鋼箱梁外表面病害智能化檢測技術研究

麥權想，閆 禹，吳清發，楊振波，李國紅

(1.港珠澳大橋管理局,廣東 珠海 519015;2.中國航發北京航空材料研究院,北京 100095)

0 引言

海洋環境鋼箱梁表面涂層老化、銹蝕以及損壞,會導致鋼箱梁工作性能產生變化,對橋梁運營的安全性造成了較大威脅[1-2]。及時發現問題并做好維養工作,能夠有效地避免橋梁性能快速退化并延長橋梁的使用壽命。然而,此前鋼箱梁外表面病害檢測主要采用人工巡檢的方式,對于鋼箱梁體量大的跨海大橋而言,檢測工作量大、耗時長,且存在部分位置監測人員難以到達以及相應的安全隱患問題。隨著時間的推移,檢測人員的工作質量也會逐漸地趨于不穩定。

為改善這一狀況,國內外逐步開展智能巡檢技術與裝備研發,以解決人工巡檢的缺陷,實現及時、快速、全面、準確、高效的橋梁檢測。如:南京理工大學研制了一種基于負壓吸附式的高架橋壁面缺陷檢測機器人,機器人底部真空發生器產生負壓用于提供附著力,上部裝載簡單的視覺檢測系統,但該機器人無法從橋面移動至橋墩,且在橋梁結構的變化面吸附力下降,無法多部位全面檢測[3]。中公高科養護科技股份有限公司開發了一款蜘蛛型機器人檢測平臺,模仿蜘蛛的多足結構和運動形式,實現機器人貼附在橋梁表面上進行作業和爬行運動,末端檢測設備包括高分辨率的工業相機和混凝土鋼筋檢測儀,可針對橋梁的關鍵部位進行精細化檢測。但該機器人檢測平臺不適用于快速大規模的橋梁檢測,同時設備成本高昂,一旦粘附系統出現問題,設備墜落,將對橋下的車輛或行人造成危險,難以大幅度推廣使用[4]。麻省理工學院研發了一種磁性雙足機器人進行鋼橋檢測,通過在機器人腳部安裝永磁體,機器人能夠吸附在鋼材結構的表面上,并沿著鋼鐵表面進行“太空步”式的滑行,同時利用機器視覺系統對鋼橋表面進行檢測。然而該橋梁檢測機器人只能檢測具備磁力吸引特性的鋼鐵材質橋梁,且運動速度慢、檢測效率低[5]?？傮w而言,既有的巡檢機器人檢測平臺均各有優劣,但專項針對鋼箱梁的巡檢機器人技術仍較缺乏。

本文依托港珠澳大橋智能化檢測技術,對該工程采用的箱梁外表面巡檢機器人與圖像處理方式進行分析,提出了一種覆蓋面廣、作業效率高、風險小的鋼箱梁外表面快速智能巡檢方式,為后續工程提供參考借鑒。

1 概念、應用場景及主要技術指標

鋼箱梁外表面智能化檢測技術,是根據鋼箱梁特定的檢測條件,設計專門的磁吸式、懸臂式機器人,搭載高清相機等檢測設備,搭建獲取箱梁外表面圖像等數據信息的檢測系統,將獲取的圖像、位置、類別、置信度等信息處理成標準化數據并上傳云端服務器,為相關的橋梁評估系統和智能維養決策系統提供數據支持[6-7]。

鋼箱梁外表面智能巡檢技術面向長達22.9km的港珠澳大橋主體橋梁工程[8]。鋼箱梁外表面檢修結構主要有:(1)大挑臂下方U肋復雜結構;(2)大挑臂下方斜底板平面結構;(3)箱梁底板平面結構。由于鋼箱梁大挑臂結構復雜曲折,傳統的單機機器人難以完成結構翻越和安全移動,且U肋平面面積較小,限制了機器人的磁吸力負載能力。因此,項目設計研發了檢測機器人與跟隨機器人,2臺機器人之間通過桁架結構提供穩定的荷載與檢測儀器搭載構造,實現了對U肋結構抵近檢測。此外,設計研制1臺專項供電機器人,保證機器人組的能源供應。通過碳纖維輕質桁架的連接,三機器人協同運動系統形成,且機器人系統安全性大大提高。

圖1 鋼箱梁外表面智能巡檢系統

根據鋼箱梁檢修結構的特點,采用不同的機器人布置方案。大挑臂下方U肋復雜結構布置大挑臂巡檢機器人(含檢測機器人、供電機器人、跟隨機器人),鋼箱梁底板、斜底板平面結構布置由供電機器人改裝的巡檢機器人。此外,機器人平臺上部安裝桁架,通過搭載在桁架的面陣相機、x-ray、高光譜等不同的檢測設備進行檢測作業,并可通過更換末端作業機構,實現檢修作業。機器人及其附屬系統的關鍵技術指標見表1,基礎參數見表2。

表1 機器人及其附屬系統的關鍵技術指標

表2 機器人系統基礎參數

2 鋼箱梁外表面智能化檢測系統

檢測系統主要由供電機器人、巡檢機器人、跟隨機器人、桁架等組成。桁架系統輔助機器人定位,通過手持控制終端或指揮車控制機器人單機與三機協同運動,如圖2所示。

圖2 機器人系統組成及物理位置分布

2.1 檢測機器人

2.1.1 檢測機器人結構

檢測機器人經磁力分析后采用模塊化設計。該檢測機器人由兩個獨立且完全相同的一體化驅動輪組構成,用于驅動輪組運動。同時配置兩個萬向腳輪,根據驅動輪的差速實現不同方向的隨動運動。一體驅動輪組由直流無刷伺服電機、高負載行星減速機等組成,可對機器人的速度進行實時控制和調整。兩側驅動系統為對稱式獨立驅動雙輪差速,可以分別控制,以起到對機器人進行前進、拐彎、360°原地轉向的差速控制,如圖3所示。

圖3 檢測機器人結構

檢測機器人采用48V直流供電,由磷酸鐵鋰電池供電,電池容量為120Ah。機器人主體采用鋁結構件,表面經氧化處理,且內部電控器件采用高標準的密封設計,以提高自身的抗腐蝕能力。對磁鐵作用的主要零部件,增加磁鐵保護罩,并通過灌膠的方式使磁鐵免受潮濕腐蝕空氣的侵蝕。機器人輪組采用帶花紋的灰色橡膠材料,以在濕滑面上穩定機器人的運行軌跡,增強其運動穩定性。此外橡膠材料可以提供較大的摩擦力,減少機器人的滑動風險。電控系統則采用密封工藝,確保電控系統穩定工作,并通過密封外殼等散熱片持續散熱。

2.1.2 檢測機器人運動控制系統

檢測機器人系統中,以工控機(供電機器人端)作為主控單位,本機電控板作為輔助控制單元。工控機主要負責電機運動控制、云臺圖像處理、激光雷達數據采集等。電控板作為輔助單元,主要負責整套系統的電源管理,同時擔負陀螺儀、激光測距傳感器、桁架上角度及IMU等傳感器的數據采集。

2.2 供電機器人

2.2.1 供電機器人結構

供電機器人設計時應先進行驅動分析,機器人最大速度滿足設計要求時方可進行結構設計。與檢測機器人相比,供電機器人增加了電池和機械臂的安裝位。供電機器人具備兩種功能,第一功能是搭載電池用于全系統的電源來源;第二功能是作為箱梁底板、斜底板的獨立檢測機器人,搭載電池、機械臂作為機器人負載,如圖4a、圖4b所示。在供電機器人發揮第二功能時,機械臂模塊及其末端作業模塊均應安裝在供電機器人本體上,實現自動更換末端作業部件的能力,如圖4c所示。

圖4 供電機器人結構

2.2.2 供電機器人運動控制系統

供電機器人系統中,工控機為主控單位,電控板為輔助控制單元。工控機負責機械臂控制、電機運動控制、云臺圖像處理、5G無線通訊、激光雷達數據采集及打磨噴涂套裝的控制等,也可用于通訊功能。電控板主要負責整套系統的電源管理,同時控制陀螺儀、激光測距傳感器等傳感器的數據采集、電池數據交互和打磨噴涂控制指令的透傳等。

2.3 跟隨機器人

2.3.1 跟隨機器人結構

跟隨機器人作為桁架的第二個掛點,設置于挑臂末端,與檢測機器人共同支撐桁架及上部的面陣相機、高光譜相機、機械臂等。跟隨機器人布置在橋梁大挑臂外腹板處,與桁架另一端連接,如圖5所示。

圖5 跟隨機器人安裝結構

跟隨機器人由驅動模塊、導向輪組、磁吸單元及結構本體組成,如圖6所示。該機器人采用兩種磁鐵布置方式,即輪組內磁鐵布置和車體外置的磁鐵布置方式。輪組內磁鐵布置方式用于應對行走路徑上的障礙和凸起,車體外置磁鐵布置方式吸附力較強,為機器人提供主要的吸附力。

圖6 跟隨機器人模型

網絡裝置方面,跟隨機器人安裝5G和GPS天線,使用時可將天線延伸至大橋外部,提升信號的穩定性。同時,該機器人設置兩個云臺相機,用于觀察前后行走路徑上的障礙。

2.3.2 跟隨機器人運動控制系統

跟隨機器人主控制單元核心為電氣控制,主控制器采用高性能嵌入式平臺。實時操作系統負責機器人的精確運動控制,該系統包含控制指令解析、電機閉環控制、姿態傳感器數據解析計算、測距傳感器數據解析計算、姿態控制、電源管理,輔助設備的控制(避障傳感器、補光燈的控制)等。主控制器軟件集成安全管理插件可使系統在接到錯誤指令、或者未在指定時間(1S)內接到心跳信號后,停止機器人運行并保持該狀態,防止發生失控甚至導致更大的損失。此外,主控單元自備一套任務超時管理機制算法,超時復位處理過程不到1s,防止程序運行錯亂,造成機器故障,可保證機器人的工作進程不被影響。

2.4 桁架

在三機協同運動系統中,桁架結構起著至關重要的作用。桁架結構的連接保證了三機器人的協同工作,具有導向作用,同時可搭載檢測設備、工具,實現了對大挑臂復雜結構的涂層、裂縫及螺栓零件的精準檢測,大幅度提升了系統檢測的效率。

2.4.1 功能分析

用于鋼箱梁檢測的桁架根據功能不同可分為兩類。第一類為巡檢桁架,巡檢桁架上可以實現面陣相機的安裝;第二類為定檢桁架,定檢桁架上設計有運動平臺,可在沿桁架方向運動的同時搭載高光譜設備、檢修機械臂,并于機械臂末端安裝末端操作單元。兩種桁架搭載的元器件見表3。

表3 桁架搭載的元器件

根據桁架種類、搭載元器件的部署和接口狀態,檢測時需注意下列事項:

(1)巡檢桁架。根據一次巡檢的要求,桁架攜帶8臺面陣相機,對大挑臂下方的U肋及斜底板等結構進行檢測。單臺面陣相機重量約2.6kg,負載總重不超過25kg。

(2)定檢桁架。在二次定檢時,采用不同于面陣相機的設備需考慮維護作業,因此定檢桁架設有軌道、運動小車及相關附件。定檢設備安裝于運動平臺,平臺沿桁架運動,進而對挑臂U肋結構進行檢測。同時,對一次巡檢無法判斷的疑似病害需采用高光譜進行精檢,此時機械臂通過軌道及運動平臺,實現高光譜設備沿機械臂方向的巡檢。分析病害后,運動平臺上可搭載檢修設備,通過機器人順橋運動及運動平臺橫橋方向上的運動,將檢修設備定位到待修點進行修復。

2.4.2 桁架控制系統

桁架電氣系統主要包括通信模塊、供電模塊、姿態傳感器、角度傳感器等。另外,桁架的電源和通信線路是連著跟隨機器人和供電、檢測機器人的重要紐帶。在通信模塊中,面陣相機通信接口均為以太網接口,建立相機通訊網絡,選用工業級以太網交換機TL-SG2216。在供電模塊中,整個桁架系統采用48V電池供電,面陣相機和交換機為12V電壓,且桁架上安裝48V轉12V的電源模塊,電源模塊功率應根據面陣相機和交換機的功耗計算。桁架的姿態傳感器系統包括高精度陀螺儀和角度傳感器。高精度陀螺儀安裝于桁架中央部位,桁架和檢測機器人連接處,用于獲得桁架姿態;角度傳感器用于測量桁架和機器人接頭處相互垂直的兩個方向的旋轉角度,提高傳感器的環境適應能力。

3 圖像采集處理

3.1 高清圖像采集系統

高清圖像采集系統是專門研制的病害圖像采集系統。該系統用于完成箱梁外大挑臂下每個U肋結構表面圖像的采集,具備獨立的光學、電氣和結構部件,通過工控機的控制系統完成多姿態拍攝。如圖7所示,高清圖像采集裝置由8組可見光工業視覺組件構成,搭載于桁架系統之上,可對橋體進行近距離的精確掃描,根據橋體的距離選擇不同焦距、視角的工業視覺鏡頭,滿足不同位置橋體圖像的采集需求。其中,可見光工業視覺組件獲取的數據格式為bmp格式,便于進行后續處理。

圖7 高清圖像采集裝置進行大挑臂結構檢測

3.2 病害圖像識別軟件

根據高清圖像采集裝置采集到的圖片,鋼結構表面出現銹蝕、開裂、剝落、起泡等表面病害時應進行智能檢測及專家決策,決策前需通過專門的軟件進行分析處理。為此,港珠澳大橋工程項目研發了專項病害圖像識別軟件,如圖8所示。該軟件系統的功能共分為4個模塊:病害識別顯示與評級模塊、數據庫分類-調用及查詢模塊、系統自學習模塊、預警系統模塊等。

圖8 病害圖像識別軟件識別結果

(1)病害識別顯示與評級模塊。該模塊通過在線或離線的方式檢測銹蝕、開裂、剝落、起泡等鋼結構表面常見的病害,實現準確檢出和識別。針對所檢出的各類病害對鋼結構性能的影響程度,將綜合等級劃分為0～5級,初步給出表面病害綜合分級評定。通過圖像拼接實現鋼箱梁內、外兩個表面的二維圖像展示,并將顯性病害與隱性病害在對應區域顯示。

(2)數據庫分類-調用及查詢模塊。此模塊具有樣本收集和提供樣本庫的功能,且可通過數據檢索獲取并顯示病害數量、大小、位置、類型等信息。對病害進行統計,按病害類別、級別進行長度、位置、面積、檢測日期、病害等級統計,并提供統計結果。此外,該模塊同時兼容個性化報表訂制模式,可提供一定長度或一定時間內整段鋼箱梁的實時圖像“回放”,也可進行多個終端顯示圖像的回放。

(3)系統自學習模塊。該模塊具有病害分類管理自學習的功能。在新的分類建立后,根據系統檢出的病害和人工核對,進行對應病害的樣本訓練,形成機器自學習功能,提高同類病害的識別準確率。該模塊支持人工添加、修改樣本,以及定義新的病害類型等操作,并可對病害樣本的嚴重程度按照0～5級進行病害分級保存。

(4)預警系統模塊。該模塊可根據設定的報警條件進行病害報警,報警條件可由用戶自行設定。

4 功效分析

通過實橋實際檢測測試,對比機器人與梁外檢查車移動速率、過橋墩時間、每100m箱梁總檢時間等13項數據,智能化巡檢方案的優勢見表4。為驗證智能化檢測的檢測效果,在港珠澳大橋深水區非通航孔橋第十二聯鋼箱梁對鋼箱梁外表面的病害識別率、病害定位精度及軟件功能等進行測試。測試結果表明,鋼箱梁大挑臂外表面檢測覆蓋率為91.25%、病害檢出率為94.7%、病害識別準確率為91.3%、病害定位長度方向的精度為15mm,寬度方向的精度為18.05mm。由此可見,智能化檢測技術的應用,能夠提升檢測的精準度,實現鋼箱梁精準檢測運維,大大提高了橋梁使用的耐久性和安全性。

表4 智能巡檢與人工巡檢功效分析

5 結語

通過分析港珠澳大橋主體工程智能檢測系統可知,箱梁外表面智能巡檢系統機器人由供電機器人、檢測機器人、跟隨機器人等組成。該智能巡檢系統設計了合理的機器人運行方案,結合5G通訊技術,將控制信息、檢測信息傳輸到終端指揮車,并及時地進行病害圖像處理和軟件分析,實現了對跨海大橋鋼箱梁結構的自主無損檢測驗證。該智能檢測系統的運用,使橋梁箱梁外表面的病害能夠被精準感知與識別,滿足了橋梁表面結構高效檢測的迫切需求,提高了橋梁巡檢維養的智能化水平。