新型渡槽混凝土无损检测机器人技术架构

为解决混凝土渡槽无损检测日益繁重的工作任务，提高检测效率，针对混凝土渡槽表面检测的恶劣环境，结合智能机器人与无损检测技术，设计一种自动化的新型渡槽混凝土无损检测机器人是必要的。

系统整体设计

渡槽混凝土无损检测机器人，基于机器行走平台，通过无线操作，完成弹性波的自动激发、采集和成像，从而实现渡槽混凝土结构的均匀性密实性和强度缺陷的快速检测，如图1所示。系统包括硬件和软件两个部分，硬件包括以车载平台子系统、震源子系统、采集子系统、无线控制子系统。软件包括行走控制与自动采集、资料处理等主要功能，安装于手持PAD中。系统使用时，手持PAD首先与机器人通过WIFI建立无线连接，然后通过软件操作机器人行走，并在行走中自动激发和采集，采集后立刻进行数据处理和分析，实时显示检测剖面成果，同时自动保存数据。现场采集结束后还可重新进行资料分析处理和成像。

图1 渡槽混凝土无损检测机器人

系统硬件结构

渡槽混凝土无损检测机器人的系统硬件结构如图2所示，系统由行走平台、震源、采集、通讯四个子系统组成。

图2 渡槽混凝土无损检测机器人系统硬件结构

行走平台子系统

行走平台子系统的作用有两个，1个是实现系统的自动行走，2个是作为其他硬件子系统的平台。行走平台子系统是四轮45度全向轮轮系的机器人平台，使用四驱全向轮，能够实现平移、自转、平移并自转等特殊运动。平台底盘采用整体铝合金铸造成型工艺，使用四台大功率的空心杯电机作为驱动，并配有四轴伺服驱动器，支持CAN总线及RS232接口。该系统具有以下特点：

（1）全方向自由移动: 四轮全向结构，使机器人能够在平面内朝任何方向进行平移，并同时伴随自转运动。

（2）悬挂系统: 采用摇臂式悬挂结构，使机器人四轮都能够与地面良好接触并输出动力，在经过凹凸不平的地面时，机器人有较强的通过性能。在经过不光滑的地面时，能有效减轻震动。

（3）整体成型底盘: 平台底盘采用铝合金整体铸造成型，结构性好，高强度，高刚性。加工中心一次加工成型，保证高精密的四轮相对位置关系。避免了通常钢板组合机器人连接配合精度差，组合件累积误差大，强度及刚性差的缺点。

（4）空心杯直流伺服电机: 四台大功率空心杯直流伺服电机实现了高功率密度、高扭矩与快速速度响应。电机配有精密行星减速机与500线编码器。

（5）四轴伺服驱动器: 四轴伺服驱动器使空心杯伺服电机真正发挥了他的特性，使电机具有良好的特性曲线。用户能够精确并快速地控制电机转速，且不受负载量及路面变化的影响，让机器人运行准确可靠。

震源子系统

震源平台子系统采集旋转冲击结构，由伺服电机控制旋转冲击机构，冲击机构按照指定的转速产生冲击。震源子系统的伺服电机为基于32 位DSP 平台全数字交流伺服一体机：1.单组直流供电；2.支持光耦隔离的脉冲、方向控制输入和报警输出；3.系列采用485 总线，支持MODBUS_RTU 协议；4.内嵌单轴运动控制功能，支持点到点位置控制、速度控制及同步周期位置控制三种模式；5.采用磁场位置检测技术实现转子定向，具有更好的抗粉尘、抗振动能力。

采集子系统

采集子系统负责接收震源产生的信号，并进行数字化采集，传输采用无线WIFI方式，具体性能如表1所示。

表1 采集子系统性能

通讯子系统

通讯子系统用于上位机与行走、震源、采集等各子系统之间的通讯。子系统采集多功能工业级无线串口网关，可同时各种通讯方式，其中与震源子系统采用RS232串口通讯，与行走子系统采用RS232串口通讯，与采集子系统采用RJ45以太网TCP/IP协议通讯。

系统软件结构

系统软件系统由主系统和现场采集、信号处理、计算成像3个子系统组成。

主系统负责进行测线数据的创建和保存。系统按测线组织数据，所有数据放置于指定目录，结构如图3所示。其中工程文件用于保存当前测线的相关参数及成像数据，信号数据分为原始数据、预处理数据和反射道集数据。采集子系统回传的数据保存为原始信号，之后按照预处理参数定义文件定义的处理过程和参数进行数据预处理，得到预处理数据文件，然后按照反射地震共中心道集抽取方法抽道形成CMP数据文件。上述三组数据由主系统自动进行生成和保存，数据格式为自定义非标准SGY格式，单个文件可保存120炮数据，系统自动维护数据文件的数量。

图3 系统数据结构

现场采集子系统用于与行走平台、震源、采集等各子系统的通讯、控制以及数据传输，可以实现行走、激发、采集同时进行，并可以实时成像。信号处理子系统可实现带通/带陷、切除、延时校正等各种地震信号处理功能，既可以在采集过程中实时进行，也可以在采集完成后数据回访时重新处理。计算成像子系统用于计算成像，既可以在采集过程中实时进行，也可以在采集完成后数据回访时重新处理，如图4所示。系统支持反射CMP叠加法和相干频率法等多种成像方法。

图4 计算成像子系统