CN109911205A - 一种桥墩检测无人机装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥墩检测无人机装置，包括：机架、取景装置、处理器、飞行行走控制模块和遥控装置；所述机架的顶端的四角分别设置有一个螺旋桨，所述机架的底端的中心设置有可伸缩机械腿，所述机架的底端的两侧分别设置有机械腿支架，所述机械腿支架的端部设置有真空吸附足部，每个所述机械腿支架至少包含两个活动支腿，每个活动支腿之间活动连接；所述真空吸附足部包含压力传感器，用于监测所述真空吸附足部的吸附力是否足以克服所述桥墩检测无人机装置的自重。还公开了一种桥墩检测无人机装置的检测方法。本发明的桥墩检测无人机装置可在工作时根据实时状态切换飞行模式与行走模式，同时可以检测、处理、传输同时进行，提高工作效率。

Description

一种桥墩检测无人机装置及检测方法

技术领域

本发明涉及工程检测技术领域，尤其涉及一种桥墩检测无人机装置 及检测方法。

背景技术

随着我国公路交通的不断发展，桥梁数量日益增多，桥梁后期检测 保养工作量越来越大。桥梁病害是否能精准及时的发现，安全隐患是否 及时排除，事关人民群众的生命财产安全。

传统的桥梁检测是望远镜观测或者借助桥梁检测车并辅以人工，该 法效率低下，工具复杂，且桥梁检测车检测时占据道路面积过大，不利 交通。最近兴起的无人机和爬壁机器人检测使得检测工作向前迈进了一 步，但无人机续航时间太短，爬墙机器人速度慢且不能夜间检测。近来 雾霾天气频繁，在特殊天气下不能对桥梁进行检测，而且通常技术人员 只有拿到数据处理结果后才能制定出解决措施，而现阶段检测的数据收 集阶段和数据处理阶段是两个独立的过程。

综上，从桥梁检测到病害发现及解决整个过程周期过长。因此，实 现实时高效方便快捷的检测是目前较为棘手的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种桥墩检测 无人机装置，可通过飞行模式减少作业前的准备工作，并可在工作时根 据实时状态切换飞行模式与行走模式，提高工作效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

(一)一种桥墩检测无人机装置，包括：机架、取景装置、处理器、飞 行行走控制模块和遥控装置；

所述机架的顶端的四角分别设置有一个螺旋桨，所述机架的底端的中心 设置有可伸缩机械腿，所述机架的底端的两侧分别设置有机械腿支架，所述 机械腿支架的端部设置有真空吸附足部，每个所述机械腿支架至少包含两个 活动支腿，每个活动支腿之间活动连接；所述真空吸附足部包含压力传感器， 用于监测所述真空吸附足部的吸附力是否足以克服所述桥墩检测无人机装置 的自重；

所述取景装置设置于所述机架上，用于获取桥梁的图像；

所述处理器设置于所述机架内部，用于实时处理分析所述取景装置所获 取的桥梁图像；

所述飞行行走控制模块设置于所述机架内部，用于控制所述螺旋桨的飞 行以及所述可伸缩机械腿和机械腿支架的行走；

所述遥控装置与所述飞行控制模块通过通讯装置建立连接，用于远程控 制所述桥墩检测无人机装置的飞行与行走。

本发明技术方案的特点和进一步的改进在于：

进一步的，所述桥墩检测无人机装置还包括自动发电装置。

进一步优选的，所述自动发电装置包含薄膜太阳能电池。

优选的，所述真空吸附足部包含电机、风扇叶轮和吸盘。

进一步的，所述桥墩检测无人机装置还包括灯照装置。

进一步的，所述桥墩检测无人机装置还包括去雾装置，所述去雾装置的 输入端与所述取景装置的输出端连接，所述去雾装置的输出端与所述处理器 的输入端连接。

优选的，所述机械腿支架与所述机架的底端铰接连接，所述机械腿支架 可绕所述机架旋转。

优选的，所述可伸缩机械腿的端部也设置有真空吸附足部。

(二)一种桥墩检测无人机装置的检测方法，基于上述桥墩检测无人机 装置，包括以下步骤：

步骤1，确定目标检测的出发点；

步骤2，在地面通过遥控装置控制桥墩检测无人机装置飞行至待检测 的位置，调整位置，寻找好最佳吸附点；

步骤3，找到吸附位置后，利用真空吸附足部吸附墙壁，根据压力 传感器判断是否满足吸附要求；若满足，通过遥控装置控制螺旋桨停止 旋转，并控制机械腿支架和可伸缩机械腿伸张开，组成爬壁行走腿***， 吸附墙壁；

步骤4，开始爬壁进行检测，开启取景装置，对桥梁的待检测部位 进行拍照录像数据采集；

步骤5，将采集到的图像录像数据传送至处理器，进行数据处理， 识别裂缝，并将处理后的数据通过通讯装置传输回地面控制PC端；

步骤6，待检测完成后，遥控装置控制桥墩检测无人机装置飞行回 地面。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的桥墩检测无人机装置将传统的爬壁机器人与无人机飞行 器联合起来，通过飞行模式减少了作业前的准备工作，并可在工作时根 据检测的实时状态任意切换飞行模式与行走模式，同时可以检测、处理、 传输同时进行，提高了工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将 对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见 地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技 术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。

图1为本发明的桥墩检测无人机装置的一种实施例的正面结构示 意图；

图2为本发明的桥墩检测无人机装置的一种实施例的侧面结构示 意图；

图3为本发明的桥墩检测无人机装置吸附在桥梁上的结构示意图；

图4为本发明的桥墩检测无人机装置的真空吸附足部的一种实施例 的结构示意图。

以上图1-图4中：1机架；2螺旋桨；3可伸缩机械腿；4机械腿支 架；401活动支腿；5真空吸附足部；501电机；502风扇叶轮；503吸 盘；6压力传感器；7取景装置；8处理器；9自动发电装置；10灯照装 置；11去雾装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分 实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于 本发明保护的范围。

图1为本发明的桥墩检测无人机装置的一种实施例的正面结构示意 图；图2为本发明的桥墩检测无人机装置的一种实施例的侧面结构示意 图；参考图1和图2，本发明实施例提供了一种桥墩检测无人机装置，包括： 机架1、取景装置7、处理器8、飞行行走控制模块和遥控装置。

其中，所述机架1的顶端的四角分别设置有一个螺旋桨2，所述机架1的 底端的中心设置有可伸缩机械腿3，所述机架1的底端的两侧分别设置有机械 腿支架4，所述机械腿支架4的端部设置有真空吸附足部5，每个所述机械腿 支架4至少包含两个活动支腿401，每个活动支腿401之间活动连接；所述真 空吸附足部5包含压力传感器6，用于监测所述真空吸附足部5的吸附力是否 足以克服所述桥墩检测无人机装置的自重。

所述取景装置7设置于所述机架1上，用于获取桥梁的图像；所述处理 器8设置于所述机架1内部，用于实时处理分析所述取景装置7所获取的桥 梁图像。

所述飞行行走控制模块设置于所述机架1内部，用于控制所述螺旋桨2 的飞行以及所述可伸缩机械腿3和机械腿支架4的行走；所述遥控装置与所 述飞行行走控制模块通过通讯装置建立连接，用于远程控制所述桥墩检测无 人机装置的飞行与行走。

飞行行走控制模块为控制桥墩检测无人机装置飞行和行走的单片 机及其他芯片，可以安装在机架1的预留空槽中，遥控装置通过通讯装置 与飞行行走控制模块建立连接；遥控装置控制机器人起飞飞行至指定位置， 该操作采用常规技术完成，本发明不限制其具体的技术方案；当需要进行桥 梁检测时，首先控制桥墩检测无人机装置起飞，采用飞行模式飞往指定位置， 当机器人飞行到指定位置时，遥控装置控制机械腿支架4伸张，其端部的真 空吸附足部5吸附墙壁，当真空吸附足部5的压力传感器6显示其吸附力大 于桥墩检测无人机装置自重时，遥控装置控制螺旋桨2停止转动；此时，由 于重力作用和机械腿支架4端部的真空吸附足部5的吸附，机器人的机架1 向下旋转并竖直贴附在墙壁上(此时机器人的状态如图3所示)，此时控制可 伸缩机械腿3伸出，可伸缩机械腿3的端部也可以是真空吸附足部5，从而使 可伸缩机械腿3伸出后吸附在墙壁上。

当在短距离范围内进行桥梁检测时，可采用爬行模式，也可节省桥墩检 测无人机装置的用电；此时，可伸缩机械腿3和机械腿支架4组成爬壁行走 腿***，遥控装置可控制爬壁行走腿***沿着桥梁行走；当遇到行走无法跨 越的区域时，遥控装置可以控制桥墩检测无人机装置改为飞行模式，由此 实现飞行模式和爬行模式的转换，快速完成桥梁的全面检测。

其中，真空吸附足部5的结构参考图4，真空吸附足部5包含电机501、 风扇叶轮502和吸盘503，真空吸附足部5的端部为吸盘503，通过风扇 叶轮502旋转抽取吸盘503里的真空，利用外界大气压将吸盘503吸附 在墙壁上。

通过真空吸附足部5的压力传感器6所显示的吸附力是否大于桥墩检 测无人机装置自重来确定遥控装置是否控制螺旋桨2停止转动时，将桥墩检 测无人机装置自重的1.2倍设为阈值，当压力传感器6所显示的吸附力小于 该阈值时，机械腿支架4仅起支架的作用，机械腿支架4的各个活动腿之间 锁定，仅用于起飞降落，此时遥控装置控制桥墩检测无人机装置继续飞行； 当压力传感器6所显示的吸附力大于该阈值时，机械腿支架4起爬行腿的作 用，机械腿支架4的各个活动腿之间伸展开，并通过其端部的真空吸附足部5 吸附于墙壁上，此时遥控装置控制桥墩检测无人机装置的螺旋桨2停止转动。

以上实施例中，可伸缩机械腿的伸缩以及通过遥控装置控制采用常规技 术实现，机械腿支架的各个伸展与活动支腿之间的伸展以及通过遥控装置控 制也采用常规技术实现，本发明对其不做特殊限定，只要其能达到控制伸展 与收缩的目的即可。

取景装置7为高清摄像机或照相机，其通过云台安装在机架1上， 以获取桥梁的图像，该技术方案也为常规的桥梁检测装置的常规技术， 本发明不做特殊限定。本发明实施例采用的是维视图像 MV-VD500SM/SC，分辨率1280×1024，像素尺寸2.2μm×2.2μm。采 样频率设置3s/次，即每隔3s采一次样。

本发明仅将取景装置7的输出端与处理器8的输入端连接，将取景 装置7所获得的图像实时输送至处理器8中，进行图像处理，处理器8 通过通讯装置连接地面控制PC端，使检测人员获取结果。

本发明实施例的处理器采用的是Mali-C71型号的ARM微处理器8， 该处理器8能提供高达24stops的超宽动态范围。由于取景装置7所采集 到的图像是RGB类型的，占用内存过大，滞缓了处理进度，因此要进行 灰度化，使得图片像素变更为0-255，节约内存，加快处理效率，在采集 过程中不可避免的会存在亮度不足或者亮度太大的缺陷，需要进行灰度校正。ARM微处理器8对矫正后的图像进行滤波去噪，本发明实施例采 用的是5×5的方形中值滤波，去除会干扰裂缝检测的因子。ARM微处理 器8对图像进行分割，本发明实施例采用的是最大类间方差法，计算量 小，算法速度快。ARM微处理器8对图像进行边缘检测，本发明实施例 用到的是sobel算子。ARM微处理器8对图像进行形态学运算，本发明 实施例用到的是腐蚀膨胀，开闭运算。

ARM微处理器8对预处理过的图像进行裂缝识别，根据《混凝土 结构工程施工质量验收规范》，将小于0.2mm的裂缝忽略，将宽度大于 0.2mm的裂缝标注出来，计算该裂缝的周长C、面积S和形状K，本发 明实施例中利用公式K＝C^2/4πC计算形状K，找出该裂缝的质心坐标 (X,Y)，并通过4G通讯装置将其发送到地面段，ARM微处理器8自 动进行图像拼接，并将实时拼接结果及裂缝位置信息(X,Y)显示在地 面控制PC端，使检测人员能够快速获取检测结果。

根据以上操作，本发明实现了检测、处理、传输同时进行，待桥墩 检测无人机装置作业完成时，整个检测工作也完成了，大大提高了工作效 率。

进一步的，本发明的桥墩检测无人机装置还包括自动发电装置9，本发 明的自动发电装置9包含薄膜太阳能电池，本发明实施例具体采用砷化镓太 阳能薄膜电池，安装在机架1上，其电池转化效率可高达29.1％，将转化的电 能保存在蓄电池内供其他耗电装置使用。本发明的桥墩检测无人机装置在白 天工作时，可利用该自动发电装置9为自身存储电量，可解决目前无人机续 航时间太短的问题。

进一步的，本发明的桥墩检测无人机装置还包括灯照装置10，灯照装 置10可以通过云台安装在机架1上，夜间进行作业时，可通过遥控装置开启 灯照装置10或者通过安装在机架1上的光照传感器自动开启，光照传感器与 处理器8连接，为桥墩检测无人机装置的夜间作用提供足够的光照，保证检 测的准确性。

进一步的，本发明的桥墩检测无人机装置还包括去雾装置11，所述去雾 装置11的输入端与所述取景装置7的输出端连接，所述去雾装置11的输出 端与所述处理器8的输入端连接。本发明的去雾装置11采用常规去雾技术， 将去雾程序写入芯片中，以实现去雾效果；当遇到天气有雾霾时，取景装置7 将采集到的图像首先传输至去雾装置11中进行去雾处理，然后再将去雾处理 之后的图像传送至处理器8中继续处理，最后再将检测结果发送回地面控制 PC端。

上述去雾采用成熟的公式I_X＝J_Xt_X+A(1-t_X)，J_X表示去雾后的图像数据矩 阵，I_X表示有雾图像数据矩阵，A表示大气光照值，t_X表示透射率，要实现去 雾需要计算出A和t_X的值。首先计算A的值，对采集到的图像通过找出三个通 道中的中最小值求出暗通道，将m×n＝N个像素排序找出最亮的前0.1％个点， 记录他们的位置(X₁,Y₁)，将对应原图三通道的值相加得到sum_r，sum_g， sum_b，求出大气光值A＝[sum_r/N，sum_g/N，sum_b/N]。接下来计算t_X的值， 为了计算出更精确的值，首先需要通过公式q＝a×I+b导向滤波，设置一个窗口半径为r，则窗的大小为(2r+1)×(2r+1)，令r＝16，从原图的左上角第 一个元素I(1,1)开始，逐行逐列计算窗口内的像素和直到最后一个元素I(m,n)， 计算每个窗口内元素和的平均值mean_I，导向图窗口内的均值mean_p，原图 数据矩阵I和导向图数据矩阵P相乘后的窗口均值mean_Ip，原图数据矩阵I 的平方和窗口内元素的均值mean_II，将mean_Ip-mean_I×mean_p的值赋给cov_Ip；mean_II-mean_I×mean_I的值赋给var_I，最后利用公式 a＝cov_Ip/(var_I+eps)求解出a的值，这里eps设定的是10^^(-6)，利用公 式b＝mean_p-a×mean_I，求解出b的值，通过q＝a×I+b计算出滤波后的图像 矩阵q，在利用公式t_X＝1-(w×q)/A,解出透射率t_X，这里w为一个常量参数 (0<w≤1)，通过实验验证w＝0.65时效果最好。最后利用I＝(J-A)/t_X+A计算 出去雾后的图，将去雾后的图传到ARM处理器8后，即可按上述方法步骤正 常处理。

具体的，

本发明实施例提供的桥墩检测无人机装置的检测步骤如下：

步骤1，作业前检查各装置是否正常工作，若在特殊天气下作业， 需启动去雾装置11，开启去雾模式；

步骤2，确定目标检测的出发点；

步骤3，在地面通过遥控装置控制桥墩检测无人机装置飞行至待检 测的位置，调整位置，寻找好最佳吸附点；

步骤4，找到吸附位置后，利用真空吸附足部5吸附墙壁，根据压 力传感器6判断是否满足吸附要求，若满足，控制螺旋桨2停止旋转， 机械腿支架4和可伸缩机械腿3伸张开，组成爬壁行走腿***，吸附墙 壁；

步骤5，根据光照传感器判断周围环境，决定是否打开灯照装置10， 或者认为通过遥控装置控制灯照装置10；

步骤6，开始爬壁进行检测，开启取景装置7，对桥梁的待检测部 位进行拍照录像数据采集；

步骤7，判断是否有雾霾，决定是否开启去雾装置11；

步骤8，将采集到的图像录像数据传送至处理器8，进行数据处理， 识别裂缝，并将处理后的数据通过通讯装置传输回地面控制PC端；

步骤9，待检测完成后，遥控装置控制桥墩检测无人机装置飞行回 地面。

需要注意的是，上述实施例提供的桥墩检测无人机装置在悬停空中 时，机械腿支架4打开吸附墙壁时，在地面的检测人员也要观察压力传感 器6数值，待其足以支撑整个机器重量时，再骤停螺旋桨2，此过程压 力传感器6自动判别与检测人员观测都要进行，确保机器安全，防止坠 机。若发现吸附力不足以支撑重量时，调整悬停位置，寻找新的位置继续吸 附。此外，为了安全起见，在每次作业完成返回地面时，将机器实时传来的 数据即处理结果云备份。

相比于传统的爬壁机器人，本发明的桥墩检测无人机装置在由地面 到达监测区域时，采用飞行模式，方便快捷；传统的爬壁机器人爬行速 度慢，尤其在跨越大的障碍物时，本发明可有效改善传统爬壁机器人的 该缺点。

相比于无人机检测，常规的无人机检测虽然检测时间短，但是续航 能力是其致命的弱点，尤其在山区偏僻地区作业，无人机的续航时间无 法满足作业需求；本发明利用爬壁机器人功率小，再加上自动发电装置9 便可连续作业，弥补了无人机续航短无法长时间检测的问题。

另外，本发明的桥墩检测无人机装置利用光照装置弥补了夜间不能 作业的空白，在工期紧张时，可以24h连续作业；也可弥补光照弱影响 检测结果的准确性的弊端。

此外，本发明的桥墩检测无人机装置实现了数据边采集边处理的目 的，作业完成时即检测完成，省去了传统检测装置每次检测都要来回往 返地面处理数据的时间，大大提高了工作效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本 发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种桥墩检测无人机装置，其特征在于，包括：

机架，所述机架的顶端的四角分别设置有一个螺旋桨，所述机架的底端的中心设置有可伸缩机械腿，所述机架的底端的两侧分别设置有机械腿支架，所述机械腿支架的端部设置有真空吸附足部，每个所述机械腿支架至少包含两个活动支腿，每个活动支腿之间活动连接；所述真空吸附足部包含压力传感器，用于监测所述真空吸附足部的吸附力是否足以克服所述桥墩检测无人机装置的自重；

取景装置，设置于所述机架上，用于获取桥梁的图像；

处理器，设置于所述机架内部，用于实时处理分析所述取景装置所获取的桥梁图像；

飞行行走控制模块，设置于所述机架内部，用于控制所述螺旋桨的飞行以及所述可伸缩机械腿和机械腿支架的行走；

遥控装置，与所述飞行控制模块通过通讯装置建立连接，用于远程控制所述桥墩检测无人机装置的飞行与行走。

2.根据权利要求1所述的桥墩检测无人机装置，其特征在于，还包括自动发电装置。

3.根据权利要求2所述的桥墩检测无人机装置，其特征在于，所述自动发电装置包含薄膜太阳能电池。

4.根据权利要求1所述的桥墩检测无人机装置，其特征在于，所述真空吸附足部包含电机、风扇叶轮和吸盘。

5.根据权利要求1所述的桥墩检测无人机装置，其特征在于，还包括灯照装置。

6.根据权利要求1所述的桥墩检测无人机装置，其特征在于，还包括去雾装置，所述去雾装置的输入端与所述取景装置的输出端连接，所述去雾装置的输出端与所述处理器的输入端连接。

7.根据权利要求1所述的桥墩检测无人机装置，其特征在于，所述机械腿支架与所述机架的底端铰接连接，所述机械腿支架可绕所述机架旋转。

8.根据权利要求1所述的桥墩检测无人机装置，其特征在于，所述可伸缩机械腿的端部也设置有真空吸附足部。

9.一种桥墩检测无人机装置的检测方法，基于权利要求1-8任一所述的桥墩检测无人机装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定目标检测的出发点；

步骤2，在地面通过遥控装置控制桥墩检测无人机装置飞行至待检测的位置，调整位置，寻找好最佳吸附点；

步骤3，找到吸附位置后，利用真空吸附足部吸附墙壁，根据压力传感器判断是否满足吸附要求；若满足，通过遥控装置控制螺旋桨停止旋转，并控制机械腿支架和可伸缩机械腿伸张开，组成爬壁行走腿***，吸附墙壁；

步骤4，开始爬壁进行检测，开启取景装置，对桥梁的待检测部位进行拍照录像数据采集；

步骤5，将采集到的图像录像数据传送至处理器，进行数据处理，识别裂缝，并将处理后的数据通过通讯装置传输回地面控制PC端；

步骤6，待检测完成后，遥控装置控制桥墩检测无人机装置飞行回地面。