一种闸墩侧面浅层病害结构快速检测装置及方法与流程
- 国知局
- 2024-08-30 14:56:59
本发明涉及工程质量检测,尤其涉及一种闸墩侧面浅层病害结构快速检测装置及方法。
背景技术:
1、随着现代基础设施建设的不断推进,水工建筑物如闸门、闸墩等设备的长期运行与老化问题逐渐凸显。闸墩作为水工建筑物中的重要组成部分,其结构的完整性和安全性直接关系到整个水利设施的稳定运行。然而,闸墩侧面浅层病害由于其隐蔽性和复杂性,往往难以被及时发现和处理,给水利设施的安全运行带来了巨大隐患。
2、目前,传统的闸墩侧面浅层病害检测方法主要依赖于人工目视检查、敲击检测等手段,这些方法不仅效率低下,而且易受人为因素影响,难以保证检测的准确性和可靠性。同时,针对大尺寸构筑物的侧面检测人员难以直接达到问题,采用高空飞人或者脚手架的方式会增加检测人员的安全风险,同时也会增加检测成本。
技术实现思路
1、为了解决上述问题,本发明提出一种闸墩侧面浅层病害结构快速检测装置及方法,对于提高水利设施的运行安全性具有重要意义。
2、本发明采用的技术方案如下:
3、一方面,本发明提出一种闸墩侧面浅层病害结构快速检测装置,包括:顶层结构支架、纵向水平驱动电机、竖直导向轮组、纵向水平导轨、竖直移动驱动电机、竖直方向导轨、横向水平驱动电机、横向水平导轨、平衡配重端、传感器搭载端以及多源检测传感器。
4、其中,所述顶层结构支架设置于闸墩上方,所述纵向水平导轨设置于顶层结构支架的底部,所述纵向水平驱动电机能够带动竖直导向轮组沿纵向水平导轨进行纵向水平移动;所述竖直方向导轨设置于竖直导向轮组的底部,所述竖直移动驱动电机能够带动横向水平驱动电机沿竖直方向导轨进行竖直移动;所述横向水平导轨设置于竖直方向导轨的底部,所述横向水平驱动电机能够带动传感器搭载端沿横向水平导轨进行横向水平移动;所述平衡配重端设置于横向水平导轨上,用于使整个装置处于平衡状态;所述多源检测传感器设置于传感器搭载端上,用于对闸墩表面进行光学成像检测,并对闸墩内部结构进行雷达和声波检测。
5、进一步地,所述多源检测传感器包括光学摄像头、雷达天线和声波探头,所述光学摄像头位于多源检测传感器远离检测对象端面,用于检测对象表面的图像采集;所述雷达天线与声波探头的发射和接收面位于多源检测传感器靠近检测对象端面,其中雷达天线用于检测对象浅层表面的雷达反射信号采集,声波探头用于检测对象浅层表面的声波反射信号采集。
6、进一步地,所述传感器搭载端采用合页式结构,在横向水平驱动电机的作用下,使多源检测传感器能够与检测对象之间进行自找平式的接触耦合。
7、进一步地,所述顶层结构支架包括多个三角形组成的支架结构,用于固定整个装置,承担悬臂部分与非悬臂部分装置的重量,为整个装置的工作提供稳定的基础平台。
8、进一步地,纵向水平驱动电机与竖直导向轮组之间,竖直移动驱动电机与横向水平驱动电机之间,横向水平驱动电机与传感器搭载端之间,通过皮带或者链条的方式进行传导。
9、另一方面,本发明提出一种闸墩侧面浅层病害结构快速检测方法,包括:
10、通过远程控制横向水平驱动电机,并在横向水平导轨和平衡配重端的协同作用下,所述横向水平驱动电机推动多源检测传感器逐渐靠近闸墩检测区域;在传感器搭载端的辅助找平的基础上,所述多源检测传感器紧贴闸墩检测区域外表面;
11、所述多源检测传感器根据预设检测路径进行移动检测,通过光学摄像头、雷达天线和声波探头分别采集图像数据p、雷达数据r和声波数据s,且实时上传地面并进行存储;同时,通过纵向水平驱动电机和横向水平驱动电机内部的转角编码器记录多源检测传感器中心点所在检测区域的坐标位置(x,y),其中以检测区域的起始点a作为坐标原点(0,0);
12、当多源检测传感器沿检测路径完成检测区域的全部检测之后,所述多源检测传感器中心点到达检测区域的结束点b,完成闸墩侧面浅层病害结构检测。
13、进一步地,基于采集的图像数据p、雷达数据r和声波数据s进行数据处理,包括:
14、检测区域网格化:将检测区域划分成m*n的网格,即m行n列个小方格,第一行第一列小方格的中心与作为坐标原点(0,0)的起始点a重合,分别计算出不同小方格中心所在位置的坐标(xi,yi);
15、数据映射:将与不同小方格中心所在位置坐标(xi,yi)接近的检测区域坐标位置(x,y)所对应的图像数据p、雷达数据r和声波数据s分别映射到对应的小方格中,其中图像数据p为由多个像数点组成的图像信息,雷达数据r和声波数据s为对应的由时间和幅值组成的二维波形信号;映射后,第i行第j列小方格对应的图像数据为pij,第i行第j列小方格对应的雷达数据为rij,第i行第j列小方格对应的声波数据为sij;
16、数据完善:若小方格中心所在位置坐标(xi,yi)接近的检测区域坐标位置(x,y)没有所对应的图像数据p、雷达数据r和声波数据s,即存在数据丢失的情况,则第i行第j列小方格对应的图像数据pij取其相邻存在的数据,第i行第j列小方格对应的雷达数据rij取其相邻存在的数据,第i行第j列小方格对应的声波数据sij取其相邻存在的数据。
17、进一步地,基于数据处理结果进行数据可视化,包括:
18、水平数据可视化:将不同行的图像数据依次进行拼接,形成该行图像数据的可视化图像pi,即第i行小方格的图像数据为pi;将雷达数据r和声波数据s的二维波形信号的幅值进行归一化处理,按照幅值的大小转换成由图像信息,即二维波形信号对应的图像明暗与幅值大小成正比,通过图像的明暗信息来反映信号幅值的大小,并以二维波形信号对应的时间进行依次排列;将形成的不同行雷达图像数据依次进行拼接,形成该行雷达数据的可视化图像ri,即第i行小方格的雷达数据为ri;将不同行的声波数据依次进行拼接,形成该行声波数据的可视化图像si,即第i行小方格的声波数据为si;
19、竖直数据可视化:将不同行的图像数据pi依次进行拼接,形成检测区域图像数据的可视化图像pm;将不同行的雷达数据ri依次进行拼接,形成检测区域雷达数据的可视化图像rm;将不同行的声波数据si依次进行拼接,形成检测区域声波数据的可视化图像sm;
20、三维数据可视化:将多个雷达数据可视化图像rm进行插值与深度矫正处理,即利用时间序列与雷达信号传播速度之间的关系,形成代表实际探测深度为mm、纵向水平尺寸为nn、竖直尺寸为cc的三维雷达信号可视图rmv;将多个声波数据可视化图像sm进行插值与深度矫正处理,即利用时间序列与声波信号传播速度之间的关系,形成代表实际探测深度为mm、纵向水平尺寸为nn、竖直尺寸为cc的三维声波信号可视图smv;将三维雷达信号可视图rmv与三维声波信号可视图smv进行融合,形成代表实际探测深度为mm、纵向水平尺寸为nn、竖直尺寸为cc的闸墩侧面浅层病害检测区域三维图jmv;将闸墩侧面浅层病害检测区域三维图jmv的表面,按照检测顺序映射检测区域图像数据的可视化图像pm,从而实现同步融合图像数据、雷达数据和声波数据的三维数据可视化。
21、进一步地,若用jmv(a,b,c)表示三维图jmv中深度方向上a点、纵向水平方向上b点、竖直方向上c点处的三维图像单元,则表达式包括:
22、
23、其中,rmv(a,b,c)表示三维图rmv中深度方向上a点、纵向水平方向上b点、竖直方向上c点处的三维图像单元,rmv(a,b,c)=0表示该位置的三维图像单元不存在反射信号,rmv(a,b,c)≠0表示该位置的三维图像单元存在反射信号;smv(a,b,c)表示三维图smv中深度方向上a点、纵向水平方向上b点、竖直方向上c点处的三维图像单元,smv(a,b,c)=0表示该位置的三维图像单元不存在反射信号,smv(a,b,c)≠0表示该位置的三维图像单元存在反射信号;为雷达信号占比因子,为声波信号占比因子。
24、进一步地,基于数据可视化结果进行病害评估,包括:
25、表面病害评估:对图像数据pij进行二值化处理形成二值图像数据ppij,若用白色表示背景,即二值图像数据ppij对应的像数点ppij[p,q]为1;黑色表示病害区域,即二值图像数据ppij对应的像数点ppij[p,q]为0;若二值图像数据ppij对应的像数点ppij[p,q]为0的数量大于β*pq,则将图像数据pij对应的区域视为表面病害区域;若二值图像数据ppij对应的像数点ppij[p,q]为0的数量不大于β*pq,则将图像数据pij对应的区域视为非表面病害区域;表面病害区域函数用bm表示,bm(i,j)=1即为探测区域第i行第j列小方格对应表面病害区域;bm(i,j)=0即为探测区域第i行第j列小方格对应非表面病害区域;其中,pq表示二值图像数据ppij对应的总像数点数量,β表示表面病害评估因子;
26、基于雷达的内部病害评估:若可视化图像ri中幅值大于θ1的数量大于θ2*w1,则将可视化图像ri对应的区域视为内部病害区域;若可视化图像ri中幅值大于θ1的数量不大于θ2*w1,则将可视化图像ri对应的区域视为非内部病害区域;雷达内部病害区域函数用ln表示,ln(i,j)=1即为探测区域第i行第j列小方格对应表面病害区域;ln(i,j)=0即为探测区域第i行第j列小方格对应非表面病害区域;其中,θ1为雷达内部病害评估因子一,θ2为雷达内部病害评估因子二,w1为可视化图像ri中原始二维波形信号对应的采样点总数量;
27、基于声波的内部病害评估:若可视化图像si中幅值大于ɡ1的数量大于ɡ2*w2,则将可视化图像si对应的区域视为内部病害区域;若可视化图像si中幅值大于ɡ1的数量不大于ɡ2*w2,则将可视化图像si对应的区域视为非内部病害区域;声波内部病害区域函数用sn表示,sn(i,j)=1即为探测区域第i行第j列小方格对应表面病害区域;sn(i,j)=0即为探测区域第i行第j列小方格对应非表面病害区域;其中,ɡ1为声波内部病害评估因子一,ɡ2为声波内部病害评估因子二,w2为可视化图像si中原始二维波形信号对应的采样点总数量;
28、浅表层病害评估:基于表面病害和内部病害情况,计算浅表层病害区域函数,其中探测区域第i行第j列小方格对应的浅表层病害区域函数qc(i,j)值的表达式包括:
29、
30、其中,为浅表层病害评估因子一,为浅表层病害评估因子二,为浅表层病害评估因子三;浅表层病害区域函数qc(i,j)值越大,说明病害程度越严重;通过对多个区域的浅表层病害区域函数qc(i,j)值进行对比,从而实现不同病害区域的程度评估。
31、本发明的有益效果在于:
32、(1)本发明通过三维机械臂精细化同步扫描的方式,实现多源传感器的定焦式与贴合式的多源同步精细化数据采集。
33、(2)本方面通过三维机械臂,实现多源探测传感器与探测区域的表面接触,无需手持的方式进行接触式操控,能够实现工作人员难以到达区域的结构快速无损检测。
34、(3)本发明同步融合了图像数据、雷达数据和声波数据,能够实现多源数据的同步采集与同步评估,并通过数据处理,能够实现检测区域同步融合表面与内部数据的病害结构三维可视化。
35、(4)本发明方法能够将同步采集的多源数据进行快速处理,实现病害区域的二维与三维可视化,并能够从表面病害与内部病害的评价角度实现病害区域的多层次描述。
36、(5)本方面方法从图像与非图像的角度,能够实现直观与非直观的定量化病害区域的呈现与显示,能够为实际病害的治理提供更为直观和定性的数据来源。
37、(6)本发明方法评价函数融合了多种数据来源,能够实现多种数据结构之间的相互验证与补充。
38、(7)本发明的方法原理简单、结构设计巧妙、计算速度快、易于实施。
39、(8)本发明将机器视觉、雷达探测与声波探测技术相结合,通过机械装置对闸墩侧面进行快速、全面的检测,实现对浅层病害的准确定位和量化分析。同时,对检测数据进行深入分析,实现病害特征的三维可视化与评估,为后续的病害处理提供科学依据。
40、(9)本发明可丰富现有闸墩侧面浅层病害的检测技术,降低高空作业的风险,控制搭建专业检测平台的成本,提高水利设施的运行安全性,具有重要的理论价值和实践意义。同时,研究成果还可为类似水工建筑物的病害检测提供参考和借鉴,推动高空区域无损检测技术在水利工程领域的广泛应用。
41、(10)本发明适用于对各类大型构筑物侧面浅层病害结构进行快速检测,特别适用于人员难以直接接触的闸墩、桥墩等大尺寸构筑物的侧面质量检测,通过远程机械控制,能够快速实现检测区域的图像、声波和雷达信号的同步采集,并实现病害区域的快速评估。
42、综上所述,本发明结合闸墩以及其它构筑物存在的高空作业场景下无损检测难题,提供了一种闸墩侧面浅层病害结构快速检测机械装置及解译方法,实现高空环境下构筑物浅层病害的表面和内部结构的多源信息快速同步探测,通过具有三个维度动力和控制系统的机械装置实现检测区域的检测路径控制,实现高空环境下远程检测精细操控,大大降低高空作业带来的风险与平台成本,通过多采集数据的解译,能够实现检测区域从表面到内部的二维和三维结构可视化,形成更加接近真实结构的检测区域虚拟内部三维可视图像,从图像、雷达和声波三种信息的评价角度,实现浅层病害的快速评价,能够为后续的病害处理提供科学依据。本发明方法原理简单、结构设计巧妙、计算速度快、易于实现、使用方便,提高了大尺寸构筑物侧面无损检测的测量效率和精度,增加了检测结果的直观性,能起到节本增效的作用,同时,降低高空作业的风险,对于水利工程和大型构筑物的无损检测技术发展具有重要的指导意义。本发明方法是水利工程和大型构筑物无损检测的新方法和新一代技术,具有广阔的应用前景。
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