一种桥梁挠度智能检测装置及方法与流程

本发明涉及一种检测装置，具体为一种桥梁挠度智能检测装置及方法，属于桥梁检测技术领域。

背景技术：

激光雷达是一种利用激光器作发射光源，向探测目标发射激光束，通过分析回波检测目标位置的主动遥感设备，能够实时获取待测物体表面各点位置，构建三维点云模型。激光雷达初步应用于桥梁检测领域，可用于测量桥梁随时间或负载的变形。

飞行吸附机器人结合了无人机和爬壁机器人的优势，可以任意切换飞行和吸附两种工作状态，既能弥补无人机难以抵近桥梁表面、机载检测设备稳定性低、续航能力差的不足，又能解决爬壁机器人越障困难、检测覆盖面小的问题。

桥梁结构在长期使用过程中，受自重及外部荷载作用下，会出现变形，桥梁挠度是变形后各点的垂直线位移，是桥梁运营安全性评价的重要指标。桥梁静载试验是一种用于判断桥梁设计和施工质量的桥梁检测方法，通过将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，实测荷载作用下各控制截面的挠度和应变等参数，进而分析桥梁结构的承载能力和使用条件。在桥梁静载试验中，需要测量加载前后梁体挠度变化，以反应桥梁承载能力是否符合设计要求，传统的挠度检测一般采用如下方法：

1.通过在梁体底部搭设脚手架或拉钢丝，设置固定基点，在基点处架设千分表等位移计直接测量挠度。这种方法不能在桥下有水的跨河桥或跨线跨山谷桥等无法架设固定基点的环境下检测，而且检测成本高、时间长、劳动强度大、存在安全隐患。

2.采用架设在桥面上的精密水准仪测量挠度，这种方法测量的挠度是加载时桥面沥青层和梁体的共同变形，无法排除桥面沥青层变形的影响，测量结果存在系统误差。同时由于挠度测点设置在桥面上，检测过程中常会被加载车辆占住，难以找到合适位置架设水准仪。

3.采用全站仪测量挠度，这种方法基于三角高程原理，通过全站仪测量桥上两点间水平距离和竖直角，再计算出高度差，间接测量挠度。这种方法的局限性在于测量精度较低，并且全站仪视角不能被桥梁附近的障碍物遮挡，受桥梁附近环境影响大。

4.gps定位法测挠度，将gps定位器安装在桥梁挠度测点上，利用gps卫星定位信息测出挠度变化。这种方法采样频率较低，响应时间较长，成本高，在中小跨径桥梁挠度检测中精度不足。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种桥梁挠度智能检测装置及方法，该装置不受环境影响、精度高、检测速度快、成本低、可以远程实时监测桥梁所有位置挠度变化。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种桥梁挠度智能检测装置，包括飞行吸附机器人机架、飞行装置、吸附装置、控制装置和检测装置；所述飞行吸附机器人机架四角分别设有飞行装置，且所述飞行装置用于控制飞行状态，所述飞行吸附机器人机架底部安装有吸附装置，且所述吸附装置用于吸附桥梁表面，所述飞行吸附机器人机架中央支架下层设有控制装置，且所述控制装置用于飞行位置和姿态控制，所述飞行吸附机器人机架中央支架上层安装有检测装置，且所述检测装置用于桥梁挠度检测。

作为本发明再进一步的方案：所述飞行装置包括直流电机和旋翼，所述直流电机输出轴连接旋翼转轴，通过控制所述直流电机转动方向改变旋翼的旋转方向，通过控制所述直流电机转动速度改变旋翼的升力，通过四个所述旋翼配合旋转，控制飞行吸附机器人飞行状态。

作为本发明再进一步的方案：所述吸附装置包括密封装置和离心装置，所述密封装置包括密封内衬和密封裙，所述密封内衬采用耐磨尼龙材料，且密封内衬粘附在飞行吸附机器人机架的底盘上，在飞行吸附机器人吸附在墙壁上时与墙壁围成密封腔，所述密封裙采用碳纤维丝材料，设计成毛刷式结构，且密封裙附着在密封内衬边缘。

作为本发明再进一步的方案：所述离心装置包括离心泵、无刷电机和气压传感器，所述离心泵设置在飞行吸附机器人机架上，且所述离心泵内转动安装有离心叶轮，所述离心泵上设有无刷电机，且所述无刷电机的输出轴连接离心叶轮，所述离心叶轮旋转抽取密封腔内气体形成连续负压达成吸附作用，所述气压传感器设于负压腔内。

作为本发明再进一步的方案：所述控制装置包括传感器组和机载单片机，用于飞行位置和姿态控制；其中，所述传感器组包括位置传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计、气压高度计，用于向飞行吸附机器人提供位置、速度、飞行姿态信息；所述机载单片机负责飞行吸附机器人姿态的运算和判断，同时操控传感器和直流电机。

作为本发明再进一步的方案：所述检测装置包括相机和激光雷达，所述相机和激光雷达通过增稳云台进行固定，所述激光雷达通过构建桥梁三维点云模型，实时获取桥梁底部各点位置信息，所述相机用于实时监控飞行环境。

一种桥梁挠度智能检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：参考点云采集

采用两个飞行吸附机器人分别飞行并吸附到待检测桥梁两侧桥墩上，利用其搭载的激光雷达采集未加载时桥梁梁底初始点云，将两个激光雷达采集的点云相互补充，得到修正后的桥梁初始点云。

步骤二：加载车辆

选择合适的加载车辆和加载方式，对待测桥梁进行加载测试。

步骤三：加载后点云采集

待车辆加载完成，再次使用两个飞行吸附机器人上的激光雷达采集加载后桥梁梁底点云，将两个激光雷达采集的点云相互补充，得到修正后的加载后桥梁点云。

步骤四：挠度计算

通过激光雷达采集的点云，可以测出桥梁底面每个位置的挠度值，挠度测量方法为：

计算加载后点云b中每个点b与参考点云a之间的hausodorff距离，hausodorff距离为点云b中每个点b到参考点云a之间的最近距离，其计算公式如下：

h(b，a)＝mina∈a||b-a||

其中，a为参考点云中任意点，b为加载后点云b中任意点，h(b，a)为b点到参考点云a的最近距离，即b点的挠度值。

本发明的有益效果是：该桥梁挠度智能检测装置及方法设计合理，采用激光雷达作为检测设备远程检测挠度，解决了传统挠度检测方法在桥下有水或跨河跨线跨山谷桥等无法搭设支架的情况下无法使用的问题，通过构建三维点云模型，实时监测桥梁各位置挠度，避免了人工读数误差，降低了劳动强度。选用飞行吸附机器人搭载检测设备，能够快速飞行并固定到桥下检测位置，避免无人机晃动对检测精度的影响，同时排除了桥面沥青层对挠度检测结果的系统误差，扩大了检测覆盖面，提高了检测精度，去除了安全隐患。

附图说明

图1为本发明的飞行装置和检测装置结构示意图；

图2为本发明的吸附装置结构示意图；

图3为本发明的控制装置结构示意图；

图4为本发明静载试验桥梁静载试验挠度检测过程示意图。

图中：1、飞行吸附机器人机架，2、飞行装置，21、直流电机，22、旋翼，3、吸附装置，31、密封装置，311、密封内衬，312、密封裙，32、离心装置，321、离心泵，322、无刷电机，323、气压传感器，4、检测装置，41、相机，42、激光雷达，5、控制装置，51、传感器组和52、机载单片机。

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。

请参阅图1～4，一种桥梁挠度智能检测装置，包括飞行吸附机器人机架1、飞行装置2、吸附装置3、控制装置5和检测装置4；所述飞行吸附机器人机架1四角分别设有飞行装置2，且所述飞行装置2用于控制飞行状态，所述飞行吸附机器人机架1底部安装有吸附装置3，且所述吸附装置3用于吸附桥梁表面，所述飞行吸附机器人机架1中央支架下层设有控制装置5，且所述控制装置5用于飞行位置和姿态控制，所述飞行吸附机器人机架1中央支架上层安装有检测装置4，且所述检测装置4用于桥梁挠度检测。

在本发明实施例中，所述飞行装置2包括直流电机21和旋翼22，所述直流电机21输出轴连接旋翼22转轴，通过控制所述直流电机21转动方向改变旋翼22的旋转方向，通过控制所述直流电机21转动速度改变旋翼22的升力，通过四个所述旋翼22配合旋转，控制飞行吸附机器人飞行状态，实现飞行吸附机器人垂直、俯仰、滚转、偏航、前后、侧向运动。

在本发明实施例中，所述吸附装置3包括密封装置31和离心装置32，所述密封装置31包括密封内衬311和密封裙312，所述密封内衬311采用耐磨尼龙材料，且密封内衬311粘附在飞行吸附机器人机架1的底盘上，在飞行吸附机器人吸附在墙壁上时与墙壁围成密封腔，所述密封裙312采用碳纤维丝材料，设计成毛刷式结构，且密封裙312附着在密封内衬311边缘，用于减少密封腔内空气泄露，维持腔内气压稳定。

在本发明实施例中，所述离心装置32包括离心泵321、无刷电机322和气压传感器323，所述离心泵321设置在飞行吸附机器人机架1上，且所述离心泵321内转动安装有离心叶轮，所述离心泵321上设有无刷电机322，且所述无刷电机322的输出轴连接离心叶轮，所述离心叶轮旋转抽取密封腔内气体形成连续负压达成吸附作用，所述气压传感器323设于负压腔内，用于检测密封腔内的气压值并反馈给离心泵，实时调节负压大小，控制吸附力的动态平衡。

在本发明实施例中，所述控制装置5包括传感器组51和机载单片机52，用于飞行位置和姿态控制；其中，所述传感器组51包括位置传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计、气压高度计，用于向飞行吸附机器人提供位置、速度、飞行姿态信息；所述机载单片机52负责飞行吸附机器人姿态的运算和判断，同时操控传感器和直流电机。

在本发明实施例中，所述检测装置4包括相机41和激光雷达42，所述相机41和激光雷达42通过增稳云台进行固定，提高检测稳定性，所述激光雷达42通过构建桥梁三维点云模型，实时获取桥梁底部各点位置信息，进而测量桥梁挠度，所述相机41用于实时监控飞行环境，提高飞行安全性。

一种桥梁挠度智能检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：参考点云采集

采用两个飞行吸附机器人分别飞行并吸附到待检测桥梁两侧桥墩上，利用其搭载的激光雷达42采集未加载时桥梁梁底初始点云，将两个激光雷达42采集的点云相互补充，得到修正后的桥梁初始点云。

步骤二：加载车辆

选择合适的加载车辆和加载方式，对待测桥梁进行加载测试。

步骤三：加载后点云采集

待车辆加载完成，再次使用两个飞行吸附机器人上的激光雷达42采集加载后桥梁梁底点云，将两个激光雷达42采集的点云相互补充，得到修正后的加载后桥梁点云。

步骤四：挠度计算

通过激光雷达采集的点云，可以测出桥梁底面每个位置的挠度值，挠度测量方法为：

计算加载后点云b中每个点b与参考点云a之间的hausodorff距离，hausodorff距离为点云b中每个点b到参考点云a之间的最近距离，其计算公式如下：

h(b，a)＝mina∈a||b-a||

其中，a为参考点云中任意点，b为加载后点云b中任意点，h(b，a)为b点到参考点云a的最近距离，即b点的挠度值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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