1.本发明涉及管道探伤检测领域，具体涉及一种悬浮式超广角管道巡检装置及方法，用于实现对管道内外损伤的快速巡检、定位、预警。
背景技术：
2.随着能源行业普遍朝着大容量化、高参数化发展，工质输运系统中各承压管道的负荷越来越高，管道工作环境越来越严苛，其出现的损伤类型越来越多、损伤程度趋于复杂。承压管道的损伤通常定义为承压部件在外部机械力、环境介质、热作用等单独或共同作用下，造成材料的性能下降、结构不连续或承载能力下降。常见的承压管道损伤可简单分类为：管道因超压而引起的过度变形、焊接缺陷引起低应力脆断而形成裂纹、环境或介质进行腐蚀破坏或形成腐蚀产物、交变载荷作用下产生疲劳破坏而形成裂缝、高温高压环境造成材料发生蠕变行为等。承压管道的损伤具有随机性与难以预见性，因此工业生产过程中，每隔一定年限对承压管道及其部件进行检修是对生产安全性与经济性的重要保证。
3.射线检测是传统的管道检测方法，但是实际的检测过程中，其检测仪器自身重量大、在管道内无法移动、难以获得良好的照射角度、射线对人体的危害性等弊端是无法忽视的。因此，亟需一种质量小、灵活性强、对人体无危害性并能实现无探查死角的管道探伤装置。
4.当前已有的新型管道探伤方法是用管道探伤仪进行探查，但是现存管道探伤仪存在如下问题：(1)只具备单侧探查的能力，即巡检装置只能对管内侧或者管外侧进行探查，不具备对管道内外全方面的探查功能；(2)直接与被检管道接触，即无论是轮式、履带式等由电动机驱动巡检装置或者利用压差驱动的紧贴式巡检装置都要和管道的损伤或腐蚀产物直接接触，这会造成巡检装置的磨损与污染，大大降低装置的使用寿命，同时也会造成探伤视角的缺失，造成管道损伤探查的遗漏；(3)运动能力不足。面对复杂形状的管道系统，例如竖直管道，现有管道探伤仪往往难以实现多自由度移动(4)探伤视角不够，即探伤仪运动过程中存在转弯和旋转运动，现有的摄像式探伤仪易丢失拍摄视野，超声波式探伤仪的超声探头也很难实现沿着管壁发射超声波，因此探伤精度不足。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于提供一种悬浮式超广角管道巡检装置，以克服现有技术的不足，可实现对承压管道内外壁面损伤快速巡检、实时定位、及时预警的管道探伤装置。
6.一种悬浮式超广角管道巡检装置，包括巡检壳体，巡检壳体外圈整列安装有六组数据采集装置，六组数据采集装置均匀设置于同一球面上，巡检壳体外侧设置有用于提供飞行的飞行动力装置，巡检壳体内设有控制装置，控制装置包括系统控制器和定位装置，控制器连接于定位装置、数据采集装置和飞行动力装置。
7.进一步的，飞行动力装置包括阵列固定于巡检壳体外侧的支撑杆，支撑杆的端部固定安装有驱动电机，驱动电机的驱动轴连接有螺旋桨叶片。
8.进一步的，巡检壳体为球体状结构。
9.进一步的，数据采集装置采用微型超广角摄像机，微型超广角摄像机连接于系统控制器，系统控制器连接有无线传输模块。
10.进一步的，数据采集装置连接数据处理控制器，飞行动力装置连接有动力控制处理器，数据处理控制器和动力控制处理器均连接于系统控制器。
11.进一步的，巡检壳体采用透明材料。
12.进一步的，巡检壳体内安装有照明模块。
13.进一步的，系统控制器还连接有计时器，数据处理控制器接收计时器电信号产生轮替指令，并将数据采集装置拍摄的管壁照片传达至系统控制器。
14.一种悬浮式超广角管道巡检方法，包括以下步骤：
15.s1，根据待测管道的管道中心线设置巡检装置巡检运动轨迹；
16.s2，巡检装置根据巡检运动轨迹在待测管道内运动，同时通过数据采集装置实时采集获取待测管道内壁图像信息，并将采集的图像信息传输至外部计算机。
17.进一步的，将采集的图像信息进行转换成可以表征损伤特征的数字信息，并对数字信息进行筛选、过滤极值干扰项数据，生成区域损伤的数字信息；所述图像信息同时包括定位信息。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
19.本发明一种悬浮式超广角管道巡检装置，通过在巡检壳体外圈整列安装有六组数据采集装置，六组数据采集装置均匀设置于同一球面上，巡检壳体外侧设置有用于提供飞行的飞行动力装置，巡检壳体内设有控制装置，控制装置包括系统控制器和定位装置，控制器连接于定位装置、数据采集装置和飞行动力装置，采用驱动电机驱动实现悬空飞行，本装置悬浮于承压管道表面，运动过程中通过六组数据采集装置对管道内壁面或外壁面进行无视野死角的拍摄，从而获取得到管道内部图像信息，通过无线网络将获取的信息传输至计算机进行匹配，完成管道损伤诊断、定位、损伤严重性预警工作，结构简单，采用悬空飞行结构，避免了与管道内壁接触，同时采用六组数据采集装置实现多方位图像采集，获取图像信息。
20.本发明采用螺旋桨提供浮升力，能实现复杂形状管道条件下对管道内部及外部常见损伤的全方位无人化巡检、快速定位、及时预警。
21.进一步的，通过采用透明材料的巡检壳体，在巡检壳体内安装有照明模块，提高了采集图像清晰度，便于巡检壳体内部维修。
附图说明
22.图1为本发明实施例中巡检装置主视图。
23.图2为本发明实施例中巡检装置俯视图。
24.图3为本发明实施例中巡检装置内部剖视图。
25.图4为本发明实施例中巡检装置螺旋桨结构图。
26.图5为本发明实施例中巡检装置模型建立逻辑图。
27.图中，1、巡检壳体；2、数据采集装置；3、飞行动力装置；4、照明模块；5、计时器；6、定位装置；7、保护罩；8、支撑杆；9、驱动电机；10、螺旋桨叶片。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
29.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
30.如图1至图4所示，本发明一种悬浮式超广角管道巡检装置，采用球体状的巡检壳体1，在巡检壳体1外圈阵列六组数据采集装置2，六组数据采集装置2能够覆盖完成全方位图像采集获取，六组数据采集装置2，其中四个在一个圆周上，形成两个垂直圆周设置面；如图1、图2所示。
31.如图3所示，飞行动力装置3包括支撑杆8、驱动电机9、螺旋桨叶片10、保护罩7及电子线路；支撑杆8一端与巡检壳体1外壁固定连接，另一端承托驱动电机9，驱动电机9的输出轴上连接有螺旋桨叶片10，利用螺旋桨叶片10提供提升力；
32.支撑杆8沿巡检壳体1的最大圆周面对称径向安装；每根支撑杆一端开有螺纹，巡检壳体1对应开设螺纹孔，两者通过螺纹配合连接；支撑杆8另一端开设有电机安置孔。驱动电机与安置孔过盈配合。螺旋桨叶片旋转提供动力；螺旋桨叶片通过螺纹与电动马达转子轴连接。保护罩环绕螺旋桨叶片，防止螺旋桨叶片剐蹭被检管道管壁。
33.支撑杆8的端部设置有保护罩7，保护罩7包绕螺旋桨叶片10，防止其与管道壁面发生剐蹭。
34.数据采集装置2采用微型超广角摄像机，微型超广角摄像机连接于系统控制器，系统控制器连接有无线传输模块，采用外部遥控进行遥控控制，无线传输模块采用为具有蓝牙、wlan、4g、5g通信功能的无线信号收发装置，或者采用红外控制器，红外控制器接收遥控手柄发出的红外信号，产生控制本装置运动的电信号。
35.数据采集装置2连接数据处理控制器，飞行动力装置3连接有动力控制处理器，数据处理控制器和动力控制处理器均连接于系统控制器；
36.本发明采用六组数据采集装置，六组数据采集装置分别连接一个数据处理控制器，用于采集管道图片信息；
37.本技术巡检壳体1采用透明材料，具体采用透明非粘黏玻璃钢材料，实现本装置具有足够的结构强度的同时降低被检管道内腐蚀产物和残留工质对主体外壳的粘黏，保证相机拍摄视野的清晰。
38.本技术装置结构的巡检壳体1包括两个半球形壳体，两个半球形壳体通过螺纹连接，六组数据采集装置2安装在巡检壳体1外壳上，巡检壳体1开通孔，由螺栓固定。巡检壳体
1内安装有照明模块4，被检管道内部光线不足时，开启照明模块4提供光源；所述巡检壳体1内部安装电池模块，供给内部各用电组件。
39.系统控制器还连接有计时器5和定位装置6，数据处理控制器接收计时器5电信号产生轮替指令，并将数据采集装置2拍摄的管壁照片传达至系统控制器；系统控制器接收定位装置6电信号，实时记录本装置位置，将图像信息转换成数字信息，并由无线网络将数据信息传输到计算机端。
40.所述计时器5用于下达数据采集装置2轮替指令，并可预设轮替时间。所述数据采集装置2采用微型超广角摄像机，共计6个，均匀等距布置在本装置内壁两互相垂直的最大圆周面上，由螺栓固定；每个微型超广角摄像机可单独执行启闭拍摄指令。所述数据处理控制器用于接收计时器指令、控制超广角相机启闭动作及调节相机拍摄属性；数据传输过程中，其将采集到的图像信息传达至系统控制器。所述系统控制器用于接收定位器指令，处理装置的位置信息并对图像信息进行处理，形成数字信息。所述数字信息可表征被检管道损伤的类型及其损伤程度。
41.所述的6枚微型超广角摄像机在一个工作流程中，每隔计时器内预定时间，一组沿着径向对称的2枚超广角相机执行开启拍摄动作，剩余两组4枚超广角相机执行关闭拍摄动作；为提升管道探伤精度，6枚微型超广角摄像机被均匀安装在本装置球体外壳内壁的两相互垂直的最大圆周面上，主体外壳开设通孔使得镜头外露，确保不会造成拍摄视野的缺失；所述的微型超广角摄像机轮替过程中，每组执行开启拍摄的微型超广角摄像机会拍摄产生一组图像，一个工作流程结束，产生同一区域不同视角的三组图像，处理图像信息后生成3组的数字信息；处理3组数据信息，剔除干扰项数据并形成此壁面区域的数字信息；所述轮替拍摄方法从全视角拍摄壁面损伤图像，排除了拍摄视角误差对于本装置探伤诊断结果的干扰。
42.微型超广角摄像机的轮替方法，其具体为：
43.s1动力控制处理器驱动本装置，定位装置实时记录本装置的位置坐标，并传达至系统控制器；
44.s2数据处理控制器接收计时器指令，按照预设定轮替时间，对6枚微型超广角摄像机进行编号1-6，向3组6枚微型超广角摄像机发出轮换指令，包括：
45.第1、2微型超广角摄像机执行开启拍摄指令，第3、4、5、6超广角相机执行关闭拍摄动作，第一组壁面图像信息采集完毕；
46.经预设定时间，第1、2及5、6微型超广角摄像机执行关闭拍摄指令，第3、4超广角相机执行开启拍摄动作，第二组壁面图像信息采集完毕；
47.经预设定时间，第1、2及3、4微型超广角摄像机执行关闭拍摄指令，第5、6超广角相机执行开启拍摄动作，第三组壁面图像信息采集完毕；
48.同一损伤区域不同视角拍摄的三组图像信息传达至，处理后形成此区域的数据信息。
49.本装置系统控制器预设匹配模型，预设匹配率根据不同的管道探伤要求可进行调节。预设匹配率高，则标记的模型组内备选模型个数少，反之则标记的模型组内备选模型个数多。当同一区域的数据信息输入模型组，有多个模型(模型数量多于1个)的匹配率达到预设匹配率，即产生多个备选模型时，最终调取匹配率最高的备选模型。本装置预设的标准化
像素值可调节，标准化像素值设定越高，形成的数字信息越少，干扰项数据信息越少，系统控制器负荷越小、响应越快。
50.本装置能快速探查的管道损伤主要包括：焊接原始缺陷和交变载荷引起的表面裂纹、环境及介质腐蚀产生的腐蚀产物、管道超压引起的管道变形量。本装置悬浮于管道内或外表面的过程中，微型超广角摄像机拍摄所述缺陷，产生不同的图像，由此产生管道损伤对应的数字信息。所述数字信息包括几何形状、颜色、深度厚度、变形量等物理化学信息物性中的一个或多个。
51.如图5所示，管道损伤模型库和增量管道损伤模型库中模型建立的过程为：
52.(1)准备阶段，数据采集模块获取管道损伤图像：
53.由实验测量数据、工程实测数据、数值模拟结果建立经典管道损伤模型库与增量管道损伤模型库，命名分类后储存于计算机端。对被检管道进行吹扫除杂，暴露管道表面的损伤。按照被检管道尺寸，选择本装置各部件尺寸，组装本装置内的各部件并进行调试，确保安全正常运行。
54.(2)壁面损伤数据采集阶段：
55.打开电源模块12开关，为装置内部各用电器件供电。光照不足时，打开照明模块4。人工操控红外手柄，驱动电机9启动，螺旋桨叶片10转动提供浮升力，使本装置悬浮。本装置进入管道环境，悬浮于被检管道表面并保持一定距离，控制飞行速度。预设定轮换时间，计时器5发轮换指令至数据处理控制器，数据处理控制器发出电信号至微型超广角摄像机1至6使其镜头轮替采集同一壁面区域的损伤图像。按设定的镜头轮替方式，同一壁面区域采集3组不同角度拍摄的损伤图像。微型超广角摄像机1至6将所摄损伤图像传达至数据处理控制器，数据处理控制器将损伤图像传达至系统控制器，系统控制器一方面将3组管壁损伤图像转换成可以表征损伤特征的数字信息，并对数字信息进行筛选、过滤极值干扰项数据，生成区域损伤的数字信息；另一方面将接受定位装置的指令，实时记录装置的位置坐标。
56.(3)快速诊断阶段：
57.由计算机端键盘模块输入管材信息、介质物性数据、工作参数，快速调取经典损伤模型库内模型形成模型组。区域损伤的数字信息经无线网络传达至计算机配套软件端；输入数字信息至模型组内模型；若模型匹配率达到预设匹配率(可调节)，则标记该模型作为备选模型，并记录定位单元提供的位置坐标，若模型匹配率达不到预设匹配率，则继续调用模型组内下一模型并输入数字信息，重复此过程直至模型匹配率达到预期匹配率；若调用完模型组内最后一个模型仍满足不了匹配率要求，则进行现场人工探伤。若为管内探伤则开启微型超广角摄像机1至6摄像功能进行录像辅助，获得数字信息后建立损伤模型，校验模型匹配率，满足匹配率要求后存入增量管道损伤模型库，并进行命名分类。当同一区域的数据信息输入模型组，有多个模型(模型数量多于1个)的匹配率达到预设匹配率，即产生多个备选模型时，则调取匹配率最高的备选模型作为机器诊断结果并在显示器端输出。诊断结果包括管道损伤名称、损伤位置坐标、损伤程度等关键指标。若损伤对应的数据信息达到或超过损伤预警值，则计算机显示器界面进行预警提示(结合损伤的位置坐标)，及时提示需要进行人工维护。
58.本装置通过无线设备接入互联网络；所述装置拍摄的图像及产生的数字信息实时由无线网络传输至计算机，计算机接入企业服务器，具有远程操作及信息获取的功能。经典
管道损伤模型库和增量管道损伤模型库储存于计算机系统。键盘模块接入计算机并由此输入管材信息、介质物性数据、工作参数产生模型组调用指令。数据信息输入损伤模型并进行计算与诊断的过程由与本装置配套的计算机计算软件实现。诊断结果在计算机显示屏输出，并可储存于计算机硬盘。所述诊断结果包括管道损伤名称、损伤位置坐标、损伤程度等。
59.与本装置配套的计算机计算软件对每种管道损伤，按照损伤程度的严重性，规定损伤预警值。输入本装置处理获得的数据信息，若损伤对应的数据信息达到或超过损伤预警值，则计算机显示器界面进行预警提示(结合损伤的位置坐标)，及时提示需要进行人工维护。
60.管道损伤模型库和增量管道损伤模型库内的模型由神经网络和信息归类标记方法建立：s1，数据采集模块获取管道损伤图像；然后对采集的图像预处理(图像置中、图像尺寸截取)；对预处理后的图像像素标准化，形成损伤对应的数字信息；然后对数字信息过滤，剔除极值干扰项数据；
61.s2，建立管道损伤模型，输入数字信息至损伤模型进行判断；判断：校验损伤模型匹配率；由匹配率对损伤模型进行修改优化；
62.重复执行s2，直至建立的损伤模型匹配率达到预设匹配率；损伤模型储存至模型组并命名分类。
63.编程语言选择python；利用tensorflow、keras构建模型框架；为保证损伤模型的可靠性与准确性，每个损伤模型至少包含4个卷积层、用于提取输入图像信息的不同特征，第一层卷积层只提取一些低级特征如图像边缘、线条、角度等层级，多卷积层网络从低级图像特征迭代提取更复杂的特征；至少包含4个激活层，引入激活函数使建立的损伤模型具有解决非线性数据的能力；至少能包括4个池化层，池化层对产生的数字信息进行特征降维和压缩，减少拟合误差；至少包含2个全联通层，降低卷积、激活、池化过程过量产生的神经元数，避免出现神经元过多造成的过度拟合。
64.本发明具备管道内壁与外壁的双向探查能力，有效解决现有管道探测器只能检测单侧管壁损伤的问题。本装置具有微型化、轻量化特点。本装置不需要外接其他设备、无外接线路，与传统射线检测方式相比，可相当迅速完成管道探查作业，巡检效率大幅提升。本发明具有卓越的运动性能，面对复杂形状的管道系统，例如竖直管道，现有管道探伤仪往往难以实现多自由度移动，本装置具有悬浮飞行能力，匹配被检管道尺寸的条件下可对任意形状管道进行巡检探查，不受管道形状限制。本发明有效解决目前管道探测器的探头磨损严重的问题，其悬浮式构造和内置式镜头设计保证了各部件不与管道的损伤或腐蚀产物直接接触。人工操控得当，本装置理论上在作业流程中可不发生部件的磨损，极大地提升了装置内外部件的使用寿命，尤其是不再需要较为频繁的更换检测探头降低了维修成本，经济性很高。
65.本发明可实现无视野盲区全方位探查被检管道，球形外壳内均匀布置的多枚超广角镜头可有效解决目前轮式、履带式等由电动机驱动巡检装置、利用压差驱动的紧贴式巡检装置在进行转弯或者旋转时拍摄视野极易丢失的问题，管道数据的采集更加全面，诊断精度得到提升。
66.本发明数据采集单元采用轮替拍摄方式进行壁面损伤数据采集，对同一管道壁面从不同视角进行三组数据采集，处理三组数据，去除极值干扰项后生成可以表征该损伤的
一组数据信息，与现有的单一镜头无轮替拍摄数据采集方法相比，此方法减少了镜头视野缺失、拍摄视角单一、极值数据等对机器探伤诊断准确性的干扰。
67.本发明中的模型库数据来源于大量的实验测量数据、工程实测数据、数值模拟结果，并采用双数据库设计。经典管道损伤模型库可以保证了数据库内模型的全面性与普遍适应性，增量管道损伤模型库设计使得本发明具有识别诊断非典型的管道损伤的能力，并使得机器具有自我学习的能力。