專利名稱：基于可移動無線傳感器的鋼結構健康監測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及鋼結構健康監測領域，具體涉及一種基于可移動無線傳感器的鋼結構健康監測系統。
背景技術：
隨著全世界經濟的迅速發展，土木工程領域也取得了令人矚目的成就，各種大型復雜結構不斷出現。當今的土木工程結構正在向超大化、復雜化方向發展，如大型橋梁、超高層建筑、規模巨大的體育館和劇院、大型水壩、核電站及近海結構等。然而這類重大工程結構的設計使用期長達幾十年、甚至上百年，在環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應等災害因素的共同作用下將不可避免地導致結構技術的損傷積累和抗力衰減，極端 情況下可能引起災難性的突發事故。隨著對工程結構的安全性、耐久性及正常使用功能的日益關注，人們希望能夠在結構的服役期，即使出現一些如地震、臺風、爆炸等災害性事故后，能充分了解結構的健康狀況，以決定是否需要對結構進行維修和養護，以及何時進行維修和養護。因此，結構健康監測系統成為保障結構安全的重要途徑，對現存的重要結構和設施進行健康監測，評價其安全狀況，修復、控制損傷及在新建結構和設施中增設長期的健康監測系統已成為必須。在結構健康系統中最基本的是傳感器及其數據采集系統，目前廣泛的使用的有線的數據采集法的具有數據采集穩定可靠，受噪聲影響小等優點，但是其繁瑣的布線工作需要花費非常大的成本，而且由于有線數據采集節點一旦布置后就不可移動，因此不能做到所有節點都處于重點監測地段，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據采集系統，同時配備無線遙控檢測機器人，可有效地節省大量的施工時間，節約大量的成本，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。可以實現大規模、分布式、低造價橋梁自動智能監測，對橋梁結構健康監測的發展具有重要的意義。

發明內容
本發明主要針對上述問題而提出一種解決途徑，結合了無線電通訊技術、電子技術、機械自動化技術以及磁吸附原理，提出了一種基于可移動無線傳感器的鋼結構健康監測系統。本發明采用如下技術基于可移動無線傳感器的鋼結構健康監測系統，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、傳感器數據接收基站，計算機終端與傳感器數據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構表明移動，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構被測點處，無線加速度傳感器通過電磁鐵吸附在鋼結構上，采集完數據之后，可移動機器人拾起無線加速度傳感器繼續下一個測點的測試，無線傳感器的測試數據無線傳輸給數據接收基站，實現被測結構的數據的采集與顯示，檢查鋼結構表面健康狀況；所述的可移動機器人包括車體、多自由度云臺、四輪驅動行走機構、伺服電機、直流減速電機、電源單元、姿態感應與控制 單元、機械臂、CCD攝像頭、無線視頻傳輸模塊，四輪驅動行走機構安裝在車體上，四輪驅動行走機構的每個驅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構上，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感應與控制單元，直流減速電機與四輪驅動行走機構連接，電源單元分別與多自由度云臺、姿態感應與控制單元、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，姿態感應與控制單元分別于多自由度云臺、驅動電機、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。該系統可以實現土木工程結構的可視化裂縫、腐蝕檢測與分布式振動與溫度數據采集，為土木工程結構的日常維護提供高自動化的有效電子檢測手段，節省人工維護成本；并可以到達人工難以到達的結構部位，極大的提高工程結構日常檢測的效率，能更加全面地反映結構的安全狀況更好的保證結構健康安全地運行。


圖I為基于可移動無線傳感器的結構健康監測技術流程圖；圖2為本系統的結構示意簡圖；圖3為16層鋼框架實驗模型測得的第2層加速度振動響應數據；圖4為16層鋼框架實驗模型測得的第4層加速度振動響應數據；圖5為16層鋼框架實驗模型測得的第6層加速度振動響應數據。其中I、計算機終端，2、機器人控制器，3、傳感器數據接收基站，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、四輪驅動行走機構，10、姿態感應與控制單元，11、車體。
具體實施例方式本發明實現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構表面。機器人控制接收器遙控機器人可以在任何角度的鋼結構表面移動，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、穩定的圖像信息，操作者可以通過圖像信息查看結構表面的銹蝕、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點，并通過電磁鐵吸放，將傳感器布置于結構上某測量點，實現該點振動測試以及溫度數據的采集，并將數據傳回基站，完成該點測試之后，控制機器人的機械手，將傳感器拾起，繼續進行下一個待測點的振動測試，如此重復，可以實現在僅用一個傳感器即可實現結構多點振動測試。并將數據無線傳輸給無線加速度傳感器數據接收基站，基站與計算機終端相連，實現數據的采集與顯
/Jn o實施方案一可移動機器人是本發明的關鍵技術，其主要分兩個部分，分別是機械結構設計和電子系統設計。在機械結構方面，主要著眼于提高機器人的穩定性、安全性、可靠性。從實際需要出發，本發明的機器人必須要輕量化、高強度，吸附力要足夠大。根據以上要求，機器人本體材料主要以鋁合金為主，同時在結構設計中，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。本發明的機械結構主要分兩部分，四輪驅動的車體以及多自由度機械臂。四輪驅動車體結構均采用2A12高強度鋁合金，車體尺寸為250mm*170mm。車輪尺寸為①60*22mm，外邊多邊形結構用于安裝強力磁鐵，電機采用渦輪蝸桿直流減速電機，額定電壓為12V，輸出軸額定轉速為75r/min，額定功率為25W。機械臂采用伺服 電機作提供驅動力，共有5個伺服電機提供5個自由度。機械臂的結構部件全部采用聚合物材料機械結構裝配完成。所采用的磁鐵型號及參數燒結銣鐵磁鐵型號N35，尺寸是20*10*4mm。主要性能參數剩磁(Br)，1170_1220mT，矯頑力(Hcb)彡868kA/m，內稟矯頑力(Hcj)彡955kA/m，最大磁能積(BH)為263_287kj/m3，最高工作溫度80°C。在電子系統部分，主要分機器人控制系統，以及地面接收控制站兩部分。機器人控制系統由電源管理模塊、電機驅動模塊、姿態感應與控制模塊等組成。電源模塊通過穩壓器78M05(U2、U3)將外部電壓轉換成穩定的5V直流電壓，供整個控制系統使用；通過LM2576(U1)大功率電源轉換IC將外部電壓轉換成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。外部電源通過開關與整個系統連接，并直接給直流減速電機驅動模塊供電。由電機驅動模塊采用英飛凌公司生產的BTS7960(U2、U3)半H橋驅動IC搭建的H橋電路實現電機的正反轉以及PWM調速控制，為了防止驅動電路中惡劣的電氣環境影響單片機的正常運轉，必須將單片機控制引腳與驅動電路輸入端隔離，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，經限流電阻(R7、R8、R9、R10)輸出至BTS7960，實現控制信號到電機驅動方式的控制。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。姿態感應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采樣電路實現機器人姿態的感應。加速度傳感器輸出的模擬信號經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，經內部程序處理后產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控制，經PID算法實現速度的穩定控制。速度信號的采集采用歐姆龍公司生產的增量式編碼器E6A2-CS5C200P/R。信號經 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，產生相應的控制代碼通過無線模塊發送至機器人，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對結構進行振動測試的實例，16層鋼框架實驗模型，采用本發明的技術其進行振動測試?？梢苿訖C器人攜帶一個無線加速度傳感器，在結構表面攀爬，在遠程控制下，將無線加速度傳感器按放在框架第2層節點處。測試結構振動的加速度響應，在脈沖荷載激勵下，所測得加速度振動響應數據如圖3所示。測完第2層之后，機器人拾起傳感器，繼續移動第4層與第6層，所測的加速度響應數據分別如圖4、圖5所示。依次重復，可以實現全部樓層的結構振動響應數據。采用本發明的技術，可以用單個傳感器即實現結構的多點分布 式測量，對實際工程結構的健康監測有重要的應用價值。
權利要求
1.基于可移動無線傳感器的鋼結構健康監測系統，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、傳感器數據接收基站，計算機終端與傳感器數據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構表明移動，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構被測點處，無線加速度傳感器通過電磁鐵吸附在鋼結構上，采集完數據之后，可移動機器人拾起無線加速度傳感器繼續下一個測點的測試，無線傳感器的測試數據無線傳輸給數據接收基站，實現被測結構的數據的采集與顯示，檢查鋼結構表面健康狀況；所述的可移動機器人包括車體、多自由度云臺、四輪驅動行走機構、伺服電機、直流減速電機、電源單元、姿態感應與控制單元、機械臂、CCD攝像頭、無線視頻傳輸模塊，四輪驅動行走機構安裝在車體上，四輪驅動行走機構的每個驅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構上，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感應與控制單元，直流減速電機與四輪驅動行走機 構連接，電源單元分別與多自由度云臺、姿態感應與控制單元、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，姿態感應與控制單元分別于多自由度云臺、驅動電機、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構健康監測系統，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、傳感器數據接收基站，計算機終端與傳感器數據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構被測點處，采集完數據之后，可移動機器人拾起無線加速度傳感器繼續下一個測點的測試，無線傳感器的測試數據無線傳輸給數據接收基站。該系統可以實現鋼結構的可視化裂縫、腐蝕檢測與分布式振動與溫度數據采集，節省人工維護成本；并可以到達人工難以到達的結構部位，極大的提高工程結構日常檢測的效率。
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 優先權日2012年6月7日
發明者吳峰, 朱曉鋮, 李惠, 鮑躍全 申請人:哈爾濱工業大學