專利名稱：一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，用于鐵路橋梁表面， 特別是野外大跨度、長(zhǎng)距離的高架鐵路橋梁的表面裂縫檢查，屬于橋梁安全 監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鐵路橋梁表面出現(xiàn)裂縫是內(nèi)部損傷達(dá)到 一定危險(xiǎn)程度的集中表現(xiàn)，是橋
梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性危險(xiǎn)的最明顯的信號(hào)，當(dāng)裂縫的寬度達(dá)到0.2mm以上時(shí)，外 界水汽容易進(jìn)入內(nèi)部加速鋼筋腐蝕，可能直接破壞橋梁整體性，使橋梁承載 能力大為降低，影響鐵路的安全運(yùn)行。因此，及時(shí)捕捉、檢查橋梁表面裂縫， 對(duì)于預(yù)示或及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程險(xiǎn)情，保證橋梁的可靠運(yùn)營(yíng)以及延長(zhǎng)橋梁的使用壽 命具有重要意義。
當(dāng)前橋梁檢測(cè)主要依靠工作人員乘坐在橋檢車的吊籃里靠近待檢測(cè)橋 面人工觀察，主要憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)?zāi)恳暀z測(cè)，給定檢測(cè)結(jié)果，容易受到主觀因 素的影響且效率低、危險(xiǎn)性高，同時(shí)，因吊籃要靠近待檢測(cè)橋面，當(dāng)?shù)趸@遇 到橋墩和避車臺(tái)時(shí)，橋檢車要停止走行，收回吊籃，避開橋墩和避車臺(tái)后再 伸展到工作位置，工作效率很低；另外一種方式是應(yīng)用視覺(jué)技術(shù)在地面用遠(yuǎn) 距離觀測(cè)裝置或者其它搭載裝置檢查橋梁表面，多是對(duì)城市里距離較短的公 路橋梁進(jìn)行檢測(cè)，通常依靠自然光照明，易受天氣變化的影響，或者缺少連 續(xù)存儲(chǔ)裝置；另外也有應(yīng)用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)用于輕軌軌道梁面檢測(cè)的裝置，但 是針對(duì)的是特殊梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)，由于野外環(huán)境地理、地質(zhì)條件復(fù) 雜，這些方法都不適合野外大量存在的大跨度、長(zhǎng)距離的高架鐵路橋梁表面 的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
4本發(fā)明的目的在于提供一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，以能夠?qū)?鐵路橋梁表面裂縫進(jìn)行快速、高精度檢測(cè)并能夠定位缺陷。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，本裝 置釆用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，利用相機(jī)對(duì)待檢橋梁表面成像，記錄、存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)， 然后通過(guò)圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)，分析、提取表面的裂縫特征，從而實(shí)現(xiàn) 裂縫的檢測(cè)。
一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其特征在于該裝置包括照明系 統(tǒng)、成像系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)，其中照明系統(tǒng)、 成像系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)安裝在軌道式橋檢車的吊籃上；
照明系統(tǒng)包括照明光源和控制電路，對(duì)待檢測(cè)橋梁表面正面照明；該控 制電路作為光源與相機(jī)的接口受相機(jī)信號(hào)控制，控制照明光源的閃爍頻率；
溫控系統(tǒng)包括加裝光學(xué)玻璃、加熱器和風(fēng)扇的防護(hù)罩保護(hù)相機(jī)和鏡頭能 夠在野外環(huán)境下正常工作；
成像系統(tǒng)包括相機(jī)和鏡頭，安裝在防護(hù)罩內(nèi)，與照明系統(tǒng)配合采集圖像；
數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，安裝在軌道式橋檢車的控制室內(nèi)，將成像系統(tǒng)實(shí)時(shí) 采集的圖像數(shù)據(jù)記錄在磁盤上；
定位系統(tǒng)安裝在橋檢車車輪軸上，確定缺陷在橋梁上的位置。
其中，所述的照明系統(tǒng)采用的照明光源為頻閃光源。
其中，所述的照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)采用的布局結(jié)構(gòu)為相機(jī)縱向交錯(cuò)排 列，照明光源采用一上兩下或一下兩上的布置方式，使待檢測(cè)橋梁區(qū)域光照 均勻。
其中，所述的成像系統(tǒng)采用的相機(jī)為千兆網(wǎng)接口的面陣CCD相機(jī)，該 相機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)卡與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)相連。
其中，所述的成像系統(tǒng)采用的鏡頭為長(zhǎng)焦鏡頭。
其中，所述的定位系統(tǒng)采用光電編碼器，該編碼器每隔固定角度輸出脈 沖信號(hào)，輸入CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)相機(jī)拍攝圖像。其中，所述的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)包括存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)和磁盤存儲(chǔ)陣列，所述
的磁盤存儲(chǔ)陣列采用磁盤存儲(chǔ)陣列卡與SAS硬盤構(gòu)成。
本發(fā)明的原理是將本發(fā)明安裝在橋檢車的吊籃上，利用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)， 當(dāng)橋檢車在鐵軌上連續(xù)走行時(shí)，定位系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)，輸入CCD相機(jī)驅(qū) 動(dòng)相機(jī)連續(xù)拍攝圖像，同時(shí)相機(jī)通過(guò)光源控制電路控制頻閃光源交替依次閃 光為相機(jī)補(bǔ)充光照，獲得的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)千兆網(wǎng)線實(shí)時(shí)傳輸進(jìn)入存儲(chǔ)計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)下來(lái)，利用圖像處理技術(shù)對(duì)存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，識(shí)別出裂縫、掉 塊等缺陷，最終給出所檢測(cè)缺陷的大小及位置信息。
本發(fā)明一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在 于(1)與現(xiàn)有人工的橋梁檢測(cè)技術(shù)相比，采用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，避免了傳 統(tǒng)人工檢測(cè)時(shí)易受到疲勞、操作經(jīng)驗(yàn)等主觀因素影響的缺點(diǎn)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度 和操作危險(xiǎn)性；(2)用頻閃光源為相機(jī)補(bǔ)充光照，減小自然光的影響；(3) 本發(fā)明可連續(xù)工作，橋檢車不用避讓橋墩和避車臺(tái)，直接通過(guò)，實(shí)現(xiàn)快速、 高精度連續(xù)檢測(cè)；(4)使用千兆網(wǎng)接口面陣CCD相機(jī)，通過(guò)千兆網(wǎng)卡與計(jì) 算機(jī)直接相連，不用專用的圖像采集卡，且千兆網(wǎng)線的數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)，避 免其它接口相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸距離近的缺陷，利于將成像系統(tǒng)與存儲(chǔ)控制系統(tǒng)分
開較遠(yuǎn)距離，因此，操作人員可以在橋檢車的控制室內(nèi)完成操作，改善操作
人員的工作環(huán)境。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明的整體布局圖3為本發(fā)明的頻閃光源與成像系統(tǒng)的布局圖4為本發(fā)明的頻閃光源控制電路圖； 圖中具體標(biāo)號(hào)如下
1、控制室 2、計(jì)算機(jī) 3、操作人員
4、千兆網(wǎng)線 5、避車臺(tái) 6、吊籃7、機(jī)械臂 8、相機(jī)架 9、頻閃光源
10、相機(jī) 11、防護(hù)罩 12、橋梁表面
13、光電編碼器 14、橋墩 15、控制電路
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖l及圖2所示，本發(fā)明一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，主要 包括照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)，其中 照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)安裝在軌道式橋檢車的吊籃上，
照明系統(tǒng)包括頻閃光源9和控制電路15,對(duì)待檢測(cè)橋梁表面12正面照 明；該控制電路15作為頻閃光源9與相機(jī)10的接口受相機(jī)信號(hào)控制，控 制照明光源的閃爍頻率；
溫控系統(tǒng)包括加裝光學(xué)玻璃、加熱器和風(fēng)扇的防護(hù)罩11，保護(hù)相機(jī)和 鏡頭能夠在野外環(huán)境下正常工作；
成像系統(tǒng)包括相機(jī)和鏡頭，安裝在防護(hù)罩11內(nèi)，與照明系統(tǒng)配合采集 圖像；
數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)包括存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)2和磁盤存儲(chǔ)陣列，安裝在軌道式橋 檢車的控制室1內(nèi)，將成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的圖像數(shù)據(jù)記錄在磁盤上；
定位系統(tǒng)采用光電編碼器13,安裝在橋檢車車輪軸上，確定缺陷在橋 梁上的位置。
如圖2所示，存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)2，放置在橋檢車的控制室1內(nèi)，由操作人員 3控制檢測(cè)過(guò)程。相機(jī)10采用帶有千兆網(wǎng)接口的高精度數(shù)字面陣CCD相機(jī)， 相機(jī)接口為C型接口，與200mm定焦F型接口鏡頭連接需要加裝鏡頭轉(zhuǎn)接 環(huán)。相機(jī)和鏡頭外有防護(hù)罩11，防護(hù)等級(jí)為IP66，主體使用鋁合金，前方 視窗選用光學(xué)玻璃，配有加熱器、風(fēng)扇、遮陽(yáng)罩、雨刷器，具有防水、防塵 和預(yù)防溫度過(guò)高或過(guò)低的功能，工作溫度為-35。C ~65°C，保證相機(jī)和鏡頭 在惡劣野外條件下能夠正常的工作。相機(jī)IO與頻閃光源9都安裝在相機(jī)架8上，其中相機(jī)架8安裝在橋4企 車的吊籃6上，便于拆卸。工作時(shí)，橋檢車在鐵軌上連續(xù)走行，吊籃6伸展 到工作位置，與待檢測(cè)的橋梁表面12距離2m，相機(jī)10對(duì)待檢測(cè)橋梁表面 12連續(xù)拍攝圖像，經(jīng)過(guò)排布在機(jī)械臂7上的六類千兆網(wǎng)線4將獲取的圖像 數(shù)據(jù)輸入存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)2連續(xù)存儲(chǔ)，以備處理，即使遇到橋墩14和避車臺(tái)5 也不用停車避讓，可以連續(xù)通過(guò)，提高檢測(cè)效率。橋梁的一側(cè)橋面檢測(cè)完畢 之后，機(jī)械臂7帶著吊籃6翻轉(zhuǎn)到橋梁的另外一側(cè)，重復(fù)上面的檢測(cè)過(guò)程， 從而完成對(duì)所有待檢測(cè)橋面的檢測(cè)工作。
相機(jī)10通過(guò)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)2上的千兆網(wǎng)卡輸入數(shù)據(jù)，不用專用的圖像采 集卡，該存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)采用專業(yè)工業(yè)底板，含雙核處理器的全長(zhǎng)CPU卡，獨(dú) 立3U磁盤陣列拒。三臺(tái)相機(jī)每秒鐘的輸出的數(shù)據(jù)總量約為120MB,數(shù)據(jù)通 過(guò)計(jì)算機(jī)總線寫入磁盤存儲(chǔ)陣列，該磁盤存儲(chǔ)陣列由磁盤陣列卡和12塊SAS 硬盤采用RAID5 (Redundant Array of Independent Disk)方式構(gòu)成，提高數(shù) 據(jù)的存儲(chǔ)速度，將圖像數(shù)據(jù)不丟幀的寫入硬盤，能夠滿足系統(tǒng)連續(xù)12個(gè)小 時(shí)工作的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，實(shí)現(xiàn)大量圖像數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)存儲(chǔ)。
安裝在橋檢車車輪軸上的光電編碼器13隨著橋檢車的前進(jìn)和車輪的滾 動(dòng)，每隔固定的旋轉(zhuǎn)角度(對(duì)應(yīng)于橋檢車前進(jìn)的固定距離)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信 號(hào)，該脈沖信號(hào)作為相機(jī)的觸發(fā)信號(hào)控制相機(jī)拍攝，使相機(jī)每隔固定距離拍 攝一幅圖像，避免因車速變化引起的拍攝圖像區(qū)域重疊或漏拍。以相機(jī)拍攝 次數(shù)作為順序存儲(chǔ)拍攝圖像的文件名，處理圖像得到裂縫特征后，根據(jù)記錄 的文件名和前面所述的固定距離值，可以得到裂縫圖像所在位置與拍攝起點(diǎn) (橋梁起點(diǎn))的相對(duì)距離，實(shí)現(xiàn)裂縫的定位。
如圖3所示為本發(fā)明安裝在相機(jī)架上的相機(jī)10與頻閃光源9的布局圖， 其中相機(jī)縱向交錯(cuò)排列，工作時(shí)采用三臺(tái)相機(jī)同時(shí)對(duì)待檢測(cè)橋梁表面12連 續(xù)拍攝圖像，由于相機(jī)的曝光時(shí)間短，必須補(bǔ)充光照，使用控制電路15控 制三個(gè)頻閃光源逐個(gè)依次閃光補(bǔ)充光照， 一方面減少頻閃光源的數(shù)量節(jié)約成
8本，另一方面釆用一上兩下或兩上一下的布局不影響光照均勻性，同時(shí)使得 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小。
如圖4所示，為本發(fā)明的頻閃光源控制電路，作為光源和相機(jī)之間的接 口電路，頻閃光源接收外部觸發(fā)信號(hào)控制閃光頻率。相機(jī)拍照與光源收到觸 發(fā)信號(hào)后至燈管閃亮的時(shí)間必須一致，因此，采用一臺(tái)相機(jī)輸出的Strobe 信號(hào)作為同步信號(hào)，將Strobe信號(hào)通過(guò)控制電路進(jìn)行分頻，用分頻出來(lái)的低 頻信號(hào)作為頻閃光源的觸發(fā)信號(hào)。控制電路采用帶有異步清除功能的可預(yù)置 數(shù)的bed計(jì)數(shù)器74LS160芯片以及與或非門組成，實(shí)現(xiàn)將一路輸入TTL信 號(hào)進(jìn)行三分頻，得到三個(gè)相位相差120。的三個(gè)輸出信號(hào)，它們分別觸發(fā)三 個(gè)頻閃光源，使得相機(jī)曝光的同時(shí)，總有一個(gè)頻閃光源閃光，而另外兩個(gè)頻 閃光源有足夠的時(shí)間充電，為下次閃光做好準(zhǔn)備，這樣可以使得相機(jī)和頻閃 光源協(xié)同工作。
本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的 現(xiàn)有技術(shù)。
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權(quán)利要求
1、一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其特征在于該裝置包括照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)，其中照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)安裝在軌道式橋檢車的吊籃上；照明系統(tǒng)包括照明光源和控制電路，對(duì)待檢測(cè)橋梁表面正面照明；該控制電路作為光源與相機(jī)的接口受相機(jī)信號(hào)控制，控制照明光源的閃爍頻率；溫控系統(tǒng)包括加裝光學(xué)玻璃、加熱器和風(fēng)扇的防護(hù)罩，保護(hù)相機(jī)和鏡頭能夠在野外環(huán)境下正常工作；成像系統(tǒng)包括相機(jī)和鏡頭，安裝在防護(hù)罩內(nèi)，與照明系統(tǒng)配合采集圖像；數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，安裝在軌道式橋檢車的控制室內(nèi)，將成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的圖像數(shù)據(jù)記錄在磁盤上；定位系統(tǒng)安裝在橋檢車車輪軸上，確定缺陷在橋梁上的位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其特 征在于所述的照明系統(tǒng)采用的照明光源為頻閃光源。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或所述的一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其 特征在于所述的照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)采用的布局結(jié)構(gòu)為相機(jī)縱向交錯(cuò)排 列，照明光源采用一上兩下或一下兩上的布置方式，使待檢測(cè)橋梁區(qū)域光照 均勻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其特 征在于所述的成像系統(tǒng)采用的相機(jī)為千兆網(wǎng)接口的面陣CCD相機(jī)，該相 機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)卡與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其特 征在于所述的成像系統(tǒng)采用的鏡頭為長(zhǎng)焦鏡頭。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其特 征在于所述的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)包括存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)和磁盤存儲(chǔ)陣列，所述的 磁盤存儲(chǔ)陣列采用磁盤存儲(chǔ)陣列卡與SAS硬盤構(gòu)成。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其特征在于所迷的定位系統(tǒng)采用光電編碼器，該編碼器每隔固定角度輸出脈沖 信號(hào)，輸入CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)相機(jī)拍攝圖像。
全文摘要
一種鐵路橋梁表面裂縫視覺(jué)檢查裝置，其主要包括照明系統(tǒng)包括照明光源和控制電路，對(duì)待檢測(cè)橋梁表面正面照明；溫控系統(tǒng)包括加裝光學(xué)玻璃的防護(hù)罩、加熱器和風(fēng)扇，保護(hù)相機(jī)和鏡頭能夠在野外環(huán)境下正常工作；定位系統(tǒng)安裝在橋檢車車輪軸上，確定缺陷在橋梁上的位置；數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，安裝在軌道式橋檢車的控制室內(nèi)；成像系統(tǒng)包括相機(jī)和鏡頭，安裝在防護(hù)罩內(nèi)。本發(fā)明在固定的工作距離下工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)高速檢測(cè)，適用于鐵路橋梁特別是分布在野外的大跨度、長(zhǎng)距離的高架鐵路橋梁檢測(cè)，避免目前檢測(cè)人員乘坐橋檢車人工觀測(cè)待檢橋梁表面，易受到主觀因素及天氣因素的影響以及其它地面觀測(cè)設(shè)備難以在野外或高架橋下展開等不足。
文檔編號(hào)G01N21/86GK101509875SQ20091007973
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者李旭東, 葛文謙, 趙慧潔, 黃世杰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)