基于uC／OS－Ⅱ的橋梁斜拉索表面病害的檢測及定位方法

韋炳機，曾 科，李小玲

（柳州市自動化科學研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

我國是世界橋梁大國，如今建成的斜拉橋有100多座［1］，拉索橋梁的養護已成為當下一項艱巨而又持久的任務。拉索橋梁的科學養護能有效延長斜拉橋運營的壽命，因此定期對拉索橋梁進行檢測及維護對于該類橋梁的健康運行有著重要的意義，而拉索表面病害檢測及定位是橋梁科學養護中必不可少的環節。目前，對橋梁斜拉索表面病害的檢測及定位方法主要是采用高架吊車將工人運送上去，利用人眼觀測記錄并進行修復。這種檢測方法不僅效率低、實施難度大，而且還會產生巨額的檢測費用［2］。所以建立一種更為科學、高效、準確、便捷、經濟的橋梁斜拉索表面病害檢測及定位方法對橋梁的科學養護具有重要的意義。

uC／OS－Ⅱ是嵌入式應用領域近年發展起來的一種基于優先級的可搶占式的硬實時內核。它具有的開源性、可移植性、可固化、可裁剪、搶占式、多任務、可確定性、任務棧、系統服務及中斷管理支持嵌套等特征，使uC／OS－Ⅱ系統具備高效率的執行能力、優良的實時性能以及高可靠性［3］。因此，uC／OS－Ⅱ嵌入式系統被廣泛應用于各類單片機、微控制器和數字信號處理器的產品開發及工業控制。

本項研究的目的是建立基于uC／OS－Ⅱ系統的橋梁斜拉索表面病害檢測及定位的方法，即利用uC／OS－Ⅱ系統具有的多任務、可確定性、執行效率高及優良的實時性能等特征，結合紅外、編碼、傾角和激光等傳感器，以無線數據傳輸模塊為紐帶，設計一種基于uC／OS－Ⅱ嵌入式系統控制的橋梁斜拉索爬升機器人的控制器，配合全方位的實時視頻錄像無線傳輸系統，實現對拉索表面病害的準確檢測及定位。期望該方法能為橋梁的科學養護提供準確、高效、便捷、經濟的技術保障。

1 拉索橋梁病害類型及產生條件

1．1 拉索橋梁病害特征及產生

橋梁的斜拉索在運輸和安裝的過程中，PE護套與各種施工工具及建筑體難免產生摩擦和碰撞，而這些沖擊都有可能對PE護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。橋梁在使用過程中，拉索長期暴露在外面，受雨水、日光、風雪、霧、霜等侵蝕，因此會產生PE護套開裂、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uC／OS－Ⅱ嵌入式系統為核心設計的控制系統控制斜拉索爬升機器人攜帶視頻檢測模塊和激光定位模塊，以一定的速度沿著斜拉索往上爬，在機器人爬升的過程中，啟動視頻錄像，并打開激光測距儀。控制系統通過獲取激光測距儀的橋面高度H，經與設定的拉索與橋平面的夾角Q，計算出機器人爬過的拉索距離S＝H／sin（Q），在橋面水平方向上移動的距離L＝H／tan（Q）。并將計算結果和錄像視頻通過無線傳輸同步上傳到上位機。在設備檢測完成后，通過人工查看視頻，當在視頻中發現病害現象時可以通過對應的距離坐標快速記錄拉索表面的病害位置。維修人員通過準確的橋面距離、高度及索的長度值可以快速對病害位置進行定位，實現準確、便捷的拉索表面的病害治理工作。

2 拉索橋梁病害檢測的設備硬件組成和軟件設計

2．1 檢測設備的硬件組成單元

基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害檢測方法的設備以STM32F107單片機作為嵌入式系統的載體，再通過解析無線串口模塊接收到的控制命令，對前后電機驅動進行控制，進而實現對檢測設備的動作控制。同時，uC／OS－Ⅱ系統通過對電壓、電流檢測及過壓保護模塊的監測，保障了系統的動力能源的正常工作；通過對紅外、角度、編碼及激光測距傳感器的檢測，可以保證爬升機器人在爬升的過程中避開障礙，平衡設備體、穩定設備的運行速度及計算設備的實時位置坐標。單片機將采集的數據通過無線串口收發模塊發送給上位機，與此同時由四路攝像頭構成的全方位監控視頻系統，通過5．8G無線視頻發送模塊將錄制的視頻發送給上位機。上位機通過監聽無線串口收發模塊和5．8G無線視頻接收模塊記錄采集數據。具體的檢測系統單元構成如圖1和圖2所示。

圖1 檢測系統的控制單元構成示意圖

圖2 檢測系統的電腦控制臺示意圖

2．2 拉索橋梁病害檢測的軟件控制方法流程

檢測系統由于是以uC／OS－Ⅱ為核心，所以整個控制及監測是通過多任務系統來實現的，如圖3為整個系統的軟件控制流程圖。

圖3 系統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方法的操作及檢測效果

3．1 拉索病害檢測方法及定位的步驟流程

基于該檢測方法的設備，在實際項目中的應用具體操作步驟為：

（1）測量斜拉索與水平橋面的角度：將1m長的標定桿平放于橋面，使標定桿與斜拉索同時處于垂直的平面上。標定桿的一端與斜拉索的接地端接合，將爬升機器人固定在斜拉索上，激光測距儀發送的激光與橋面垂直，啟動電源開關時激光測距儀發出檢測光束。調節光束使其對準標定桿的D值，將標定桿的D值輸入上位機的初始化設定值，并將其傳送給爬升機的控制單元，再利用激光測距儀的測量值H計算出斜拉索與橋面的夾角θ。

（2）控制及數據的采集：通過無線啟動爬升機器人并開啟視頻錄像，在爬升機器人沿著斜拉索往上爬升的過程中，5．8G無線視頻模塊會將視頻實時傳輸到上位機，與此同時激光測距儀的檢測值也被無線串口模塊上傳至上位機。

（3）上位機同步測量數據及視頻的傳輸：上位機將所有視頻畫面與斜拉索檢測的同一時刻高度值、橋面距離及拉索長度同步，當爬升機器人到達目的地時停止相機錄像，通過無線控制其返回。

（4）后期視頻處理：通過人工來監視尋找并記錄視頻中的拉索病害現象，并記錄同一時刻檢測的高度值、橋面距離及拉索長度。

3．2 檢測數據的結果分析

基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害檢測及定位方法的實驗結果數據如表1所示。將一根25m長的拉索架設成與水平地面夾角為15°的實驗平臺，并在拉索上面標記10點模擬病害標記。利用本項目的檢測方法對拉索進行檢測，最后對回傳的同步視頻和位置坐標進行分析。檢測結果表明：位置的定位誤差為±20cm，±20cm的位置定位誤差對于后期的人工定點維護不會產生任何的影響，由此可見基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害檢測及定位方法的設備應用具有較高的準確度，完全可以替代傳統的升降機定點載人檢測方法。

表1 檢測中拉索表面的病害位置定位結果表（m）

3．3 檢測效率及經濟分析

根據檢測設備的視頻采集傳輸能力和爬升機器人的驅動能力等因素，在設備的應用中，將設備的運行速度設定為0．2m／s，檢測一根與橋面成任意角度的100m拉索，大概需要10min，綜合實際應用考慮在設備回程時速度可遠大于爬升的速度，經過實驗測試，完成100m的拉索檢測需要約15min的時間，同時該方法檢測不需要進行交通管制。而傳統的檢測方法利用升降機將工人送達要檢測的地方進行檢測，這種方法不僅需要對道路交通進行管制，而且隨著拉索與水平橋面所成角度的變小，檢測時間也隨著變長且遠長于15min。同時長時間租用升降機所支付的高昂費用與管制交通帶來的經濟損失與不便，為橋梁的監測護理增加了不小的難度。

4 結語

本文采用uC／OS－Ⅱ嵌入系統的應用開發、高性能單片機及無線數據通信等技術手段，結合紅外防撞傳感器、傾角傳感器、編碼器及激光測距傳感器的應用，配合同步視頻監測系統的檢測，實現橋梁斜拉索表面的病害檢測及定位。該方法具有經濟、準確、便捷的檢測效果及良好的實用性。基于uC／OS－Ⅱ嵌入式系統的橋梁斜拉索表面病害檢測及定位的方法在實際的橋梁科學養護項目中的應用，能有效提高斜拉索表面病害檢測的工作效率。