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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于機(jī)器視覺的混凝土橋梁底面裂縫檢測(cè)系統(tǒng)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 對(duì)于橋梁底面裂縫的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外仍采用傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，本作品針對(duì)此檢測(cè)現(xiàn)狀，提出采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)橋底裂縫進(jìn)行檢測(cè)，通過機(jī)器人搭載CCD相機(jī)，采集橋梁底面圖像，并將圖像利用無線模塊傳送至計(jì)算機(jī)。在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)了裂縫智能識(shí)別軟件，對(duì)橋底裂縫進(jìn)行處理，識(shí)別，并計(jì)算裂縫特征參數(shù)，評(píng)估橋梁的裂縫損傷情況。相比于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，本系統(tǒng)提高了檢測(cè)的效率、精度和安全性，降低了檢測(cè)費(fèi)用，具有巨大的市場(chǎng)前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 橋梁坍塌事故在我國(guó)時(shí)有發(fā)生，造成了較大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，混凝土橋梁的損壞有76%以上都是裂縫引起的。而對(duì)于橋梁底面裂縫的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外檢測(cè)方法都是人工檢測(cè)，存在檢測(cè)費(fèi)用高、效率低、精度低、人員安全難以保證等嚴(yán)重不足。 本作品針對(duì)目前檢測(cè)現(xiàn)狀，提出采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)橋底裂縫進(jìn)行檢測(cè)。本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)裝置依托橋梁檢測(cè)車的桁架臂，采用四輪底盤與導(dǎo)輪導(dǎo)軌相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式。在運(yùn)動(dòng)裝置上搭載工業(yè)CCD相機(jī)，采集橋梁底面的圖像，并將圖像通過千兆以太網(wǎng)或無線模塊傳送至計(jì)算機(jī)。同時(shí)采用基于半徑的多段式運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方法，避免部分區(qū)域多次重復(fù)拍攝分析，大幅提高檢測(cè)效率。在此基礎(chǔ)上利用Open CV，自主開發(fā)了位于計(jì)算機(jī)端的裂縫智能識(shí)別軟件，對(duì)橋底圖像進(jìn)行處理，識(shí)別是否含有裂縫，并記錄裂縫的參數(shù)，評(píng)估橋梁的裂縫損傷情況。針對(duì)橋底裂縫的特點(diǎn)，本作品提出了灰度自適應(yīng)圖像分割算法，保證了裂縫檢測(cè)的效果。和傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，本系統(tǒng)提高了橋梁底面裂縫檢測(cè)的效率，提高了檢測(cè)的精度（最小可檢測(cè)0.2mm寬的裂縫），降低了檢測(cè)的人工費(fèi)用，縮短了檢測(cè)時(shí)的橋梁封航時(shí)間，同時(shí)保證了檢測(cè)人員的安全。在使工程檢測(cè)質(zhì)量大幅提升的同時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生良好的社會(huì)效應(yīng)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品發(fā)明目的：研發(fā)出基于機(jī)器視覺的混凝土橋梁底面裂縫檢測(cè)系統(tǒng)，利用圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁底面裂縫的自動(dòng)識(shí)別與評(píng)估，提高橋梁病害檢測(cè)的效率，取代危險(xiǎn)性高效率低精度差的人工檢測(cè)方式。創(chuàng)新點(diǎn)：1灰度自適應(yīng)圖像分割算法；針對(duì)橋梁底面光照強(qiáng)度低的環(huán)境特點(diǎn)，保證裂縫圖像采集的良好效果2基于半徑的多段式軌跡規(guī)劃方法，避免部分區(qū)域的重復(fù)檢測(cè)，提高檢測(cè)效率30%以上3四輪底盤與導(dǎo)輪導(dǎo)軌相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)連續(xù)。 設(shè)計(jì)基本思路：利用裂縫檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置在桁架臂上來回移動(dòng)，配備的工業(yè)CCD相機(jī)和圖像采集卡高速采集橋底圖像，通過無線傳輸或千兆以太網(wǎng)傳會(huì)車載電腦中，利用軟件對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，參數(shù)計(jì)算，裂縫報(bào)表生成。同時(shí)匹配無線遙控運(yùn)動(dòng)裝置，使人可以隨時(shí)介入，移動(dòng)并控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、拍攝距離和拍攝角度以及拍攝光源等 關(guān)鍵技術(shù)：無線運(yùn)動(dòng)控制、自適應(yīng)圖像分割算法、裂縫匹配識(shí)別和特征值計(jì)算、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃 主要技術(shù)指標(biāo)： [1]相機(jī)幀率： ≤32fps [2]最大圖像傳輸速率：1024Mbps [3]單幅圖像處理時(shí)間：100ms [4]工業(yè)相機(jī)物距：400至800mm可調(diào) [5]工業(yè)相機(jī)分辨率：1296*996 [6]通信接口：千兆以太網(wǎng)（RJ-45）接口 [7]供電電源：AC220V工頻50HZ或DC12V兩用 [8]運(yùn)動(dòng)平臺(tái)速率：0至0.5m/s [9]裂縫檢測(cè)精度：最小可檢測(cè)寬度≤0.2mm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 相比于國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)人工檢測(cè)效率低，檢測(cè)質(zhì)量難以保證，人員安全事故頻發(fā)等缺陷。本系統(tǒng)具有以下突出特點(diǎn)：1應(yīng)用了機(jī)器視覺技術(shù)。利用高速工業(yè)相機(jī)自動(dòng)采集橋梁底面的圖像，并用千兆以太網(wǎng)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。為本系統(tǒng)的高速高效奠定了基礎(chǔ)2高效圖像處理算法。針對(duì)橋梁底面較多外界干擾的特點(diǎn)，利用Open CV，開發(fā)出了高效的、適應(yīng)性高的圖像濾波、分割、和裂縫檢測(cè)算法。并在Microsoft? Windows? 32位操作系統(tǒng)上,完成了高速實(shí)用的人機(jī)交互界面的編寫。3適用于橋底復(fù)雜工況的機(jī)械結(jié)構(gòu)。橋底作業(yè)工況復(fù)雜，針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)容易遭受惡劣天氣干擾的情況，本系統(tǒng)采用了彈性與四輪底盤相配合的運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)采用了三自由度機(jī)械臂，保證采圖的穩(wěn)定性和全面性。4自動(dòng)化程度高。檢測(cè)過程中無需人為干涉。采用閉環(huán)控制，在保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的同時(shí)，準(zhǔn)確定位裂縫缺陷的位置，提高工程檢測(cè)質(zhì)量；本作品的檢測(cè)效率可達(dá)人工檢測(cè)的2-3倍,精度最小可檢測(cè)國(guó)際要求標(biāo)準(zhǔn)0.2mm寬的裂縫，同時(shí)保證檢測(cè)人員的安全，極大地推動(dòng)了橋梁裂縫檢測(cè)事業(yè)的發(fā)展。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 在湖北省武漢市華中科技大學(xué)第三屆“求是杯大學(xué)生科技作品競(jìng)賽”中獲得一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 已經(jīng)完成第一代機(jī)器人實(shí)物制作，并在武漢市鐵路總局及其技術(shù)研究所合作支持下完成橋梁試驗(yàn)檢測(cè)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 目前沒有轉(zhuǎn)讓相關(guān)技術(shù)和專利
作品可展示的形式
- 1.實(shí)物配合模擬橋梁檢測(cè)演示 2.圖片、視頻 3.PPT、展板、產(chǎn)品宣傳冊(cè)、產(chǎn)品使用手冊(cè)
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說明：本檢測(cè)系統(tǒng)分為智能模式和人工模式，通過電腦界面和無線遙控面板進(jìn)行切換，智能模式下系統(tǒng)將自動(dòng)在橋底桁架臂上完成運(yùn)動(dòng)，圖像采集和傳輸，通過軟件完成裂縫識(shí)別和參數(shù)計(jì)算以及報(bào)表生成，人工模式下將人為操縱其運(yùn)動(dòng)、拍攝視角、參數(shù)計(jì)算等。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：利用機(jī)器人作業(yè)取代了傳統(tǒng)的人工作業(yè)，配合CCD相機(jī)和自主研發(fā)的圖像分割算法使檢測(cè)精度提升至國(guó)際所要求的0.2MM高標(biāo)準(zhǔn)，通過自主研發(fā)的裂縫智能識(shí)別軟件能同時(shí)對(duì)上千張圖片進(jìn)行處理，極大的節(jié)省了人工勞動(dòng)力，提高了檢測(cè)的精度和效率，從根本上杜絕了檢測(cè)人員的安全事故發(fā)生。 適用范圍：中大型混凝土結(jié)構(gòu)的梁式、板式、拱式和部分組合式橋梁。 推廣前景：隨著我們對(duì)鋼制橋梁鐵銹檢測(cè)算法的提出，本系統(tǒng)可進(jìn)一步推廣到鋼制或合金質(zhì)橋梁的鐵銹和裂縫的檢測(cè)中。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：每座小型梁式橋梁可節(jié)約檢測(cè)費(fèi)用8萬元，以全國(guó)每年最少500座橋需檢測(cè)估算，每年可節(jié)約檢測(cè)費(fèi)用4000萬元左右。
同類課題研究水平概述
- 廣東工業(yè)大學(xué)和廣東省佛山市公路局公路車船修配廠提出設(shè)計(jì)一種基于智能控制和圖像檢測(cè)技術(shù)的智能視頻橋梁檢測(cè)車(Intelligen-video Bridge-detection Vehicle，簡(jiǎn)稱IVBDV)。該種橋梁檢測(cè)車通過輕型液壓伸臂機(jī)構(gòu)，將檢測(cè)裝置(攝像機(jī)或者超聲波探測(cè)器等)承載到橋梁底面任意位置的有效探測(cè)距離內(nèi)，采集、辨認(rèn)或檢測(cè)橋梁底部缺陷，利用圖像檢測(cè)和處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁底部缺陷(如結(jié)構(gòu)性裂縫等)的自動(dòng)檢測(cè)。 張維峰采用數(shù)字圖像分析技術(shù)，開發(fā)出一套適用于橋梁缺陷較遠(yuǎn)距離圖像檢測(cè)分析軟件。在實(shí)驗(yàn)室條件下能夠以較高的精度提取一定距離內(nèi)的混凝土裂紋，但在戶外條件下，拍攝距離對(duì)圖像處理的精度有較大影響，精度隨距離增加而降低。在對(duì)明顯裂紋處理的同時(shí)，忽略了圖像中的另一些細(xì)節(jié)，其中長(zhǎng)度小于2mm的裂紋被視為噪聲被去除，因此，此檢測(cè)方法不宜用于微小裂紋的檢測(cè)。 國(guó)外研究人員在利用機(jī)器視覺檢測(cè)混凝土表面裂縫方面提出了一些方法。Abdel-Qader等人比較了小波變換、傅里葉變換、Sobel濾波、Canny濾波等方法對(duì)混凝土表面裂縫的檢測(cè)效率，認(rèn)為小波變換比其它幾種檢測(cè)方法更加可靠。ItoA等人對(duì)數(shù)碼相機(jī)拍攝的裂縫圖像綜合運(yùn)用小波變換、灰度校正、二值化等圖像處理方法對(duì)裂縫進(jìn)行了提取和分析。Kamawura K等人提出，利用遺傳算法對(duì)圖像處理的參數(shù)進(jìn)行半自動(dòng)優(yōu)化以達(dá)到精確檢測(cè)裂縫的目的。這些方法都是從圖像的整體上進(jìn)行的處理，有一定的效果，但忽略了裂縫的一些重要特征，如裂縫區(qū)域內(nèi)部像素之間的連接性。 北京交通大學(xué)采用MATLAB作為開發(fā)平臺(tái)，利用MATLAB高效的運(yùn)算能力，總和運(yùn)用了灰度化，圖像增強(qiáng)，閾值分割，去除噪聲，計(jì)算特征值，多特征值匹配的算法，自動(dòng)識(shí)別裂縫并存儲(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)。但是它不能用于自動(dòng)判斷是否為裂縫，需要人按步驟對(duì)拍到的圖片進(jìn)行分步處理。他主要用于對(duì)既有裂縫的各種特征值如寬度，長(zhǎng)度，圓形度，長(zhǎng)寬比，面積，裂縫平均灰度等一系列特征值仔細(xì)分析計(jì)算，并不適用于邊移動(dòng)掃描橋底景象，邊分析判斷是否有裂縫，并自動(dòng)計(jì)算裂縫各種特征值，最后保存數(shù)據(jù)。 以上系統(tǒng)目前都還處于實(shí)驗(yàn)室階段，所研究的對(duì)象主要是圖像處理技術(shù)的算法，對(duì)于具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方面尚未提出行之有效的方案。
