基于uC／OS－Ⅱ的桥梁斜拉索表面病害的检测及定位方法

韦炳机，曾 科，李小玲

（柳州市自动化科学研究所，广西 柳州 545001）

0 引言

我国是世界桥梁大国，如今建成的斜拉桥有100多座［1］，拉索桥梁的养护已成为当下一项艰巨而又持久的任务。拉索桥梁的科学养护能有效延长斜拉桥运营的寿命，因此定期对拉索桥梁进行检测及维护对于该类桥梁的健康运行有着重要的意义，而拉索表面病害检测及定位是桥梁科学养护中必不可少的环节。目前，对桥梁斜拉索表面病害的检测及定位方法主要是采用高架吊车将工人运送上去，利用人眼观测记录并进行修复。这种检测方法不仅效率低、实施难度大，而且还会产生巨额的检测费用［2］。所以建立一种更为科学、高效、准确、便捷、经济的桥梁斜拉索表面病害检测及定位方法对桥梁的科学养护具有重要的意义。

uC／OS－Ⅱ是嵌入式应用领域近年发展起来的一种基于优先级的可抢占式的硬实时内核。它具有的开源性、可移植性、可固化、可裁剪、抢占式、多任务、可确定性、任务栈、系统服务及中断管理支持嵌套等特征，使uC／OS－Ⅱ系统具备高效率的执行能力、优良的实时性能以及高可靠性［3］。因此，uC／OS－Ⅱ嵌入式系统被广泛应用于各类单片机、微控制器和数字信号处理器的产品开发及工业控制。

本项研究的目的是建立基于uC／OS－Ⅱ系统的桥梁斜拉索表面病害检测及定位的方法，即利用uC／OS－Ⅱ系统具有的多任务、可确定性、执行效率高及优良的实时性能等特征，结合红外、编码、倾角和激光等传感器，以无线数据传输模块为纽带，设计一种基于uC／OS－Ⅱ嵌入式系统控制的桥梁斜拉索爬升机器人的控制器，配合全方位的实时视频录像无线传输系统，实现对拉索表面病害的准确检测及定位。期望该方法能为桥梁的科学养护提供准确、高效、便捷、经济的技术保障。

1 拉索桥梁病害类型及产生条件

1．1 拉索桥梁病害特征及产生

桥梁的斜拉索在运输和安装的过程中，PE护套与各种施工工具及建筑体难免产生摩擦和碰撞，而这些冲击都有可能对PE护套造成一定程度的划伤甚至破裂，从而形成拉索防腐体系的薄弱间隙。桥梁在使用过程中，拉索长期暴露在外面，受雨水、日光、风雪、雾、霜等侵蚀，因此会产生PE护套开裂、断裂、鼓胀、变形及索丝锈蚀断裂等拉索病害［4］。

1．2 拉索桥梁病害的诊断方法

以uC／OS－Ⅱ嵌入式系统为核心设计的控制系统控制斜拉索爬升机器人携带视频检测模块和激光定位模块，以一定的速度沿着斜拉索往上爬，在机器人爬升的过程中，启动视频录像，并打开激光测距仪。控制系统通过获取激光测距仪的桥面高度H，经与设定的拉索与桥平面的夹角Q，计算出机器人爬过的拉索距离S＝H／sin（Q），在桥面水平方向上移动的距离L＝H／tan（Q）。并将计算结果和录像视频通过无线传输同步上传到上位机。在设备检测完成后，通过人工查看视频，当在视频中发现病害现象时可以通过对应的距离坐标快速记录拉索表面的病害位置。维修人员通过准确的桥面距离、高度及索的长度值可以快速对病害位置进行定位，实现准确、便捷的拉索表面的病害治理工作。

2 拉索桥梁病害检测的设备硬件组成和软件设计

2．1 检测设备的硬件组成单元

基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害检测方法的设备以STM32F107单片机作为嵌入式系统的载体，再通过解析无线串口模块接收到的控制命令，对前后电机驱动进行控制，进而实现对检测设备的动作控制。同时，uC／OS－Ⅱ系统通过对电压、电流检测及过压保护模块的监测，保障了系统的动力能源的正常工作；通过对红外、角度、编码及激光测距传感器的检测，可以保证爬升机器人在爬升的过程中避开障碍，平衡设备体、稳定设备的运行速度及计算设备的实时位置坐标。单片机将采集的数据通过无线串口收发模块发送给上位机，与此同时由四路摄像头构成的全方位监控视频系统，通过5．8G无线视频发送模块将录制的视频发送给上位机。上位机通过监听无线串口收发模块和5．8G无线视频接收模块记录采集数据。具体的检测系统单元构成如图1和图2所示。

图1 检测系统的控制单元构成示意图

图2 检测系统的电脑控制台示意图

2．2 拉索桥梁病害检测的软件控制方法流程

检测系统由于是以uC／OS－Ⅱ为核心，所以整个控制及监测是通过多任务系统来实现的，如图3为整个系统的软件控制流程图。

图3 系统的控制软件工作流程示意图

3 基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害检测方法的操作及检测效果

3．1 拉索病害检测方法及定位的步骤流程

基于该检测方法的设备，在实际项目中的应用具体操作步骤为：

（1）测量斜拉索与水平桥面的角度：将1m长的标定杆平放于桥面，使标定杆与斜拉索同时处于垂直的平面上。标定杆的一端与斜拉索的接地端接合，将爬升机器人固定在斜拉索上，激光测距仪发送的激光与桥面垂直，启动电源开关时激光测距仪发出检测光束。调节光束使其对准标定杆的D值，将标定杆的D值输入上位机的初始化设定值，并将其传送给爬升机的控制单元，再利用激光测距仪的测量值H计算出斜拉索与桥面的夹角θ。

（2）控制及数据的采集：通过无线启动爬升机器人并开启视频录像，在爬升机器人沿着斜拉索往上爬升的过程中，5．8G无线视频模块会将视频实时传输到上位机，与此同时激光测距仪的检测值也被无线串口模块上传至上位机。

（3）上位机同步测量数据及视频的传输：上位机将所有视频画面与斜拉索检测的同一时刻高度值、桥面距离及拉索长度同步，当爬升机器人到达目的地时停止相机录像，通过无线控制其返回。

（4）后期视频处理：通过人工来监视寻找并记录视频中的拉索病害现象，并记录同一时刻检测的高度值、桥面距离及拉索长度。

3．2 检测数据的结果分析

基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害检测及定位方法的实验结果数据如表1所示。将一根25m长的拉索架设成与水平地面夹角为15°的实验平台，并在拉索上面标记10点模拟病害标记。利用本项目的检测方法对拉索进行检测，最后对回传的同步视频和位置坐标进行分析。检测结果表明：位置的定位误差为±20cm，±20cm的位置定位误差对于后期的人工定点维护不会产生任何的影响，由此可见基于uC／OS－Ⅱ的拉索表面病害检测及定位方法的设备应用具有较高的准确度，完全可以替代传统的升降机定点载人检测方法。

表1 检测中拉索表面的病害位置定位结果表（m）

3．3 检测效率及经济分析

根据检测设备的视频采集传输能力和爬升机器人的驱动能力等因素，在设备的应用中，将设备的运行速度设定为0．2m／s，检测一根与桥面成任意角度的100m拉索，大概需要10min，综合实际应用考虑在设备回程时速度可远大于爬升的速度，经过实验测试，完成100m的拉索检测需要约15min的时间，同时该方法检测不需要进行交通管制。而传统的检测方法利用升降机将工人送达要检测的地方进行检测，这种方法不仅需要对道路交通进行管制，而且随着拉索与水平桥面所成角度的变小，检测时间也随着变长且远长于15min。同时长时间租用升降机所支付的高昂费用与管制交通带来的经济损失与不便，为桥梁的监测护理增加了不小的难度。

4 结语

本文采用uC／OS－Ⅱ嵌入系统的应用开发、高性能单片机及无线数据通信等技术手段，结合红外防撞传感器、倾角传感器、编码器及激光测距传感器的应用，配合同步视频监测系统的检测，实现桥梁斜拉索表面的病害检测及定位。该方法具有经济、准确、便捷的检测效果及良好的实用性。基于uC／OS－Ⅱ嵌入式系统的桥梁斜拉索表面病害检测及定位的方法在实际的桥梁科学养护项目中的应用，能有效提高斜拉索表面病害检测的工作效率。