基于相干频率原理的新型渡槽混凝土无损检测机器人研发与应用_

1 研究背景

随着我国经济、社会的发展，我国的需水量与日俱增，水资源的供给矛盾也日益扩大[1-3]。为解决我国水资源在空间上的分布不合理的问题[4,5]，兴建了数以万计不同标准和类型的、跨地区、跨流域的水资源优化配置，而渡槽是水资源优化配置中不可或缺的水工建筑物[6-9]。由于水工建筑物的工作条件十分严酷，伴随着服役时间的增加，大量的钢筋混凝土渡槽出现结构老化、混凝土劣化等老化病害现象，已成为威胁人民生命财产安全的重大隐患[10-16]。在我国以往的渡槽工程修补加固实践中，一些工程在未对混凝土耐久劣化的范围、程度和发展趋势做出正面判断的情况下就开始修补方案的制定和实施。由于修补措施针对性不强并缺乏对混凝土劣化现状的准确评估，导致经常出现“坏了修，修了再坏”的情况。因此，如何针对渡槽的老化病害状况进行识别和诊断是一个重要的课题。为解决混凝土渡槽无损检测日益繁重的工作任务，提高检测效率，针对混凝土渡槽表面检测的恶劣环境，结合智能机器人与无损检测技术，设计一种自动化的新型渡槽混凝土无损检测机器人是必要的。

2 新型渡槽混凝土无损检测机器人技术架构

2.1系统整体设计

渡槽混凝土无损检测机器人，基于机器行走平台，通过无线操作，完成弹性波的自动激发、采集和成像，从而实现渡槽混凝土结构的均匀性密实性和强度缺陷的快速检测，如图1所示。系统包括硬件和软件两个部分，硬件包括以车载平台子系统、震源子系统、采集子系统、无线控制子系统。软件包括行走控制与自动采集、资料处理等主要功能，安装于手持PAD中。系统使用时，手持PAD首先与机器人通过WIFI建立无线连接，然后通过软件操作机器人行走，并在行走中自动激发和采集，采集后立刻进行数据处理和分析，实时显示检测剖面成果，同时自动保存数据。现场采集结束后还可重新进行资料分析处理和成像。

2.2系统硬件结构

渡槽混凝土无损检测机器人的系统硬件结构如图2所示，系统由行走平台、震源、采集、通讯四个子系统组成。

2.2.1行走平台子系统

行走平台子系统的作用有两个，1个是实现系统的自动行走，2个是作为其他硬件子系统的平台。行走平台子系统是四轮45度全向轮轮系的机器人平台，使用四驱全向轮，能够实现平移、自转、平移并自转等特殊运动。平台底盘采用整体铝合金铸造成型工艺，使用四台大功率的空心杯电机作为驱动，并配有四轴伺服驱动器，支持CAN总线及RS232接口。该系统具有以下特点：

（1）全方向自由移动:四轮全向结构，使机器人能够在平面内朝任何方向进行平移，并同时伴随自转运动。

（2）悬挂系统:采用摇臂式悬挂结构，使机器人四轮都能够与地面良好接触并输出动力，在经过凹凸不平的地面时，机器人有较强的通过性能。在经过不光滑的地面时，能有效减轻震动。

（3）整体成型底盘:平台底盘采用铝合金整体铸造成型，结构性好，高强度，高刚性。加工中心一次加工成型，保证高精密的四轮相对位置关系。避免了通常钢板组合机器人连接配合精度差，组合件累积误差大，强度及刚性差的缺点。

（4）空心杯直流伺服电机:四台大功率空心杯直流伺服电机实现了高功率密度、高扭矩与快速速度响应。电机配有精密行星减速机与500线编码器。

（5）四轴伺服驱动器:四轴伺服驱动器使空心杯伺服电机真正发挥了他的特性，使电机具有良好的特性曲线。用户能够精确并快速地控制电机转速，且不受负载量及路面变化的影响，让机器人运行准确可靠。

2.2.2震源子系统

震源平台子系统采集旋转冲击结构，由伺服电机控制旋转冲击机构，冲击机构按照指定的转速产生冲击。震源子系统的伺服电机为基于32位DSP 平台全数字交流伺服一体机：1.单组直流供电；2.支持光耦隔离的脉冲、方向控制输入和报警输出；3.系列采用485总线，支持MODBUS_RTU 协议；4.内嵌单轴运动控制功能，支持点到点位置控制、速度控制及同步周期位置控制三种模式；5.采用磁场位置检测技术实现转子定向，具有更好的抗粉尘、抗振动能力。

2.2.3采集子系统

采集子系统负责接收震源产生的信号，并进行数字化采集，传输采用无线WIFI方式，具体性能如表1所示。

表1采集子系统性能

2.2.4通讯子系统

通讯子系统用于上位机与行走、震源、采集等各子系统之间的通讯。子系统采集多功能工业级无线串口网关，可同时各种通讯方式，其中与震源子系统采用RS232串口通讯，与行走子系统采用RS232串口通讯，与采集子系统采用RJ45以太网TCP/IP协议通讯。

2.3系统软件结构

系统软件系统由主系统和现场采集、信号处理、计算成像3个子系统组成。

主系统负责进行测线数据的创建和保存。系统按测线组织数据，所有数据放置于指定目录，结构如图3所示。其中工程文件用于保存当前测线的相关参数及成像数据，信号数据分为原始数据、预处理数据和反射道集数据。采集子系统回传的数据保存为原始信号，之后按照预处理参数定义文件定义的处理过程和参数进行数据预处理，得到预处理数据文件，然后按照反射地震共中心道集抽取方法抽道形成CMP数据文件。上述三组数据由主系统自动进行生成和保存，数据格式为自定义非标准SGY格式，单个文件可保存120炮数据，系统自动维护数据文件的数量。

现场采集子系统用于与行走平台、震源、采集等各子系统的通讯、控制以及数据传输，可以实现行走、激发、采集同时进行，并可以实时成像。信号处理子系统可实现带通/带陷、切除、延时校正等各种地震信号处理功能，既可以在采集过程中实时进行，也可以在采集完成后数据回访时重新处理。计算成像子系统用于计算成像，既可以在采集过程中实时进行，也可以在采集完成后数据回访时重新处理，如图4所示。系统支持反射CMP叠加法和相干频率法等多种成像方法。

3渡槽混凝土检测的关键技术

3.1相干频率检测原理

渡槽混凝土质量检测使用声波散射技术[17]，根据上下界面间的多次反射相干叠加的频率确定界面位置、反射系数。该技术以散射理论为基础，综合运用方向滤波技术、速度扫描技术、合成孔径成像技术与相干频率成像技术，实现对工程精细结构的检测。具有分辨率高、可靠性好、图像直观等特点，特别适合工程结构检测需要[18]。同一种工程材料，当其密实性和胶结程度等存在不均匀性时，如存在空鼓、松散等情况，会出现局部的弹性波阻抗的异常区。这些波阻抗差异界面，以及材料不均匀性引起的弹性波阻抗异常区，都是散射源。在冲击波的激励下散射源会产生散射波。弹性波阻抗差异越大，散射波能量越强，如图5所示。

根据观测到的散射波场，可以重建结构内部散射源的图像，借此了解异常体的位置与差异程度。异常体面积较大时，表面与异常体之间会形成多次反射，多次波的周期为双程路径与波速的比值，多次波的频率周期的倒数，即波速与双程路径的比值[19,20]。通过对震动记录的频谱分析，找出幅值较大的频率，确定几个可能的异常体界面，如图6所示。

根据卓越频率可换算出对应界面的深度，谱值的大小对应界面尺度与差异程度的乘积。频率与深度的转换公式：

3.2频谱成像技术

对渡槽进行检测时，由于散射波传播距离较短，波长较长，使用散射波同相轴叠加方式的成像技术效果不佳，需要新的处理方法——声波散射相干频率成像，如图7所示。首先将接收到的反射时间域记录通过快速傅里叶变换转换至频域。再根据频率与深度的转换公式，以混凝土波速将频率域记录转换为空间域深度记录。将测线上逐点测试得到的数据，连接成剖面，则形成相干频率法剖面图，并将频率谱值赋予各深度点用以成像显示，如图8所示。剖面图像彩色显示设置：通过归一化将最大值设置为1，对幅值设定阀值进行分段，对不同幅值段落赋予合适的色标。色标可分4级，以突出较大的幅值。并对幅值进行划分，选出较大幅值范围，分2级，用醒目色。对于较小的幅值，设成背景色。这样色彩处理比较简单，但目视效果极好，清晰、直观。

图9成果图像中红色表示散射最强的部位，反映界面上介质力学性状的差异最大；黄色为中等强度的散射界面，绿色为弱散射界面，蓝色为背景色，表明区内散射微弱，介质均匀。图像横坐标表示检测的水平位置，纵坐标表示深度。红、黄、绿、蓝色在图中的位置，表示不同强度散射源的空间分布。混凝土内部缺陷：空鼓、离析与松散区为强散射界面，为红色区。检测点可沿测线或网格布置，形成检测剖面或3维图像。其识别基本原则类似于地质雷达：

（1）从浅至深第一个红色强反射的界面，一般为结构底界面；

（2）在底界面之上的强反射，一般为缺陷。

4 模型试验与工程应用实践

4.1缺陷模型试验测试验证

为验证机器人检测的可行性，开展混凝土模型试验。模型为堆石混凝土，尺寸如图10所示，缺陷预设为：1.在表层向下70cm深处以涂撒2-3cm厚石粉层及二次浇筑来模拟裂缝缺陷；2.局部以填充10cm厚泡沫来模拟空鼓缺陷；3.局部以填充大粒径块石以模拟混凝土分布不均匀。机器人在其上表面纵横往复式检测，典型结果如图11。