大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置的制作方法

1.本技术涉及水电工程技术领域，特别是涉及一种大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置。


背景技术：

2.大直径引水隧洞是引水式水电站引水建筑物的一部分，它将河段上游水流经长距离输水至发电厂房附近,再用压力管道引水入水轮发电机组进行发电，以其开建作业面小、运营运量大、价格低等优点，在输水工程、水电站等项目中得到越来越多的应用。
3.由于大直径引水隧洞长期受水流冲刷、环境载荷、自身振动、河水的腐蚀、材料疲劳、地壳变动、水生物附着等原因，可能会出现破损等结构缺陷，进而有可能引起谁泄露等安全隐患，故需定期对大直径引水隧洞进行检测、排查隐患，及时发现结构破损情况。
4.目前，大直径引水隧洞的检测技术越来越多地应用到利用水下无人系统进行检测的技术，主要是采用水下无人系统上搭载的水下摄像机或者水下摄像机加二维成像声呐联合检测的方式，这些检测方式存在着单趟巡检检测范围小、缺陷检测耗时耗力、确定缺陷位置难等问题，导致检测效率不够高。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置。
6.一种大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置，所述装置包括：放置到大直径引水隧洞的水下检测单元和位于水面控制台的采集处理单元；
7.所述水下检测单元包括：底座、立架、探测器、摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统；其中，所述立架设于所述底座上，所述立架安装有所述探测器和所述摄像系统；所述声学多普勒速度仪和惯性导航系统安装在所述底座上；
8.所述采集处理单元包括：数据采集模块和数据处理模块；其中，所述数据采集模块用于采集所述探测器、摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统在所述大直径引水隧洞的结构缺陷多维检测过程中产生的数据并传输至所述数据处理模块进行分析处理。
9.在其中一个实施例中，所述探测器包括三维隧洞声呐，用于探测所述大直径引水隧洞的断面轮廓数据。
10.在其中一个实施例中，所述声学多普勒速度仪和惯性导航系统与所述三维隧洞声呐连接，用于实时测量运动状态下所述三维隧洞声呐在大直径引水隧洞中的位姿信息和定位信息；所述位姿信息包括俯仰、横滚和航向角。
11.在其中一个实施例中，所述数据处理模块，用于根据所述声学多普勒速度仪和惯性导航系统采集的所述探测器中三维隧洞声呐的位姿信息和定位信息，判断所述声学多普勒速度仪和惯性导航系统是否静态对准，若是，则根据所述探测器和摄像系统采集的数据生成所述大直径引水隧洞的点云模型。
12.在其中一个实施例中，所述数据处理模块，用于将所述点云模型与预设的原始隧洞数据进行对比分析，得到所述大直径引水隧洞的结构缺陷信息。
13.在其中一个实施例中，所述数据处理模块，用于将所述点云模型与所述探测器中的二维多波束声呐以及所述摄像系统采集的数据进行交叉验证，得到所述大直径引水隧洞的结构缺陷信息。
14.在其中一个实施例中，所述探测器包括二维多波束声呐，用于探测所述装置前方的第一状态信息；所述第一状态信息包括所述装置运动时的前方导航信息和避碰信息以及所述大直径引水隧洞的结构检测信息。
15.在其中一个实施例中，所述数据处理模块，用于所述装置运动时，根据所述二维多波束声呐探测的所述装置前方的第一状态信息识别预设目标并标记。
16.在其中一个实施例中，所述摄像系统，用于拍摄所述装置前方的第二状态信息；所述数据处理模块，用于所述装置运动时，根据所述摄像系统拍摄的第二状态信息识别预设目标并标记。
17.在其中一个实施例中，其特征在于，所述水下检测单元安装于水下可行进平台上。
18.上述用于大直径引水隧洞多维结构的检测装置，包括：用于放置到大直径引水隧洞的水下检测单元和位于水面控制台的采集处理单元；其中，水下检测单元包括：底座、立架、探测器、摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统；立架设于底座上，立架安装有探测器和摄像系统；声学多普勒速度仪和惯性导航系统安装在底座上；采集处理单元包括：数据采集模块和数据处理模块；其中，数据采集模块用于采集探测器、摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统在大直径引水隧洞的结构缺陷多维检测过程中产生的数据并传输至数据处理模块进行分析处理。该装置能够融合多种探测器以及水下摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统，通过一体化安装组件，组合成可快速安装拆卸的多维高效检测系统，能够快速获得更大的巡检范围并获取多种数据，能够快速建立隧洞全线数据模型并分析隧洞内壁的结构缺陷情况，提高检测效率。
附图说明
19.图1为一个实施例中大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置的应用环境图；
20.图2为一个实施例中大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置的结构侧视图；
21.图3为一个实施例中大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置的结构正视图；
22.图4为一个实施例中大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置的结构俯视图；
23.图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图；
24.图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
25.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
26.本技术提供的大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置，可以应用于如图1所示的应用环境中。该装置主要包括放置到大直径引水隧洞的水下检测单元101和位于水面控制
台的采集处理单元102。其中，水下检测单元101通过有线网络或无线网络与采集处理单元102进行通信。水下检测单元101包括底座、立架、探测器、摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统；采集处理单元102可以用终端、独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。
27.图2
‑
4分别展示了大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置的结构侧视图、正视图和俯视图，该装置共分为两部分，其中一部分为水下检测单元，另一部分为位于水面控制台的采集处理单元。
28.如图2所示，水下检测单元包括：底座、立架、探测器、摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统；其中，
29.底座，为托盘式可撬装安装的结构部件，通过其上的安装组件可快速安装在水下无人系统等可行进平台上。底座上可安装固定惯性导航系统(以下简称惯导)和声学多普勒速度仪系统(dvl，doppler velocity log)，并通过与底座固定连接的立架，固定该装置上部的多个探测器；
30.立架，框型结构，设于底座上，立架上部用于安装固定三维隧洞声呐和二维多波束声呐等探测器，立架与底座一起组成安装模块，可快速安装在水下无人系统等可行进平台上；
31.探测器，包括三维隧洞声呐和二维多波束声呐等检测传感器。
32.摄像系统，即水下摄像系统，用于获取装置前方的目标情况，提供实时光学影像；
33.位于水面控制台的采集处理单元包括：数据采集模块和数据处理模块；其中，数据采集模块用于采集上述探测器、摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统在大直径引水隧洞结构缺陷多维检测过程中产生的数据并传输至数据处理模块进行分析处理。
34.上述实施例，通过一体化装置融合多种探测器以及水下摄像系统、声学多普勒速度仪和惯性导航系统，通过一体化安装组件，组合成可快速安装拆卸的多维高效检测系统，能够快速获得更大的巡检范围并获取多种数据，有利于快速建立隧洞全线数据模型并分析隧洞内壁的结构缺陷情况，提高检测效率。
35.在一个实施例中，上述探测器包括三维隧洞声呐，用于探测大直径引水隧洞的断面轮廓数据。
36.具体地，三维隧洞声呐，固定安装于一体化大直径引水隧洞多维结构检测装置的立架上，位于整体装置的前部中间，用于实时获取隧洞的断面轮廓数据，并进行水下地形及结构物的三维实时高分辨率测量。
37.上述实施例，通过在一体化装置中设置三维隧洞声呐，有利于获取隧洞结构三维实时数据，为隧洞多维结构检测提供数据来源。
38.在一实施例中，声学多普勒速度仪和惯性导航系统与三维隧洞声呐连接，用于实时测量运动状态下三维隧洞声呐在大直径引水隧洞中的位姿信息和定位信息；位姿信息包括俯仰、横滚和航向角。
39.其中，惯性导航系统(ins，以下简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等
信息。由于水下作业自主导航系统至少三样数据，包括姿态测量单元、速度测量单元和位置测量单元，其中的姿态测量单元主要由惯性导航系统承担作用，位置测量单元可以用gps等设备；速度测量单元目前最有效的手段就是通过声学多普勒速度仪(dvl)来获取。
40.声学多普勒速度仪(dvl)是一种测量相对于水底速度的声纳设备，主要工作原理是基于多普勒效应。
41.具体地，惯性导航系统(惯导)与dvl(声学多普勒速度仪)，固定安装于一体化大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置的底座中部，与上述三维隧洞声呐连接，惯性导航系统(惯导)用于实时测量运动状态下三维隧洞声呐在隧洞水体中的俯仰、横滚及航向角，声学多普勒速度仪(dvl)用于提供整个装置在水下运行作业时的相对速度信息。
42.上述实施例，通过设置声学多普勒速度仪和惯性导航系统为整个系统在水下作业导航提供姿态信息和速度信息，从而为整个装置实现自主导航提供数据基础。
43.在一实施例中，数据处理模块，用于根据声学多普勒速度仪和惯性导航系统采集的探测器中三维隧洞声呐的位姿信息和定位信息，判断声学多普勒速度仪和惯性导航系统是否静态对准，若是，则根据探测器和摄像系统采集的数据生成大直径引水隧洞的点云模型。
44.其中，点云模型是某个坐标系下的点的数据集，点包含了丰富的信息，包括三维坐标x，y，z、颜色、分类值、强度值、时间等等。点云模型可以通过精确的、多维的数据还原现实世界，三维点云模型是通过算法拟合生成曲面，进而进行三维建模得到的，点云模型具有精度高，细节更精细的特点，另外，建模速度快。
45.具体地，本技术还提供了一种大直径引水隧洞高效多维结构检测方法，主要应用于数据处理模块。首先，数据处理模块，根据上述声学多普勒速度仪(dvl)和惯性导航系统(惯导)采集的探测器中三维隧洞声呐的位姿信息和定位信息，判断声学多普勒速度仪和惯性导航系统是否实现静态对准，在惯导和dvl静态对准完成后，开始数据采集，检测装置开始巡检，当检测装置巡检到大直径引水隧洞的终点后，数据处理模块对采集的数据进行处理，生成三维点云模型。
46.上述实施例，通过设置于水面控制台的数据处理模块收集巡检过程中采集到的数据，并基于这些数据生成点云模型，有利于为后续分析检测提供数据来源。
47.在一实施例中，上述数据处理模块，用于将点云模型与预设的原始隧洞数据进行对比分析，得到大直径引水隧洞的结构缺陷信息。
48.具体地，数据处理模块根据实时采集到的数据生成的大直径引水隧洞的多维结构数据的点云模型后，与预设的原始隧洞数据例如原始施工数据进行对比分析，得到大直径引水隧洞的结构缺陷信息。
49.上述实施例，通过使用数据处理模块将实时数据与原始数据进行对比分析得到结构缺陷信息，提高了缺陷检测的效率。
50.在一实施例中，数据处理模块，用于将点云模型与探测器中的二维多波束声呐以及摄像系统采集的数据进行交叉验证，得到大直径引水隧洞的结构缺陷信息。
51.其中，交叉验证主要用于建模应用中，目的是为了得到可靠稳定的模型。其基本原理是：在给定的建模样本中，拿出大部分样本进行建模型，留小部分样本用刚建立的模型进行预报，并求这小部分样本的预报误差，记录它们的平方加和。这个过程一直进行，直到所
有的样本都被预报了一次而且仅被预报一次。
52.具体地，数据处理模块将采集到的数据中的大部分生成点云模型，再与二维多波束声呐以及摄像系统采集的小部分数据进行预测验证，从而得到结构缺陷信息。
53.上述实施例，通过交叉验证得到缺陷信息，提高了模型构建的准确性。
54.在一实施例中，上述探测器包括二维多波束声呐，用于探测装置前方的第一状态信息；第一状态信息包括装置运动时的前方导航信息和避碰信息以及大直径引水隧洞的结构检测信息。
55.具体地，上述探测器还包括二维多波束声呐，二维多波束声呐，固定安装于一体化大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置的立架上前顶部的云台上，用于实时获取检测装置前方的第一状态信息，第一状态信息具体包括装置运动时的前方导航信息和避碰信息，以及近距离时大直径引水隧洞的结构检测信息。
56.上述实施例，通过设置二维多波束声呐采集前方目标状况，为整个装置在水下作业时提供导航信息，通过为结构检测提供多维结构数据信息。
57.在一实施例中，上述数据处理模块，用于装置运动时，根据二维多波束声呐探测的装置前方的第一状态信息识别预设目标并标记。
58.具体地，在惯导和dvl静态对准完成后，开始数据采集，检测装置开始巡检。巡检中对发现的可疑目标，通过二维多波束声呐及时进行标记。
59.上述实施例，通过二维多波束声呐实时标记巡检过程中出现的周围环境信息，为后续点云模型的生成提供数据基础。
60.在一实施例中，上述摄像系统，用于拍摄装置前方的第二状态信息；上述数据处理模块，用于装置运动时，根据摄像系统拍摄的第二状态信息识别预设目标并标记。
61.具体地，水下摄像系统，固定安装于一体化大直径引水隧洞结构多维检测装置的立架上前顶部的云台上，用于实时获取检测装置前方的目标情况，提供实时光学影像，即第二状态信息，并将该第二状态信息发送至数据处理模块，数据处理模块可根据第二状态信息标记与其他数据进行交叉验证，从而识别预设目标，例如裂缝、水生物附着等，并标记这些目标。
62.上述实施例，通过设置水下摄像系统获取实时光学影像，一方面可用于建立点云模型，另一方面可用于对已经构建的点云模型进行交叉验证，进一步校正点云模型，使得数据更精准细致，为结构检测提供更多细节。
63.在一实施例中，上述水下检测单元安装于水下可行进平台上。
64.具体地，上述水下检测单元安装于水下可行进平台上，使得整个装置可在大直径引水隧洞中借助导航系统自主行进并实时采集数据。
65.上述实施例，通过使用水下可行进平台为整个装置的水下运行提供必备条件。
66.上述用于大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置融合三维隧洞声呐、二维多波束声呐、水下摄像系统、惯导和dvl等多种传感器，通过一体化安装组件，组合成可快速安装拆卸的多维高效检测系统，单趟巡检即可获得整个隧洞断面360
°
范围内的结构情况，获得带地理位置信息、可结构建模的数据，在数据处理后可得到统一坐标系下的隧洞内壁的三维声呐点云数据，可方便地建立隧洞全线的点云模型。在点云模型的基础上可提取隧道断面数据，进一步与二维声呐数据、水下摄像数据、设计施工数据进行对比，分析隧洞内壁是否
存在结构缺陷情况，检测效率高，精度高。
67.上述大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
68.基于上述大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置，可提供一种大直径引水隧洞结构缺陷多维检测方法，包括如下步骤：
69.步骤1：根据上述大直径引水隧洞结构缺陷多维检测装置，将三维隧洞声呐、二维多波束声呐、水下摄像系统、惯性和dvl与底座和立架安装就位，并布置好水面控制台内的数据采集模块；
70.步骤2：给三维隧洞声呐、二维多波束声呐、水下摄像系统、惯性和dvl，和数据采集模块通电，检测各部件的信号是否正常；
71.步骤3：等待惯导和dvl进行静态对准，并通过数据采集模块设置三维隧洞声呐、二维多波束声呐的刷新率、量程等；
72.步骤4：在惯导和dvl静态对准完成后，开始数据采集，检测平台开始巡检。巡检中对发现的可疑目标，及时进行标记和确认；
73.步骤5：当检测平台巡检到终点后，通过数据处理器对采集的数据进行处理，生成三维点云模型，分析检测资料，检测隧洞是否有结构缺陷。
74.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可作为上述采集处理单元，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储实时采集到的大直径引水隧洞的多维结构缺陷数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。
75.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可作为上述采集处理单元，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过wifi、运营商网络、nfc(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
76.本领域技术人员可以理解，图5
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6中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
77.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有
计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现三维点云模型的构建，并实现与预设的原始隧洞数据进行对比分析，得到大直径引水隧洞的结构缺陷信息。
78.在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现三维点云模型的构建，并实现与预设的原始隧洞数据进行对比分析，得到大直径引水隧洞的结构缺陷信息。
79.本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(read
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only memory，rom)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(random access memory，ram)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(static random access memory，sram)或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，dram)等。
80.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
81.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。