大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统的制作方法

专利名称：大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程安全监测技术领域，具体而言涉及一种大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统，适于对大坝内部的垂直位移和水平位移变形进行监测。
背景技术：
水库大坝内部变形是指坝体内部的垂直沉降和水平位移，这种变形超过正常范围时，直接影响大坝的安全性，甚至造成大坝毁损。根据《土石坝安全监测技术规范》SL551-2012(以下简称《规范》)，在坝体内部选择变形监测断面，布置观测仪器进行监测。目前国内外面板堆石坝内部变形监测通常采用“水管式”沉降计测量垂直变形，和采用“引张线式”位移计测量水平变形方法。这两种方法是在大坝填筑到设计规定的监测高程时，预先在大坝内部从上游到下游设置一条垂直于坝轴线的监测管道，在这条管路中同时安装埋设“水管式”沉降计和“引张线式”测量计，具体工作原理和测量方法简述如下。(I) “水管式”沉降测量方法(参见图1a)
水管式沉降测量方法是基于“连通管”原理。其中:100为连通水管，101为刻度尺，102为测量管，103为沉降测头，连通管的一端位于被测位置(随坝体沉降)，另一端位于观测房(基准端)，测量时将连通管内充满液体(水)直至被测端溢流，此时观测房内水管水位与被测点在同一水平位置，只要测量观测房内水管水位，即可换算出被测点位置高程。(2) “引张线式”水平位移测量方法(参见图1b)
引张线式水平位移计是由受张拉的铟瓦合金钢丝构成的机械式测量水平位移的装置，铟瓦合金钢丝是一种变形很小的材料，直径2mm左右，钢丝牵引系统的保护管直径在200mm左右，管路越长、测点越、多钢丝越多，保护管直径增大。如图1b所示，其中200为水平位移测点，201为伸缩管头，202为保护管，203为平衡锤，204为卡尺，205为导向轮，206为铟瓦钢丝。坝体水平位移测点(随坝体水平位移)通过一个装置与保护管内钢丝的一端连接，钢丝另一端位于观测房，观测房一端作为基准点。测量时采用固定重量的砝码给钢丝施加恒定张力，测点的水平位移通过这根钢丝传递到观测房，使用游标卡尺或位移计测量钢丝的位移，即可换算出测点位置的水平位移。一条测量管路可以布置多个测点，《规范》规定测量管路上每隔2(T40m布置一个测点，每一个测点包括了 “沉降”和“水平”两个测头。测量管路长度在20(T300m范围之内，测量精度基本可以满足规范要求。然而目前使用的水管式沉降计和引张线位移计所采用的是一种“间接测量”方式，将将大坝内部的变形通过一定方式(水管或引张线)传递到大坝外部的观测房进行测量。对于坝高200m测量、管路长度超过300m时，由于管线太长使得仪器的灵敏度降低，误差大大增加。(I)对于水管式沉降计，超过300m长的水管由于管壁阻力加大、水管中液体夹有气体，使得液体流动滞后、加水后水位平衡困难、测量等待时间长，误差增大。
(2)对于引张线位移计，线路太长，需选用粗直径钢丝，钢丝自重增加、引导装置增力口、位移传递阻力增大、误差增大。不能无限制增加钢丝张力，任何一条钢丝断裂、缠绕，可以影响到管路中其他引张线的测量工作。另外，一条管路中引张线钢丝超过10根以后，这种机械结构十分复杂，现场安装非常困难，观测房测量装置同样很庞大、复杂。近来我国面板堆石坝建设水平有了很大提高，随着西部水电开发进程的加快，开展了 300m高级面板堆石坝筑坝技术和大坝安全监测技术研究。这种超高大坝的底部横断面长度超过800m，对于坝体内部800m —条测量管路上需要布置几十个测点，显然无法沿用传统的水管式沉降计和引张线位移计方法监测坝体内部变形。针对这种超长的测量范围，国内外目前尚无有效的监测手段和方法，急需开发研制监测坝体内部变形的新型测量仪器。

发明内容
本发明目的在于提供一种大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统，利用测量机器人直接进入埋设于大坝内部的专用测量管道内进行测量，保证监测的准确性、及时性，克服间接测量带来的误差。本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。为达成上述目的，本发明的第一方面提出一种大坝内部变形的机器人监测方法，包括以下步骤:
在大坝内部埋设一垂直于大坝轴线的变形监测管道，其随着大坝同步变形；
机器人根据控制指令在变形监测管道内行走，并利用其搭载的多种测量装置来检测大坝内部变形，该机器人与外部监控系统之间设有信息传输通道，机器人藉由该信息传输通道将采集的数据传输至外部监控系统；
外部监控系统利用监控软件对机器人采集的数据进行处理分析，得出大坝内部变形的结果。进一步，所述机器人监测方法更包含以下步骤:
在变形监测管道内设置一水平倾斜测量专用轨道，其外端与大坝基准点固定，作为垂直沉降位移的测量基准点；
在变形监测管道的外部设置水平位移测点装置，其随大坝变形而水平移位并可被在变形监测管道内行走的机器人感知到。进一步，所述机器人监测方法更包含以下步骤:
所述机器人可随时利用编码器记录其在变形监测管道内行走的距离。进一步，所述机器人在变形监测管道内行走，并探测水平位移测点装置；当检测到一个水平位移测点装置时，机器人同步记录当前位置；以同样方法依次检测所有水平位移测点装置并保存数据，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的水平位移变形量；测量结束后机器人自动从变形监测管道返回。进一步，所述机器人在变形监测管道内行走，并检测所述水平倾斜测量专用轨道的倾斜角度，机器人间隔一定距离记录每一段轨道倾斜角度；以这种方法检测各点数据并保存，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的垂直位移变形量；测量结束后机器人自动从变形监测管道返回。进一步，所述机器人还搭载有摄像装置用以对变形监测管道内部进行全景检查，并通过前述信息传输通道将拍摄的图像传输至外部监控系统。进一步，所述信息传输通道包括监控数据传输通道和图像传输通道，分别用于传输测量装置采集的监测数据和摄像装置采集的图像数据。进一步，所述机器人还根据外部监控系统的控制指令，利用搭载在机器人作业平台上的清洁工作臂对监测管道内部进行清洁工作。进一步，所述机器人还根据所述外部控制系统的指令执行下述操作中的一种或多种:
采用多任务同步工作方式，同步采集倾角、位置、速度、温度数据；
利用编码器记录机器人行走距离；
同时监测环境温度变化，以消除由于温度影响带来的测量误差；
同时修正由于管路垂直沉降和测向偏移带来的坝体水平位移测量误差；
利用机器人作业平台上搭载的多种设备或工具，执行预定的操作；
对于大坝内部埋设的多条变形监测管道，利用同一台机器人完成所有管道的监测工作。进一步，其特征在于，所述多种测量装置至少包括倾角传感器、水平位移测点探测仪以及位置记录仪。根据本发明的改进，本发明的另一方面还提出一种大坝内部变形的机器人监测系统，包括:埋设于大坝内部的并随大坝内部变形而变形的监测管道、一行走于该监测管道内并用于监测大坝内部变形的测量机器人以及一外部监控系统，测量机器人与外部监控系统之间配置有信息传输通道，其中:
所述监测管道包括:
一位于监测管道内部的水平倾斜测量专用轨道，其外端与大坝基准点固定，作为垂直沉降位移的测量基准点；
若干个设置于所述监测管道外部的水平位移测点装置，其随大坝的水平变形而水平移动并可被在监测管道内行走的测量机器人探测到；
所述测量机器人搭载有多种测量装置并受控制地在所述监测管道内行走和实时检测大坝内部变形情况。进一步，所述监测管道由多节保护管和连接于各保护管之间的管接头连接而成，以形成测量机器人的行走与检测通道。进一步，所述机器人搭载有编码器并可随时利用该编码器记录机器人在变形监测管道内行走的距离。进一步，所述水平位移测点装置包括一作为被检测体的恒磁铁，所述测量机器人可探测到该恒磁铁以判断水平位移测点装置的位置。进一步，所述测量机器人在所述监测管道内行走，并探测水平位移测点装置；当检测到一个水平位移测点装置时，测量机器人同步记录当前位置；以同样方法依次检测所有水平位移测点装置并保存数据，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的水平位移变形量；测量结束后测量机器人自动从监测管道返回。进一步，所述测量机器人在变形监测管道内行走，并检测所述水平倾斜测量专用轨道的倾斜角度，测量机器人间隔一定距离记录每一段轨道的倾斜角度；以这种方法检测各点数据并保存，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的垂直位移变形量；测量结束后测量机器人自动从监测管道返回。进一步，所述信息传输通道包括数据信息传输通道和图像信息传输通道，分别用于传输检测数据和图像数据。进一步，所述测量机器人监测系统还包括线缆装置，该线缆装置包括光纤线缆、数据传输光端机和无线通信装置，所述光纤线缆连接至测量机器人以接收监测数据和/或图像数据，所述无线通信装置通过无线链路将监测数据和/或图像数据传输至外部监测系统。进一步，所述测量机器人还搭载有作业平台，用以搭载多种作业设备和/或测量
>J-U装直。由以上本发明的技术方案可知，本发明的机器人监测方法和监测系统采用了 一种直接测量的方式，通过在大坝内部埋设布置专用监测管道，为测量机器人提供一条行进通道，采用专门设计的变形测量机器人进入管道内部进行测量以实现实时监控，直接监测坝体内部的变形，尤其适合对超高超长大坝的内部变形监测，而且测量机器人携带高精度、高灵敏度的测量设备并可将监测数据实时回传至外部的监控系统，保证了监测的及时性和准确性，克服了间接测量带来的误差。而且，测量机器人上还可携带摄像装置，可完全再现管道内的情况从而可直观地观测到大坝的变形程度。


图1a为现有技术中水管式沉降仪示意图。图1b为现有技术中引张线水平位移计示意图。图2为本发明较优实施例的机器人监测系统的结构示意图。图3a、3b为变形监测管道的结构示意图。图4a、4b为水平位移测点装置的结构示意图。图5为垂直沉降测量原理示意图。图6a、6b为测量机器人监测系统及其数据传输线路示意图。图7a、7b为测量机器人主体结构示意图。图8为测量机器人内部模块连接示意图。图9为机器人监测系统启动监测工作的总体流程示意图。图10为机器人监测系统执行水平位移监测流程示意图。图11为机器人监测系统执行垂直位移监测流程示意图。图12为机器人监测系统同步执行水平位移和垂直位移监测的流程示意图。图13为线缆装置的结构示意图。图14为机器人监控系统软件程序框图。
具体实施例方式为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。本发明的大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统，用于监测大坝内部变形情况，尤其是对超高面板堆石坝的内部变形监测，例如对坝高300m、底部横断面900m长度的超高面板堆石坝内部的垂直沉降和水平位移变形的监测。总体来说，本发明通过在在大坝内部设置专用监测管道，为测量机器人提供一条行进与监测通道，采用专门设计的变形测量机器人进入管道内部，测量机器人根据预定的控制程序在管道内部自动行进，利用搭载的各种测量和监测装置，自动检测管路各点位置的垂直变形和水平变形，记录采集的所有数据并传送给外部监控设备，外部监控设备对采集数据进行分析处理，得出大坝内部变形监测结果。参考图2-8所示，根据本发明的较优实施例，本发明的大坝内部变形的机器人监测方法包括以下步骤:在大坝内部埋设变形监测管道1，其垂直于大坝轴线并随着大坝的变形而同步变形；机器人2根据控制指令在变形监测管道I内行走，并利用其搭载的多种测量装置来检测大坝内部变形，该机器人2与外部监控系统20 (见图6b)之间设有信息传输通道，机器人藉由该信息传输通道将采集的数据传输至外部监控系统20 ;外部监控系统20利用监控软件对机器人采集的数据进行处理分析，得出大坝内部变形的结果。信息传输通道包括监控数据传输通道和图像传输通道，分别用于传输监测数据和图像数据。变形监测管道I提供测量机器人2的行走轨道并作为测量轨道。在优选的实施例中，如图2及图3a、3b，在变形监测管道I内部可设置水平倾斜测量专用轨道5，其外端与大坝基准点8固定以作为垂直沉降位移的测量基准点，测量机器人2利用其搭载的测量仪器检测多位置点的倾斜角，并将监测数据发送至外部监控计算机3，外部监控计算机3利用倾斜角计算垂直变形。在优选的实施例中，如图2及图4a、4b，在变形监测管道I的外部设置若干个水平位移测点装置7，其随大坝水平变形并可被在变形监测管道I内行走的机器人2感知到。测量机器人2上还可搭载有编码器(未示出)，利用该编码器，测量机器人2可随时进行精确定位，并获得其在变形监测管道I内的行走距离。本实施例中，测量机器人2检测大坝内部水平变形时，在变形监测管道I内行走，并利用其搭载的测量装置探测水平位移测点装置7 ;当检测到一个水平位移测点装置7时，机器人同步记录当前位置；以同样方法依次检测所有水平位移测点装置并保存数据，并将数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的水平位移变形量，测量结束后测量机器人2自动从变形监测管道I返回。机器人2检测大坝内部垂直变形时，在变形监测管道I内行走，并检测水平倾斜测量专用轨道5的倾斜角度，机器人间隔一定距离记录每一段轨道倾斜角度；以这种方法检测各点数据并保存，数据同时发送给外部监控系统20以计算出各点的垂直位移变形量；测量结束后机器人2自动从变形监测管道I返回。参考图2所示的机器人监测系统的示意图，其利用机器人进入大坝内部的监测管道对大坝内部变形进行实时、精确地检测，并通过信息传输通道将检测结果传输至外部监控系统。监测系统包括设置于大坝内部的一垂直于大坝轴线的变形监测管道1、一行走于该变形监测管道I内并用于监测大坝变形的测量机器人2以及一外部监控系统20，该外部监控系统20包括一外部监控设备3，本实施例中外部监控设备3为一监控计算机，放置于一个监测室30内。在测量机器人2与外部监控系统20之间建立有数据信息传输通道，以保证外部监控系统20实时掌握测量机器人2运行状态，并对其发送控制指令和接收其回传的各种监测数据信息，确保监测任务顺利完成。下面分别对这些构成并结合图1 图8进行介绍和说明:
一、变形监测管道
如图3a、3b所示，变形监测管道I提供测量机器人2的行走轨道并作为测量轨道，其优选为一次性埋设在大坝内部并不可以更换部件。本实施例中，根据大坝内部的长度，变形监测管道I可由多节保护管4a和连接于各保护管4a之间的管接头4b连接而成，以形成测量机器人2的行走与监测通道，并保护设置于管道内部的各设备。变形监测管道I设置有位于其内部的水平倾斜测量专用轨道5 (以下简称专用轨道5)和若干个位于变形监测管道I外部的水平位移测点装置7。变形监测管道I具有密封、伸缩功能，保护管的直径不宜过大，以免对坝体产生影响。保护管4a采用防锈处理的高强度镀锌钢管，直径350mm左右，壁厚8 12mm，每一节保护管长度3m。管接头4b采用与保护管4a相同的材料，其内径与保护管4a相匹配，每一节管接头4b的长度大约600mm左右。管接头4b用于连接保护管4a,其两端有防水密封圈4c,防止大坝内部泥沙和水浆进入通道，同时管接头4b起一种伸缩作用，使得监测通道随大坝同步变形。专用轨道5根据大坝的长度设计为一条连续的平整轨道，例如采用高强度不锈钢耐磨材料短轨接合而成，表面经过光洁平整处理，每一节短轨长度3m、宽度40mm，两端有安装连接契口。专用轨道5的外端与大坝基准点8固定，作为垂直沉降位移的测量基准点。测量机器人2携带的测量设备连续地测量该专用轨道5内各点位置的水平倾角变化，用以计算大坝垂直沉降量(即垂直位移量)。如图2及图4a、4b，水平位移测点装置7套在变形监测管道I的外部，包括伸缩管7a和锚固板7b，伸缩管7a材料为防锈处理的高强度镀锌钢管，内径与保护管4a匹配，长度为700mm左右，两端配有防水密封圈；锚固板7b材料为防锈处理的高强度镀锌钢板，厚度8mm左右。大坝发生水平位移时，将带动锚固板7b使得水平位移测点装置一同移动，因此该水平位移测点装置7的位移代表了大坝内部的水平变形。水平位移测点装置7镶嵌有恒磁铁7c作为被检测体，可通过测量机器人携带的磁场探测仪读出测点位置信息，探测水平位移测点装置7的位置。因此，水平位移测点装置7是一个埋设在坝体内部的“位置传感器”，随大坝的水平变形而沿保护管4a水平移动，同时可被变形监测管道I内部行走的测量机器人2探测到。当然，水平位移测点装置7的设计并不限于此磁场检测方式，任何接触或非接触式的探测方式都是本领域技术人员容易联想到的，例如光感应、光电探测方式等。在布设变形监测管道I时，应当安装《规范》要求，整条管路在大坝内部是密封的，每一节管道之间必须是密封连接。因为取消了铟瓦钢丝的安装工作，因此监测管道可以分段埋设，减少了施工干扰，提高工作效率。
二、测量机器人
参考图6a、6b，图7a、7b及图8，测量机器人2包括控制单元9和连接至控制单元9的行走驱动单元10、工作单元11、信息传输单元12以及供电单元13。下面分别进行介绍:
(I)控制单元9，用于控制测量机器人2执行具体的操作。该控制单元9集成有单片机模块、存储模块、设备接口模块、时钟模块、通信模块和单片机程序。单片机模块是控制单元的核心部件，采用高度集成的高速、低功耗单片机和相关集成电路组建，包括命令处理功能、看门狗功能、数据采集控制、通信传输等功能。单片机模块通过设备接口模块与行走驱动单元10、工作单元11、信息传输单元12连接，主要执行的控制工作有:自动行走、测量、摄像任务和其他辅助工作，接收上位机命令、参数设置、上传数据和信息、保存数据等。控制单元9的存储模块包括非易失性存储器，例如SD存储卡等，可以由其他设备直接读取数据内容。(2)行走驱动单元10，用于驱动测量机器人2在变形监测管道I内行走。行走驱动单元包括驱动模块和行走控制模块，驱动模块包括直流电机、变速器、机械驱动结构和四轮驱动模块。行走控制模块可根据方向控制、速度控制、牵引控制、姿态控制执行对测量机器人2的行走驱动控制。其具有以下功能:
驱动功能:采用进口高性能直流电机和无级变速器，当负载过大时电机自动停止工作；四轮驱动，可以支持85、130等多种规格轮胎适应不同直径管道。搭载牵引功能:搭载重量15kg，搭载多种测量仪器和探测仪器；牵引力1000N，牵引线缆行进。自动行走控制功能:包括速度控制、方向控制、姿态控制、启动停止控制，最大行进速度 25m/min。防水性能:全密封不锈钢防水外壳，防水等级IP65。(3)工作单元11，用于执行大坝内部变形测量和监测操作，包括用于执行大坝内部变形测量的测量模块Ila和用于提供摄像和照明功能的摄像模块lib。在另外一些实施例中，作为功能扩展，工作单元11还可以包括作业平台11c，作为预置拓展接口，可用于灵活地搭载多种检测仪器和/或作业工具，例如测距仪、振动仪等，或者搭载清洁工作臂用以进行管道清洁。参考图8-9，测量模块Ila包括以下各种测量设备:
水平测点探测仪Ila-1:非接触式磁场探测仪，探测距离l-200mm ；
倾斜测量仪lla-2:量程±50°、分辨率I” ；
编码器I la-3:分辨率0.5mm；
温度测量仪(未不出):量程-20 +60°(1|、分辨率0.1 °C ；
测量机器人2在变形监测管道I内行走，可利用其搭载的水平测点探测仪Ila-1探测水平位移测点装置7 ;当检测到一个水平位移测点装置7时，机器人同步记录当前位置；以同样方法依次检测所有水平位移测点装置并保存数据，并将数据同时发送给外部监控系统20以计算出各点的水平位移变形量，测量结束后测量机器人2自动从变形监测管道I返回。测量机器人2在变形监测管道I内行走，可利用倾斜测量仪lla-2检测水平倾斜测量专用轨道5的倾斜角度，测量机器人间隔一定距离记录每一段轨道倾斜角度；以这种方法检测各点数据并保存，数据同时发送给外部监控系统20以计算出各点的垂直位移变形量；测量结束后测量机器人2自动从变形监测管道I返回。参考图5所示的垂直位移测量原理图，可预先设定测量步距L，测量机器人2携带倾斜测量仪lla-2沿水平倾斜测量专用轨道5的延伸方向前进，每次行进步距长度L达到“测点i ”时，测量出倾斜角度Θ i。对于“测点1”，垂直位移ΛHl= (Sin Θ 1)L ；
“测点i”，垂直位移ΛHi= (Sin Θ i)L ；
对于“测点i ”的垂直沉降=Λ Hl + Δ Η2 +...+ Λ Hi。如此，通过测量每个测点的倾斜角，同时记录测点编号，可计算出垂直位移量。摄像模块Ilb包括配置于测量机器人2的前端和后端的2台摄像机(llb-1、I lb-2)以及摄像照明灯，可根据控制信号打开摄像照明，分别对变形监测管道I内部的前后方向情况进行摄像录像，并将图像实时传送到外部监控系统20。(4)信息传输单元12，用于测量机器人2与外部监控系统20之间交互数据信息。为提高数据传输的速度和效率，测量机器人2与外部监控系统20之间包括两个独立的数据传输通道，即数据传输通道和图像传输通道，保证数据信息传输迅速、可靠。外部监控系统20通过数据传输通道传输发送至测量机器人2的各种命令、参数，测量机器人2通过该数据传输通道发送给外部监控系统20的各项数据和信息。测量机器人2通过图像传输通道向外部监控系统20传输摄像影像数据，外部监控系统20通过该图像传输通道向摄像模块Ilb发送摄像指令数据。(5)供电单元13，用于提供测量机器人2的供电和电源管理。在本实施例中，供电单元13包括蓄电池和电源管理模块。蓄电池采用内置或可拆卸的方式安装在测量机器人内，例如采用大容量锂电池供电,充电一次可以满足测量机器人2满负荷工作8小时以上。电源管理模块根据机器人各个功能单元工作电压、电流进行合理分配，并且对测量机器人的各个功能单元的工作电流、电压、温度进行监控，对发生过流、过压情况进行报警并自动保护，并且对蓄电池充放电电流、电压、温度进行自动监控和管理，对欠压、过流、过温度等情况进行报警和保护，延长电池工作寿命，保证设备正常工作。三、线缆装置
如图6a、6b，图7a、7b所示，本实施例中，在测量机器人2上设置了线缆接口 14，用于连接一光纤线缆15，将测量机器人2测得的数据信息传输至一线缆装置16。参考图6a-6b、图8和图13所示，线缆装置16包括光纤线缆15、线缆收放装置、无线通信装置和电源装置，其中光纤线缆15包括数据通信和图像传输双通道的光纤，其护套层采用重量轻、抗拉、防水、耐磨材料制作，以使得光纤线缆可承受一定牵引拉力。线缆收放装置包括线缆卷筒16a和未全部示出的控制系统、电机、线缆车架、线缆自动收放排线装置、可充电蓄电池。无线通信装置包括数据传输光端机和无线通讯模块，其中数据传输光端机为一个光纤通讯光端机并安装在可旋转的线缆卷筒16a内部，并且其一端通过光纤线缆15连接至测量机器人2，另一端连接至无线通讯模块，采用无线通信方式与监控计算机3联系，大大提高通信可靠性。该无线通讯模块优选为一蓝牙通信模块。线缆装置16可采用大容量可充电蓄电池作为电源装置，充电一次可以连续使用8小时以上，为电机和控制系统，以及通信装置提供电源供应。在一些实施例中，电机和控制系统的电源还可以是外置电源，以由交流电源直接提供，为电机、电机控制系统供电。而通信装置的电源装置采用蓄电池电源并安装在线缆卷筒16a内部，为通信装置提供工作电源。该线缆装置16接受外部监控计算机3的命令，向监控计算机3发送线缆装置信息，测量机器人2行进时线缆收放装置自动控制线缆随机器人前进或后退，线缆的速度始终与机器人保持一致同步。线缆装置16具有自动收放线、手动收放线、自动排线功能。其中，自动收放线:根据线缆张力变化自动收放线；手动收放线:用人工方式进行收线或放线；自动排线:无论自动或手动收放线，避免线缆缠绕，按层顺序自动排线。线缆装置16收放线工作过程如下:
线缆装置16根据机器人的状态信息，如前进、后退、停止、速度等数据，以及线缆张弛位置状态，自动控制线缆收放和收放的快慢。线缆装置收放线位置参考图14所示:
I)线缆装置16与监控计算机3通信工作:
接受监控计算机命令，控制线缆收放工作，同时向监控计算机3发送线缆装置状态信
肩、O2)测量机器人2前进时，线缆装置16执行放线工作:
线缆位置A表示放线速度慢，应当适当加大放线速度；
线缆位置B表示放线速度适中；
线缆位置C表示放线速度快，应当适当减小放线速度；
3)机器人后退时，线缆装置执行收线工作:
线缆位置A表示收线速度快，应当适当减小收线速度；
线缆位置B表示收线速度适中；
线缆位置C表示收线速度慢，应当适当加大收线速度；
4)记录收、放线速度和长度。如图6a、6b所示，测量机器人2内设置有数据传输光端机和图像传输光端机，并通过光纤线缆15传输数据信息和图像信息至线缆装置16，并通过线缆装置16的无线通信装置传输至外部监控系统20。外部监控系统20包括有所述监控计算机3、无线传输模块以及无线视频接收模块和视频监控系统，线缆装置16内设置的无线通信装置，例如蓝牙通信模块和无线视频传输模块，分别连接至线缆装置16的数据传输光端机和图像传输光端机，通过无线链路实现与外部监控系统20的数据信息和图像数据信息的数据交互。四、外部监控系统
外部监控系统20包括有所述监控计算机3、无线传输模块以及无线视频接收模块和视频监控系统，外部监控系统20用于通过线缆装置16接收测量机器人2测量的数据信息，并以此对大坝内部变形进行监控。本实施例中，外部监控系统20的无线传输模块为一蓝牙通信模块，可通过外置或内置的方式连接至监控计算机3，通过无线链路与线缆装置16的无线通信装置连接，实现命令和数据的交互通讯。本实施例中，监控计算机3采用工业控制计算机，操纵控制测量机器人2在监测管道I内运行，完成大坝内部水平和垂直变形监测工作。监控计算机3内安装机器人监控软件，采用采用高级语言编写的可视化、人机交互的计算机程序，操作人员在监控计算机3上运行测量机器人监控软件，执行各项任务。监控计算机3内运行的机器人监控软件包括系统管理程序、运行控制程序、数据处理程序和报表图形程序，参见图14所示，其中:
I)系统管理程序:
系统管理程序包括项目管理、系统安全管理和运行操作日志等内容。2)运行控制程序:
运行控制程序包括系统设置、系统自检、操作控制等内容。3)数据处理程序:
数据处理程序包括数据整理、计算分析、数据库管理等工作。4)报表图形程序
报表图形程序包括报表处理和图形化处理等内容。外部监控系统20的视频监控系统用于控制测量机器人上搭载的摄像装置，并根据测量机器人传输回来的图像/视频信息，对大坝内部变形情况进行检查。五、系统信息传输
参考图6a、6b及图8所述，根据系统信息传输要求，如前所述，本实施例中采用光纤通信与无线通信结合的方案:
(I)测量机器人2与线缆装置16之间信息传输:
采用光纤传输方式，包括数据传输通道和图像传输通道。测量机器人2:
数据传输光端机，一端连接机器人数据通信模块，另一端连接数据传输光纤线缆15 ； 图像传输光端机，一端连接机器人图像传输模块，另一端连接图像传输光纤线缆15。线缆装置16:
数据传输光端机，一端连接蓝牙通信模块，另一端连接数据传输光纤线缆15 ；
图像传输光端机，一端连接无线视频传输模块，另一端连接图像传输光纤线缆15。(2)线缆装置16与外部监控系统20之间信息传输:
线缆装置与外部监控系统20之间的信息传输采用无线传输方式，包括数据传输和图像传输通道两部分:
数据传输通道，外部控制系统20的蓝牙通信模块与监控计算机3连接；
图像传输通道，外部控制系统20无线视频传输模块与视频监控系统连接。优选地，通信用的光纤线缆15采用单模光纤。
下面参考图8并结合图9-12所示的流程图，详细说明本发明的测量机器人监测系统对大坝内部变形进行检测的方法。如图9所示，测量机器人执行监测准备，进行开机检查，包括连接线缆、连接监控装置通信、开启电源、启动监控程序、预热、系统状态检查、电池容量检查、通信连接测试、电机驱动测试、参数设置、工作模式设置等工作，其中:
参数设置工作:
水平位移测量参数设置包括:工作距离、测点数、测点编号、测点初始位置；
垂直位移测量参数设置包括:工作步距、测点数、测点编号、倾斜范围、初始值；
驱动参数设置包括:启动电流、工作电流、速度、牵引力、报警；
工作姿态参数设置包括:最大加速度、垂直倾角、报警；
通信参数设置包括:波特率、数据位、校验位、校验方式； 时钟参数设置包括:年、月、日、时、分、秒。工作模式设置:
水平位移测量工作模式:独立测量大坝内部水平位移；
垂直位移测量工作模式:独立测量大坝内部垂直位移；
水平位移垂直位移同步测量工作模式:同时测量大坝内部水平位移和垂直位移。参考图10所示，测量机器人2完成准备工作以后，可以进行水平位移测量工作。其具体工作步骤如下:
步骤①机器人放置于监测管道起始位置，启动水平位移测量工作模式；
步骤②机器人前进，进行测量工作；
步骤③检查是否有监控命令，若有命令则进行命令处理步骤④；否则直接进入步骤
⑤；
步骤④监控命令包括状态检查、取数据、摄像、停止行进、停止工作、机器人返回等，命令执行完毕向监控返回信息，若继续工作则进入下一工作步骤；
步骤⑤距离测量，每隔5米测量I次温度，校正行进距离，保存测量数据，调整机器人行进姿态、行进动力；并进入下一工作步骤；
步骤⑥若探测到水平位移测点则进入下一工作步骤，否则转入步骤⑨；
步骤⑦记录测点位置、测点编号和时间，并进入下一工作步骤；
步骤⑧检查是否为最后I个测点，若是则转入步骤⑩，否则进入下一工作步骤；
步骤⑨向监控机发送状态和数据信息，转入步骤②；
步骤⑩机器人返回，结束工作。参考图11所示，测量机器人2完成准备工作以后，可以进行垂直位移测量工作。其具体工作步骤如下:
步骤①机器人放置于监测管道起始位置，启动垂直位移测量工作模式；
步骤②机器人前进，进行测量工作；
步骤③检查是否有监控命令，若有命令则进行命令处理步骤④；否则直接进入步骤
⑤；
步骤④监控命令包括状态检查、取数据、摄像、停止行进、停止工作、机器人返回等，命令执行完毕向监控返回信息，若继续工作则进入下一工作步骤；
步骤⑤距离测量，每隔5米测量I次温度，校正行进距离，保存测量数据，调整机器人行进姿态、行进动力；并进入下一工作步骤；
步骤⑥若到达倾斜测量步距则进入下一工作步骤，否则转入步骤⑨；
步骤⑦记录测点位置、测点编号、倾斜角和时间，并进入下一工作步骤；
步骤⑧检查是否为最后I个测点，若是则转入步骤⑩，否则进入下一工作步骤；
步骤⑨向监控机发送状态和数据信息，转入步骤②；
步骤⑩机器人返回，结束工作。参考图12所示，测量机器人2完成准备工作以后，可启动水平位移垂直位移同步测量工作模式，可以同时进行水平和垂直位移测量工作，其具体工作步骤如下:
步骤①机器人放置于监测管道起始位置，启动垂直位移测量工作模式；步骤②机器人前进，进行测量工作； 步骤③检查是否有监控命令，若有命令则进行命令处理步骤④；否则直接进入步骤
⑤；
步骤④监控命令包括状态检查、取数据、摄像、停止行进、停止工作、机器人返回等，命令执行完毕向监控返回信息，若继续工作则进入下一工作步骤；
步骤⑤距离测量，每隔5米测量I次温度，保存测量数据，同时作以下判断:
若探测到水平位移测点则进入工作步骤⑥，否则转入步骤⑨；
若到达倾斜测量步距则进入工作步骤⑦，否则转入步骤⑨；
步骤⑥记录测点位置、测点编号，并进入工作步骤⑧；
步骤⑦记录测点位置、测点编号、倾斜角和时间，并进入工作步骤⑧；
步骤⑧检查是否为最后I个测点，若是则转入步骤⑩，否则进入下一工作步骤；
步骤⑨向监控机发送状态和数据信息，转入步骤②；
步骤⑩机器人返回，结束工作。在另外的示例中，测量机器人2还根据所述外部控制系统的指令执行下述操作中的一种或多种:
采用多任务同步工作方式，同步采集倾角、位置、速度、温度数据；
利用编码器记录测量机器人2的行走距离；
同时监测环境温度变化，以消除由于温度影响带来的测量误差；
同时修正由于管路垂直沉降和测向偏移带来的坝体水平位移测量误差；
利用机器人作业平台上搭载的多种设备和/或工具，执行预定的操作；
对于大坝内部埋设的多条变形监测管道，利用同一台机器人完成所有管道的监测工作。综上所述，本发明的机器人监测方法和监测系统采用了一种直接测量的方式，通过在大坝内部埋设布置专用监测管道，为测量机器人提供一条行进通道，采用专门设计的变形测量机器人进入管道内部进行测量以实现实时监控，直接监测坝体内部的变形，尤其适合对超高超长大坝的内部变形监测，而且测量机器人携带高精度、高灵敏度的测量设备并可将监测数据实时回传至外部的监控系统，保证了监测的及时性和准确性，克服了间接测量带来的误差。而且，测量机器人上还可携带摄像装置，完全再现测量管道的情况从而可直观地观测到大坝的变形程度。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，包括以下步骤: 在大坝内部埋设一垂直于大坝轴线的变形监测管道，该变形监测管道随着大坝同步变形； 机器人根据控制指令在变形监测管道内行走，并利用其搭载的多种测量装置来检测大坝内部变形，该机器人与外部监控系统之间设有信息传输通道，机器人藉由该信息传输通道将采集的数据传输至外部监控系统； 外部监控系统利用监控软件对机器人采集的数据进行处理分析，得出大坝内部变形的结果。
2.根据权利要求1所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于， 所述机器人监测方法更包含以下步骤: 在变形监测管道内设置一水平倾斜测量专用轨道，其外端与大坝基准点固定，作为垂直沉降位移的测量基准点； 在变形监测管道的外部设置水平位移测点装置，其随大坝变形而水平移位并可被在变形监测管道内行走的机器人感知到。
3.根据权利要求2所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于， 所述机器人监测方法更包含以下步骤: 所述机器人可随时利用编码器记录其在变形监测管道内行走的距离。
4.根据权利要求2所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，所述机器人在变形监测管道内行走，并探测水平位移测点装置；当检测到一个水平位移测点装置时，机器人同步记录当前位置；以同样方法依次检测所有水平位移测点装置并保存数据，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的水平位移变形量；测量结束后机器人自动从变形监测管道返回。
5.根据权利要求2所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，所述机器人在变形监测管道内行走，并检测所述水平倾斜测量专用轨道的倾斜角度，机器人间隔一定距离记录每一段轨道倾斜角度；以这种方法检测各点数据并保存，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的垂直位移变形量；测量结束后机器人自动从变形监测管道返回。
6.根据权利要求1所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，所述机器人还搭载有摄像装置用以对变形监测管道内部进行全景检查，并通过前述信息传输通道将拍摄的图像传输至外部监控系统。
7.根据权利要求6所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，所述信息传输通道包括监控数据传输通道和图像传输通道，分别用于传输测量装置采集的监测数据和摄像装置采集的图像数据。
8.根据权利要求1所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，所述机器人还根据外部监控系统的控制指令，利用搭载在机器人作业平台上的清洁工作臂对监测管道内部进行清洁工作。
9.根据权利要求1所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，所述机器人还根据所述外部控制系统的指令执行下述操作中的一种或多种: 采用多任务同步工作方式，同步采集倾角、位置、速度、温度数据； 利用编码器记录机器人行走距离；同时监测环境温度变化，以消除由于温度影响带来的测量误差； 同时修正由于管路垂直沉降和测向偏移带来的坝体水平位移测量误差； 利用机器人作业平台上搭载的多种设备或工具，执行预定的操作； 对于大坝内部埋设的多条变形监测管道，利用同一台机器人完成所有管道的监测工作。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的大坝内部变形的机器人监测方法，其特征在于，所述多种测量装置至少包括倾角传感器、水平位移测点探测仪以及位置记录仪。
11.一种大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于，包括:埋设于大坝内部的并随大坝内部变形而变形的监测管道、一行走于该监测管道内并用于监测大坝内部变形的测量机器人以及一外部监控系统，测量机器人与外部监控系统之间配置有信息传输通道，其中: 所述监测管道包括: 一位于监测管道内部的水平倾斜测量专用轨道，其外端与大坝基准点固定，作为垂直沉降位移的测量基准点； 若干个设置于所述监测管道外部的水平位移测点装置，其随大坝的水平变形而水平移动并可被在监测管道内行走的测量机器人探测到； 所述测量机器人搭载有多 种测量装置并受控制地在所述监测管道内行走和实时检测大坝内部变形情况。
12.根据权利要求11所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于，所述监测管道由多节保护管和连接于各保护管之间的管接头连接而成，以形成测量机器人的行走与检测通道。
13.根据权利要求11所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于，所述机器人搭载有编码器并可随时利用该编码器记录机器人在变形监测管道内行走的距离。
14.根据权利要求11所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于，所述水平位移测点装置包括一作为被检测体的恒磁铁，所述测量机器人可探测到该恒磁铁以判断水平位移测点装置的位置。
15.根据权利要求11所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于， 所述测量机器人在所述监测管道内行走，并探测水平位移测点装置；当检测到一个水平位移测点装置时，测量机器人同步记录当前位置；以同样方法依次检测所有水平位移测点装置并保存数据，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的水平位移变形量；测量结束后测量机器人自动从监测管道返回。
16.根据权利要求11所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于， 所述测量机器人在变形监测管道内行走，并检测所述水平倾斜测量专用轨道的倾斜角度，测量机器人间隔一定距离记录每一段轨道的倾斜角度；以这种方法检测各点数据并保存，数据同时发送给外部监控系统以计算出各点的垂直位移变形量；测量结束后测量机器人自动从监测管道返回。
17.根据权利要求11所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于，所述信息传输通道包括数据信息传输通道和图像信息传输通道，分别用于传输检测数据和图像数据。
18.根据权利要求17所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于，所述测量机器人监测系统还包括线缆装置，该线缆装置包括光纤线缆、数据传输光端机和无线通信装置，所述光纤线缆连接至测量机器人以接收监测数据和/或图像数据，所述无线通信装置通过无线链路将监测数据和/或图像数据传输至外部监测系统。
19.根据权利要求11所述的大坝内部变形的机器人监测系统，其特征在于，所述测量机器人还搭载有作业平台 ，用以搭载多种作业设备和/或测量装置。
全文摘要
本发明提供一种大坝内部变形的机器人监测方法和监测系统，该方法通过在大坝内部铺设一条专用测量管道并利用机器人携带测量设备在管道内行走同时完成对大坝内部变形的监测；本发明的监测系统提供一种直接测量方式，利用测量机器人直接进入埋设于大坝内部的专用测量管道内进行测量，并将测量数据实时地传输至外部的监控系统，可保证监测的准确性、实时性，克服间接测量带来的误差。
文档编号G01B21/02GK103196416SQ20131008406
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月17日 优先权日2013年3月17日
发明者孙汝建, 何宁, 王国利, 汪璋淳, 何斌, 钱亚俊, 李登华, 周彦章, 吴毅, 仲深意 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院