基于uC／OS－Ⅱ的橋梁斜拉索表面病害的檢測(cè)及定位方法

韋炳機(jī)，曾 科，李小玲

（柳州市自動(dòng)化科學(xué)研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

我國(guó)是世界橋梁大國(guó)，如今建成的斜拉橋有100多座［1］，拉索橋梁的養(yǎng)護(hù)已成為當(dāng)下一項(xiàng)艱巨而又持久的任務(wù)。拉索橋梁的科學(xué)養(yǎng)護(hù)能有效延長(zhǎng)斜拉橋運(yùn)營(yíng)的壽命，因此定期對(duì)拉索橋梁進(jìn)行檢測(cè)及維護(hù)對(duì)于該類橋梁的健康運(yùn)行有著重要的意義，而拉索表面病害檢測(cè)及定位是橋梁科學(xué)養(yǎng)護(hù)中必不可少的環(huán)節(jié)。目前，對(duì)橋梁斜拉索表面病害的檢測(cè)及定位方法主要是采用高架吊車將工人運(yùn)送上去，利用人眼觀測(cè)記錄并進(jìn)行修復(fù)。這種檢測(cè)方法不僅效率低、實(shí)施難度大，而且還會(huì)產(chǎn)生巨額的檢測(cè)費(fèi)用［2］。所以建立一種更為科學(xué)、高效、準(zhǔn)確、便捷、經(jīng)濟(jì)的橋梁斜拉索表面病害檢測(cè)及定位方法對(duì)橋梁的科學(xué)養(yǎng)護(hù)具有重要的意義。

uC／OS－Ⅱ是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一種基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核。它具有的開源性、可移植性、可固化、可裁剪、搶占式、多任務(wù)、可確定性、任務(wù)棧、系統(tǒng)服務(wù)及中斷管理支持嵌套等特征，使uC／OS－Ⅱ系統(tǒng)具備高效率的執(zhí)行能力、優(yōu)良的實(shí)時(shí)性能以及高可靠性［3］。因此，uC／OS－Ⅱ嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各類單片機(jī)、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的產(chǎn)品開發(fā)及工業(yè)控制。

本項(xiàng)研究的目的是建立基于uC／OS－Ⅱ系統(tǒng)的橋梁斜拉索表面病害檢測(cè)及定位的方法，即利用uC／OS－Ⅱ系統(tǒng)具有的多任務(wù)、可確定性、執(zhí)行效率高及優(yōu)良的實(shí)時(shí)性能等特征，結(jié)合紅外、編碼、傾角和激光等傳感器，以無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊為紐帶，設(shè)計(jì)一種基于uC／OS－Ⅱ嵌入式系統(tǒng)控制的橋梁斜拉索爬升機(jī)器人的控制器，配合全方位的實(shí)時(shí)視頻錄像無(wú)線傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索表面病害的準(zhǔn)確檢測(cè)及定位。期望該方法能為橋梁的科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供準(zhǔn)確、高效、便捷、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)保障。

1 拉索橋梁病害類型及產(chǎn)生條件

1．1 拉索橋梁病害特征及產(chǎn)生

橋梁的斜拉索在運(yùn)輸和安裝的過(guò)程中，PE護(hù)套與各種施工工具及建筑體難免產(chǎn)生摩擦和碰撞，而這些沖擊都有可能對(duì)PE護(hù)套造成一定程度的劃傷甚至破裂，從而形成拉索防腐體系的薄弱間隙。橋梁在使用過(guò)程中，拉索長(zhǎng)期暴露在外面，受雨水、日光、風(fēng)雪、霧、霜等侵蝕，因此會(huì)產(chǎn)生PE護(hù)套開裂、斷裂、鼓脹、變形及索絲銹蝕斷裂等拉索病害［4］。

1．2 拉索橋梁病害的診斷方法

以u(píng)C／OS－Ⅱ嵌入式系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)控制斜拉索爬升機(jī)器人攜帶視頻檢測(cè)模塊和激光定位模塊，以一定的速度沿著斜拉索往上爬，在機(jī)器人爬升的過(guò)程中，啟動(dòng)視頻錄像，并打開激光測(cè)距儀。控制系統(tǒng)通過(guò)獲取激光測(cè)距儀的橋面高度H，經(jīng)與設(shè)定的拉索與橋平面的夾角Q，計(jì)算出機(jī)器人爬過(guò)的拉索距離S＝H／sin（Q），在橋面水平方向上移動(dòng)的距離L＝H／tan（Q）。并將計(jì)算結(jié)果和錄像視頻通過(guò)無(wú)線傳輸同步上傳到上位機(jī)。在設(shè)備檢測(cè)完成后，通過(guò)人工查看視頻，當(dāng)在視頻中發(fā)現(xiàn)病害現(xiàn)象時(shí)可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的距離坐標(biāo)快速記錄拉索表面的病害位置。維修人員通過(guò)準(zhǔn)確的橋面距離、高度及索的長(zhǎng)度值可以快速對(duì)病害位置進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、便捷的拉索表面的病害治理工作。

2 拉索橋梁病害檢測(cè)的設(shè)備硬件組成和軟件設(shè)計(jì)

2．1 檢測(cè)設(shè)備的硬件組成單元

基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害檢測(cè)方法的設(shè)備以STM32F107單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的載體，再通過(guò)解析無(wú)線串口模塊接收到的控制命令，對(duì)前后電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的動(dòng)作控制。同時(shí)，uC／OS－Ⅱ系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電壓、電流檢測(cè)及過(guò)壓保護(hù)模塊的監(jiān)測(cè)，保障了系統(tǒng)的動(dòng)力能源的正常工作；通過(guò)對(duì)紅外、角度、編碼及激光測(cè)距傳感器的檢測(cè)，可以保證爬升機(jī)器人在爬升的過(guò)程中避開障礙，平衡設(shè)備體、穩(wěn)定設(shè)備的運(yùn)行速度及計(jì)算設(shè)備的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)。單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線串口收發(fā)模塊發(fā)送給上位機(jī)，與此同時(shí)由四路攝像頭構(gòu)成的全方位監(jiān)控視頻系統(tǒng)，通過(guò)5．8G無(wú)線視頻發(fā)送模塊將錄制的視頻發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)監(jiān)聽無(wú)線串口收發(fā)模塊和5．8G無(wú)線視頻接收模塊記錄采集數(shù)據(jù)。具體的檢測(cè)系統(tǒng)單元構(gòu)成如圖1和圖2所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)的控制單元構(gòu)成示意圖

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)的電腦控制臺(tái)示意圖

2．2 拉索橋梁病害檢測(cè)的軟件控制方法流程

檢測(cè)系統(tǒng)由于是以u(píng)C／OS－Ⅱ?yàn)楹诵模哉麄€(gè)控制及監(jiān)測(cè)是通過(guò)多任務(wù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖3為整個(gè)系統(tǒng)的軟件控制流程圖。

圖3 系統(tǒng)的控制軟件工作流程示意圖

3 基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害檢測(cè)方法的操作及檢測(cè)效果

3．1 拉索病害檢測(cè)方法及定位的步驟流程

基于該檢測(cè)方法的設(shè)備，在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用具體操作步驟為：

（1）測(cè)量斜拉索與水平橋面的角度：將1m長(zhǎng)的標(biāo)定桿平放于橋面，使標(biāo)定桿與斜拉索同時(shí)處于垂直的平面上。標(biāo)定桿的一端與斜拉索的接地端接合，將爬升機(jī)器人固定在斜拉索上，激光測(cè)距儀發(fā)送的激光與橋面垂直，啟動(dòng)電源開關(guān)時(shí)激光測(cè)距儀發(fā)出檢測(cè)光束。調(diào)節(jié)光束使其對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定桿的D值，將標(biāo)定桿的D值輸入上位機(jī)的初始化設(shè)定值，并將其傳送給爬升機(jī)的控制單元，再利用激光測(cè)距儀的測(cè)量值H計(jì)算出斜拉索與橋面的夾角θ。

（2）控制及數(shù)據(jù)的采集：通過(guò)無(wú)線啟動(dòng)爬升機(jī)器人并開啟視頻錄像，在爬升機(jī)器人沿著斜拉索往上爬升的過(guò)程中，5．8G無(wú)線視頻模塊會(huì)將視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，與此同時(shí)激光測(cè)距儀的檢測(cè)值也被無(wú)線串口模塊上傳至上位機(jī)。

（3）上位機(jī)同步測(cè)量數(shù)據(jù)及視頻的傳輸：上位機(jī)將所有視頻畫面與斜拉索檢測(cè)的同一時(shí)刻高度值、橋面距離及拉索長(zhǎng)度同步，當(dāng)爬升機(jī)器人到達(dá)目的地時(shí)停止相機(jī)錄像，通過(guò)無(wú)線控制其返回。

（4）后期視頻處理：通過(guò)人工來(lái)監(jiān)視尋找并記錄視頻中的拉索病害現(xiàn)象，并記錄同一時(shí)刻檢測(cè)的高度值、橋面距離及拉索長(zhǎng)度。

3．2 檢測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果分析

基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害檢測(cè)及定位方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。將一根25m長(zhǎng)的拉索架設(shè)成與水平地面夾角為15°的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在拉索上面標(biāo)記10點(diǎn)模擬病害標(biāo)記。利用本項(xiàng)目的檢測(cè)方法對(duì)拉索進(jìn)行檢測(cè)，最后對(duì)回傳的同步視頻和位置坐標(biāo)進(jìn)行分析。檢測(cè)結(jié)果表明：位置的定位誤差為±20cm，±20cm的位置定位誤差對(duì)于后期的人工定點(diǎn)維護(hù)不會(huì)產(chǎn)生任何的影響，由此可見基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害檢測(cè)及定位方法的設(shè)備應(yīng)用具有較高的準(zhǔn)確度，完全可以替代傳統(tǒng)的升降機(jī)定點(diǎn)載人檢測(cè)方法。

表1 檢測(cè)中拉索表面的病害位置定位結(jié)果表（m）

3．3 檢測(cè)效率及經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)檢測(cè)設(shè)備的視頻采集傳輸能力和爬升機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力等因素，在設(shè)備的應(yīng)用中，將設(shè)備的運(yùn)行速度設(shè)定為0．2m／s，檢測(cè)一根與橋面成任意角度的100m拉索，大概需要10min，綜合實(shí)際應(yīng)用考慮在設(shè)備回程時(shí)速度可遠(yuǎn)大于爬升的速度，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，完成100m的拉索檢測(cè)需要約15min的時(shí)間，同時(shí)該方法檢測(cè)不需要進(jìn)行交通管制。而傳統(tǒng)的檢測(cè)方法利用升降機(jī)將工人送達(dá)要檢測(cè)的地方進(jìn)行檢測(cè)，這種方法不僅需要對(duì)道路交通進(jìn)行管制，而且隨著拉索與水平橋面所成角度的變小，檢測(cè)時(shí)間也隨著變長(zhǎng)且遠(yuǎn)長(zhǎng)于15min。同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間租用升降機(jī)所支付的高昂費(fèi)用與管制交通帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失與不便，為橋梁的監(jiān)測(cè)護(hù)理增加了不小的難度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用uC／OS－Ⅱ嵌入系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)、高性能單片機(jī)及無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)手段，結(jié)合紅外防撞傳感器、傾角傳感器、編碼器及激光測(cè)距傳感器的應(yīng)用，配合同步視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)橋梁斜拉索表面的病害檢測(cè)及定位。該方法具有經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、便捷的檢測(cè)效果及良好的實(shí)用性?；趗C／OS－Ⅱ嵌入式系統(tǒng)的橋梁斜拉索表面病害檢測(cè)及定位的方法在實(shí)際的橋梁科學(xué)養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目中的應(yīng)用，能有效提高斜拉索表面病害檢測(cè)的工作效率。