据权利要求1所述的用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，其特征在于，所述导轨(4)的底部安装有支撑柱(27)，螺钉穿过机器人(1)与支撑柱(27)连接，所述支撑柱(27)上设有凸起(28)，所述支撑柱(27)外套设有第二弹簧(29)。

8.根据权利要求1所述的用于墩体结构病害的环带视觉扫描检测系统，其特征在于，所述连接板(5)上设有条形孔(30)。

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