极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置的制作方法

极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置
1.技术领域
2.本发明涉及接触式视觉传感技术领域，具体是极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置。
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背景技术：

4.由于服役环境的影响，水下混凝土结构的表面经常会因冲刷、侵蚀、船撞等自然和人为因素的存在出现开裂、破损，颈缩、麻面、露筋等病害。上述病害如果未被及时检测并加以修复，则会导致水下结构混凝土大面积剥落以及钢筋外露而发生腐蚀等问题，使病害进一步加重，最终发展成不可修复的结构破坏，严重影响了水下结构的安全性与耐久性，造成极大的安全隐患。因此，对于水下混凝土结构损伤检测必不可少。而当前现有的水下结构检测方法主要有“近距离拍摄”和“中远距离扫描”两类，其中近距离拍摄主要通过潜水员或者水下机器人将光学相机带到水下结构附近进行拍摄，得到表面的损伤情况的图片，完成检测。这类方法在寻找损伤位置是花费大量时间，其中人工拍摄需要投入大量的人力，危险性较高，而水下机器人推进力不足，成像过程难以保持稳定。而中远距离扫描主要以三维激光扫描和声呐扫描为主，难以近距离的检测水下结构的具体病害形式。所以，对于水下结构检测方法的研发与应用极为重要。
5.随着计算机、人工智能、大数据等专业的发展进步，水下结构检测装置也有了长足的进步。由于环境的特殊性，水下混凝土结构损害检测会受到水流、水质、水深等因素的干扰。在一些能见度低、成像环境恶劣的区域，检测系统难以看清结构表面，无法准确获取所需要的结构信息，对于结构损伤检测有较大影响；而在一些水流较为湍急的区段，检测设备的稳定性会受到严重影响，从而降低了检测结果的精度。因此，水下结构检测需要更加经济、实用、耐久的高性能检测装置来实现更加可靠的检测，得到准确的信息。所以，开发高效、精确、便捷的水下检测装置势在必行，也是目前水下结构病害监测追求的目标之一。
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技术实现要素：

7.发明目的：针对水下视频检测和基于声呐设备的超声检测等水下结构损伤检测方法中的不足，本发明提供了具体是极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置。
8.本发明采用如下技术方案本发明所述的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置，包括用于控制控制定位的宏观定位设备，用于损伤识别的微观识别设备，径向气动模块；宏观定位设备内设有径向气动模块，径向气动模块驱动微观识别设备位移；微观识别设备向宏观定位设备外侧或向内侧位移动。
9.本发明所述的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置，所述的宏观定位设备包括支撑盖，防水外壳，通气接口，双头螺柱，力平衡接口，气管，薄型气缸；所述的防水外壳内设有支撑盖上，薄型气缸布置在支撑盖上，双头螺柱通过螺纹与薄型气缸上的螺纹孔连接，从而固定在薄型气缸上；所述的防水外壳上设有与该壳体内联通的力平衡接口，防水外壳内中部设有薄型气缸，薄型气缸分别联通通气接口及气管；通气接口用于排出气缸工作结束后的高压气体。
10.机械臂相连的钢索穿过力平衡接口，搭载在机械臂上的钢索收束器使钢索处于拉紧状态，钢索此时可以近似认为是固定的，钢索收束器和力平衡接口共同工作，起到约束后坐力的作用，实现力的平衡，使得装置的传力系统不会由于气泵提供的径向力而远离水下结构表面。
11.由气管提供所需高压气体，并通过双头螺柱将所产生的压力传递至安装在成像部分末端的压力板上。双头螺柱通过螺纹连接一头连接在薄型气缸上，另一头连接在压力板上，在传力过程中起到二力杆的作用，将薄型气缸提供的压力传递至压力板上。
12.本发明所述的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置，微观识别设备包括有超声波传感器，液位传感器，有机玻璃盒，高分辨率摄像头，照明电路子系统，压敏传感器，导轨滑块，压力板；所述的有机玻璃盒的侧壁通过导轨滑块与防水外壳相连，有机玻璃盒的探测端设有压敏传感器；有机玻璃盒相对于压敏传感器的另一端设有压力板，压力板面向压敏传感器的一端面设有高分辨率摄像头；有机玻璃盒内布置照明电路子系统，有机玻璃盒的外侧端设有超声波传感器及液位传感器。
13.本发明所述的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置，所述通气接口位于防水外壳正上方，所述力平衡接口位于支撑盖与防水外壳后部，位于支撑盖上的接口与位于防水外壳上的接口互相平行。
14.本发明所述的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置，还包括超疏水性透明弹性体，超疏水性透明弹性体安装于成像部分前端，压敏传感器安装在透明弹性体和微观识别设备成像表面之间。
15.本发明所述的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置， 所述液位传感器直接安装在有机玻璃盒的上侧，液位传感器用于感知装置所处深度，所述压敏传感器安装于超疏水性可变形材料与成像部分前端之间，并将信号传入成像部分内腔中；所述成像设备位于成像部分内腔中，包括光源与摄像机等。
16.本发明所述的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置，所述的照明电路子系统包括设置于有机玻璃盒的led阵列照明系统、数控调光电路；led阵列照明系统由数控调光电路控制，led阵列照明系统的光源与高分辨率成像设备的中心轴线垂直、对称地分布在器壁两侧，照明系统的亮度可根据外部环境的光强进行的调节。
17.本发明所述的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置，所述的数控调光电路为pwm控制调光电路。
18.本发明的具有以下有益效果：1.本发明装置结构简单、拆卸便捷，操作过程全自动化，仅需人工远程操控；2.本发明装置包括宏观定位和微观识别，两部分的配合使用不仅保证了检测范围
的全面性，而且保证了成像质量的精确性，同时有效地提高了检测效率。
19.3.本发明能够在水下极端环境下正常工作，保证了水下检测的稳定性。
20.4.本发明装置成本低，使其能够在大型水下检测工程中进行大规模使用。
21.附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的工作过程示意图。
23.图中：1是超声波传感器，2是高分辨率摄像机，3是有机玻璃盒，4是照明电路子系统，5是压敏传感器，6是超疏水性透明弹性体，7是导轨滑块，8是力平衡接口，9是双头螺柱，10是支撑盖，11是防水外壳，12是薄型气缸，13是通气接口，14是气管，15是压力板，16是液位传感器。
24.具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
26.如图1所示，本发明的极端环境中水下混凝土结构表观损伤快速定位与识别装置，包括宏观定位设备和微观识别设备、用于控制宏观定位设备和微观识别设备径向移动的气动模块。宏观定位设备包括超声波预探测模块、液位传感器和压敏传感器，超声波预探测模块用于预先对被测物表面进行扫描探测、判断被测物表面是否存在损伤，液位传感器用于感知该装置所处深度，压敏传感器用于对该装置与被测物接触之间产生的力进行反馈。本发明针对现阶段水下极端环境结构损伤检测手段不足的问题提出，装置结构简单、拆装便捷，适应水下极端环境，操作全程自动化，仅需人工远程操控；宏观定位设备和微观识别设备的配合工作不仅保证了检测范围的全面性，而且保证了成像质量的精确性，同时有效地提高了检测效率。
27.宏观检测模块包括超声波预探测设备1、液位传感器16和压敏传感器5三部分，超声波预探测设备1用于预先对被测物表面进行扫描探测、判断被测物表面是否存在损伤；液位传感器16用于感知该装置所处深度；压敏传感器5用于对该装置与被测物接触之间产生的力进行反馈。
28.微观识别模块包括照明电路子系统4和有机玻璃盒3，有机玻璃盒3探测面的外表面黏附有实现接触式成像的超疏水性透明弹性体6以及与探测面相对板面上设置的高分辨率摄像头2四部分。其中，高分辨率摄像头2中心和超疏水性透明弹性体6中心处于同一条直线上。其中，照明电路子系统4包括设置于有机玻璃盒3内的led照明电路和pwm控制调光电路。
29.动力控制模块包括径向气动模块、导轨滑块7和力平衡接口8。径向气动模块包括支撑盖10和设于支撑盖上的薄型气缸12，薄型气缸12安装在支撑盖10上，气泵通过气管14
将高压气体泵至汽缸，并通过双头螺柱9将所产生的压力传递至安装在成像部分末端的压力板15上，使得装置紧贴水下结构，排除水体对成像的干扰。成像部分四角与支撑盖10以导轨滑块7相连接，使得图像采集模块可以更加稳定、流畅地运动。力平衡接口8起到约束后坐力的作用，使得装置的右半部分，即传力系统，不会由于气泵提供的径向力而远离水下结构表面。
30.作为一种实施方式，图像采集子系统包括有机玻璃盒3，有机玻璃盒3的探测面外黏附有超疏水性透明弹性体6，有机玻璃盒3内与探测面的相对面的正中心设置有高分辨率摄像头1，有机玻璃盒3内侧壁设有照明电路子系统4。超疏水性透明弹性6体安装于成像部分前端，压敏传感器5安装在超疏水性透明弹性体6和高分辨率摄像头1成像表面之间。
31.超声波预探测设备1位于装置成像部分上侧，并密封于成像部分内。具体地，超声波预探测设备1结合液位传感器16，对疑似水下结构损伤部位进行定位分析得出疑似损伤部位的具体位置，进而通过微观识别装置进行水下结构的精细成像。
32.如图2所示：装置在水下工作，水上机械臂将搭载单体装置与自主研制的辅助装置组合而成传感器探测系统从水面开始缓慢下沉。下沉过程中，单体装置将通过宏观定位系统，判断目标水下结构是否存在疑似损伤的部位，如果有疑似损伤的存在，则辅助装置会将传感器探测系统固定在疑似损伤所在深度。之后微观识别装置开始工作，对疑似损伤部位进行成像。待成像结束后，机械臂继续控制传感器探测系统下沉，循环此过程。
33.本发明所用的弹性体为高性能柔性有机硅化合物：聚二甲基硅氧烷，具有良好的光学透明性、弹性、超疏水性。光学透明性使得高分辨率摄像头2能透过超疏水性透明弹性体6进行清晰地成像；弹性保证了超疏水性透明弹性体6在受径向力的挤压时可以根据水下结构表面的形状而变形；超疏水性则可以排除两者之间细微缝隙中的气泡。
34.照明电路子系统4包括设置于有机玻璃盒3内的led阵列和数控调光电路。为了排除水下极端测量环境对图像采集的干扰，本发明在传感器内部营造了明亮通透的成像环境。如图所示，led阵列为分布在外壳侧面的四个led灯条组成，采取多点照明，使得盒中配光均匀，形成良好的成像环境。数控调光电路是通过控制pwm信号的占空比从而实现对led灯明亮程度的调节。相对于分压电阻控制的方法，pwm控制更加精确，从处理器到被控系统信号都是数字形式的，通过数字信号处理，可将噪声影响降到最低，极大地延长通信距离。
35.以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书以及附图内容所作的等效结构变换，或者直接/间接地运用于其他相关技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。