基于VR技术的水下桩基裂损检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及水下桩基检测技术领域，具体是基于VR技术的水下桩基裂损检测装置及检测方法。

背景技术

水下桩基作为港航工程、桥梁工程、水利工程等水工建筑物的主要结构构件，其构件的外观裂损检测是定期检测与评估的关键，目前关于水下桩基裂损检测的方法主要以水下潜水探摸为主，水下机器人、水下无人机、三维成像声呐等科技手段为辅的方式开展，水下潜水探摸因其检测直观、量测方便等优点被广大检测机构采用，但这种仍采用常规的人力进行检测的方法已不适应新时代的发展，且该方法对潜水人员的安全、技术水平要求很高，检测成本方面也未得到显著改善；

针对水下机器人、水下无人机等检测设备而言，主要因其受较强波浪、水流等恶劣环境影响，相关设备的安全及观测精度受水文环境限制较多，此外，水下机器人、水下无人机等设备用于结构裂缝量测、破损位置及范围的量测并不十分专业，因此用于水下建筑物的裂损检测项目不多，三维成像声呐虽然技术先进，但因其成本高昂、操作复杂、受水环境干扰等缺点在实际工程应用中也不多见；

针对上述的技术缺陷，现提出一种解决方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

基于VR技术的水下桩基裂损检测装置，包括数据采集盒、钢箍、可调节圆环和VR手持操作单元，所述数据采集盒上安装有钢箍，所述钢箍环绕圆桩一周并位于圆桩露出水面处的位置，且数据采集盒与圆桩通过钢箍固定；所述数据采集盒的底部安装有可伸缩钢架，所述可伸缩钢架向下延伸入水中且底端与圆桩的底端齐平，且可伸缩钢架通过钢架伸缩调节单元进行长度调节；所述可伸缩钢架上安装有沿其延伸方向进行上、下运动的圆环收紧器，且圆环收紧器通过圆环升降驱动单元驱动；

所述可调节圆环环绕圆桩一周，所述可调节圆环与圆桩的外周面保持一定距离并通过圆环收紧器收紧固定，且可调节圆环通过圆环伸缩调节单元进行伸缩调节；所述可调节圆环上安装有沿其内轮廓进行运动的高精度摄像头，且高精度摄像头通过环绕驱动单元驱动；所述数据采集盒通信连接VR手持操作单元，且VR手持操作单元控制连接钢架伸缩调节单元、圆环升降驱动单元、圆环伸缩调节单元以及环绕驱动单元。

进一步的，所述可伸缩钢架为防腐蚀钢架，所述可伸缩钢架的长度根据圆桩水下长度调节伸缩，且可伸缩钢架的内部设置竖向轨道；所述圆环收紧器上安装有防腐蚀钢滑轮，防腐蚀钢滑轮沿可伸缩钢架内部的竖向轨道上、下移动，且防腐蚀钢滑轮通过圆环升降驱动单元驱动。

进一步的，所述可调节圆环为防腐蚀钢环，且可调节圆环根据圆桩的直径大小调节伸缩，所述可调节圆环内侧设有轨道，所述高精度摄像头上对应安装有防腐蚀钢滑轮，且防腐蚀钢滑轮通过环绕驱动单元驱动；所述高精度摄像头为防水防腐蚀高精度360°旋转摄像头，且高精度摄像头的像素为1200万。

进一步的，圆环伸缩调节单元包括通过电机座固定安装在圆环收紧器内的驱动电机，所述驱动电机的输出端安装有驱动轴，且驱动轴的外周面固定设置驱动齿轮；所述可调节圆环的一端与圆环收紧器固定连接，所述可调节圆环的另一端贯穿圆环收紧器，且可调节圆环贯穿圆环收紧器的一端外侧均匀分布有锁定啮齿，驱动齿轮与锁定啮齿啮合。

进一步的，所述数据采集盒内置数据存储模块和数据传输模块，数据存储模块对水下桩基的检测信息进行存储，检测信息包括高精度摄像头所采集的水下桩基图像以及各组图像所对应水下桩基的位置，数据传输模块用于将所存储的检测信息实时发送至VR手持操作单元。

进一步的，VR手持操作单元包括处理器、信息显示模块、桩基外轮廓分区模块、区域检测分析模块和风险预警模块，处理器与信息显示模块、桩基外轮廓分区模块、区域检测分析模块以及风险预警模块均通信连接；信息显示模块用于进行信息显示，风险预警模块用于发出预警；桩基外轮廓分区模块用于将水下桩基的外轮廓划分为多个检测区域并标记为分析对象i，将分析对象i发送至处理器；处理器生成桩基风险分析信号，并将分析对象i和桩基风险分析信号发送至区域检测分析模块；

区域检测分析模块在接收到桩基风险分析信号后进行桩基风险分析，并生成桩基高风险信号、桩基中风险信号或桩基低风险信号，将桩基高风险信号、桩基中风险信号或桩基低风险信号发送至处理器；处理器接收到桩基高风险信号、桩基中风险信号或桩基低风险信号后，编辑相应的文本信息并发送至信息显示模块进行显示，且在接收到桩基高风险信号和桩基中风险信号时发送预警指令至风险预警模块，风险预警模块发出警示音并闪烁红光。

进一步的，桩基外轮廓分区模块的具体运行过程包括：

获取到高精度摄像头所采集的多组水下桩基图像，基于多组水下桩基图像获取到圆桩的水下桩基外轮廓图像；以水下桩基外轮廓图像的上端圆心为分隔初始点并以水下桩基的下端圆心为分隔末尾点，将分隔初始点与分隔末尾点相连获取到水下桩基的竖向线，在水下桩基的竖向线上等距设置区分点；

基于分隔初始点、分隔末尾点和多组等距区分点将水下桩基的外轮廓由上而下划分为多个检测区域，将检测区域标记为分析对象i，i＝{1,2，…，n}，n表示分析对象数目且n为大于3的正整数。

进一步的，区域检测分析模块的桩基风险分析过程具体如下：

通过水下摄像头获取到水下桩基的外轮廓图像，将分析对象i所对应的外轮廓区域图像进行裂损分析，将分析对象i标记为无损对象、危损对象和轻损对象；统计无损对象、危损对象和轻损对象的数目并标记为无损区数WSs、危损区数TSs和轻损区数QSs，向无损区数WSs、危损区数TSs和轻损区数QSs分配权重系数at1、at2、at3，at1、at2、at3的取值均大于零且at1＜at3＜at2；

通过桩基风险分析公式ZFX＝(WSs*at1+TSs*at2+QSs*at3)/n进行数值分析并获取到桩基风险值ZFX，获取到预设桩基风险值范围，比较桩基风险值ZFX与预设桩基风险值范围；若桩基风险值ZFX大于等于预设桩基风险值范围的最大值时，生成桩基高风险信号，若桩基风险值ZFX处于预设桩基风险值范围内时，生成桩基中风险信号，若桩基风险值ZFX小于等于预设桩基风险值范围的最小值时，生成桩基低风险信号。

进一步的，裂损分析的具体分析过程如下：

获取到分析对象i所对应水下桩基外轮廓图像，判断分析对象i中是否存在裂损，若分析对象i中不存在裂损，则将分析对象i标记为无损对象，否则将分析对象i标记为受损对象；基于受损对象中的裂损图像进行裂损类型判定，将受损对象中所存在的裂损划分为单一型裂损和发散型裂损，其中，单一型裂损表示对应裂损仅存在一条主裂痕，发散型裂损表示对应裂损包括一条主裂痕和一条或多条向外发散的副裂痕；

若受损对象中存在发散型裂损，则将对应受损对象标记为危损对象；若受损对象中不存在发散型裂损，则获取到分析对象i所对应外轮廓区域图像中的单一型裂损数目，将单一型裂损数目与预设单一型裂损数目阈值进行比较，若单一型裂损数目≥预设单一型裂损数目阈值，则将对应受损对象标记为危损对象；

若单一型裂损数目＜预设单一型裂损数目阈值，则获取到对应受损对象中各组单一型裂损的裂损信息，裂损信息包括裂宽量值和裂径量值，将裂宽量值和裂径量值进行数值分析获取到对应单一型裂损的裂危等级值；获取到预设裂危等级阈值，若受损对象中各组单一型裂损的裂危等级值均小于裂危等级阈值，则将对应受损对象标记为轻损对象，反之则将对应受损对象标记为危损对象。

进一步的，基于VR技术的水下桩基裂损检测方法，包括以下步骤：

步骤一、现场安装水下桩基裂损检测装置；

步骤二、记录装置安装水下桩基底部所处位置；

步骤三、根据水下桩基长度打开可伸缩钢架，将可伸缩钢架调整至所需长度；

步骤四、根据圆桩的桩径大小打开可调节圆环并调节至所需直径，并用圆环收紧器收紧固定；

步骤五、打开VR手持操作单元，控制高精度摄像头绕圆桩7进行360°转动，摄影成像保存并记录所处桩基深度；

步骤六、调整滑轮，向下移动可调节圆环宽度对应的距离，继续检测，如此循环下去，直至到达水下桩基底部；

步骤七、现场检测结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中，通过采用VR技术让检测人员在岸上就能身临其境以直观了解水下桩基现状，采用防腐蚀钢结构框架，框架内锁住水下摄像头，有助于克服水下恶劣环境对检测设备安全的影响，高精度摄像头的设置有助于清晰捕捉桩基表面裂损情况，减小对检测精度的影响，成本低廉、操作简单，采集数据便捷直观，后处理数据精度高，且方便进行安装，适用于不同深度和不同直径圆桩的水下桩基检测；

2、本发明中，通过数据采集盒进行数据信息中转，VR手持操作单元控制连接钢架伸缩调节单元、圆环升降驱动单元、圆环伸缩调节单元以及环绕驱动单元，方便对安装过程和检测过程进行控制；

3、本发明中，通过桩基外轮廓分区模块将水下桩基的外轮廓划分为多个检测区域并标记为分析对象，区域检测分析模块进行桩基风险分析并将分析对象标记为无损对象、危损对象和轻损对象，并基于无损对象、危损对象和轻损对象的数目进行分析判定水下桩基的裂损风险程度，基于裂损风险程度生成桩基高风险信号、桩基中风险信号或桩基低风险信号并发送至处理器；

处理器接收到桩基高风险信号、桩基中风险信号或桩基低风险信号后，编辑相应的文本信息并发送至信息显示模块进行显示，且在接收到桩基高风险信号和桩基中风险信号时发送预警指令至风险预警模块，风险预警模块发出警示音并闪烁红光，实现对水下桩基裂损状况的精准分析，有助于检测人员直观准确了解水下桩基的裂损状况。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中数据采集盒和钢箍的俯视示意图；

图3为本发明中可调节圆环、圆环收紧器和高精度摄像头的俯视示意图；

图4为本发明中VR手持操作单元的控制框图；

图5为本发明中圆环伸缩调节单元的结构示意图；

图6为本发明中高精度摄像头、数据采集盒和VR手持操作单元的数据传输框图；

图7为本发明中VR手持操作单元的系统框图。

附图标记：1、数据采集盒；2、钢箍；3、可调节圆环；31、锁定啮齿；4、圆环收紧器；5、可伸缩钢架；6、高精度摄像头；7、圆桩；41、驱动电机；42、驱动齿轮；43、驱动轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

实施例一：

如图1-3所示，本发明提出的基于VR技术的水下桩基裂损检测装置，包括数据采集盒1、钢箍2和可调节圆环3，数据采集盒1上安装有钢箍2，钢箍2环绕圆桩7一周并位于圆桩7露出水面处的位置，且数据采集盒1与圆桩7通过钢箍2固定；数据采集盒1的底部安装有可伸缩钢架5，可伸缩钢架5为防腐蚀钢架，可伸缩钢架5的长度根据圆桩水下长度调节伸缩，即安装完成状态下可伸缩钢架5向下延伸入水中且底端与圆桩7的底端齐平，且可伸缩钢架5通过钢架伸缩调节单元进行长度调节；

可伸缩钢架5上安装有沿其延伸方向进行上、下运动的圆环收紧器4，且圆环收紧器4通过圆环升降驱动单元驱动；优选的，可伸缩钢架5的内部设置竖向轨道，圆环收紧器4上安装有防腐蚀钢滑轮，防腐蚀钢滑轮沿可伸缩钢架5内部的竖向轨道上、下移动，且防腐蚀钢滑轮通过圆环升降驱动单元驱动；可调节圆环3环绕圆桩7一周，可调节圆环3与圆桩7的外周面保持一定距离并通过圆环收紧器4收紧固定，可调节圆环3为防腐蚀钢环，且可调节圆环3根据圆桩7的直径大小调节伸缩；

具体而言，可调节圆环3通过圆环伸缩调节单元进行伸缩调节，可调节圆环3上安装有沿其内轮廓进行运动的高精度摄像头6，高精度摄像头6为防水防腐蚀高精度360°旋转摄像头，且高精度摄像头6的像素为1200万，且高精度摄像头6通过环绕驱动单元驱动；优选的，可调节圆环3内侧设有轨道，高精度摄像头6上对应安装有防腐蚀钢滑轮，且防腐蚀钢滑轮通过环绕驱动单元驱动，高精度摄像头6通信连接数据采集盒1；高精度摄像头6还通信连接VR显示单元，VR显示单元为VR头显设备，通过采用VR技术让检测人员不需要潜水探摸，在岸上就能身临其境以直观了解水下桩基现状。

进一步而言，基于VR技术的水下桩基裂损检测方法包括以下步骤：

步骤一、现场安装水下桩基裂损检测装置；

步骤二、记录装置安装水下桩基底部所处位置；

步骤三、根据水下桩基长度打开可伸缩钢架5，将可伸缩钢架5调整至所需长度；

步骤四、根据圆桩7的桩径大小打开可调节圆环3并调节至所需直径，并用圆环收紧器4收紧固定；

步骤五、打开VR手持操作单元，控制高精度摄像头6绕圆桩7进行360°转动，摄影成像保存并记录所处桩基深度；

步骤六、调整滑轮，向下移动可调节圆环3宽度对应的距离，继续检测，如此循环下去，直至到达水下桩基底部；

步骤七、现场检测结束。

实施例二：

如图4和图6所示，本实施例与实施例1的区别在于，数据采集盒1通信连接VR手持操作单元，数据采集盒1内置数据存储模块和数据传输模块，数据存储模块对水下桩基的检测信息进行存储，检测信息包括高精度摄像头6所采集的水下桩基图像以及各组图像所对应水下桩基的位置，数据传输模块用于将所存储的检测信息实时发送至VR手持操作单元以实现数据信息中转，VR手持操作单元控制连接钢架伸缩调节单元、圆环升降驱动单元、圆环伸缩调节单元以及环绕驱动单元，方便对安装过程和检测过程进行控制。

实施例三：

如图7所示，本实施例与实施例1、实施例2的区别在于，VR手持操作单元包括处理器、信息显示模块、桩基外轮廓分区模块、区域检测分析模块和风险预警模块，处理器与信息显示模块、桩基外轮廓分区模块、区域检测分析模块以及风险预警模块均通信连接；信息显示模块用于进行信息显示(包括图像实时显示和文本信息显示)，风险预警模块用于发出预警；桩基外轮廓分区模块用于将水下桩基的外轮廓划分为多个检测区域并标记为分析对象i，将分析对象i发送至处理器；处理器生成桩基风险分析信号，并将分析对象i和桩基风险分析信号发送至区域检测分析模块；

桩基外轮廓分区模块的具体运行过程如下：

获取到高精度摄像头6所采集的多组水下桩基图像，基于多组水下桩基图像获取到圆桩7的水下桩基外轮廓图像；以水下桩基外轮廓图像的上端圆心为分隔初始点并以水下桩基的下端圆心为分隔末尾点，将分隔初始点与分隔末尾点相连获取到水下桩基的竖向线，在水下桩基的竖向线上等距设置区分点；

基于分隔初始点、分隔末尾点和多组等距区分点将水下桩基的外轮廓由上而下划分为多个检测区域，将检测区域标记为分析对象i，i＝{1,2，…，n}，n表示分析对象数目且n为大于3的正整数。

区域检测分析模块在接收到桩基风险分析信号后进行桩基风险分析，并生成桩基高风险信号、桩基中风险信号或桩基低风险信号，区域检测分析模块的桩基风险分析过程具体如下：

步骤S1、通过水下摄像头获取到水下桩基的外轮廓图像，将分析对象i所对应的外轮廓区域图像进行裂损分析，将分析对象i标记为无损对象、危损对象和轻损对象；裂损分析的具体分析过程如下：

步骤S11、获取到分析对象i所对应水下桩基外轮廓图像，判断分析对象i中是否存在裂损，若分析对象i中不存在裂损，则将分析对象i标记为无损对象，否则将分析对象i标记为受损对象；

步骤S12、基于受损对象中的裂损图像进行裂损类型判定，将受损对象中所存在的裂损划分为单一型裂损和发散型裂损，其中，单一型裂损表示对应裂损仅存在一条主裂痕，发散型裂损表示对应裂损包括一条主裂痕和一条或多条向外发散的副裂痕；

步骤S13、若受损对象中存在发散型裂损，则将对应受损对象标记为危损对象；若受损对象中不存在发散型裂损，则获取到分析对象i所对应外轮廓区域图像中的单一型裂损数目，将单一型裂损数目与预设单一型裂损数目阈值进行比较；

步骤S14、若单一型裂损数目≥预设单一型裂损数目阈值，则将对应受损对象标记为危损对象；若单一型裂损数目＜预设单一型裂损数目阈值，则获取到对应受损对象中各组单一型裂损的裂损信息；其中，裂损信息包括裂宽量值和裂径量值，裂宽量值是反映对应裂损宽度均值大小的数据量值，裂径量值是反映对应裂损路径长短的数据量值；

将裂宽量值和裂径量值标记为LK和LJ，通过裂危等级分析公式

步骤S15、获取到预设裂危等级阈值，若受损对象中各组单一型裂损的裂危等级值LDZ均小于裂危等级阈值，则将对应受损对象标记为轻损对象，否则将对应受损对象标记为危损对象；

步骤S2、统计无损对象、危损对象和轻损对象的数目并标记为无损区数WSs、危损区数TSs和轻损区数QSs，向无损区数WSs、危损区数TSs和轻损区数QSs分配权重系数at1、at2、at3，其中，at1、at2、at3的取值均大于零且at1＜at3＜at2；

步骤S3、通过桩基风险分析公式

获取到预设桩基风险值范围(YFmin，YFmax)，比较桩基风险值ZFX与预设桩基风险值范围(YFmin，YFmax)；

步骤S4、若桩基风险值ZFX大于等于预设桩基风险值范围的最大值时，即ZFX≥YFmax时，生成桩基高风险信号，若桩基风险值ZFX处于预设桩基风险值范围内时，即ZFX∈(YFmin，YFmax)时，生成桩基中风险信号，若桩基风险值ZFX小于等于预设桩基风险值范围的最小值时，即ZFX≤YFmin时，生成桩基低风险信号。

区域检测分析模块将桩基高风险信号、桩基中风险信号或桩基低风险信号发送至处理器，处理器接收到桩基高风险信号、桩基中风险信号或桩基低风险信号后，编辑相应的文本信息并发送至信息显示模块进行显示，且在接收到桩基高风险信号和桩基中风险信号时发送预警指令至风险预警模块，风险预警模块发出警示音并闪烁红光。

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

实施例四：

如图5所示，本实施例与实施例1、实施例2、实施例3的区别在于，圆环伸缩调节单元包括驱动电机41，驱动电机41通过电机座固定安装在圆环收紧器4内，驱动电机41的输出端安装有驱动轴43，且驱动轴43的外周面固定设置驱动齿轮42；可调节圆环3的一端与圆环收紧器4固定连接，可调节圆环3的另一端贯穿圆环收紧器4，当可调节圆环3未与圆环收紧器4固定的一端与圆环收紧器4脱离时，可调节圆环3展开，当可调节圆环3未与圆环收紧器4固定的一端穿入圆环收紧器4内时，可调节圆环3呈环状；

可调节圆环3贯穿圆环收紧器4的一端外侧均匀分布有锁定啮齿31，驱动齿轮42与锁定啮齿31啮合，当可调节圆环3呈环状时，通过驱动电机41使驱动轴43进行转动，驱动轴43带动驱动齿轮42进行旋转，在驱动齿轮42和锁定啮齿31的作用下使可调节圆环3的直径增大或减小，实现对可调节圆环3的直径调节，且通过驱动齿轮42和锁定啮齿31的锁定作用使可调节圆环3在进行检测操作时保持环状，有助于检测操作的顺利进行。

本发明的工作原理：通过采用VR技术让检测人员不需要潜水探摸，在岸上就能身临其境以直观了解水下桩基现状，采用防腐蚀钢结构框架，框架内锁住水下摄像头，有助于克服水下恶劣环境(如风浪、水流较大情况)对检测设备安全的影响，采用的高清摄像头比较贴近桩基表面，有助于清晰捕捉桩基表面裂损情况，较大程度减小了所处水环境污浊等水下视线不好对检测精度的影响，成本低廉、操作简单，采集数据便捷直观，数据分析采用图形几何相似关系原理，能够较快分析裂缝走向、宽度等基本检测参数，后处理数据精度高。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。