CN108303426B - 一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道缺陷检测领域，并公开了一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置及其检测方法。所述机械臂包括多个连杆和关节点，该机械臂的同时与底盘和云台连接，用于调节云台的高度，云台上设置有红外热像仪和可见光摄像头，二者沿横向或纵向并列排列，拍摄隧道墙面的照片，用于检测隧道墙面是否存在裂纹和渗漏缺陷，该云台绕末端关节点水平旋转和俯仰运动时，使得红外热像仪和可见光摄像头检测位置相应发生变换；控制器设置在底盘上，通过底盘上的无线通信器与远程控制上位机连接，并进行数据的交互。同时本发明还公开了该检测装置的检测方法。通过本发明，实现检测速度快、检测精度高、无损检测和远程操控地对隧道检测。

Description

一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于隧道缺陷检测领域，更具体地，涉及一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置及其检测方法。

背景技术

随着我国经济的发展，综合国力的日益增强，交通建设得到迅速的发展，而我国山地众多，工程建设中经常需要修建大量的隧道，在长时间使用后，隧道会出现裂缝、空洞等常见的病害，如果不采取有效的对策，将严重影响隧道的通行安全。目前，国内对隧道缺陷的检测主要依靠人工检测，一般需要有着丰富经验的技术人员来实施，效率低且可靠度差，技术人员之间的检测结果经常出现不一致的情况。特别是在对隧道顶部进行检测时，一般要利用升降台帮助技术人员进行近距离观察，从而需要封闭交通，不仅费时费力而且安全性差。

近年来出现了运用检测车对隧道进行自动检测的方法，但检测车的价格十分昂贵，普及十分困难；随着城市建设的发展，地下电缆隧道越来越多地用于电缆的铺设，但由于电缆隧道在运行中普遍存在渗漏水，电缆过热等问题，目前主要的检测方式是人工定期巡检的方式，人工巡检的方式无法判断电缆的运行状态和温度，因此无法准确的判断隧道的运行状态，同时人工巡检在提取隧道渗水特征时耗时耗力难以实现快速检测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置及其检测方法，通过设置机械臂、云台和红外热像仪和可见光摄像头的双目检测方式，通过对拍摄的图像处理真实还原隧道中的缺陷，无需操作人员进入隧道，由此解决检测效率低和检测精度差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置，该装置包括远程控制上位机、控制器、底盘、机械臂和云台，其特征在于，

所述机械臂包括多个连杆和关节点，该机械臂的首端关节点与所述底盘连接，末端关节点与所述云台连接，用于调节所述云台的高度，所述云台上设置有红外热像仪和可见光摄像头，二者沿横向或纵向并列排列，用于拍摄隧道墙面的照片，以检测隧道墙面是否存在裂纹和渗漏缺陷，该云台绕所述末端关节点水平旋转和俯仰运动时，使得所述红外热像仪和可见光摄像头检测位置相应发生变换；

所述控制器设置在所述底盘上，通过底盘上的无线通信器与所述远程控制上位机连接，并进行数据的交互，其中，所述控制器将所述机械臂、底盘和云台各自的位置信息和所述红外热像仪和可见光摄像头检测到的图像信息传递给所述远程上位机，远程上位机发出指令调节所述机械臂、底盘和云台运动，使得所述红外热像仪和可见光摄像头在相应的位置进行拍摄，

此外，所述云台上还设置有距离传感器，当所述红外热像仪和可见光摄像头横向排列时，该距离传感器设置在二者之间的中点位置处，当所述红外热像仪和可见光摄像头纵向排列时，该距离传感器与所述红外热像仪和可见光摄像头在同一直线上。

进一步优选地，每个所述关节点上设置有角度传感器，用于检测所述连杆的角度。

进一步优选地，所述底盘的底部设置有里程计，用于测量该底盘移动的距离。

进一步优选地，所述底盘底部设置有驱动轮，用于该底盘的移动。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述的隧道缺陷无损快速检测装置的检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将检测装置置于待检测隧道中，调整云台的高度直至其达到高度预设值，检测装置沿待检测隧道的轴向方向进行检测，根据红外热像仪和可见光摄像头拍摄的图像判断该隧道中是否存在缺陷；

(b)对于存在缺陷的隧道墙面，保持云台高度在高度预设值，检测装置移至该缺陷所在的隧道横截面，沿径向对该横截面进行检测，具体步骤如下：

(b1)调整云台使得红外热像仪和可见光摄像头朝向并垂直于隧道墙面，云台通过俯仰使得红外热像仪和可见光摄像头对隧道横截面圆周方向的拍摄，拍摄过程中距离传感器记录各个拍摄点云台距离隧道墙面的距离和云台俯仰角度；

(b2)拍摄过程中存储拍摄得到的红外热像图和可见光图像，并记录拍摄图像时云台的角度，对拍摄得到的红外热像图和可见光图像实时进行图像处理分析判断当前位置图像中心处是否是墙面，如果是，则距离传感器测量此时距离墙面的距离并记录云台的俯仰角度，否则，红外热像图和可见光图像继续拍摄隧道截面，直至完成整个隧道截面的拍摄；

(b3)以云台为坐标原点建立平面直角坐标系，根据距离传感器测量得到的云台距离隧道墙面的距离和云台俯仰角度，确定各个距离测量点在平面直角坐标系中的坐标，将所有距离测量点点拟合为斜椭圆使得损失函数最小，根据该斜椭圆的方程获取云台与隧道横截面中心的位置关系；

(b4)对红外热像仪和可见光摄像头拍摄的图像进行处理获得合成为隧道横截面全景红外热像图和全景可见光图像，同时结合步骤(b3)中获得的云台与隧道横截面中心的位置关系，确定缺陷在隧道横截面上的具***置。

进一步优选地，在步骤(a)中，判断所述云台的高度是否达到高度预设值，优选采用下列表达式，

其中，H₁是起升机械臂底部安装铰点距离地面的距离，L₁是起升机械臂根部连杆的长度，L₂是起升机械臂顶部连杆的长度，H₂是两轴云台的中心距离安装铰点的距离，是底部角度传感器测量得到的起升机械臂根部连杆与驱动底盘的夹角，是中部角度传感器测量得到的起升机械臂根部连杆与顶部连杆的夹角，是顶部角度传感器测量得到的起升机械臂顶部连杆与云台的夹角，H是高度预设值。

进一步优选地，步骤(b3)中，所述斜椭圆优选采用下列表达式，

(x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾)＝(d⁽ⁱ⁾cosθ⁽ⁱ⁾,d⁽ⁱ⁾sinθ⁽ⁱ⁾)

其中，L(a,b,θ,x₀,y₀)是损失函数，d⁽ⁱ⁾和θ⁽ⁱ⁾分别表示第i个距离数据测量点测量得到的云台距离墙面的距离以及此时对应的云台俯仰的方向与水平面的夹角，x⁽ⁱ⁾和y⁽ⁱ⁾分别表示第i个距离数据测量点转换到平面直角坐标系中的点的x轴和y轴坐标，x₀、y₀为云台距离隧道截面中心点的水平和竖直方向的距离，θ为云台整体的倾斜角度，i是距离传感器测量测量云台距离隧道墙面的距离的测量点，m是测量点的总数量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过使用无线通信的技术可以实现远程控制进行检测，从而使得操作人员无需亲自进入隧道中进行检测，提高了检测的安全性；

2、本发明通过同时使用了红外热像仪和可见光热像仪分别采集隧道环境的红外热像数据和可见光数据，可以提高隧道检测数据的丰富度，和隧道检测的精度。

3、本发明通过将距离传感器设置在红外热像仪和可见光摄像头之间的中点位置处，保证距离传感器距离红外热像仪和可见光摄像头均有较短的距离，从而使得距离传感器测得的距离墙面的距离与红外热像仪和墙面之间的距离以及可见光摄像头和墙面的之间的距离的偏差较小，提高距离传感器测得距离的可信度；

4、本发明在数据获取过程中记录了云台与隧道墙面的相对位置以及云台的转动角度，利用此信息可以精确定位检测数据获取的姿态，并且检测装置可以通过里程计记录检测装置运行的距离从而使得操作人员可以快速定位隧道中异常的位置。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的检测装置的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的红外热像头、距离传感器和可见光摄像头在云台上的纵向排列的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的红外热像头、距离传感器和可见光摄像头在云台上的横向排列的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的待检测隧道轴向和径向的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的计算机械臂起升高度的结构示意图；

图6是本发明优选实例所构建的检测方法的流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1—底盘，2—起升机械臂，3—角度传感器，4—控制器，5—无线通信器，6—云台，7—红外热像仪，8—距离传感器，9—可见光摄像头，10—里程计，11—控制上位机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的检测装置的结构示意图，如图1所示，一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置，该装置用于地下电缆隧道缺陷的检查，其包括驱动底盘1、起升机械臂2、角度传感器3、控制器4、无线通信器5、两轴云台6、红外热像仪7、距离传感器8、可见光摄像头9、里程计10、控制上位机11。

驱动底盘1安装在检测装置的底部，用于实现检测装置的移动、转向和刹车，起升机械臂2安装在在驱动底盘1上，起升机械臂2可以通过转动各节连杆实现起升机械臂2顶端的起升，角度传感器3安装在起升机械臂2的各个转动铰点处，用于测量起升机械臂2各连杆转动的相对角度，从而计算出起升机械臂2相对于驱动底盘1的位置，控制器4安装在驱动底盘1上，并通过信号线与驱动底盘1、起升机械臂2、无线通信器5、两轴云台6、红外热像仪7、距离传感器8、可见光摄像头9和里程计10相连，用于接收来自无线通信器5的信号、控制驱动底盘1的移动、起升机械臂2的起升、接收来自红外热像仪7距离传感器8可见光摄像头9和里程计10采集的数据，并将该数据通过无线通信器5发送至远程控制上位机11。

无线通信器5安装在驱动底盘1上，无线通信器5通过无线信号与远程控制上位机11相连可以实现远程无线数据传输，两轴云台6安装在起升机械臂的顶端，两轴云台6可以做出水平转动和俯仰运动。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的红外热像头、距离传感器和可见光摄像头在云台上的纵向排列的结构示意图；图3是按照本发明的优选实施例所构建的红外热像头、距离传感器和可见光摄像头在云台上的横向排列的结构示意图，如图2和3所示，红外热像仪7安装在两轴云台6内，可以随所述两轴云台6一起做水平旋转和俯仰运动，从而拍摄不同角度的红外图像，距离传感器8安装在两轴云台6内，可以随两轴云台6一起做水平旋转和俯仰运动，从而测量不同角度下云台距离隧道墙面的距离，可见光摄像头9安装在两轴云台6内，可以随两轴云台6一起做水平旋转和俯仰运动，从而拍摄不同角度的可见光图像。当红外热像仪和可见光摄像头横向排列时，距离传感器设置在二者之间的中点位置处，当红外热像仪和可见光摄像头纵向排列时，距离传感器与所述红外热像仪和可见光摄像头在同一直线上，红外热像仪7、距离传感器8和可见光摄像头的相对布置形式有但不限于图2和图3中的竖直和水平布置形式。。

里程计10安装在驱动底盘1的底部用于测量检测装置移动的距离。参远程控制上位机11通过无线信号与检测装置连接，操作者可以通过远程控制上位机11远程控制检测装置的移动，远程控制上位机11可以接收来自检测装置的可见光数据、红外数据、距离数据、里程数据和运行状态数据并分析、保存和显示给操作者观看。

检测装置对隧道进行检测过程中主要有但不限于沿隧道延伸方法的轴向检测和沿隧道截面径向两种检测模式。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的待检测隧道轴向和径向的结构示意图，图6是本发明优选实例所构建的检测方法的流程图，如图4和6所示，检测装置沿隧道延伸方向进行轴向检测，在该检测模式中，具体的检测过程如下：

1)起升机械臂2起升使两轴云台6达到预设高度，一般为隧道的中心位置，是否达到预设高度的判断公式由下式给出：

参照图5，式中：

H₁是起升机械臂2底部安装铰点距离地面的距离；

L₁是起升机械臂2根部连杆的长度；

L₂是起升机械臂2顶部连杆的长度；

H₂是两轴云台6的中心距离安装铰点的距离；

是底部角度传感器3测量得到的起升机械臂2根部连杆与驱动底盘1的夹角；

是中部角度传感器3测量得到的起升机械臂2根部连杆与顶部连杆的夹角；

是顶部角度传感器3测量得到的起升机械臂2顶部连杆与云台的夹角；

H是预设高度。

如果上式计算结果为0则表示两轴云台6达到预设高度，否则未达到预设高度。

2)两轴云台6转动到沿隧道延伸方向的轴向使得红外热像仪7和可见光摄像头9朝向隧道的延伸方向；

3)驱动装置1驱动检测装置沿隧道延伸方向平稳前进；

4)红外热像仪7和可见光摄像头9实时拍摄隧道的红外热像图和可见光图像；

5)控制器4将检测得到的红外热像图数据、可见光图像数据和里程数据通过无线通信器5传输到远程控制上位机11；

6)远程控制上位机实时处理接收的数据判断隧道中是否存在缺陷，并将接收的数据和分析的结果保存。

在检测到隧道中存在缺陷时，检测装置沿缺陷所在的隧道截面径向进行径向检测，在该检测模式中，具体的检测过程如下：

1)驱动装置1驱动检测装置移动到一个检测位停止；

2)两轴云台6转动到隧道截面径向的位置，使得红外热像仪7和可见光摄像头9垂直于隧道墙面；

3)然后云台做俯仰运动此时红外热像仪7和可见光摄像头9在每个俯仰角度拍摄红外热像图和可见光图像。

拍摄过程中保存拍摄得到的红外热像图、可见光图像并记录云台转动的角度，并且实时对拍摄得到的红外热像图和可见光图像检测判断图像中心处是否为隧道墙面，如果是距离传感器记录此时云台与墙面之间的距离并记录该距离对应的云台转动角度，之后云台继续转动拍摄，直到云台转动一圈使得红外热像仪7、可见光摄像头9、距离传感器和两轴云台记录该检测位一圈的红外热像图、可见光图像、距离数据和角度数据；

4)远程控制上位机11通过无线通信器5接收检测得到的数据。

5)远程控制上位机11通过接收的距离数据和角度数据计算出拍摄时云台相对于隧道截面中心的位置，具体过程如下。

5.1)将检测得到的距离数据和角度数据转换为平面直角坐标系中的点，坐标系的原点是云台的位置，转换方程由下式给出：

(x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾)＝(d⁽ⁱ⁾cosθ⁽ⁱ⁾,d⁽ⁱ⁾sinθ⁽ⁱ⁾)

式中：

d⁽ⁱ⁾和θ⁽ⁱ⁾分别表示第i个距离数据测量点，测量得到的两轴云台6距离墙面的距离以及此时两轴云台俯仰的方向与水平面的夹角；

x⁽ⁱ⁾和y⁽ⁱ⁾分别表示第i个距离数据测量点转换到平面直角坐标系中的点的x轴和y轴坐标。

5.2)对所有距离数据测量点在平面直角坐标系中的点使用斜椭圆进行拟合，拟合方程由下式给出：

最小化上式计算得出a、b、θ、x₀、y₀，其中x₀、y₀为云台距离隧道截面中心点的水平和竖直方向的距离，θ为云台整体的倾斜角度，

云台与拍摄墙面的夹角可由下式计算得到：

6)远程控制上位机11通过拍摄得到的红外热像图、测量得到的距离数据、拍摄图像时两轴云台6的角度数据和计算得到云台位置合成该检测位一圈的全景红外热像图，通过拍摄得到的可见光图像、测量得到的距离数据、拍摄图像时两轴云台6的角度数据和计算得到云台位置合成该检测位一圈的全景可见光图像。

7)分析并保存合成的全景红外热像图和全景可见光图像。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置的检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将检测装置置于待检测隧道中，调整云台的高度直至其达到高度预设值，检测装置沿待检测隧道的轴向方向进行检测，根据红外热像仪和可见光摄像头拍摄的图像判断该隧道中是否存在缺陷；

(b)对于存在缺陷的隧道墙面，保持云台高度在高度预设值，检测装置移至该缺陷所在的隧道横截面，沿径向对该横截面进行检测，具体步骤如下：

(b1)调整云台使得红外热像仪和可见光摄像头朝向并垂直于隧道墙面，云台通过俯仰使得红外热像仪和可见光摄像头对隧道横截面圆周方向的拍摄，拍摄过程中距离传感器记录各个拍摄点云台距离隧道墙面的距离和云台俯仰角度；

(b2)拍摄过程中存储拍摄得到的红外热像图和可见光图像，并记录拍摄图像时云台的角度，对拍摄得到的红外热像图和可见光图像实时进行图像处理分析判断当前位置图像中心处是否是墙面，如果是，则距离传感器测量此时距离墙面的距离并记录云台的俯仰角度，否则，红外热像图和可见光图像继续拍摄隧道截面，直至完成整个隧道截面的拍摄；

(b3)以云台为坐标原点建立平面直角坐标系，根据距离传感器测量得到的云台距离隧道墙面的距离和云台俯仰角度，确定各个距离测量点在平面直角坐标系中的坐标，将所有距离测量点拟合为斜椭圆使得损失函数最小，根据该斜椭圆的方程获取云台与隧道横截面中心的位置关系；

(b4)对红外热像仪和可见光摄像头拍摄的图像进行处理获得合成为隧道横截面全景红外热像图和全景可见光图像，同时结合步骤(b3)中获得的云台与隧道横截面中心的位置关系，确定缺陷在隧道横截面上的具***置。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在步骤(a)中，判断所述云台的高度是否达到高度预设值，优选采用下列表达式，

其中，H₁是起升机械臂底部安装铰点距离地面的距离，L₁是起升机械臂根部连杆的长度，L₂是起升机械臂顶部连杆的长度，H₂是两轴云台的中心距离安装铰点的距离，是底部角度传感器测量得到的起升机械臂根部连杆与驱动底盘的夹角，是中部角度传感器测量得到的起升机械臂根部连杆与顶部连杆的夹角，是顶部角度传感器测量得到的起升机械臂顶部连杆与云台的夹角，H是高度预设值。

3.如权利要求1或2所述的检测方法，其特征在于，步骤(b3)中，所述斜椭圆优选采用下列表达式，

(x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾)＝(d⁽ⁱ⁾cosθ⁽ⁱ⁾,d⁽ⁱ⁾sinθ⁽ⁱ⁾)

其中，L(a,b,θ,x₀,y₀)是损失函数，d⁽ⁱ⁾和θ⁽ⁱ⁾分别表示第i个距离数据测量点测量得到的云台距离墙面的距离以及此时对应的云台俯仰的方向与水平面的夹角，x⁽ⁱ⁾和y⁽ⁱ⁾分别表示第i个距离数据测量点转换到平面直角坐标系中的点的x轴和y轴坐标，x₀、y₀为云台距离隧道截面中心点的水平和竖直方向的距离，θ为云台整体的倾斜角度，i是距离传感器测量测量云台距离隧道墙面的距离的测量点，m是测量点的总数量。

4.一种适用于权利要求1-3任一项所述的检测方法的电缆隧道缺陷无损快速检测装置，该装置包括远程控制上位机(11)、控制器(4)、底盘(1)、机械臂(2)和云台(6)，其特征在于，

所述机械臂(2)包括多个连杆和关节点，该机械臂的首端关节点与所述底盘(1)连接，末端关节点与所述云台连接，用于调节所述云台的高度，所述云台上设置有红外热像仪(7)和可见光摄像头(9)，二者沿横向或纵向并列排列，用于拍摄隧道墙面的照片，以检测隧道墙面是否存在裂纹和渗漏缺陷，该云台绕所述末端关节点水平旋转和俯仰运动时，使得所述红外热像仪和可见光摄像头检测位置相应发生变换；

所述控制器(4)设置在所述底盘(1)上，通过底盘上的无线通信器(5)与所述远程控制上位机(11)连接，并进行数据的交互，其中，所述控制器将所述机械臂、底盘和云台各自的位置信息和所述红外热像仪和可见光摄像头检测到的图像信息传递给所述远程控制上位机，远程控制上位机发出指令调节所述机械臂、底盘和云台运动，使得所述红外热像仪和可见光摄像头在相应的位置进行拍摄，

此外，所述云台上还设置有距离传感器(8)，当所述红外热像仪和可见光摄像头横向排列时，该距离传感器设置在二者之间的中点位置处，当所述红外热像仪和可见光摄像头纵向排列时，该距离传感器与所述红外热像仪和可见光摄像头在同一直线上。

5.如权利要求4所述的一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置，其特征在于，每个所述关节点上设置有角度传感器，用于检测所述连杆的角度。

6.如权利要求4或5所述的一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置，其特征在于，所述底盘的底部设置有里程计(10)，用于测量该底盘移动的距离。

7.如权利要求4或5所述的一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置，其特征在于，所述底盘底部设置有驱动轮，用于该底盘的移动。

Images