遥控检查混凝土微裂缝的方法与装置

摘要

本发明涉及遥控检查混凝土微裂缝的方法与装置，在无人机的搭载平台上安装红外热像仪、测距装置、喷水装置和控制装置，喷水装置包括储水装置、动力装置和喷嘴；储水装置中存储的水和气温存在温差；控制无人机沿检查路线飞行，向混凝土表面喷水；之后控制无人机沿喷水路线飞行并采用红外热像仪拍摄混凝土表面的热像图，基于热像图进行微裂缝判断。本发明的方法通过无人机可以携带检查设备飞到人员难以到达的位置，通过喷水的温差激励可使得微裂缝的热像宽度比其真实宽度大5倍以上，使其在热像图上清晰可见，从而易于被发现。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土裂缝检查技术领域，更具体地说涉及一种遥控检查混凝土微裂缝的方法与装置。

背景技术

混凝土裂缝是混凝土结构最主要的病害，裂缝检测是工程安全评价主要的工作内容。裂缝检测的前提和关键是发现裂缝，然后根据裂缝部位的重要性确定是否进行宽度、深度等裂缝参数的检测。常用的超声波法、雷达法等属于裂缝参数检测技术，而发现裂缝目前最常用的还是人工巡查法，主要是通过人的视力来发现裂缝。但是对于人员难以到达的位置，比如拱坝上游面、水闸闸墙立面、渡槽和桥梁底面，裂缝检查还十分困难，目前常用的还是传统的搭设脚手架法、吊绳法，桥梁上用桥检车法，这些方法均存在工作量大、时间长和费用高的缺点。

无人机为裂缝检查技术发展带来了新的机遇，目前已有将高清摄像机搭载无人机用于裂缝检查的工程实践，但是由于以下原因使得该方法发现张口宽度较小的裂缝比较困难，对于宽度在0.2mm以下的微裂缝几乎不可能发现，原因如下：

（1）对于人员难以到达的位置，其混凝土表面往往积有灰尘，使得裂缝难以被发现；

（2）微裂缝的宽度相对于摄像机的视野属于十分微小的量值，即使是高清摄像机也难以清晰呈现微裂缝；

（3）无人机的防抖功能已经有了很大的进步，但是即使是悬停时的轻微抖动也使得微裂缝的清晰成像十分困难；

也有采用机载红外热像仪来检查混凝土表面裂缝，但效果也不好，因为在常规状态下，混凝土表面的温度场是基本均匀的，尤其是微裂缝在热像图上难以得到清晰呈现。

混凝土裂缝检测的主要意义在于发现早期微裂缝，综上所述，现有技术尚不能高效快速地发现人员难以到达位置的混凝土微裂缝。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供了一种遥控检查混凝土微裂缝的方法与装置，通过无人机可以携带检查设备飞到人员难以到达的位置，通过喷水的温差激励可使得微裂缝的热像宽度比其真实宽度大5倍以上，使其在热像图上清晰可见，从而易于被发现。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种遥控检查混凝土微裂缝的方法，包括如下步骤：

（1）在无人机的搭载平台上安装红外热像仪、测距装置、喷水装置和控制装置，所述喷水装置包括储水装置、动力装置和喷嘴；

其中，所述储水装置中存储的水和气温存在温差；

（2）控制无人机沿检查路线飞行，动力装置控制喷嘴向混凝土表面喷水，同时通过测距装置实时获取无人机和被检查混凝土表面之间的距离并反馈至控制装置，使无人机和被检查混凝土表面间的距离保持在预定喷水距离的误差范围内；

（3）达到设定喷水时间或无人机到达检查路线终点后，停止喷水；控制无人机回到初始喷水位置，沿喷水路线飞行并采用红外热像仪拍摄被检查混凝土表面的热像图，同时通过测距装置实时获取无人机和被检查混凝土表面之间的距离并反馈至控制装置，使红外热像仪和被检查混凝土表面间的距离保持在预定拍摄距离的误差范围内，直到无人机飞至喷水路线的终点。

本发明中喷水温差激励的原理：红外热像仪可以拍摄混凝土表面的温度场图像，目前高性能的热像仪灵敏度达到0.02℃。本发明提出喷水激励的方法，采用与气温有明显温差的水，由无人机载到待检查位置，对混凝土表面进行喷淋。由于微裂缝强烈的毛细管作用，微裂缝处吸入或粘附的水明显多于混凝土表面的其他位置。经过一段时间的热交换，裂缝处存在的温差要显著高于其他部位，并且由于该温差对相邻位置的影响，使得即使是微裂缝，其在热像图上也会清晰呈现出来。

作为本发明的进一步改进，所述储水装置中存储的水和气温的温差范围为5~30℃；优选10~20℃。温差太大会提高喷水不均匀和混凝土表面不均匀带来的影响，抑制微裂缝处温差在整体热像图上的体现；此外，由于微裂缝处多吸的水量并不大，温差过小也会影响微裂缝的显示效果。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（2）还包括：调整喷嘴的方向，使其位于混凝土表面的垂直平面内，并与混凝土表面呈30-60°的夹角。无人机载重量有限，重量越小也会飞行得越稳定。如果喷嘴垂直于混凝土表面，则大量的水都因反弹损失，为节约水量，限制喷嘴和混凝土表面形成的角度在60°以下。同时，为确保水能到达混凝土表面，需根据喷水泵的选型确定下限角度，一般为30°

作为本发明的进一步改进，所述喷嘴在水平方向喷水时，最大喷水距离不小于2.0m。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）还包括：调整热像仪镜头的方向，使其位于混凝土表面的垂直平面内，并垂直于混凝土表面。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（2）中，飞行速度和喷水流量的控制标准为：通过红外热像仪镜头观察，混凝土表面刚好出现水流的迹象。

作为本发明的进一步改进，所述被检查混凝土表面的任一位置从受到喷水激励到开始被拍摄之间的时间长度在10秒~5分钟；优选30秒~3分钟。喷水到开始拍摄时间的时间间隔过长，会导致温差消失。

作为本发明的进一步改进，所述无人机在红外热像仪拍摄阶段的飞行速度、姿态和喷水时相同。

作为本发明的进一步改进，储水装置为储水桶；所述储水桶内设有保温层，储水桶的桶盖上开设多个通气孔。

作为本发明的进一步改进，所述测距装置为激光测距仪；激光测距仪测距频率为1-120次/秒，反馈频率与测距频率相同。

本发明所述方法，在一次检查路线完成拍摄后，可重复步骤（2）、（3），继续开展后续检查。

本发明所指的预定喷水距离基于被测建筑物情况以及动力装置（喷水泵）的能力合理设定，同时喷水距离会影响喷水的均匀性，喷水的均匀性明显影响温差激励的效果，为了保证喷水的均匀性，喷水距离的误差一般控制在±20cm以内。预定拍摄距离则基于镜头的焦距确定，拍摄距离的误差控制在±20cm以内。

本发明中判断裂缝存在的标准是：通过红外热像仪镜头观察，热像图中出现温度条带，条带温度高于或低于条带两侧混凝土的温度，则判断该条带处存在裂缝。

本发明的另一目的在于提供一种遥控检查混凝土微裂缝的装置，所述目的基于如下技术方案实现：

一种遥控检查混凝土微裂缝的装置，包括地面遥控台、无人机和设置于无人机搭载平台上的喷水装置、红外热像仪及测距装置；

所述喷水装置包括储水装置、动力装置和喷嘴；储水装置用于储水，动力装置从储水装置汲水并输送至喷嘴进行喷水；

所述测距装置用于测量无人机和被检查混凝土表面间的距离并反馈至无人机的控制模块；

所述红外热像仪用于拍摄热像图；

所述地面遥控台包括无人机控制模块、喷水装置控制模块、红外热像仪控制模块和测距装置控制模块，用于接收无人机的飞行状态信息及红外热像仪的成像信息，控制无人机、红外热像仪、激光测距仪和喷水装置的启停。

作为本发明的进一步改进，所述喷嘴与热像仪镜头的方向在水平面和竖直面内180°范围内可调节；所述喷嘴控制模块和红外热像仪控制模块，分别控制喷嘴和热像仪镜头的姿态。

本发明的方法和装置具有如下有益效果：

（1）采用喷水装置搭载无人机，实现对人员难以到达位置混凝土表面的温差激励。

（2）采用与气温有明显温差的水，并且利用微裂缝强烈的毛细管吸附作用，实现喷水后微裂缝处与混凝土表面的其他位置之间的明显温差。

（3）采用喷水后间隔一定时间长度进行拍摄的方法，使得微裂缝的温度影响扩散，并在热像图上得以清晰呈现。

附图说明

图1为遥控检查混凝土微裂缝装置结构示意图；

图2为喷水装置结构示意图；

图3为地面遥控台示意图；

图4为典型的微裂缝热像图；

图中：1、无人机；2、喷水装置；3、红外热像仪；4、被检查混凝土（混凝土闸墙）；5、闸墙上的微裂缝；6、地面遥控台；7、动力装置（喷水泵）；8、喷嘴；9、储水装置（储水桶）；10、无人机控制模块；11、热像仪控制模块；12、喷水装置控制模块；13、测距装置（激光测距仪）；14、测距装置控制模块。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

一种遥控检查混凝土微裂缝的方法，包括如下步骤：

步骤一，准备工作，步骤如下：

（1）检查任务是检查某水闸的一个闸墙立面是否存在微裂缝。根据检查任务要求，确定起始检查位置、检查路线和结束检查位置；根据待检查混凝土闸墙情况，确定喷水角度为45°，喷水距离为2.828m，确定一次喷水时长为5分钟，确定拍摄距离2.0m，确定所需水量为2kg。

（2）打开储水桶9的盖子，向储水桶9内注水2kg，当水位高度达到确定的注水量时，停止注水。然后拧紧储水桶盖。测量当日气温为0℃，采用20℃温水进行激励。

（3）通过无人机控制模块10，控制无人机1起飞，飞行到起始检查位置，并距混凝土闸墙4的表面2米，悬停。

步骤二，喷水激励；步骤如下：

（1）通过喷水系统控制模块12，调整喷嘴8的方向，使之位于混凝土闸墙4表面的垂直平面内，并与混凝土闸墙4表面呈45°的夹角。通过红外热像仪控制模块11，调整红外热像仪3的镜头方向，使之位于混凝土闸墙4表面的垂直平面内，并垂直于混凝土闸墙4表面。

（2）通过无人机控制模块10，控制无人机1沿着检查路线缓慢飞行，同时通过激光测距仪13测定无人机1与被检查混凝土表面之间的距离，通过测距装置控制模块14计算得出喷嘴8与混凝土表面距离值，并与设定的喷水距离2.828m相比较，将比较得到的差值实时反馈给无人机控制模块10，精确控制无人机1的飞行路线，以满足喷水距离的控制要求，喷水距离的误差控制在±20cm以内；同时通过喷水装置控制模块12控制喷水装置2向混凝土闸墙4的表面喷水，喷水时红外热像仪3的镜头保持开启状态，通过镜头观察混凝土闸墙4表面，用地面遥控台6，控制飞行速度和喷水流量，控制标准是：通过红外热像仪3的镜头观察，混凝土闸墙4表面刚好出现水流的迹象。

（3）5分钟后到达喷水停止时间，则停止喷水，控制无人机1飞到此次开始喷水的位置，悬停。

步骤三，拍摄；如图1、图2和图3所示，拍摄的步骤：控制无人机1沿着喷水时的路线飞行，飞行的速度和姿态与喷水时的飞行速度和姿态相同；同时，通过激光测距仪13测定无人机1与被检查混凝土4表面之间的距离，通过测距装置控制模块14计算得出红外热像仪3与被检查混凝土4表面距离值，并与设定的拍摄距离值相比较，将比较得到的差值实时反馈给无人机控制模块10，精确控制无人机1的飞行路线，以满足拍摄距离的控制要求，拍摄距离误差控制在±20cm以内；同时采用红外热像仪3拍摄混凝土表面的热像图，直到喷水结束的位置。在拍摄时，确保被检查混凝土表面的任一位置从受到喷水激励到开始被拍摄之间的时间长度在5分钟内。

步骤四，根据检查路线，继续开展后续检查；重复步骤二和步骤三3次，完成了混凝土闸墙4表面的裂缝检查任务；

所述步骤二和步骤三中，激光测距仪13测距频率为30次/秒，测距装置控制模块14反馈距离误差给无人机控制模块10的频率与测距频率相同。

图4为混凝土闸墙4表面局部检测结果，通过红外热像仪镜头观察，热像图中出现温度条带，条带温度明显低于条带两侧混凝土的温度，判断该条带处存在裂缝。

上述方法中使用的遥控检查混凝土微裂缝的装置结构如图1所示，包括地面遥控台6、无人机1和设置于无人机搭载平台上的喷水装置2、红外热像仪3及测距装置13；

如图2所示，喷水装置2包括储水装置9、动力装置7和喷嘴8；储水装置9用于储水，动力装置7从储水装置9汲水并输送至喷嘴8进行喷水；

测距装置13用于测量无人机1和被检查混凝土4表面间的距离并反馈至地面遥控台6的无人机控制模块10；

所述红外热像仪3用于拍摄热像图；

所述地面遥控台6接收无人机1的飞行状态信息及红外热像仪3的成像信息，控制无人机1、红外热像仪3、激光测距仪13和喷水装置2的启停；进一步的，地面遥控台6包括无人机控制模块10、热像仪控制模块11、喷水装置控制模块12、测距装置控制模块14，调整无人机1、喷嘴8的姿态，控制喷嘴、测距装置在预定的距离范围内，并控制动力装置喷水，调整出水量。

本实施例中：所述无人机1可携带外载重量为6kg，喷水装置2的总重量为3kg（含水的重量2kg）。

所述红外热像仪3的温度灵敏度为0.06℃，用于测量和记录温差，红外热像仪3的重量为1.58kg。

所述测距装置选用激光测距仪13。

所述储水装置选用储水桶9，储水桶9的最大容量为3L，桶身上设有容量刻度线，储水桶内设有保温层，桶盖上设有5个φ0.5mm通气孔，可保证桶内外气压平衡，并防止飞行过程中桶内的水外溅。

所述动力装置选用喷水泵7，喷水泵7为24v直流增压泵，流量和压力可调，在水平方向喷水时，最大喷水距离达8.0m。所述喷嘴8与热像仪镜头的方向在水平面和竖直面内180°范围内可调节。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。