一种引水隧洞内表面检测装置和方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，特别涉及一种引水隧洞内表面检测装置和方法。

背景技术

目前大多数对引水隧洞的检测方式采用人工排查或者预埋传感器的检测方式。人工检测需要通过提前放空水，由人员进入隧洞内部对表面裂缝、隧洞变形等进行人工检修，放水方式排空隧洞不但周期长，影响输调水调配效率，而且会对隧洞的抗压性能造成影响，人工检测效率低、对隧洞的微型变形无法捕捉。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种引水隧洞内表面检测装置和方法，解决了现有引水隧洞内表面监测领域中人工检测造成的损坏内壁压力平衡、检测效率低、对隧洞的微型变形无法捕捉的技术问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种引水隧洞内表面检测装置，包括：

地面图形工作站；

水下自主航行机器人，与所述地面图形工作站通信连接；

逻辑控制单元，设置在所述水下自主航行机器人内部且与水下自主航行机器人通信连接；

回波数据采集与处理单元，设置在所述水下自主航行机器人内部且与所述逻辑控制单元连接；

声学探测组件，设置在所述水下自主航行机器人上且与所述回波数据采集与处理单元连接；

光学探测组件，设置在所述水下自主航行机器人上且与所述逻辑控制单元电连接；

水下照明组件，设置在所述水下自主航行机器人上且与所述逻辑控制单元连接。

进一步的，所述水下自主航行机器人包括机器人本地控制板，所述机器人本地控制板同时与所述地面图形工作站和逻辑控制单元通信连接。

进一步的，所述声学探测组件包括多个与所述回波数据采集与处理单元连接的多波束成像声呐，所述多波束成像声呐的检测方向垂直于所述水下自主航行机器人的航行方向，且多个多波束成像声呐可实现对引水隧洞内部待检测表面进行360°环形声学探测。

进一步的，所述回波数据采集与处理单元为基于FPGA的阵列信号采集与处理系统用于采集与处理引水隧洞内部待检测表面反射的回波信号。

进一步的，所述光学探测组件为防水型无畸变广角深水仿鱼眼摄像机，其前视角度范围可覆盖引水隧洞内部待检测表面。

进一步的，所述水下照明组件包括多个与所述逻辑控制单元连接的防水深水照明灯，多个防水深水照明灯周向布置水下自主航行机器人的前端。

一种如上述的引水隧洞内表面检测装置的检测方法，包括以下步骤：

根据引水隧洞内水体环境、隧洞物理尺寸设置水下自主航行机器人的运行参数；

设置水下自主航行机器人的工作模式，根据对应的工作模式实现引水隧洞内部待检测表面的可视化。

进一步的，所述工作模式包括声学成像检测模式、光学成像检测模式以及混合成像检测模式。

进一步的，所述声学成像检测模式具体包括以下步骤：

设备启动：启动声学探测组件，通过声学探测组件对引水隧洞内部待检测表面发射声波；

回波数据采集：通过回波数据采集与处理单元不断接收引水隧洞内部待检测表面反射的回波数据；

回波数据去噪：通过回波数据采集与处理单元对回波数据进行去噪处理，滤除直达波信号、高次回波信号及水体离群噪声，保留隧洞实际回波区域点云数据；

最优回波提取：通过回波数据采集与处理单元对隧洞实际回波区域点云数据使用最优回波提取算法，提取引水隧洞内部待检测表面最优回波位置数据，得到隧洞内部截面点云数据；

载体坐标及姿态信息读取：通过地面图形工作站读取的水下自主航行机器人坐标及姿态信息；

数据校正与拼接：地面图形工作站根据水下自主航行机器人坐标及姿态信息，对隧洞内部截面点云数据进行数据校准与拼接；

隧洞数据可视化：地面图形工作站根据校准与拼接后的隧洞内部截面点云数据实现引水隧洞内部待检测表面的可视化。

进一步的，所述光学成像检测模式具体包括以下步骤：

设备启动：启动光学探测组件和水下照明组件；

环形光源调节：根据光学探测组件返回的实时画面，通过逻辑控制单元调节水下照明组件的照明亮度，使光学探测组件返回的实时画面清晰最大化；

视频数据采集：光学探测组件对引水隧洞内部待检测表面进行数据采集与存储，并实时传输至地面图形工作站；

载体坐标及姿态信息读取：通过地面图形工作站读取的水下自主航行机器人坐标及姿态信息；

视频数据校正与拼接：地面图形工作站根据水下自主航行机器人坐标及姿态信息，对视频数据进行校正与拼接；

隧洞数据可视化：地面图形工作站根据校正与拼接后视频数据实现引水隧洞内部待检测表面的可视化。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明填补了目前长距离引水隧洞运行期间内部表面的自动化、智能化检测技术的空白，代替了传统人工排空方式监测维护带来的损坏内壁压力平衡、检测效率主观性强、效率低下、对隧洞的微型变形无法捕捉以及现有检测技术不能满足不同隧洞水文环境的问题。以声、光检测结合的方式，适用于不同长距离引水隧洞的水文环境，将该监测技术与装置应用于长距离引水隧洞的成像检测，大大提高巡检效率，促进工程运行期的监测技术的提高。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种引水隧洞内表面检测装置的原理框图；

图2为引水隧洞内表面检测装置的的检测示意图；

图3为一种引水隧洞内表面检测方法的流程图；

图4为声学成像检测模式流程图；

图5为光学成像检测模式流程图。

1、地面图形工作站；2、水下自主航行机器人；20、机器人本地控制板；3、逻辑控制单元；4、回波数据采集与处理单元；5、声学探测组件；50、多波束成像声呐；6、光学探测组件；7、水下照明组件；70、防水深水照明灯；8、引水隧洞内部待检测表面。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本发明一实施例的一种引水隧洞内表面检测装置，包括地面图形工作站1、水下自主航行机器人2、逻辑控制单元3、回波数据采集与处理单元4、声学探测组件5、光学探测组件6和水下照明组件7，水下自主航行机器人2在引水隧洞内沿着航行方向X运行且与地面图形工作站1通信连接；逻辑控制单元3设置在水下自主航行机器人2内部且与水下自主航行机器人2通信连接，回波数据采集与处理单元4设置在水下自主航行机器人2内部且与逻辑控制单元3连接，声学探测组件5设置在水下自主航行机器人2上且与回波数据采集与处理单元4连接，光学探测组件6设置在水下自主航行机器人2上且与逻辑控制单元3电连接，水下照明组件7设置在水下自主航行机器人2上且与逻辑控制单元3连接。

地面图形工作站1为便携式高性能图像处理计算机，可与水下自主航行机器人2实现数据通信，其主要作用为检测数据的可视化显示、数据处理与分析等。

水下自主航行机器人2为工业级、直径为200mm的模块化开源型AUV，为引水隧洞360°成像检测技术的载体，其具有光纤惯导、避障、路径规划及数据本地存储功能。具体的，水下自主航行机器人2包括机器人本地控制板20，机器人本地控制板20同时与地面图形工作站1和逻辑控制单元3通信连接。

逻辑控制单元3采用基于恩智浦工业控制器设计的控制系统，一方面可以实现不同场景条件下声学与光学检测模式的切换，另一方面实现光学检测模式下水下照明组件7的逻辑控制功能。

回波数据采集与处理单元4为基于FPGA的阵列信号采集与处理系统用于采集与处理引水隧洞内部待检测表面8反射的回波信号，并进行相应的滤波去噪、最优回波位置提取等处理。

声学探测组件5包括多个与回波数据采集与处理单元4连接的多波束成像声呐50，多波束成像声呐50的检测方向垂直于水下自主航行机器人2的航行方向X，且多个多波束成像声呐50可实现对引水隧洞内部待检测表面8进行360°环形声学探测。本实施例中，声学探测组件5由3台多波束成像声呐组成，多波束成像声呐具有垂直航迹向120°角度检测范围，使用3台多波束成像声呐50组合形成，可实现对隧洞内表面360°环形声学探测成像，声学探测组件5搭载于水下自主航行机器人2上，实现引水隧洞水质浑浊、散射严重等水文条件下的声学成像检测。

光学探测组件6为防水型无畸变广角深水仿鱼眼摄像机，其前视角度范围可覆盖引水隧洞内部待检测表面8。本实施例中，防水型无畸变广角深水仿鱼眼摄像机前视角度范围可达150°，其安装于水下自主航行机器人2前端，可覆盖隧洞内壁，分辨率达1920*1080，光学探测组件6安装于水下自主航行机器人2上，用于水质环境较为清澈条件下近距离对隧洞内壁的光学成像检测。

水下照明组件7包括多个与逻辑控制单元3连接的防水深水照明灯70，多个防水深水照明灯70周向布置水下自主航行机器人2的前端。本实施例中，水下照明组件7由4台防水深水照明灯70组成，防水深水照明灯70具有大功率、高亮度特性，可通过PWM控制光源的亮度，实现隧洞内部表面的清晰度最大化及节能最优化，且依附于水下自主航行机器人2并沿其前端圆周上、下、左、右均匀呈仰角放置，实现360°的环形光源照射隧洞内壁，协助深水摄像头的光学检测。

如图3所示，本发明还提供一种引水隧洞内表面检测方法，包括以下步骤：

S1：根据引水隧洞内水体环境、隧洞物理尺寸设置水下自主航行机器人2的运行参数；

S2：设置水下自主航行机器人2的工作模式，根据对应的工作模式实现引水隧洞内部待检测表面8的可视化。

其中，工作模式包括声学成像检测模式、光学成像检测模式以及混合成像检测模式。具体的，探测组件及相关设备全部安装于水下自主航行机器人2上，水下自主航行机器人2沿隧洞内部航行方向X移动，可根据实际水文环境选择检测模式，若为光学探测模式，则逻辑控制单元3打开水下照明组件7，启动鱼眼摄像头并采集数据。若选择声学探测模式则打开多波束成像声呐50，通过回波数据采集与处理单元4进行回波数据的采集与预处理。声学与光学探测数据均可以存储于机器人本地控制板20，也可通过机器人本地控制板20实时传输至地面图形工作站1进行数据可视化处理。

具体的，声学成像检测模式使用多波束成像声呐50对引水隧洞内部待检测表面8进行360°成像检测，主要应用于隧洞直径较宽、水质浑浊等负责水文条件；光学探测模式使用仿鱼眼摄像机作为成像设备，协同水下照明组件7一同为引水隧洞内部待检测表面8进行光学成像，主要应用于隧洞直径较小、水质较为清澈的水文条件。混合检测模式兼顾两种方法的测量优势，声学测量距离较远，但分辨率较低，光学测量分辨率高，但测量距离有限，因此混合检测模式首先使用声学对隧洞内部表面进行成像检测，当发现疑似灾变位置且不能确定时，可使用光学近距离进行进一步成像检测。

如图4所示，声学成像检测模式具体包括以下步骤：

设备启动：启动声学探测组件5，通过声学探测组件5对引水隧洞内部待检测表面8发射声波；

回波数据采集：通过回波数据采集与处理单元4不断接收引水隧洞内部待检测表面8反射的回波数据；

回波数据去噪：通过回波数据采集与处理单元4对回波数据进行去噪处理，滤除直达波信号、高次回波信号及水体离群噪声，保留隧洞实际回波区域点云数据；

最优回波提取：通过回波数据采集与处理单元4对隧洞实际回波区域点云数据使用最优回波提取算法，提取引水隧洞内部待检测表面8最优回波位置数据，得到隧洞内部截面点云数据；

载体坐标及姿态信息读取：通过地面图形工作站1读取的水下自主航行机器人2坐标及姿态信息；

数据校正与拼接：地面图形工作站1根据水下自主航行机器人2坐标及姿态信息，对隧洞内部截面点云数据进行数据校准与拼接；

隧洞数据可视化：地面图形工作站1根据校准与拼接后的隧洞内部截面点云数据实现引水隧洞内部待检测表面8的可视化。

如图5所示，光学成像检测模式具体包括以下步骤：

设备启动：启动光学探测组件6和水下照明组件7；

环形光源调节：根据光学探测组件6返回的实时画面，通过逻辑控制单元3调节水下照明组件7的照明亮度，使光学探测组件6返回的实时画面清晰最大化；

视频数据采集：光学探测组件6对引水隧洞内部待检测表面8进行数据采集与存储，并实时传输至地面图形工作站1；

载体坐标及姿态信息读取：通过地面图形工作站1读取的水下自主航行机器人2坐标及姿态信息；

视频数据校正与拼接：地面图形工作站1根据水下自主航行机器人2坐标及姿态信息，对视频数据进行校正与拼接；

隧洞数据可视化：地面图形工作站1根据校正与拼接后视频数据实现引水隧洞内部待检测表面8的可视化。

本发明填补了目前长距离引水隧洞运行期间内部表面的自动化、智能化检测技术的空白，代替了传统人工排空方式监测维护带来的损坏内壁压力平衡、检测效率主观性强、效率低下、对隧洞的微型变形无法捕捉以及现有检测技术不能满足不同隧洞水文环境的问题。以声、光检测结合的方式，适用于不同长距离引水隧洞的水文环境，将该监测技术与装置应用于长距离引水隧洞的成像检测，大大提高巡检效率，促进工程运行期的监测技术的提高。本发明能够根据长距离引水隧洞的现场水体环境选择最优的光学或声学成像检测技术对长距离引水隧洞内部表面进行360°成像，从而代替传统人工巡检操作，提高检测精度与效率，为引水隧洞等水工结构物的缺陷等致灾因子的监测提供可靠的依据。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。