[發明專利]一種大型水電站百米級引水豎井健康檢測裝備及方法

有效

• 申請號: 201710748869.8
• 申請日: 2017-08-28
• 公開（公告）號: CN107561085B
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 唐爐亮;李清泉;靳晨;孫飛;陳西;牛樂;段倩;初旭;于智偉
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

1.一種大型水電站百米級引水豎井健康檢測裝備，其特征在于，包括無人飛艇(1)、數據采集裝置(2)和卷揚機(3)；數據采集裝置(2)通過多根尼龍繩(11)吊裝在無人飛艇(1)下方，數據采集裝置(2)的底部與卷揚機(3)相連；其中：

數據采集裝置(2)為4層結構，包括：設置在頂層的減震彈簧(4)，用于在無人飛艇(1)晃動和傾斜時使數據采集裝置(2)保持鉛直向下的狀態；設置在第二層的激光掃描儀(5)、氣壓高度傳感器(6)和慣性測量裝置(7)，激光掃描儀(5)用于掃描與目標物的點云數據，氣壓高度傳感器(6)用于實時獲取氣壓數據，慣性測量裝置(7)用于實時獲取數據采集裝置(2)的姿態數據；設置在第三層的照明裝置(8)和相機(9)，用于照明和采集影像，并合成360度全景影像；以及設置在底層的控制裝置，用于供電和數據傳輸，并根據采集到的各種數據，處理得到引水豎井內壁的缺陷位置和缺陷形態；

數據采集裝置(2)中的照明裝置(8)和相機(9)呈米字形安裝，包括4個照明裝置(8)和4個相機(9)，4個照明裝置(8)之間夾角為90度，4個相機(9)之間的夾角也為90度；

無人飛艇(1)底部設置有8個方向的8根高強度的尼龍繩(11)，8根尼龍繩(11)分別系在數據采集裝置(2)頂層上；無人飛艇(1)的側面連接有8根高強度的尼龍系留繩(16)，打結后的8根尼龍系留繩(16)與卷揚機(3)的鋼絲繩相連。

2.根據權利要求1所述的大型水電站百米級引水豎井健康檢測裝備，其特征在于，控制裝置包括：數據通信模塊和數據處理與保存模塊；其中：

數據處理與保存模塊為工控機(10)；數據通信模塊用于實現工控機(10)與激光掃描儀(5)、氣壓高度傳感器(6)、慣性測量裝置(7)、相機(9)之間的數據通信；數據處理與保存模塊進而對激光掃描儀(5)、氣壓高度傳感器(6)、慣性測量裝置(7)和相機(9)采集到的四類數據進行處理與保存。

3.根據權利要求2所述的大型水電站百米級引水豎井健康檢測裝備，其特征在于，控制裝置還包括：交換機(12)、22V轉12V變壓器(13)、電源(14)和12V轉9V變壓器(15)。

4.根據權利要求2所述的大型水電站百米級引水豎井健康檢測裝備，其特征在于，數據處理與保存模塊包括6個子功能模塊：數據導入模塊、數據庫模塊、影像數據處理模塊、點云數據處理模塊、數據可視化模塊以及人機交互模塊；其中：

數據導入模塊用于將采集到的各種數據導入數據庫模塊；數據庫模塊用于存儲采集到的各種數據；影像數據處理模塊用于根據獲取影像進行影像拼接、影像增強和影像中的裂縫提取；點云數據處理模塊用于根據掃描得到的點云數據進行點云拼接、點云模型構建以及缺陷信息的提取；數據可視化模塊用于對原始數據、工程數據和成果數據進行可視化；人機交互模塊用于實時顯示數據采集的工作狀態，選擇不同的工作模式，并控制數據采集的進度。

5.根據權利要求1所述的大型水電站百米級引水豎井健康檢測裝備，其特征在于，卷揚機(3)上設置有控制手柄，通過控制手柄實現0-16m/min的連續調速，對控制手柄的速度調節范圍進行標定，分別將1m/min、2m/min和4m/min的放繩速度在手柄旋鈕上表示為1檔、2檔和3檔，分別對應2小時、1小時和0.5小時完成豎井采集的工作任務。

6.一種采用權利要求1的大型水電站百米級引水豎井健康檢測裝備的檢測方法，其特征在于,包括以下步驟：

S1、通過卷揚機控制無人飛艇在引水豎井內按照指定的采集速度進行升降，升降過程中數據采集裝置獲取引水豎井的四類數據，包括：激光掃描儀掃描引水豎井內壁的點云數據，氣壓高度傳感器實時獲取氣壓數據，慣性測量裝置實時采集姿態數據，相機拍攝引水豎井內壁的影像數據；

S2、對獲取到的點云數據、氣壓數據、姿態數據和影像數據進行預處理，實現姿態數據的解析，對影像數據進行拼接，對點云數據進行拼接并構建點云模型，根據姿態數據和點云數據解算得到各個時刻的位姿信息，并計算每張影像拍攝時的旋轉矩陣和拍攝高度；

S3、將預處理后的數據保存到數據庫中；

S4、根據預處理得到的每張影像的位姿信息、旋轉矩陣和拍攝高度，結合對相機進行標定得到的相機內方位要素，得到了每張影像和垂直引水豎井的相互位置關系；根據投影轉化關系，將平面的像素投影到圓柱狀的引水豎井上，得到全景拼接影像；對全景拼接影像進行裁剪得到矩形影像；

S5、對矩形影像進行圖像增強，并對增強后的影像提取裂縫；

S6、對采集到的各種數據進行數據可視化，并實時監控引水豎井的裂縫狀態；

進行全景影像拼接的方法為：

采用反投影的方法，從豎井內壁的全景圖出發反投影到原始影像上，此時通過雙線性差值得到全景影像上每一個像素的像素值，對于處于拼接圖像重疊區域的位置，按照像素位置距離原始影像中心的位置遞減確定權值，得到重疊區域的全景圖像素值，進而得到全景拼接影像；

提取裂縫的方法為：

對矩形影像采用中值濾波進行降噪并進行圖像降采樣，再采用閾值進行圖像二元化，對二元化圖像求取裂縫連通區域、凸包、長度、球狀性參數，其次根據候選裂縫的形狀參數，去除長度較小、線狀特征不明顯的候選裂縫，接著計算篩選后的裂縫的長度、方向信息，然后進行裂縫連接，連接線取直線，最后是將圖像恢復至原始尺寸完成裂縫的提取。