專利名稱：基于可移動無線傳感器的鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種基于可移動無線傳感器的鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著全世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，土木工程領(lǐng)域也取得了令人矚目的成就，各種大型復雜結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)。當今的土木工程結(jié)構(gòu)正在向超大化、復雜化方向發(fā)展，如大型橋梁、超高層建筑、規(guī)模巨大的體育館和劇院、大型水壩、核電站及近海結(jié)構(gòu)等。然而這類重大工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用期長達幾十年、甚至上百年，在環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)等災(zāi)害因素的共同作用下將不可避免地導致結(jié)構(gòu)技術(shù)的損傷積累和抗力衰減，極端 情況下可能引起災(zāi)難性的突發(fā)事故。隨著對工程結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性及正常使用功能的日益關(guān)注，人們希望能夠在結(jié)構(gòu)的服役期，即使出現(xiàn)一些如地震、臺風、爆炸等災(zāi)害性事故后，能充分了解結(jié)構(gòu)的健康狀況，以決定是否需要對結(jié)構(gòu)進行維修和養(yǎng)護，以及何時進行維修和養(yǎng)護。因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)成為保障結(jié)構(gòu)安全的重要途徑，對現(xiàn)存的重要結(jié)構(gòu)和設(shè)施進行健康監(jiān)測，評價其安全狀況，修復、控制損傷及在新建結(jié)構(gòu)和設(shè)施中增設(shè)長期的健康監(jiān)測系統(tǒng)已成為必須。在結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)中最基本的是傳感器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目前廣泛的使用的有線的數(shù)據(jù)采集法的具有數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，受噪聲影響小等優(yōu)點，但是其繁瑣的布線工作需要花費非常大的成本，而且由于有線數(shù)據(jù)采集節(jié)點一旦布置后就不可移動，因此不能做到所有節(jié)點都處于重點監(jiān)測地段，在檢測中很難全面展示橋梁的安全狀況。因此，目前國際上開始研究使用無線傳感器及無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時配備無線遙控檢測機器人，可有效地節(jié)省大量的施工時間，節(jié)約大量的成本，同時降低了人工布線的危險程度。此外無線遙控檢測機器人能攀爬至人工不能夠達到的地方，能更加全面地展示橋梁的安全狀況?？梢詫崿F(xiàn)大規(guī)模、分布式、低造價橋梁自動智能監(jiān)測，對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對上述問題而提出一種解決途徑，結(jié)合了無線電通訊技術(shù)、電子技術(shù)、機械自動化技術(shù)以及磁吸附原理，提出了一種基于可移動無線傳感器的鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明采用如下技術(shù)基于可移動無線傳感器的鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括計算機終端、可移動機器人、機器人控制器、無線加速度傳感器、傳感器數(shù)據(jù)接收基站，計算機終端與傳感器數(shù)據(jù)接收基站以及機器人控制器相連，可移動機器人通過機器人控制器無線遠程控制，可移動機器人攜帶無線加速度傳感器在鋼結(jié)構(gòu)表明移動，可移動機器人上的機械臂將無線加速度傳感器安放在鋼結(jié)構(gòu)被測點處，無線加速度傳感器通過電磁鐵吸附在鋼結(jié)構(gòu)上，采集完數(shù)據(jù)之后，可移動機器人拾起無線加速度傳感器繼續(xù)下一個測點的測試，無線傳感器的測試數(shù)據(jù)無線傳輸給數(shù)據(jù)接收基站，實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)的采集與顯示，檢查鋼結(jié)構(gòu)表面健康狀況；所述的可移動機器人包括車體、多自由度云臺、四輪驅(qū)動行走機構(gòu)、伺服電機、直流減速電機、電源單元、姿態(tài)感應(yīng)與控制 單元、機械臂、CCD攝像頭、無線視頻傳輸模塊，四輪驅(qū)動行走機構(gòu)安裝在車體上，四輪驅(qū)動行走機構(gòu)的每個驅(qū)動輪上安裝有一圈磁鐵，磁鐵的磁力強度能夠使可移動機器人吸附在鋼結(jié)構(gòu)上，多自由度云臺安裝在車體上，機械臂安裝在多自由度云臺上，機械臂通過伺服電機驅(qū)動，機械臂能夠伸縮，CCD攝像頭安裝在機械臂上，車體上還安裝有電源單元和姿態(tài)感應(yīng)與控制單元，直流減速電機與四輪驅(qū)動行走機構(gòu)連接，電源單元分別與多自由度云臺、姿態(tài)感應(yīng)與控制單元、無線視頻傳輸模塊、直流減速電機、伺服電機、CCD攝像頭電信號連接，姿態(tài)感應(yīng)與控制單元分別于多自由度云臺、驅(qū)動電機、伺服電機、CCD攝像頭電信號連接，無線視頻傳輸模塊與CCD攝像頭電信號連接；無線視頻傳輸模塊與機器人控制器無線連接。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的可視化裂縫、腐蝕檢測與分布式振動與溫度數(shù)據(jù)采集，為土木工程結(jié)構(gòu)的日常維護提供高自動化的有效電子檢測手段，節(jié)省人工維護成本；并可以到達人工難以到達的結(jié)構(gòu)部位，極大的提高工程結(jié)構(gòu)日常檢測的效率，能更加全面地反映結(jié)構(gòu)的安全狀況更好的保證結(jié)構(gòu)健康安全地運行。


圖I為基于可移動無線傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)流程圖；圖2為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意簡圖；圖3為16層鋼框架實驗?zāi)Ｐ蜏y得的第2層加速度振動響應(yīng)數(shù)據(jù)；圖4為16層鋼框架實驗?zāi)Ｐ蜏y得的第4層加速度振動響應(yīng)數(shù)據(jù)；圖5為16層鋼框架實驗?zāi)Ｐ蜏y得的第6層加速度振動響應(yīng)數(shù)據(jù)。其中I、計算機終端，2、機器人控制器，3、傳感器數(shù)據(jù)接收基站，4、無線加速度傳感器，5、機械臂，6、多自由度云臺，7、直流減速電機，8、CXD攝像頭，9、四輪驅(qū)動行走機構(gòu)，10、姿態(tài)感應(yīng)與控制單元，11、車體。
具體實施例方式本發(fā)明實現(xiàn)過程如下通過利用磁鐵對鋼鐵的磁力作用，使機器人可以牢固地吸附于鋼架結(jié)構(gòu)表面。機器人控制接收器遙控機器人可以在任何角度的鋼結(jié)構(gòu)表面移動，CCD攝像頭、多自由度云臺和無線視頻傳輸模塊，向操作者提供一個清晰、穩(wěn)定的圖像信息，操作者可以通過圖像信息查看結(jié)構(gòu)表面的銹蝕、裂紋等安全隱患，同時可以確定無線加速度傳感器的布置位置。移動機器人機械臂可攜帶無線加速度傳感器節(jié)點，并通過電磁鐵吸放，將傳感器布置于結(jié)構(gòu)上某測量點，實現(xiàn)該點振動測試以及溫度數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳回基站，完成該點測試之后，控制機器人的機械手，將傳感器拾起，繼續(xù)進行下一個待測點的振動測試，如此重復，可以實現(xiàn)在僅用一個傳感器即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多點振動測試。并將數(shù)據(jù)無線傳輸給無線加速度傳感器數(shù)據(jù)接收基站，基站與計算機終端相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與顯
/Jn o實施方案一可移動機器人是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)，其主要分兩個部分，分別是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子系統(tǒng)設(shè)計。在機械結(jié)構(gòu)方面，主要著眼于提高機器人的穩(wěn)定性、安全性、可靠性。從實際需要出發(fā)，本發(fā)明的機器人必須要輕量化、高強度，吸附力要足夠大。根據(jù)以上要求，機器人本體材料主要以鋁合金為主，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，盡量在保證強度的前提下，減少材料的使用量，以達到輕量化的目的，車體重量2. 5kg。本發(fā)明的機械結(jié)構(gòu)主要分兩部分，四輪驅(qū)動的車體以及多自由度機械臂。四輪驅(qū)動車體結(jié)構(gòu)均采用2A12高強度鋁合金，車體尺寸為250mm*170mm。車輪尺寸為①60*22mm，外邊多邊形結(jié)構(gòu)用于安裝強力磁鐵，電機采用渦輪蝸桿直流減速電機，額定電壓為12V，輸出軸額定轉(zhuǎn)速為75r/min，額定功率為25W。機械臂采用伺服 電機作提供驅(qū)動力，共有5個伺服電機提供5個自由度。機械臂的結(jié)構(gòu)部件全部采用聚合物材料機械結(jié)構(gòu)裝配完成。所采用的磁鐵型號及參數(shù)燒結(jié)銣鐵磁鐵型號N35，尺寸是20*10*4mm。主要性能參數(shù)剩磁(Br)，1170_1220mT，矯頑力(Hcb)彡868kA/m，內(nèi)稟矯頑力(Hcj)彡955kA/m，最大磁能積(BH)為263_287kj/m3，最高工作溫度80°C。在電子系統(tǒng)部分，主要分機器人控制系統(tǒng)，以及地面接收控制站兩部分。機器人控制系統(tǒng)由電源管理模塊、電機驅(qū)動模塊、姿態(tài)感應(yīng)與控制模塊等組成。電源模塊通過穩(wěn)壓器78M05(U2、U3)將外部電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V直流電壓，供整個控制系統(tǒng)使用；通過LM2576(U1)大功率電源轉(zhuǎn)換IC將外部電壓轉(zhuǎn)換成5V直流電壓，給機械臂的5個伺服電機供電，U4作為備用電源，用于擴展外圍部件時使用。外部電源通過開關(guān)與整個系統(tǒng)連接，并直接給直流減速電機驅(qū)動模塊供電。由電機驅(qū)動模塊采用英飛凌公司生產(chǎn)的BTS7960(U2、U3)半H橋驅(qū)動IC搭建的H橋電路實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)以及PWM調(diào)速控制，為了防止驅(qū)動電路中惡劣的電氣環(huán)境影響單片機的正常運轉(zhuǎn)，必須將單片機控制引腳與驅(qū)動電路輸入端隔離，本方案采用6N137(U6-U8)光電耦合IC進行電氣隔離，防止電機運行過程中產(chǎn)生的電流脈沖損壞微處理器?？刂菩盘柾ㄟ^單片機的INA1、INA2、ENA引腳輸出，進入6N137后進行信號變換后，經(jīng)限流電阻(R7、R8、R9、R10)輸出至BTS7960，實現(xiàn)控制信號到電機驅(qū)動方式的控制。其中INA1/INA2為正反裝控制信號，ENA為PWM使能信號，控制形式見表I。姿態(tài)感應(yīng)與控制模塊采用飛思卡爾MMA7660(U18)加速度傳感器以及濾波電路和AD采樣電路實現(xiàn)機器人姿態(tài)的感應(yīng)。加速度傳感器輸出的模擬信號經(jīng)R30-C14(R31-C15、R32-C16)組成的低通濾波器濾波后映射到單片機(STC12C5A60S2)A/D采集引腳上。同時單片機接受來自無線通信模塊(XL03)的控制信號，經(jīng)內(nèi)部程序處理后產(chǎn)生控制直流電機運動的信號以及伺服電機控制信號(PWM1-PWM8)。此外直流電機的速度控制采用閉環(huán)控制，經(jīng)PID算法實現(xiàn)速度的穩(wěn)定控制。速度信號的采集采用歐姆龍公司生產(chǎn)的增量式編碼器E6A2-CS5C200P/R。信號經(jīng) G_dianl 和 G_dian2 端口輸入單片機。地面接收與控制模塊則由三軸手柄、按鍵、IXD顯示屏、微處理器、電管管理、無線通信等組成，通過微處理器采集按鍵、手柄的輸入判斷操作者的控制意圖，產(chǎn)生相應(yīng)的控制代碼通過無線模塊發(fā)送至機器人，同時接受機器人的反饋信號，并顯示在LCD屏幕上。實施方案二 這里給出采用該技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行振動測試的實例，16層鋼框架實驗?zāi)Ｐ停捎帽景l(fā)明的技術(shù)其進行振動測試?？梢苿訖C器人攜帶一個無線加速度傳感器，在結(jié)構(gòu)表面攀爬，在遠程控制下，將無線加速度傳感器按放在框架第2層節(jié)點處。測試結(jié)構(gòu)振動的加速度響應(yīng)，在脈沖荷載激勵下，所測得加速度振動響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖3所示。測完第2層之后，機器人拾起傳感器，繼續(xù)移動第4層與第6層，所測的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)分別如圖4、圖5所示。依次重復，可以實現(xiàn)全部樓層的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)。采用本發(fā)明的技術(shù)，可以用單個傳感器即實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的多點分布 式測量，對實際工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測有重要的應(yīng)用價值。
權(quán)利要求
1.基于可移動無線傳感器的鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括計算機終端、可移動機器人、機器人控制器、無線加速度傳感器、傳感器數(shù)據(jù)接收基站，計算機終端與傳感器數(shù)據(jù)接收基站以及機器人控制器相連，可移動機器人通過機器人控制器無線遠程控制，可移動機器人攜帶無線加速度傳感器在鋼結(jié)構(gòu)表明移動，可移動機器人上的機械臂將無線加速度傳感器安放在鋼結(jié)構(gòu)被測點處，無線加速度傳感器通過電磁鐵吸附在鋼結(jié)構(gòu)上，采集完數(shù)據(jù)之后，可移動機器人拾起無線加速度傳感器繼續(xù)下一個測點的測試，無線傳感器的測試數(shù)據(jù)無線傳輸給數(shù)據(jù)接收基站，實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)的采集與顯示，檢查鋼結(jié)構(gòu)表面健康狀況；所述的可移動機器人包括車體、多自由度云臺、四輪驅(qū)動行走機構(gòu)、伺服電機、直流減速電機、電源單元、姿態(tài)感應(yīng)與控制單元、機械臂、CCD攝像頭、無線視頻傳輸模塊，四輪驅(qū)動行走機構(gòu)安裝在車體上，四輪驅(qū)動行走機構(gòu)的每個驅(qū)動輪上安裝有一圈磁鐵，磁鐵的磁力強度能夠使可移動機器人吸附在鋼結(jié)構(gòu)上，多自由度云臺安裝在車體上，機械臂安裝在多自由度云臺上，機械臂通過伺服電機驅(qū)動，機械臂能夠伸縮，CCD攝像頭安裝在機械臂上，車體上還安裝有電源單元和姿態(tài)感應(yīng)與控制單元，直流減速電機與四輪驅(qū)動行走機 構(gòu)連接，電源單元分別與多自由度云臺、姿態(tài)感應(yīng)與控制單元、無線視頻傳輸模塊、直流減速電機、伺服電機、CCD攝像頭電信號連接，姿態(tài)感應(yīng)與控制單元分別于多自由度云臺、驅(qū)動電機、伺服電機、CCD攝像頭電信號連接，無線視頻傳輸模塊與CCD攝像頭電信號連接；無線 視頻傳輸模塊與機器人控制器無線連接。
全文摘要
基于可移動無線傳感器的鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括計算機終端、可移動機器人、機器人控制器、無線加速度傳感器、傳感器數(shù)據(jù)接收基站，計算機終端與傳感器數(shù)據(jù)接收基站以及機器人控制器相連，可移動機器人通過機器人控制器無線遠程控制，可移動機器人上的機械臂將無線加速度傳感器安放在鋼結(jié)構(gòu)被測點處，采集完數(shù)據(jù)之后，可移動機器人拾起無線加速度傳感器繼續(xù)下一個測點的測試，無線傳感器的測試數(shù)據(jù)無線傳輸給數(shù)據(jù)接收基站。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的可視化裂縫、腐蝕檢測與分布式振動與溫度數(shù)據(jù)采集，節(jié)省人工維護成本；并可以到達人工難以到達的結(jié)構(gòu)部位，極大的提高工程結(jié)構(gòu)日常檢測的效率。
文檔編號G08C17/02GK102735686SQ201210201948
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者吳峰, 朱曉鋮, 李惠, 鮑躍全 申請人:哈爾濱工業(yè)大學