一种基于无人机的混凝土超声波探伤装置及方法

技术领域

本发明属于混凝土检测相关技术领域，尤其涉及一种基于无人机的混凝土超声波探伤装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

本世纪第二个十年以来，无人机技术的发展特别是在基础设施智慧运维、巡检中的应用引起了业内的普遍关注。基于无人机技术开展混凝土建筑物的监测，为提升工作效率、降低人员风险。由其技术特点可知，一方面应搭载镜头等图像获取设备，但会限制混凝土内部的信息获取；另一方面控制无人机与建筑物保持一定的距离飞行以确保飞航安全，但会限制现有探伤装置的工作能力。这类限制在很大程度上影响了基于无人机对混凝土建筑物进行内部监测、探伤的研究。

混凝土裂缝是由于混凝土结构由于内外因素的作用而产生物理结构变化引起的破坏。混凝土裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因，其数量、种类、尺寸是对混凝土建筑物进行稳定分析的重要性指标。

然而，研究发现，现有的混凝土内部探伤仪大多为手持式，且接触式探头端为延伸软线，安装在无人机上后无法正常开展工作；且即使在安装时在接触式探头端加装固定装置，也无法保证无人机在接近竖直混凝土壁面时的稳定性，可能导致信息不准确。现有的混凝土内部信息获取大多采取人工手持或无人机搭载探伤仪器非接触式工作。这种方式不可避免地产生效率低下、信息不准确、特殊区域无法开展工作的种种弊端，进而影响后续的分析，对最终的决策造成干扰。而仅依靠无人机搭载的各种航摄镜头开展工作，只能获取混凝土表面的信息，无法分析找出更深层的混凝土破坏。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于无人机的混凝土超声波探伤装置及方法，将无人机和接触式超声探测仪相结合，可以置于室外进行混凝土建筑物内部接触式探伤，在探伤过程中及时进行混凝土内部信息获取，实现利用无人机对混凝土更深层次的探测。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：一种基于无人机的混凝土超声波探伤装置，包括：

在无人机下方固设的混凝土超声波探伤装置，所述混凝土超声波探伤装置包括超声波发射探头、超声波接收探头；所述超声波发射探头用于对混凝土发出超声波探测信号，所述超声波接收探头用于接收混凝土所反射回的超声波信号；

设置在无人机下方的T型置线管；所述T型置线管包括横管和竖管，所述混凝土超声波探伤装置中的超声波发射探头、超声波接收探头从所述竖管穿入，并从所述横管的一端穿出；

在所述超声波发射探头、超声波接收探头穿出所述横管的端口处布设有缓冲弹簧。

本发明的第二个方面提供一种基于无人机的混凝土超声波探伤方法，采用上述的一种基于无人机的混凝土超声波探伤装置，包括：

步骤1：在需要进行内部探伤的混凝土建筑物上标定探测点位；

步骤2：操控无人机飞行至所标定的探测点位位置处，同时调整无人机使其在探测点位相同高度处保持悬停；

步骤3：操控无人机使超声波探头贴合接触所选定的探测点位，在稳定贴合后，超声波发射探头向混凝土发出超声波探测信号，超声波接收探头接收混凝土所反射回的超声波信号并进行存储；

步骤4：完成一个探测点位的探测后，操控无人机前往下一个探测点位，重复步骤2-步骤4，直至完成对混凝土建筑物的内部探伤。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

（1）本发明将无人机和接触式超声探测仪相结合，可以置于室外进行混凝土建筑物内部接触式探伤，在探伤过程中及时进行混凝土内部信息获取，实现利用无人机对混凝土更深层次的探测，通过在超声波探头处设置缓冲弹簧，可以有效减轻四旋翼无人机在靠近混凝土竖直壁面时的碰撞，保证各部分的安全。

（2）本发明的无人机混凝土超声波探伤装置，由于其快装结构、T型置线管、弹簧等结构与部件均为耐腐蚀材质制成，其可直接置于仅满足四旋翼无人机飞行条件的区域即可进行试验，降低了长期使用过程中相关零部件、结构的损耗。

（3）本发明的无人机混凝土超声波探伤装置，体积小，结构简单，易于组装和移动；并且该装置可以通过自带的存储设备将探测点位区域内的混凝土相关参数储存下来，与诸多无法存储信息的设备相比保证了第一手资料的获取效率，所以本装置与不能存储信息的装置相比经过探测可以避免参数遗失以及记录错误等情况。

（4）本发明的无人机混凝土超声波探伤装置，采用简单的方法，简单的结构，简单的原理进行工作，例如通过四旋翼无人机平台开展工作，克服了人工探测区域受限及不安全的短板；四旋翼无人机可在工作区域内定点飞行，混凝土参数信息及缺陷位置可直接通过结果报表直观地呈现出来。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中基于无人机的混凝土超声波探伤装置结构示意图；

图2为本发明实施例一中混凝土超声波探伤装置探头端的结构示意图；

图3为本发明实施例一中基于无人机的混凝土超声波探伤装置工作的示意图。

图中，1、无人机，2、摄像头，3、混凝土超声波探伤装置，4、超声波探头，5、混凝土超声波探伤装置存储设备，6、配重块，7、T型置线管，8、快装结构，9、缓冲弹簧。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一

如图1-图2所示，本实施例公开了一种基于无人机的混凝土超声波探伤装置，包括：

在无人机1下方固设的混凝土超声波探伤装置3，混凝土超声波探伤装置3包括超声波发射探头、超声波接收探头；超声波发射探头用于对混凝土发出超声波探测信号，超声波接收探头用于接收混凝土所反射回的超声波信号；

设置在无人机下方的T型置线管7；T型置线管7包括横管和竖管，混凝土超声波探伤装置3中的超声波发射探头、超声波接收探头从竖管穿入，并从横管的一端穿出；

在超声波发射探头、超声波接收探头穿出横管的端口处布设有缓冲弹簧9。

在本实施例中，无人机1与混凝土超声波探伤装置3通过快装结构8连接，快装结构8包括快装下模和快装上模，快装下模固定连接在无人机的底部，快装上模固定在混凝土超声波探伤装置3的上部，快装下模与快装上模通过卡紧构造连接。

具体的，在快装下模和快装下模上分别设置有螺纹孔，螺栓穿过快装下模的螺纹孔与混凝土超声波探伤装置3可拆卸连接，同理，螺栓穿过快装上模的螺纹孔与无人机底部可拆卸连接。

具体的，快装上模包括第一底板和设置在第一底板一侧且与第一底板相互垂直的第二侧板和第三侧板，第二侧板和第三侧板相互平行，在第一底板上开设有多个螺栓孔，螺栓穿过底板上的螺栓孔以及无人机上相对应的螺栓孔实现快装上模与无人机的连接。在第二侧板和第三侧板开设有开槽孔，开槽孔用于与快装下模的连接使用。

快装下模包括第二底板，在第二底板上表面开设有两个第一空槽，两个空槽与快装上模的第一侧板和第二侧板相配合，以使快装上模上的第一侧板和第二侧板能够分别插入到快装下模的所开设的两个空槽内。在第一空槽内设置有合金板片，在第二底板的相对的侧面分别设置有按钮，按钮通过弹簧与空槽内的合金板片连接，在按下左右两侧的按钮后，第一空槽内的合金板片内缩，将快装上模的第一侧板和第二侧板分别插入到两个第一空槽内，在插入后松开按钮，第一空槽内的合金板片穿过第一侧板和第二侧板上的开槽孔，实现快装下模和快装上模的连接。

同样的，快装下模与混凝土超声波探伤装置通过螺栓连接。

需要说明的是，快装上模和快装下模也可以采用其他的方式进行连接。快装上模和快装下模的形状不作具体限定，可以为长方形、正方形等，以能够将无人机和超声波探伤装置连接在一起即可。

在本实施例中，T型置线管7包括竖管和横管，竖管的一端与横管贯通连接，T型置线管7 布设在混凝土超声波探伤装置3的下方与混凝土超声波探伤装置3固定连接，混凝土超声波探伤装置3上的超声波探头4的数据线从T型置线管7的竖管的开口端穿入，从T型置线管7的横管的一端穿出，通过将数据线布设在T型置线管7内，减少了数据线对无人机1飞行的影响，而且保护了数据线不受外界破坏。超声波探头4包括超声波发射探头和超声波接收探头。

在T型置线管7的横管的另外一端即远离超声波探头4穿出的一端设置有配重块6，通过配重块用来保持平衡。

在T型置线管7的横管一端即超声波探头4穿出的一端，超声波探头处设置有缓冲弹簧9，缓冲弹簧9的外径与超声波探头4的外径相适配，缓冲弹簧9一端与超声波探头4固定连接，连接超声波探头4的数据线从缓冲弹簧9内部穿过，缓冲弹簧9的设置可以有效减轻无人机在靠近混凝土竖直壁面出现碰撞、接触不良等现象，保证各部分的安全。

具体的，T型置线管7的横管一端即超声波探头4穿出的一端与凹型管的中部贯通连接，超声波发射探头、超声波接收探头分别从凹型管的两个开口端穿出，在凹型管的开口端处分别设置有缓冲弹簧9，缓冲弹簧9的一端凹型管的开口端固定连接，缓冲弹簧9的另外一端与超声波探头4即超声波发射探头和超声波接收探头固定连接，利用缓冲弹簧9减轻超声波发射探头、超声波接收探头在靠近混凝土直避面时的碰撞。

在本实施例中，T型置线管7为碳纤维材料制成。

在本实施例中，无人机1采用四旋翼无人机，四旋翼无人机含触屏式遥控器并且在四旋翼无人机底部安装有摄像头2。

需要说明的，T型置线管的横管带有超声波发射探头的一端为无人机的机头方向，T型置线管的横管与无人机底部平面平行，在T型置线管的横管与超声波发射探头端相反的一端设置有配重块，以保持横管的平衡。T型置线管水平靠近竖直混凝土建筑物时，实现两个超声波发射探头同时与混凝土建筑物的壁面接触。

在本实施例中，快装结构、T型置线管、紧急弹簧和缓冲弹簧9均采用轻质不锈钢材料制成，避免四旋翼无人机载重过大，而且避免了锈蚀等因素对稳定性的影响。

混凝土超声波探伤装置3自带供电模块，由自身携带的供电模块进行供电，同时混凝土超声波探伤装置3与无人机1的供电模块电性连接，在混凝土超声波探伤装置3的自身携带的供电模块断电的情况下，可由无人机1的供电模块进行供电，保证混凝土超声波探伤装置3的正常工作。

如图3所示，无人机1携带混凝土超声波探伤装置3进行探伤工作时，将按上述步骤组装好的装置在探测区域附近的开阔平地起飞，操控四旋翼无人机将T型置线管7的探头端指向混凝土建筑物竖直壁面，而后将四旋翼无人机缓慢接近提前选定的探测点区域，将超声波混凝土探伤装置3的超声波探头4慢慢贴合在混凝土壁面上，而后超声波混凝土探伤装置3发出并接收超声波信号，得到该探测点区域内的混凝土内部信息，并将其保存至存储设备中。操控无人机驶离探测点位，运动至下一点位继续按照上述步骤进行探伤，完成所有探测点位的探伤工作后，操控无人机返航降落。由于超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。将保存在存储设备中的信息数据导出，借助高性能电脑软件处理数据。通过每个探测点位的数据信息以及导出的报表得到混凝土的强度、缺陷、裂缝深度、裂缝宽度、位置的分布状况。

混凝土是由砂石料混合而成的组合体，对于不同组分，物理特性不同。若混凝土中存在缺陷、裂缝等病害时，超声波信号会在不同介质的交界处呈现出无规则的传播现象。在复杂的传播过程中，超声波信号不断损失能量，仪器端接收到的反射信号呈现出异常的状态，利用这些特殊的信号形态可以为混凝土的探伤提供依据。

本实施例对于混凝土超声波探伤信号的处理依靠AI＋人工实时判定与后端软件分析开展。先期利用检测区域相同的混凝土材料制备一定数量的混凝土试块，每个试块内部人为布置不同形状的裂缝、缺陷等工况。在地面利用手持式超声波混凝土探伤装置对这些试块进行检测，将收集到的数据进行去噪、滤波、标准化分类，减少噪声对于结果准确性的影响。自回收的超声波信号中提取其波速、信号幅值、峰值；反射时间；反射形状等特征，使得AI模型学习的不同工况下超声波波形的本质。而后将收集到的信号数据按照6:2:2的比例划分为训练组、验证组、测试组，其中前者用于AI模型的训练，验证组用于参数调整，测试组用于评估与验收。以及常见的卷积神经网络训练模型，为了防止过度拟合现象出现，本实施例使用的AI模型采用了正则化处理方法进行处理，提高了模型的泛化能力。而后将该模型部署到无人机控制平台中，进行混凝土超声波探伤工作。

本实施例同时收集了大量的混凝土裂缝、缺陷照片用于了AI模型训练。对不同类型的病害照片进行分类标定，按照1：1：1的比例将图像划分为训练组、验证组与测试组，将正常状态、轻度裂缝（缺陷）、宽裂缝（缺陷）的不同图像对模型进行了上万次训练校准，最终利用测试组进行验收评估。在工作时，当无人机贴近混凝土时，高分辨率镜头会自动进行拍照抓取图像，基于AI模型进行自动识别。在本发明中，将相似程度设置为超过80%即判定存在病害，并进行标定以备后续进一步检测。

在操控无人机贴近检测区域，将探头准确贴合于混凝土壁面后，利用无人机遥控器操作超声波探伤装置向混凝土内部发出并回收超声波信号，自混凝土中反射回来的超声波信号的相关参数及波形显示在屏幕上，以供接下来的分析。

1、波速：

超声波的波速通常较为稳定，可重复性优于其他信号，可被用来评价混凝土的状态。在进行混凝土超声波探伤时，其超声波信号的传播可以视作在混凝土本体、轻度裂缝（缺陷）区与宽裂缝（缺陷）的组合传播。各部分的组成比例，可以视为由各部分体积占总体体积的比例决定。在质量良好的混凝土中，裂缝（缺陷）几乎不存在。其超声波的传播速度主要由混凝土本体决定，在终端显示的超声波波速信号呈现出稳定状态。当混凝土内部出现裂缝（缺陷）等病害后，混凝土本体占总体积的比例急剧减少，出现的裂缝（缺陷）等病害中往往充满了空气或者雨水，导致超声波信号的传播渠道出现了不同介质，大量损失能量，受损后材料的超声波传播速度呈现出急剧下降的趋势。

本实施例基于超声波波速在终端屏幕上显示状况，由AI模型自主识别相应检测点位是否存在病害，并辅助以操作人员的人工判别，确认每点位的混凝土状态。

2、峰值幅值：

混凝土中的裂缝会导致超声波传播时发生反射或折射，从而引起信号的幅值和时间上的变化。可通过超声波的峰值幅值来判断混凝土中是否存在裂缝。若混凝土中存在裂缝（缺陷），超声波在经过裂缝时会发生反射或折射，从而引起信号的幅值下降。如果超声波信号中存在幅值较小的波形，可能表明混凝土中存在轻度裂缝（缺陷），同理，若幅值呈现出急剧变化，则表明混凝土中存在宽裂缝（缺陷）。

本实施例在开展实际检测前，首先在地面对工况良好的混凝土进行检测，记录下正常的超声波信号的峰值幅值范围，并将这些信号用于了AI模型的训练中，而后对检测的混凝土进行检测，比较信号的峰值幅值与正常范围的相差程度，利用先期训练AI模型时设置的参数，将相差程度划分为3个等级：35%以下视为状态稳定；35%-70%视为存在轻度裂缝（缺陷）；70%以上视为存在宽裂缝（缺陷），并辅助以操作人员的人工判别，确认每点位的混凝土状态。

3、反射时间：

根据超声波的反射时间长短可以判断混凝土裂缝的存在。若混凝土中存在有裂缝（缺陷），超声波的传播状态会发生明显的改变。通常而言，裂缝中往往被空气或积水充满，超声波经过这类区域时会降速并被部分反射，导致了超声波接收器处接收完整的超声波信号时间变长。

本实施例中通过在前期将不同工况下的混凝土反射时间数据用于训练AI模型，在实际检测时，根据呈现出超声波完成波形所需时间进行判别，若存在裂缝，则在数据终端形成一个完整的超声波曲线时间会延迟于良好工况下的混凝土。

4、反射波形：

利用超声波发射到混凝土结构得到的反射形状，可以判断混凝土裂缝（缺陷）的类型。

4.1、垂直于表面的裂缝（缺陷）

对于垂直于混凝土表面的裂缝（缺陷），当有超声波发声到其上时，会在裂缝处发生反射。

本实施例中，针对不同尺寸下的混凝土裂缝（缺陷），在设计AI模型时有针对性地制备了不同损伤工况下的混凝土试块进行训练。若裂缝（缺陷）尺寸较大，超声波信号会在其两侧的混凝土中发生反射，信号被数据终端接收后，会在图线中呈现出两个峰值，反之，若裂缝（缺陷）尺寸较小，则信号只会在裂缝（缺陷）中反射，图像中仅呈现单峰值状态。利用峰值的位置、强度及超声波信号波速，可以确定出裂缝（缺陷）的位置与宽度。

4.2、倾斜裂缝（缺陷）

在本实施例中，针对倾斜角度的裂缝（缺陷），可以采取如下方法进行识别。当超声波发射到倾斜裂缝（缺陷）时，会在裂缝（缺陷）内部发生反射并沿着裂缝（缺陷）的路径进行反射。呈现出“V型”反射。根据数据终端显示的“V型”反射两支点间距及超声波波速，根据傅里叶变换规律确定出裂缝（缺陷）的长度与方向。

4.3、脆性裂缝（缺陷）

针对由于温度变化或材料缺陷引起的短而脆的脆性裂缝（缺陷），其遇到发射而来的超声波信号时，会在裂缝（缺陷）内部发射并产生一个高强度峰值，其强度远高于其他类型的裂缝（缺陷）。

在本实施例中，在训练AI模型时，将种裂缝（缺陷）超声波信号反射产生的峰值进行设定，在实际检测时，若出现峰值超过良好工况下峰值30%时，在数据终端显示为脆性裂缝（缺陷）状况，并进行标定。

此外，需要注意的是，本实施例顺利实施的前提是根据已有资料，使用相同材料提前制备不同工况下的混凝土试块，从而训练AI模型，以达到进行检测探伤的目的。但是，超声波检测的结果可能会受到多种因素的影响，例如混凝土中的颗粒大小、水泥的含量、裂缝的宽度和深度等，因此需要结合实际情况进行综合分析和判断。同时，为了提高检测的准确性和可靠性，应进行多次检测并进行平均处理。

实施例二

本实施例提供一种基于无人机的混凝土超声波探伤方法，采用实施例一中的一种无人机混凝土超声波探伤装置，包括：

步骤1：选取一个需要进行内部探伤的混凝土建筑物，并在其上标定探测点位；

步骤2：将混凝土超声波探伤装置的数据传输线穿过T型置线管布置，然后将混凝土超声波探伤装置通过快装结构固定到四旋翼无人机上，在T型置线管末端安装缓冲弹簧，之后将混凝土超声波探伤装置的超声波探头与数据传输线连接，在T型置线管另一端设置配重保持稳定；

步骤3：安装好无人机用摄像头，将混凝土超声波探伤装置与四旋翼无人机的供电模块电性连接；

步骤4、将携带混凝土超声波探伤装置的无人机置于探测区域附近空旷的平地上，通电检查各部分工作状态，完成各项起飞前的准备工作；

步骤5：操控四旋翼无人机起飞，飞行至第一个探测点点附近时，遥控调整无人机姿态，将安装有混凝土超声波探伤装置的超声波探头的一端对准探测点位，通过修正四旋翼无人机姿态，使其在与探测点位相同高度的正前方保持悬停；

步骤6：然后操控四旋翼人机缓慢靠近混凝土壁面，慢慢将混凝土超声波探伤装置的超声波探头贴合接触在选定的探测点位区域内，在这个过程中，应保持低速缓慢，以防止缓冲弹簧因受力不稳定等因素发生偏移，导致混凝土超声波探伤装置的超声波探头发生损坏。在贴合稳定后，混凝土超声波探伤装置即可开展工作，通过超声波发送探头向混凝土内部发射超声波信号，超声波接收探头接收反射回来的超声波信号并通过自动识别判断混凝土内部的强度、缺陷、裂缝深度、裂缝宽度及其位置等信息，将相关数据保存到自带的存储设备中；

步骤7：完成一个点位的探伤工作后，操控四旋翼无人机驶离，前往下一个探测点位，调整四旋翼无人机姿态，重复以上步骤5-步骤6，得到该点位的混凝土内部相关信息；控制四旋翼无人机按顺序对每个探测点位开展探伤工作，得到不同探测点位处的混凝土内部信息。

步骤8：将所有点位的信息导入电脑软件进行分析，生成报表，将混凝土内部的情况进行分析，找出潜在的危险源，作为风险排除的数据支撑，完成探伤工作。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。