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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
學(xué) 院： 機(jī)械電子工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
姓 名： 徐博
學(xué) 號： 060501516
外文出處： Seung-Nam Yu, Jae-Ho Jang,Chang-Soo Han
(用外文寫)
Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul, Korea Accepted 8 May 2006.
指導(dǎo)教師評語：
簽名：
年 月 日
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
附件1：外文資料翻譯譯文
一種自動(dòng)檢測隧道內(nèi)混凝土上的裂縫的可移動(dòng)機(jī)器人
摘要：
為了評測混凝土建筑物的安全性，用肉眼觀察裂縫的檢查員會(huì)周期性地測量并且記錄裂縫。不過這種手工檢查的效率是很低的并且很容易產(chǎn)生主觀的結(jié)論。因此，這項(xiàng)研究為混凝土的結(jié)構(gòu)檢查和測量裂縫提供了一個(gè)新的方案，它能夠提供客觀的裂縫數(shù)據(jù)，在評測安全性的過程中將會(huì)使用到這些數(shù)據(jù)。這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)和一個(gè)裂縫視覺系統(tǒng)組成。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)被一個(gè)圖象處理設(shè)備（CCD）控制著與墻保持恒定的距離。裂縫視覺系統(tǒng)運(yùn)用圖象處理技術(shù)，可以由獲得的圖像中得到有關(guān)裂縫的信息。為了保證對裂縫辨認(rèn)的準(zhǔn)確性，此系統(tǒng)運(yùn)用了圖像處理程序來得到裂縫結(jié)構(gòu)的幾何學(xué)特性和模型。目前這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)室和有關(guān)這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
2006 Elsevier B.V.版權(quán)所有。
關(guān)鍵字： 裂縫； 隧道； 檢查； 圖象處理； 移動(dòng)的機(jī)器人
1、簡介：
大約70%的朝鮮地區(qū)都是多山區(qū)，在這些地區(qū)修建鐵路和公路都需要很多的隧道。在保持交通通暢的情況下，有關(guān)混凝土建筑物如隧道的安全性的調(diào)查依然在進(jìn)行著。為了確定這種結(jié)構(gòu)的安全，利用非破壞性實(shí)驗(yàn)的定期檢查正在進(jìn)行。不過，非破壞性的實(shí)驗(yàn)的低效率和錯(cuò)綜復(fù)雜的程序讓人們打消了用這樣的實(shí)驗(yàn)整個(gè)代替人的目測的念頭。因此，非破壞性實(shí)驗(yàn)僅僅局限于精確的檢查。[1] 視覺對混凝土建筑物的檢查與檢查員只使用他們的肉眼觀察沿結(jié)構(gòu)表面走的裂縫的措施有關(guān)。由此可知，目測的主要缺點(diǎn)是不能保證一次迅速和完整的調(diào)查。為了解決這些問題，已經(jīng)研究出了各種各樣的使用圖象處理程序自動(dòng)檢查裂縫的方法，而且應(yīng)用到了實(shí)際的設(shè)施中，包括道路、橋梁、下水道等等。[2-6]
這項(xiàng)研究的特殊目的是要把一個(gè)裂縫察覺模件和移動(dòng)機(jī)器人的綜合系統(tǒng)應(yīng)用到隧道環(huán)境中。
類似的學(xué)科研究正在進(jìn)行并且發(fā)展著。Komatsu 工程公司已經(jīng)研究出并且使這個(gè)能通過一臺(tái)激光掃描設(shè)備獲得道路和隧道里層的圖像的一個(gè)圖像捕獲系統(tǒng)商品化。日本的鐵路技術(shù)研究院研究出了一個(gè)使用CCD照相機(jī)得到鐵路隧道里層圖象的系統(tǒng)。來自加拿大的一個(gè)道路設(shè)備集團(tuán)股份有限公司，已經(jīng)研究出一個(gè)由一臺(tái)超聲波傳感器、一臺(tái)陀螺傳感器和一架CCD照相機(jī)組成，能夠在80千米/小時(shí)速度下得到道路圖象的系統(tǒng)，并且這種系統(tǒng)已經(jīng)在市場上出售。[7]
這種系統(tǒng)對裂縫、滲漏、剝落和裂片圖象數(shù)據(jù)的收集非常有用；不過，他們不提供自動(dòng)的裂縫檢查系統(tǒng)。如果要對裂縫數(shù)據(jù)作出迅速和客觀的評估，裂縫檢查和測量就必須是全自動(dòng)化。
照相機(jī)和激光技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在獲得建筑物表面的檢查圖象上，但是激光掃描設(shè)備的費(fèi)用很昂貴；另外，它還有一個(gè)影響系統(tǒng)維護(hù)的發(fā)熱問題。這兩個(gè)問題使得它在各個(gè)領(lǐng)域的工作效力都很差。照像機(jī)掃描設(shè)備比激光設(shè)備成本更低，但是它在黑暗環(huán)境里有照明問題。因?yàn)橘M(fèi)用是在工程實(shí)施中考慮較多的一個(gè)因素，所以要更進(jìn)一步地研究表面圖像數(shù)據(jù)收集技術(shù)，這樣才能保證在低成本照相機(jī)的方法下，依然能夠保證混凝土結(jié)構(gòu)的高水平的安全。綜上所述，這項(xiàng)研究提議的在一個(gè)隧道里由一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人和一個(gè)裂縫察覺系統(tǒng)組成的自動(dòng)化表面裂縫檢查系統(tǒng)，將會(huì)比人工的檢查更節(jié)省資源，效率更高。
2、實(shí)驗(yàn)情況
在距觀察的墻壁有一段固定位移的情況下，移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在沒有檢查員幫助的情況下通過一臺(tái)CCD照相機(jī)獲得圖像數(shù)據(jù)。通過表格1提及的兩類照相機(jī)與表格2的比較描述了在這個(gè)研究系統(tǒng)中使用的CCD照相機(jī)的性能規(guī)格。
為了獲得更清晰的圖像，機(jī)器人采用了一臺(tái)高功率發(fā)光器、減震設(shè)備和一個(gè)以測量系統(tǒng)速度來控制CCD照相機(jī)的傳感器。為了獲得一個(gè)0.3毫米/象素的分辨率，系統(tǒng)可以以5千米/小時(shí)的速度運(yùn)行。
裂縫檢查系統(tǒng)由能測出裂縫的厚度、長度、方向的軟件組成，這些對一個(gè)結(jié)構(gòu)表面的檢查來說都是非常重要的因素。為了測試這個(gè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)在如圖1中所示在大樓和道路隧道內(nèi)進(jìn)行。
圖 1
3.檢查機(jī)器人系統(tǒng)
3.1.檢查
考慮到安全的因素，混凝土的結(jié)構(gòu)被分為裂縫，滲漏，裂片和其他屬性檢查； 不過，裂縫占有最重要的位置，因?yàn)樗钣绊懟炷恋臓顩r [8].
混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫起因于不完善的修葺、溫度迅速降低引起的收縮、熱脹冷縮引起的波動(dòng)、和擴(kuò)大的場地而帶來的額外負(fù)荷。
裂縫可被分為垂直，水平，剪切和復(fù)合幾類。 大約40%的裂縫是垂直的，11%是水平的，30%剪切，具體請參閱圖2。 [9].
圖2 裂縫的方向
3.2.系統(tǒng)配置
移動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)由視覺，機(jī)械，和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備組成。 這些設(shè)備儲(chǔ)存著混凝土結(jié)構(gòu)的表面圖像，使裂縫和非裂縫地區(qū)的分布狀態(tài)反差最大化和當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)移動(dòng)到和結(jié)構(gòu)平行時(shí)使噪音減到最小。
裂縫探測系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)從圖象數(shù)據(jù)中篩選并且計(jì)算出裂縫的數(shù)字化信息的軟件。這個(gè)軟件選出裂縫的長度，寬度和方向。假如需要精密地檢查這個(gè)結(jié)構(gòu)，裂縫探測系統(tǒng)可以提供幫助信息。
移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)由一臺(tái)CCD照像機(jī)，框架抓鉤，控制儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距設(shè)備，減震設(shè)備，發(fā)光器和測量元件的速度和位置編碼器；如圖3所示。為了計(jì)算結(jié)構(gòu)與機(jī)器人的距離，運(yùn)用速度和位置因素，可以使照像機(jī)在無人狀態(tài)下可以自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距。
3.3.移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)
機(jī)器人有兩個(gè)被自動(dòng)助推器獨(dú)立操作的輪子。 車輪的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖4。
在圖5中，M點(diǎn)是個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，它也是機(jī)器人的重心，也是坐標(biāo)的原點(diǎn)。假設(shè)認(rèn)為機(jī)器人的車輪能不斷前進(jìn)在一個(gè)沒有邊的表面上。通過做這個(gè)假定，以下的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可被獲得。
說明：(1)是大多數(shù)一般化的兩輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的函數(shù)。不過，前兩個(gè)公式有著不能完全結(jié)合的特征，所以很難控制機(jī)器人。那個(gè)控制點(diǎn)或者車輪連接機(jī)器人的點(diǎn)被距它們距離為d的M點(diǎn)分開。當(dāng)控制點(diǎn)設(shè)在機(jī)器人的中心時(shí)，也就是當(dāng)d=0，控制點(diǎn)不能被準(zhǔn)確連接。不過，當(dāng)d>0時(shí)，那些控制點(diǎn)就可以連接到O點(diǎn)。因此，d不能為零，但是一定要足夠允許那些控制點(diǎn)可以被設(shè)在M點(diǎn)的附近。
這項(xiàng)研究使用了02年出現(xiàn)的機(jī)載系統(tǒng)' GSMR '(指導(dǎo)型服務(wù)移動(dòng)機(jī)器人)的主要硬件和道路跟蹤算法。更多的細(xì)節(jié)數(shù)學(xué)方法在Ref里有解釋。[10].
4.裂縫檢查算法
4.1.理論算法
裂縫和非裂縫的地區(qū)通過他們對比各自的光反射率值來區(qū)分。從反射的圖像得到的資料會(huì)被用于裂縫察覺和物理測量算法。圖象處理的全部自動(dòng)化目前還是很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闇?zhǔn)確的結(jié)果很難在不確定的環(huán)境里獲得。因此，在這項(xiàng)研究過程中，整個(gè)裂縫察覺的半自動(dòng)化算法只能使用圖6中的方法實(shí)現(xiàn)。
雖然裂縫察覺系統(tǒng)的照明裝置不是很穩(wěn)定， 但是在裂縫和非裂縫的地區(qū)之間的一種亮度的差別可以用公式(2)的均衡作用達(dá)到。
式中，
sk 獲得使正常的灰色素值
n 像素個(gè)數(shù)
nj 含有j灰色素值的像素個(gè)數(shù)
k 輸入的灰色素
通過調(diào)和量算子我們可以從圖像中提出裂縫信息。如式(3)所示，算子已經(jīng)獲得了對裂口的定向。[11].
式中，
從圖7我們發(fā)現(xiàn)從第二個(gè)導(dǎo)數(shù)找零點(diǎn)比從第一個(gè)導(dǎo)數(shù)找最大點(diǎn)容易。
圖7 零交點(diǎn)的標(biāo)記剖面圖
另外，調(diào)和量算子是一個(gè)不變量，因此被獲得的裂口是一個(gè)封閉的曲線，這對得到一個(gè)包括裂縫裂口的區(qū)域是有利的。
作為第2步，因?yàn)檎{(diào)和量算子對噪音敏感，系統(tǒng)使用了剛性的高斯型曲線過濾器。
被發(fā)現(xiàn)的裂口形成了一個(gè)溝壑，這被定義為在兩裂口之間的一個(gè)最低點(diǎn)，參閱圖8。在8圖(a)顯示的一維外形被掃描產(chǎn)生朝裂口方向的二維圖，如圖8(b)。
圖8 裂口的定義.(a)谷的一維圖.(b)谷的二維圖.
當(dāng)下列條件滿足時(shí)，從一個(gè)裂縫裂口到另一個(gè)裂口的掃描將被終止。
首先，當(dāng)另一裂口被穿過時(shí)，最低點(diǎn)的位置被獲得并且儲(chǔ)存。然后裂縫的寬度就是從它的最低點(diǎn)到它的裂口。其次，如果當(dāng)前的象素的灰色度水平比任何其他裂口的高，掃描會(huì)停止。最后，當(dāng)掃描的長度比臨界值長時(shí)，掃描被停止。臨界值是在為一次非常有效率的計(jì)算作準(zhǔn)備因?yàn)樗苓^濾噪音，但是當(dāng)裂縫的寬度超過臨界值，這個(gè)裂縫的信息將被略過。
從圖像中提取出的裂縫信息應(yīng)該根據(jù)它們的連接的類型把它們歸類。在圖像里，一道裂縫就是一套象素。在這篇文章里，第一個(gè)搜索方法是歸類法，并且要標(biāo)記每個(gè)裂縫地區(qū)。[12]. 因?yàn)閳D像是不連續(xù)的，象素之間的連接可能是比較差的。尤其是給裂縫在相同的地區(qū)貼標(biāo)簽時(shí)會(huì)影響特征的計(jì)算。為了解決這個(gè)問題，把每部分的斜度計(jì)算結(jié)果與若干象素一起畫出一條直線。如果在他們之間的傾斜度變化很微小，它們就會(huì)被合并。
4.2.裂縫的圖像搜索法
利用所給的起點(diǎn)和終點(diǎn)，由圖像可以得到一張圖表，這幅圖像的邊界是通過最小二乘法估計(jì)得到。一幅圖像的象素是由一個(gè)象素的節(jié)點(diǎn)和8個(gè)附近的節(jié)點(diǎn)連結(jié)，使用圖6的方法可以找到最短的路徑[13].
圖9描述了一個(gè)使用上述方法的例子。
最小二乘法操作如下。
第一步：把所以從起點(diǎn)發(fā)散的節(jié)點(diǎn)輸入到一個(gè)隊(duì)列中，上述的節(jié)點(diǎn)指針被定義為nA。然后，計(jì)算發(fā)散節(jié)點(diǎn)的距離。
第二步：如果隊(duì)列是空的，那么結(jié)果就是錯(cuò)誤的。接著，找出最短的距離的那個(gè)節(jié)點(diǎn)nI并把它刪除掉。假如ni=nb，保留上述的指針在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和結(jié)果中。
第三步：假如對第二步的結(jié)果不滿意，增大節(jié)點(diǎn)ni并輸入所有的其它的節(jié)點(diǎn)到隊(duì)列中。然后，那上述的節(jié)點(diǎn)指針定義為ni并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，重復(fù)第二步。
這種算法總能找到最佳的數(shù)值.但是，許多節(jié)點(diǎn)的增大可能是因?yàn)楹瘮?shù)。為了提高效率，在每一個(gè)元件的長度一直保持在一個(gè)固定值時(shí)，常常采用不增大節(jié)點(diǎn)這個(gè)辦法。
4.3.裂縫的測量
并非全部預(yù)期的裂縫實(shí)際上都是真正的裂縫。引起混淆的因素主要包括建筑層，人為標(biāo)記，噪音或者一個(gè)污點(diǎn)。當(dāng)他們小得足以被認(rèn)為是噪音、不長和太窄、或者是太直時(shí)，潛在的錯(cuò)誤區(qū)域會(huì)被移除，人們常常認(rèn)為線性是建筑層的特征。
這篇文章把量子用于裂縫的長度，寬度和方向上。當(dāng)某個(gè)區(qū)域由裂口組成時(shí)，組成這個(gè)區(qū)域的點(diǎn)的寬度將會(huì)被計(jì)算。界外值尺寸會(huì)由中間過濾器的5段長度平均值得到。這是一個(gè)整數(shù)中間值。每個(gè)區(qū)域的寬度都可以用公式(4)計(jì)算。
裂縫的長度是根據(jù)圖像像素的數(shù)量來決定的。在計(jì)算后得每條對角線的長度為1.414，豎直和水平線都為1，真正的長度會(huì)被照像機(jī)校準(zhǔn)測量(圖10)。
圖10 裂縫的測量
5.實(shí)驗(yàn)
5.1.實(shí)驗(yàn)安裝
在室內(nèi)的一個(gè)墻壁結(jié)構(gòu)上我們做了一個(gè)試驗(yàn)。 車輪上安裝有一臺(tái)編碼器的一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)利用照相機(jī)獲得墻表面的圖像。機(jī)器人能和墻一直保持著一段恒定的距離。 如果移動(dòng)的機(jī)器人不能和墻保持著一段恒定的距離， 圖像將仍能夠保持對準(zhǔn)焦點(diǎn)，因?yàn)槲覀兪褂昧艘慌_(tái)能自動(dòng)調(diào)節(jié)的激光距離傳感器。為了防止振動(dòng)從地板傳到照相機(jī)上，裝載照相機(jī)的這塊平板被鋼絲繩拴的很穩(wěn)定。圖11就是機(jī)器人室內(nèi)的使用安裝情況。
圖12 描述了圖象處理軟件。裂縫信息顯示在軟件的右邊。圖13顯示了照相機(jī)校準(zhǔn)的菜單，把輸入的每個(gè)象素之間的距離轉(zhuǎn)變成毫米，然后這個(gè)數(shù)據(jù)就被系統(tǒng)獲得。照相機(jī)的校驗(yàn)是在一個(gè)表面上有黑色的小圓點(diǎn)的盤子上進(jìn)行的；他們被間隔5mm地分開。圖14顯示的是一張覆蓋在一幅獲得的圖像和一些被選出的補(bǔ)償點(diǎn)上的圖片。
圖11 建筑物里的設(shè)備安裝
圖12 裂縫檢查的軟件系統(tǒng)
圖13 繪圖數(shù)據(jù)窗口
圖14 套圖塑料膜
5.2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖15顯示的是從室內(nèi)的結(jié)構(gòu)獲得的這幅圖像，發(fā)現(xiàn)的裂縫則會(huì)顯示在圖16中。在圖15的右邊顯示的兩條垂直的線是嵌入在結(jié)構(gòu)里的槽溝。因此，這些直線在它們被分辨出后將會(huì)被除去。顯示在圖15的右邊的直線會(huì)被排除，因?yàn)槟切┚€不是真正的裂縫。
圖17和18顯示的是被處理后的圖像數(shù)據(jù)和被選出的裂縫。
因?yàn)殍F棒的終點(diǎn)線正好足夠長，但是改成某些形狀后，他們就不會(huì)被認(rèn)為是裂縫了。
為了通過人眼的辨別率，系統(tǒng)通過圖畫來顯示結(jié)果。裂縫則使垂直，水平，和斜的校正方向，以及它們的長度，寬度，起點(diǎn)和終點(diǎn)來表達(dá)。這篇文章里我們推薦這個(gè)裂縫檢查系統(tǒng)，雖然它比較依賴操作環(huán)境的狀況，有一個(gè)75-85%的總出錯(cuò)率。但是它認(rèn)出的裂縫的測量誤差是10%或更少。
圖19 描述一堵地鐵內(nèi)側(cè)隧道墻的圖像。使用我們的系統(tǒng)，這幅圖像將會(huì)經(jīng)過圖20的判別環(huán)節(jié)后被選出。
這個(gè)結(jié)果說明被提議的系統(tǒng)能夠識別裂縫甚至當(dāng)它們不是足夠長，在形狀上很明顯需要更多的試驗(yàn)，包括裂片等等。
6.結(jié)論
這篇文章提出使用圖象處理程序來避免人的檢查失誤的一個(gè)結(jié)構(gòu)裂縫檢查系統(tǒng)，這些檢查失誤包括裂縫的錯(cuò)誤判別，效率低，主觀性大和數(shù)據(jù)管理效率低。系統(tǒng)在室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置已經(jīng)被證實(shí)，包括一個(gè)室內(nèi)的建筑物，一條道路隧道和一條地鐵隧道。即使用先進(jìn)的察覺方法，裂縫和非裂縫的錯(cuò)誤的識別仍然存在。因此，考慮到要把錯(cuò)誤的點(diǎn)去掉，半自動(dòng)化系統(tǒng)用圖像搜索的方法才能確保如此，這種方法要求用戶輸入每個(gè)裂縫的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
為了得到一個(gè)實(shí)用的系統(tǒng)，我們一定要加強(qiáng)對裂縫特性的深度和完全自動(dòng)化的算法的研究。希望這篇文章能鼓勵(lì)這樣的研究繼續(xù)下去。
附件2：外文原文（復(fù)印件）
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