CN106918812A - 基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置及方法，该装置包括超声波传感器阵列模块、数据采集模块、升降控制装置、下位机和上位机；超声波传感器阵列模块用于紧贴被测桥墩，且通过升降控制装置控制超声波传感器阵列模块上下移动；数据采集模块将采集数据变送后传送至下位机；下位机控制模块用于控制升降控制装置并测量超声波传感器阵列模块沿桥墩竖直方向上下移动距离，下位机将数据采集模块采集的数据融合并经过通信模块传送至上位机，上位机通过相关算法分析后获得桥墩检测结果。本发在明检测过程不需要潜水作业，相对安全；实现该方法的***原理简单，操作简便、试验结果直观可靠，符合保障公路桥梁安全运行的需要。

Description

基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水下桥墩检测领域，具体涉及一种基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测的无损检测装置及方法。

背景技术

桥墩是桥梁的重要结构之一，它不仅承受着桥梁的恒载和活载，还将它传递给地基。因此，它作为桥梁的重要组成部分，一旦出现问题，将会给桥梁带来重大安全隐患，甚至危及桥梁的承载能力或导致桥梁坍塌。桥梁经过一段时间运营后，往往会因为基础混凝土浇筑质量差或流水长期冲刷侵蚀等原因而出现病害，如桥墩淘空、倾斜、下沉、混凝土冲蚀、磨损、破损、露筋、锈蚀、夹泥和开裂等，这些病害均会危及桥梁的正常使用。

现有水下桥墩检测方法主要有潜水员检测、水下机器人检测和围堰排水检测。潜水员检测能达到的水下深度有限且存在安全隐患；水下机器人检测，遇水深急流时检测仪器难以平稳移动和视频探测器检测质量下降，影响检测效果，甚至无法进行；围堰排水检测，难度大、时间长且可行性差。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置及方法，能实现水下桥墩冲刷等损伤的无损检测。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置，包括超声波传感器阵列模块、数据采集模块、升降控制装置、下位机控制模块、带分析软件的上位机和通信模块；所述超声波传感器阵列模块用于在使用时紧贴被测桥墩，且通过升降控制装置控制超声波传感器阵列模块沿桥墩竖直方向上下移动；数据采集模块将超声波传感器阵列模块采集数据变送后传送至下位机控制模块；下位机控制模块用于控制升降装置并测量超声波传感器阵列模块沿桥墩竖直方向上下移动距离，下位机控制模块将超声波传感器阵列模块采集数据融合并经过通信模块传送至带分析软件的上位机，上位机分析软件通过相关算法分析后获得桥墩检测结果。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置及方法，具体包括以下步骤：

S1)建立空间三维直角坐标系；以水平面为XOY平面，桥墩竖直方向为Z轴，桥墩中心线和液位水平面交点为原点，建立桥墩检测空间三维坐标系；

S2)求取各超声波传感器空间三维坐标；方形环绕架在检测过程中平行于XOY平面，且相邻两边平行于X轴和Y轴，即第i个超声波传感器空间三维坐标为U_i＝(x_i,y_i,z_i)，其中x_i和y_i与传感器安装位置和方形环绕架尺寸有关，z_i为方形环绕架竖直方向行走距离；

S3)求取第i个传感器在t时刻测量桥墩表面点的空间三维坐标其计算公式如下：

其中，为第i个传感器在t时刻的空间三维坐标；为第i个传感器在t时刻的测量距离向量对应的坐标表达式，即且满足 为第i个超声波传感器在t时刻的测量距离；

S4)获得桥墩三维点阵云图数据，并进行三维表面绘制，重构桥墩的现场检测三维图像；

S5)根据设计文件，绘制桥墩三维图像；

S6)将现场检测三维图像和桥墩三维图像重合，识别出桥墩受损区域；

S7)计算受损区域面积。

进一步，在步骤S7)中，采用曲面积分计算方法计算受损面积，曲面积分公式如下：

其中，S表示受损区域面积。

进一步，在步骤S7)中，采用微元面积分计算方法计算受损面积，微元面积分公式如下：

S表示受损区域面积，为受损区域中的第i个微元单位面积；

其中，为损伤区域中第i个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i个超声波传感器在t-1时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i+1个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i+1个超声波传感器在t-1时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标。

进一步，还包括步骤S8)露筋识别；通过计算受损区域钢筋保护层脱落深度是否达到设计厚度来识别露筋情况，具体方法如下：

其中，Q为露筋识别结果；为损伤区域中第i个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；l为桥墩测点表面至中心轴距离设计值；d钢筋保护层厚度设计值。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明能可靠检测水下桥墩受损情况，检测结果不受水深急流影响；检测过程不需要潜水作业，相对安全；实现该方法的***原理简单，操作简便、试验结果直观可靠，符合保障公路桥梁安全运行的需要。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的原理框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置，包括超声波传感器阵列模块、数据采集模块、升降控制装置、下位机控制模块、带分析软件的上位机和通信模块；所述超声波传感器阵列模块用于在使用时紧贴被测桥墩，且通过升降控制装置控制超声波传感器阵列模块沿桥墩竖直方向上下移动；数据采集模块将超声波传感器阵列模块采集数据变送后传送至下位机控制模块；下位机控制模块用于控制升降装置并测量超声波传感器阵列模块沿桥墩竖直方向上下移动距离，下位机控制模块将超声波传感器阵列模块采集数据融合并经过通信模块传送至带分析软件的上位机，上位机分析软件通过相关算法分析后获得桥墩检测结果。电源模块主要负责给各模块供电。

基于上诉***，本发明还提供了一种基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测方法，具体包括以下步骤：

(1)建立空间三维直角坐标系；以水平面为XOY平面，桥墩竖直方向为Z轴，桥墩中心线和液位水平面交点为原点，建立桥墩检测空间三维坐标系。

(2)求取各传感器空间三维坐标；超声波传感器每隔一定间距安装在方形环绕架四条边上，组成4个方向的超声波传感器阵列，方形环绕架在检测过程中平行于XOY平面，且相邻两边平行于X轴和Y轴，即第i个传感器空间三维坐标为U_i＝(x_i,y_i,z_i)，其中x_i和y_i与传感器安装位置和方形环绕架尺寸有关；z_i为方形环绕架竖直方向行走距离。

(3)求取第i个传感器在t时刻测量桥墩表面点的空间三维坐标其计算公式如下：

其中，为第i个传感器在t时刻的空间三维坐标；为第i个传感器在t时刻的测量距离向量对应的坐标表达式，即且满足 为第i个超声波传感器在t时刻的测量距离。

(4)根据上述方法获得桥墩三维点阵云图数据后，进行三维表面绘制，重构桥墩三维图像。

(5)根据设计文件，绘制桥墩三维图像。

(6)将现场检测三维图像和桥墩设计图像重合，通过算法自动识别或人工识别勾勒出桥墩受损区域。

(7)受损面积计算；根据受损区域计算受损面积可采用曲面积分或微元面积计算方法，其中曲面积分公式如下：

微元面积计算方法公式如下：

为受损区域中的一个微元单位面积，受损区域通过图像对比获得；

其中，为损伤区域中第i个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i个超声波传感器在t-1时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i+1个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i+1个超声波传感器在t-1时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标。

(8)露筋识别，通过计算受损区域钢筋保护层脱落深度是否达到设计厚度来识别露筋情况，具体方法如下：

其中，Q为露筋识别结果；为损伤区域中第i个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；l为桥墩测点表面至中心轴距离设计值；d钢筋保护层厚度设计值。

本发明能可靠检测水下桥墩受损情况，检测结果不受水深急流影响；检测过程不需要潜水作业，相对安全；实现该方法的***原理简单，操作简便、试验结果直观可靠，符合保障公路桥梁安全运行的需要。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置，其特征在于：包括超声波传感器阵列模块、数据采集模块、升降控制装置、下位机控制模块、带分析软件的上位机和通信模块；所述超声波传感器阵列模块用于在使用时紧贴被测桥墩，且通过升降控制装置控制超声波传感器阵列模块沿桥墩竖直方向上下移动；数据采集模块将超声波传感器阵列模块采集数据变送后传送至下位机控制模块；下位机控制模块用于控制升降装置并测量超声波传感器阵列模块沿桥墩竖直方向上下移动距离，下位机控制模块将超声波传感器阵列模块采集数据融合并经过通信模块传送至带分析软件的上位机，上位机分析软件通过相关算法分析后获得桥墩检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置，其特征在于：所述传感器阵列模块设置于方形环绕架上，方形环绕架围绕被测桥墩设置；方形环绕架由4根等长的直安装件围绕桥墩拼装而成，相邻两边相互垂直；超声波传感器每隔一定间距安装在方形环绕架四条边上，组成4个方向的超声波传感器阵列。

3.利用权利要求2所述的基于超声测距和三维重构技术的水下桥墩检测装置进行检测的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1)建立空间三维直角坐标系；以水平面为XOY平面，桥墩竖直方向为Z轴，桥墩中心线和液位水平面交点为原点，建立桥墩检测空间三维坐标系；

S2)求取各超声波传感器空间三维坐标；方形环绕架在检测过程中平行于XOY平面，且相邻两边平行于X轴和Y轴，即第i个超声波传感器空间三维坐标为U_i＝(x_i,y_i,z_i)，其中x_i和y_i与传感器安装位置和方形环绕架尺寸有关，z_i为方形环绕架竖直方向行走距离；

S3)求取第i个传感器在t时刻测量桥墩表面点的空间三维坐标其计算公式如下：

$D_i^t=U_i^t+{\stackrel{\→}{L}}_i^t$

其中，为第i个传感器在t时刻的空间三维坐标；为第i个传感器在t时刻的测量距离向量对应的坐标表达式，即且满足 为第i个超声波传感器在t时刻的测量距离；

S4)获得桥墩三维点阵云图数据，并进行三维表面绘制，重构桥墩的现场检测三维图像；

S5)根据设计文件，绘制桥墩三维图像；

S6)将现场检测三维图像和桥墩三维图像重合，识别出桥墩受损区域；

S7)计算受损区域面积。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在步骤S7)中，采用曲面积分计算方法计算受损面积，曲面积分公式如下：

$S=\underset{O_{xy}}{\∫\∫}f(x,y,z)dxdy+\underset{O_{xz}}{\∫\∫}f(x,y,z)dxdz+\underset{O_{yz}}{\∫\∫}f(x,y,z)dydz$

其中，S表示受损区域面积。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在步骤S7)中，采用微元面积分计算方法计算受损面积，微元面积分公式如下：

$S={\mathrm{\Σ\ΔS}}_i^t$

S表示受损区域面积，为受损区域中的第i个微元单位面积；

$m=\sqrt{{(x_i^{t-1}-x_{i+1}^{t-1})}^2+{(y_i^{t-1}-y_{i+1}^{t-1})}^2+{(z_i^{t-1}-z_{i+1}^{t-1})}^2};$

$n=\sqrt{{(x_i^t-x_{i+1}^t)}^2+{(y_i^t-y_{i+1}^t)}^2+{(z_i^t-z_{i+1}^t)}^2};$

其中，为损伤区域中第i个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i个超声波传感器在t-1时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i+1个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；为损伤区域中第i+1个超声波传感器在t-1时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：还包括步骤S8)露筋识别；通过计算受损区域钢筋保护层脱落深度是否达到设计厚度来识别露筋情况，具体方法如下：

其中，Q为露筋识别结果；为损伤区域中第i个超声波传感器在t时刻的测量桥墩表面点的空间三维坐标；l为桥墩测点表面至中心轴距离设计值；d钢筋保护层厚度设计值。