履带式道面自主检测机器人系统及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种履带式道面自主检测机器人系统，包括履带式机器人和远程监控辅助系统，履带式机器人和远程监控辅助系统之间通过无线通讯方式传输信息，履带式机器人上设有控制系统、无损检测系统和操作机构，操作机构安装在履带式机器人上，无损检测系统和操作机构相连，控制系统和操作机构电连接，控制系统和无损检测系统电连接；无损检测系统包括电阻率仪，操作机构包括伸缩机构，电阻率仪和所述伸缩机构相连。本发明还公开了一种道面检测方法。采用本发明的机器人系统能够实现智能化检测，由于无需人工驾驶，提高了检测安全性和检测数据的准确性；集成多种无损检测传感器于一体，可一次性实现路面及其内部状况的全面评估，检测效率大幅提升，也减少了对道路通行性的影响。
【专利说明】
履带式道面自主检测机器人系统及检测方法
技术领域
[0001]本发明涉及道面检测装置及方法，特别是涉及一种履带式道面自主检测机器人系统及检测方法。
【背景技术】
[0002]高速公路建成以后，为了保证通行安全性和效率，需要定期检修养护。随着中国高速公路通车里程的快速增长、道路服务年限的增加，高速公路已进入建设与养护并重的时期，2000年以前建成的I万多公里高速公路已全面进入大修期，2008年底以前建成的5万多公里高速公路也普遍进入缺陷责任期后的正常维修养护期，养护行业整体人员规模增长迅速。随着交通部“十二五公路养护管理发展纲要”将大中修比例由13%提升到17%，比例提升接近30%，2015年需要接受大中修养护的高速公路就接近1.3万公里。
[0003]高速公路养护包括路基养护、路面养护、桥涵养护、通道养护、隧道养护、标志标线养护、房屋养护、机电设施养护等等，其中路面养护是高速公路养护的重要内容。路面养护的前提是对路面状况的检测与评估。目前，路面状况检测评估主要靠人工目测，这主要靠经验，检测准确性差。替代方式是使用人工持仪器检测，这比目测数据准确性要好，但也存在以下几方面的问题:一是手工采集数据易受人工操作错误的影响，数据准确性得不到保障，且人身安全得不到保障；二是人工检测的速率低，需要大量的人力，劳动强度大且效率低下，检测时间长，影响通行效率;三是人工检测只能是单一仪器，一次只能检测一种缺陷，不能对路面状况进行全面评估。
[0004]因此，结合现代科学技术的发展，提供一种能对路面状况进行综合检测与评估的自动化系统显得尤为必要。目前已经有可以对道路表面状况进行检测的多功能检测车，可以用于高速公路和一般公路上信息资料的即时收集(实时位置、路面平整度、纹理、路面车辙状况、道路几何数据、全球定位系统、道路景观和路面破损状况的图象等)，并进行计算机即时和延后处理。但是该类型检测车的缺点是仍然需要人工操控和人工判断，不能满足某些检测工艺对运动控制的要求(如每隔一定距离就停下来)，不能自主检测和对数据进行融合进而自动评估，且只能检测道路表面的状况，不能检测道路表面以下的状况。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种履带式道面自主检测机器人系统，采用自动化式的设计理念，通过机器人采集路面状况信息，能够大大地提高检测效率，并且检测标准相同，数据准确性较高。本发明同时还提供了一种道面检测方法，通过控制系统对机器人进行实时控制，能够提高检测效率和检测结果准确度。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案:
[0007]—种履带式道面自主检测机器人系统，包括履带式机器人和远程监控辅助系统，履带式机器人上设有控制系统、无损检测系统和操作机构，操作机构安装在履带式机器人上，无损检测系统和操作机构相连，控制系统和操作机构电连接，控制系统和无损检测系统电连接;无损检测系统包括电阻率仪，操作机构包括伸缩机构，电阻率仪和所述伸缩机构相连;远程监控辅助系统包括控制机柜、操作台和监控屏幕，操作台和监控屏幕均和控制机柜电连接;履带式机器人和远程监控辅助系统之间通过无线通讯方式传输信息。其中，电阻率仪用于检测路面混凝土和钢筋的腐蚀状况，伸缩机构用于控制电阻率仪的形态。非使用状态下，伸缩机构处于收缩状态，一方面可以减小整体的占用空间，另一方面也可以防止电阻率仪由于碰撞发生损伤;使用状态下，伸缩机构可以将电阻率仪位移至指定的位置，并摆放成指定的角度，以便于提高电阻率仪的检测数据精确度。远程监控辅助系统具有远程控制的功能，能够将采集到的检测数据发送给外部显示装置，用于机器人运行状态的监控和必要时对机器人动作的人工干预(移动平台及操作机构的启停等)，以及无损检测数据的存储和处理。
[0008]为了提高本机器人系统的检测效率，无损检测系统还包括冲击回波仪和超声波仪，超声波仪和伸缩机构相连。其中，冲击回波仪用于检测路面内部横向裂纹;超声波仪产生的超声波具有较强的穿透能力，能够检测路面以下的地质情况，为综合分析提供参考。无损检测系统还包括探地雷达，探地雷达和伸缩机构相连。其中，探地雷达用于检测路面内部恶化状况。无损检测系统还包括第一激光测量仪，第一激光测量仪和伸缩机构相连。其中，第一激光测量仪用于检测路面平整度和宏观纹理。无损检测系统还包括第二激光测量仪，第二激光测量仪和伸缩机构相连。其中，第二激光测量仪用于检测路面车辙深度。无损检测系统还包括高清相机和全景相机，高清相机和全景相机均和伸缩机构相连。本发明机器人系统集成多种无损检测传感器于一体，可一次性实现路面(包括内部)状况的全面评估，为评估路面状况提供多种可参考数据，并且检测效率大幅提升，也减少了对道路通行性的影响。
[0009]通过采用伸缩机构，在机器人非运行时，无损检测系统的各元件都收置于机器人体内，防止各元件发生磨损、碰撞、损坏，从而提高设备的使用寿命。
[0010]作为其中一种可实施方式，履带式机器人上安装有履带、减速机构、驱动电机和电源装置，驱动电机通过减速机构和履带相连，电源装置和驱动电机电连接，驱动电机和所述控制系统电连接。
[0011]所述控制系统包括导航传感系统和机器人控制箱，导航传感系统包括全球定位系统、陀螺仪、编码器和避障激光雷达。采用基于全球定位系统、陀螺仪、编码器以及避障激光雷达多传感数据融合的导航方案，实现了室外厘米级的高精度导航和检测数据的位置标定，可以极大地提尚检测的准确性。
[0012]其中，所述伸缩机构是直线气缸和/或多级伸缩机构。为了使本机器人系统结构更加紧凑，所述伸缩机构还可以采用另一种形式的结构，即由直线气缸和连杆构成，直线气缸安装在所述履带式机器人上，连杆与所述直线气缸铰接。
[0013]本发明还公开了一种道面检测方法，包括下述步骤:
[0014]S1:控制履带式机器人移动至道面指定的位置；
[0015]S2:人工确定(采用现有技术手段，如差分GPS系统等)待检测区域的关键点坐标，并设定道面的检测区域；
[0016]S3:履带式机器人根据待检测区域形状尺寸自主规划道面检测路径；
[0017]S4:控制履带式机器人沿所述道面检测路径移动，每隔0.5-10m停下进行路面及内部状况检测，并采集公路状况信息；
[0018]S5:将采集到的公路状况信息发送至远程监控辅助系统进行实时监控分析或延后分析。
[0019]步骤S3所述检测路径采用下述方法进行规划:测量道面检测区域的长和宽(矩形路面)或关键点坐标进而拟合出待检测区域的形状和尺寸(非矩形路面)，控制履带式机器人沿S形路线移动从而对道面检测区域进行全面检测。所述对道面检测区域进行全面检测是指，履带式机器人沿测量道面检测区域的长或宽的方向逐行移动，并且每次前移机器人单次的检测宽度，从而对路面进行全面检测(图示请见图10)。
[0020]上面所述公路状况信息包括路面混凝土和钢筋的腐蚀状况、和/或路面各层的厚度、和/或路面内部裂纹、和/或路面以下的渗水情况、和/或路面以下的空洞情况、和/或路面的承载能力、和/或路面平整度和宏观纹理、和/或路面车辙深度、和/或路面的地表图像、和/或履带式机器人周围的路面全景。
[0021 ]与现有技术相比，本发明的优点如下:
[0022]1、本发明的履带式道面自主检测机器人系统采用履带式移动平台、高精度室外导航系统、集成式无损检测系统及多数据融合系统，可实现路面及其内部状况的自主高效检测，检测效率、经济性和安全性大幅提升，系统综合性能好；
[0023]2、本发明采用“宏观遥控、微观自主、远程监控”的控制方式，可自主规划检测路径、实施检测作业，具备检测参数设置及在线调整功能;采用全景相机实现机器人工作环境和状态监控，完成检测前起始点宏观操作及检测过程的必要人工干预;具备宏观微观检测监控及自主运行功能，实现了智能化检测，同时由于无需人工驾驶，提高了检测安全性；
[0024]3、本发明采用基于GPS、陀螺仪、编码器以及激光雷达多传感数据融合的导航方案，实现了室外厘米级的高精度导航和检测数据的位置标定，极大地提高了检测数据的准确性；
[0025]4、本发明集成多种无损检测传感器于一体，可一次性实现路面(包括内部)状况的全面评估，检测效率大幅提升，也减少了对道路通行性的影响；
[0026]5、本发明实现了检测数据的自动分析和融合，检测结果直观可视，检测效率大幅提升，且可实现道路状态的长期动态检测，在此基础上可实现更有预见性的检修养护；
[0027]6、本发明操作机构根据检测工艺需要定制设计，可保证检测效果，提升了检测的准确性；
[0028]7、本发明移动平台采用双履带结构，可原地转向，对路面状况的适应性好，可以适应各种不同的路面，扩展了该机器人的适用范围。
[0029]8、本发明所述的履带式道面自主检测机器人系统还可采用多机器人协同工作模式，可进一步提升检测效率。
【附图说明】
[0030]图1是履带式机器人的一种实施例的运行状态结构示意图；
[0031 ]图2是履带式机器人非运行状态的结构示意图；
[0032]图3是本发明的基本控制原理示意图；
[0033]图4是无损检测系统一种实施例的布置方式示意图；
[0034]图5是伸缩机构一种实施例的结构不意图；
[0035]图6是伸缩机构另一种实施例的结构示意图；
[0036]图7是伸缩机构再一种实施例的结构示意图；
[0037]图8是本发明的一种实施例的控制架构图；
[0038]图9是含远程监控辅助系统结构示图的机器人系统整体示意图；
[0039]图10是履带式机器人工作模式示意图。
[0040]附图标记:1-履带式机器人，2-伸缩机构，3-操作机构，4-全景相机，5-履带，6_超声波仪，7-第一激光测量仪，8-第二激光测量仪，9-电阻率仪，10-探地雷达，11-高清相机，12-直线气缸，13-连杆，14-操作台，15-监控屏幕，16-改装车，17-电源装置，18-控制机柜，19-无损检测系统，20-控制系统，21-远程监控辅助系统。
[0041]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
【具体实施方式】
[0042]本发明的实施例1:如图1、图2、图3和图9所示，一种履带式道面自主检测机器人系统，包括履带式机器人I和远程监控辅助系统21，履带式机器人I上设有控制系统20、无损检测系统19和操作机构3，操作机构3安装在履带式机器人I上，无损检测系统19和操作机构3相连，控制系统20和操作机构3电连接，控制系统20和无损检测系统19电连接;无损检测系统19包括电阻率仪9，操作机构3包括伸缩机构2，电阻率仪9和所述伸缩机构2相连;远程监控辅助系统21包括控制机柜18、操作台14和监控屏幕15，操作台14和监控屏幕15均和控制机柜18电连接;履带式机器人I和远程监控辅助系统21之间通过无线通讯方式传输信息。其中，伸缩机构2用于控制履带式机器人由运行状态至非运行状态之间的自由转换，运行状态下将无损检测系统19的各单元摆放至有利于发挥各单元作用的位置。本实施例中，连接电阻率仪9的伸缩机构2安装在履带式机器人I的前侧，采用图5所示结构的伸缩机构2。
[0043]如图4所示:无损检测系统19还包括冲击回波仪和超声波仪6，超声波仪6和伸缩机构2相连。本实施例中连接冲击回波仪和超声波仪6的伸缩机构2安装在履带式机器人I的前侦U，采用图5所示结构的伸缩机构2，本伸缩机构2包括直线气缸12和连杆13，直线气缸12安装在所述履带式机器人I上，连杆13与所述直线气缸12铰接。无损检测系统19还包括探地雷达10，探地雷达10和伸缩机构2相连，连接探地雷达10的伸缩机构2安装在履带式机器人I的后侧，采用图5所示结构的伸缩机构2。无损检测系统19还包括第一激光测量仪7，第一激光测量仪7和伸缩机构2相连。无损检测系统19还包括第二激光测量仪8，第二激光测量仪8和伸缩机构2相连。连接第一激光测量仪7和第二激光测量仪8的伸缩机构2安装在履带式机器人I的前侧中部，均采用如图6所示的伸缩机构2。无损检测系统19还包括高清相机11和全景相机4，高清相机11和全景相机4均和伸缩机构2相连。连接全景相机4的伸缩机构2安装在履带式机器人I的顶部，采用如图7所示的伸缩机构2;连接高清相机11的伸缩机构2安装在履带式机器人I上部，采用如图6所示的伸缩机构2。
[0044]履带式机器人I上安装有履带5、减速机构、驱动电机和电源装置，驱动电机通过减速机构和履带5相连，电源装置和驱动电机电连接，驱动电机和所述控制系统20电连接。所述电源装置为驱动电机供电，驱动电机受控制系统20控制，驱动电机带动履带5运动，从而控制履带式机器人运动。
[0045]所述控制系统20包括导航传感系统和机器人控制箱，导航传感系统包括全球定位系统、陀螺仪、编码器和避障激光雷达。
[0046]实施例2:如图1、图2、图3和图9所示，一种履带式道面自主检测机器人系统，包括履带式机器人I和远程监控辅助系统21，履带式机器人I上设有控制系统20、无损检测系统19和操作机构3，操作机构3安装在履带式机器人I上，无损检测系统19和操作机构3相连，控制系统20和操作机构3电连接，控制系统20和无损检测系统19电连接;无损检测系统19包括电阻率仪9，操作机构3包括伸缩机构2，电阻率仪9和所述伸缩机构2相连;远程监控辅助系统21包括控制机柜18、操作台14和监控屏幕15，操作台14和监控屏幕15均和控制机柜18电连接;履带式机器人I和远程监控辅助系统21之间通过无线通讯方式传输信息。
[0047]履带式机器人I上安装有履带5、减速机构、驱动电机和电源装置，驱动电机通过减速机构和履带5相连，电源装置和驱动电机电连接，驱动电机和所述控制系统20电连接。所述控制系统20包括导航传感系统和机器人控制箱，导航传感系统包括全球定位系统、陀螺仪、编码器和避障激光雷达。所述伸缩机构2是直线气缸12和/或多级伸缩机构。
[0048]实施例3:如图1、图2、图3和图9所示，一种履带式道面自主检测机器人系统，包括履带式机器人I和远程监控辅助系统21，履带式机器人I上设有控制系统20、无损检测系统19和操作机构3，操作机构3安装在履带式机器人I上，无损检测系统19和操作机构3相连，控制系统20和操作机构3电连接，控制系统20和无损检测系统19电连接;无损检测系统19包括电阻率仪9，操作机构3包括伸缩机构2，电阻率仪9和所述伸缩机构2相连;远程监控辅助系统21包括控制机柜18、操作台14和监控屏幕15，操作台14和监控屏幕15均和控制机柜18电连接;履带式机器人I和远程监控辅助系统21之间通过无线通讯方式传输信息。
[0049]如图4所示，无损检测系统19还包括冲击回波仪和超声波仪6，超声波仪6和伸缩机构2相连。无损检测系统19还包括探地雷达10，探地雷达10和伸缩机构2相连。无损检测系统19还包括第一激光测量仪7，第一激光测量仪7和伸缩机构2相连。无损检测系统19还包括第二激光测量仪8，第二激光测量仪8和伸缩机构2相连。
[0050]履带式机器人I上安装有履带5、减速机构、驱动电机和电源装置，驱动电机通过减速机构和履带5相连，电源装置和驱动电机电连接，驱动电机和所述控制系统20电连接。所述控制系统20包括导航传感系统和机器人控制箱，导航传感系统包括全球定位系统、陀螺仪、编码器和避障激光雷达。所述伸缩机构2(如图5所示)包括直线气缸12和连杆13，直线气缸12安装在所述履带式机器人I上，连杆13与所述直线气缸12铰接。
[0051]本发明的履带式机器人I用于采集道面以及路面以下的地质信息，然后将采集到的信息发送给远程监控辅助系统21，远程监控辅助系统21可以是改装车16的形式(如图9所示)，在改装车内设有电源装置17、控制机柜18、操作台14和监控屏幕15，监控屏幕15为多屏显示系统，电源装置17为远程监控辅助系统21供电，检测到的地质信息首先被发送到控制机柜18，然后通过监控屏幕15显示，可以通过操作台14处理采集到的地质信息；同时远程监控辅助系统21也可以用于控制机器人的工作状态，还可以作为机器人的远程运输及存放装置。
[0052]实施例4:采用本发明机器人系统的道面检测方法，包括下述步骤:
[0053]S1:控制履带式机器人移动至道面指定的位置；
[0054]S2:人工确定(通过差分GPS系统)待检测区域的关键点坐标，并设定道面的检测区域；
[0055]S3:履带式机器人根据待检测区域形状尺寸自主规划道面检测路径；
[0056]S4:控制履带式机器人沿所述道面检测路径移动，每隔0.5-10m停下进行路面及内部状况检测，并采集公路状况信息；
[0057]S5:将采集到的公路状况信息发送至远程监控辅助系统进行实时监控分析或延后分析。
[0058]步骤S3所述检测路径采用下述方法进行规划:当检测区域为矩形时，测量道面检测区域的长和宽；当检测区域非矩形时，测量检测区域的关键点坐标进而拟合出待检测区域的形状和尺寸;然后控制履带式机器人沿S形路线移动从而对道面检测区域进行全面检测。
[0059]其中，所述公路状况信息包括路面混凝土和钢筋的腐蚀状况、和/或路面各层的厚度、和/或路面内部裂纹、和/或路面以下的渗水情况、和/或路面以下的空洞情况、和/或路面的承载能力、和/或路面平整度和宏观纹理、和/或路面车辙深度、和/或路面的地表图像、和/或履带式机器人周围的路面全景。
[0000]本发明的一种实施例的工作原理:履带式机器人首先由人工遥控至检测作业起始点位置，然后根据人工设定的检测路面宽度和长度自主规划检测路径并实施检测，检修数据传输至远程监控辅助系统21实现数据融合等后处理及可视化;履带式机器人的控制系统20采用工业PC作为主控系统，各功能板块为模块化设计，包括履带式机器人I和操作机构3的控制模块，以及负责无损检测数据采集传输的控制模块;远程监控辅助系统21具备检测参数设置及在线调整功能，具备数据可视化及数据融合处理及综合评价功能，具备远程控制机器人作业的功能。
[0061]履带式机器人在工作时，首先由远程监控辅助系统21将搭载无损检测系统的履带式机器人运输至作业现场，然后机器人运动到检测起始点，由人工设定好须检测的路面范围，机器人自主规划好检测路径。在检测作业启动后，机器人按照检测工艺的要求(运动速度、运动启停等)运动，同时协调控制操作机构的动作(伸缩、展开等)进行检测作业。在检测过程中，履带式机器人通过无线通讯(WIF1、4G等)方式将检测数据发送至远程监控辅助系统21，检测的数据可由人工实时监控分析或延后分析，也可由仪器进行实时的自动化分析或处理；同时，人工可实时监控机器人的工作状态，必要时通过远程监控辅助系统21控制机器人的运行。
[0062]如图8所示，为本发明整体控制架构图。整体控制系统主要由设置在履带式机器人上的机上控制器一和机上控制器二以及远程监控平台(即远程监控辅助系统21)组成。机上控制器一采用实时操作系统，对源自激光雷达、GPS、惯导传感器、编码器的数据进行采集和融合处理，通过WIFI和手持式控制器通讯，机上控制器一也负责履带式机器人的运动控制和路径规划以及操作机构的控制。机上控制器二采用Windows系统，主要负责各路面无损检测传感仪器数据的采集，并通过WIFI和远程监控辅助系统21通讯。远程监控辅助系统21主要负责履带式机器人运行状态的监控、无损检测数据的显示和处理。
[0063]如图10所示，为履带式机器人工作模式示意图。在设置好机器人的检测起点和终点后，机器人根据待检测道面的面积和机器人单次可检测的面积自主规划出其运动路径，主要原则是保证待检测道面的全覆盖和机器人运动路径最短。
【主权项】
1.一种履带式道面自主检测机器人系统，其特征在于，包括履带式机器人(I)和远程监控辅助系统(21)，履带式机器人(I)上设有控制系统(20)、无损检测系统(19)和操作机构(3)，操作机构(3)安装在履带式机器人(I)上，无损检测系统(19)和操作机构(3)相连，控制系统(20)和操作机构(3)电连接，控制系统(20)和无损检测系统(19)电连接;无损检测系统(19)包括电阻率仪(9)，操作机构(3)包括伸缩机构(2)，电阻率仪(9)和所述伸缩机构(2)相连;远程监控辅助系统(21)包括控制机柜(18)、操作台(14)和监控屏幕(15)，操作台(14)和监控屏幕(15)均和控制机柜(18)电连接;履带式机器人(I)和远程监控辅助系统(21)之间通过无线通讯方式传输信息。2.根据权利要求1所述的履带式道面自主检测机器人系统，其特征在于，无损检测系统(19)还包括冲击回波仪、超声波仪(6)和探地雷达(10)，超声波仪(6)、探地雷达(10)均和伸缩机构(2)相连。3.根据权利要求1所述的履带式道面自主检测机器人系统，其特征在于，无损检测系统(19)还包括第一激光测量仪(7)，第一激光测量仪(7)和伸缩机构(2)相连。4.根据权利要求3所述的履带式道面自主检测机器人系统，其特征在于，无损检测系统(19)还包括第二激光测量仪(8)，第二激光测量仪(8)和伸缩机构(2)相连。5.根据权利要求1所述的履带式道面自主检测机器人系统，其特征在于，无损检测系统(19)还包括高清相机(11)和全景相机(4)，高清相机(11)和全景相机(4)均和伸缩机构(2)相连。6.根据权利要求1至5任一项所述的履带式道面自主检测机器人系统，其特征在于，履带式机器人(I)上安装有履带(5)、减速机构、驱动电机和电源装置，驱动电机通过减速机构和履带(5)相连，电源装置和驱动电机电连接，驱动电机和所述控制系统(20)电连接。7.根据权利要求6所述的履带式道面自主检测机器人系统，其特征在于，所述控制系统(20)包括导航传感系统和机器人控制箱，导航传感系统包括全球定位系统、陀螺仪、编码器和避障激光雷达。8.根据权利要求7所述的履带式道面自主检测机器人系统，其特征在于，所述伸缩机构(2)是直线气缸(12)和/或多级伸缩机构；或者所述伸缩机构(2)由直线气缸(12)和连杆(13)构成，直线气缸(12)安装于所述履带式机器人(I)上，连杆(13)与所述直线气缸(12)铰接。9.采用权利要求1-8任一项所述机器人系统的道面检测方法，其特征在于，包括下述步骤: S1:控制履带式机器人移动至道面指定的位置； S2:人工确定待检测区域的关键点坐标，并设定道面的检测区域； S3:履带式机器人根据待检测区域形状尺寸自主规划道面检测路径； S4:控制履带式机器人沿所述道面检测路径移动，每隔0.5-10m停下进行路面及内部状况检测，并采集公路状况信息； S5:将采集到的公路状况信息发送至远程监控辅助系统进行实时监控分析或延后分析。10.根据权利要求9所述的道面检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为:测量道面检测区域的长和宽或关键点坐标进而拟合出待检测区域的形状和尺寸，控制履带式机器人沿S形路线移动从而对道面检测区域进行全面检测。
【文档编号】E01C23/01GK105951569SQ201610347309
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】桂仲成
【申请人】桂仲成