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摘要：针对瓷砖掉落的风险设计了一台基于红外热成像技术集成无人机来检测瓷砖空鼓现象。该设备采用人机交互的方式对设备进行控制操作，当操控者输入地点方位坐标无人机启动，到指定位置对目标进行检测，将检测数据传回终端进行图片分析与处理。在SolidWorks上建立设备三维建模运用仿真软件模拟检测过程。设备由无人机、红外相机、图传系统模块、数据储存模块、移动电源大部分组成，可编程逻辑控制器（单片机）为控制系统，设计了该控制系统的框架，确立了控制系统的硬件组成，基于C语言编写了无人机的控制系统包括无人机自动巡检、精准定位等程序，无人机的检测控制可汇集于一台手机。研究结果表明，所设计的装置结构合理、功能完善、性能稳定，降低了检测过程的危险性，提高了检测的工作效率。
关键词：瓷砖检测设备；控制系统；可编程逻辑控制器；人机控制
0引言
近年来，建筑外墙饰面脱落造成行人伤亡的事件屡有发生，其首要原因是粘贴壁面存在空鼓隐患[1]。空鼓现象经常发生在建筑物内、外墙面上，主要由建筑材料、操作方法、施工养护等原因造成，多年风化也会使一些年代久远的历史建筑出现空鼓[2]。外墙饰面空鼓使得壁面结构老化松动，严重时可直接导致饰面材料脱离坠落，给过往行人的人身安全带来严重威胁[3]。
通过行业调研数据分析可知，如今检测空鼓的方法仍以人工为主。传统的检测外墙砖空鼓试验方法（如目测、敲击等），通过在高楼层安装固定安全绳索，工作人员悬挂或采用脚手架或吊车在大楼的外面，逐块检测瓷砖，判断是否存在空鼓隐患，有则做上标记。这种方法对工作人员和下方的行人都有着巨大的安全隐患，稍不注意的话就会发生事故。人工操作存在费用高、效率低、周期长、影响建筑正常使用、空鼓墙面难以判断、检测面积受限且高处检测危险性高等缺点。因此，有必要寻找一种具备高效、无损、安全、可高空作业特点的检测方式。红外热像法[4]作是一种比较先进的检测建筑外墙缺陷的无损检测方法。同时，使用无人机基于红外热成像与机器视觉系统可以较高效率地检测外墙空鼓缺陷[5]。近年来，红外热像法在建筑外墙饰面砖黏结质量缺陷检测中的应用较为普遍。其优点有（1）不需要脚手架；（2）检测结果直观；（3）可进行快速、非接触、大面积普查，做到高精度、高效率的全面侦察检测。
冯力强等[6]采用红外热像法对外墙瓷砖空鼓缺陷进行试验检测，分析了空鼓面积、深度、外墙砖颜色及红外相机拍摄角度等因素对成像效果的影响，并提出估算内部缺陷面积的方法和估算公式。蔺颇等[7]对红外热像法的工作原理、应用范围等方面进行了论述，并通过试验得出空鼓面积、厚度以及墙砖颜色等对成像效果的影响;本设备在此基础上设备搭载红外热成像摄像头，能够精准地识别建筑外墙瓷砖空鼓区域，利用机器视觉技术[8]，根据红外热成像摄像头拍到的图像中提取*息，进行处理并加以理解。并解决高空检测作业危险。
基于以上现状得出以下痛点进行分析本研究提出采用无人机基于红外热成像与机器视觉系统对外墙砖空鼓缺陷进行试验检测。
1总体结构设计
1.1机械结构及功能
国内新型建筑外墙检测领航者的整体结构由无人机模块、红外摄像头模块、图传系统模块以及普通摄像头模块4大部分组成，其结构组成及正视图如图1所示。
（1）无人机模块
本模块搭载了普通摄像头模块、红外线摄像头模块、图传系统模块，实现建筑外墙快速检测，根据预设数字地图[9]，通过GPS/INS组合导航系统，计算出最优或次最优的飞行轨迹，利用无人机对建筑外墙瓷砖进行快速检测。
（2）红外摄像头模块
本模块的主要功能是运用红外热成像技术，探测精准识别大楼上存在的瓷砖空鼓的问题，再精准地标识出来，再进行反馈。
高分辨率图像获取：与传统的可见光摄像头相比，红外摄像头在低光照条件下能获取更清晰、更具体的图像，这对于识别和分析瓷砖的*小变化非常有利。
集成与自动化：红外摄像头模块可以与运动系统、控制系统和其他传感器集成，形成一个自动化的检测装置。这有助于提高检测的效率和准确性，降低人工干预的需要。
（3）图传系统模块
本模块的主要功能是人工智能与互联网技术智能分析数据[10-11]，手机App智能显示结果。
基于人工智能和互联网技术，对检测结果进行智能分析，显示于终端。再通过终端数据经处理反馈的*号显示于客户端，客户只需下载手机App，在App内与对应的无人机进行连接与数据传输，即可查看检测结果，并精确地分析标记所检测出不合格的瓷砖进行标记反馈*号。
（4）普通摄像头模块[12]
本模块的主要功能是搭载摄像头检测潜在高空风险，对于大楼边缘上存在花瓶等有坠落等风险的物体，或对下面的人员的安全产生威胁的情况，摄像头检测之后统一标记提醒，以此降低事故发生可能性，对楼下的行人安全有保障，不再担心花盆等潜在高空炸弹。
（5）机架模块[13]
无人机的机架模块是整个无人机的承载部分，需要承载无人机的全部设备，包括飞行控制器、电调、电机、螺旋桨、接收机、电池、电源等等，本模块的主要功能是提升气动性能和飞行稳定性，机架的设计对无人机的飞行性能和稳定性有着重要影响，本机架设计可以减小阻力、提高升力和操控性能，提升无人机的飞行效能和飞行品质。
（6）电池模块
本模块的主要功能是为无人机持续提供电能用来为无人机上的硬件提供续航的动力，使其能够起飞、飞行和降落，实现无人机上各模块的工作，无人机电池模块的容量越大，续航时间就越长，在做到续航时间长的同时电池采用轻量化设计，以免增加无人机上升的压力，配备电池管理系统（BMS）[14]，用于监测和管理电池的状态、健康状况以及电池参数（如电压、电流、温度等）。BMS确保电池的安全运行，并提供对电池的充电、放电和保护功能。
1.2控制系统工作流程
本装置总体由无人机、红外摄像头、图传系统、普通摄像头组成。检测开始前，设备先通电，待上电初始化完成后，工作人员试运行无人机，确认无误后，按下启动无人机按钮。
根据预设数字地图，通过GPS/INS组合导航系统，计算出最优或次最优的飞行轨迹，无人机开始准备工作，首先无人机飞升至指定高度，其次启动红外摄像头，精准地识别建筑外墙瓷砖空鼓区域，同时启动普通摄像头，让高空威胁无处可藏。基于人工智能和互联网技术，对检测结果进行智能分析，显示于终端。终端数据经处理显示于客户端，客户下载手机APP查看检测结果，为人民安全保驾护航。
检测完毕后，操作无人机安全落地，保存相关检测数据，完成整个检测操作过程。
2系统控制要求
为保证系统的安全运行，有如下控制要求。
（1）异常报警：在系统运行过程中，如果出现检测超过单片机内部程序设定的最长时间，检测异常后，传递*号给系统，系统检测到*号后控制无人机安全降落[15]，并控制触摸屏进行报警，人工排除异常后，先点击初始化按键，后点击启动按键即可使系统重新开始正常运行。
（2）急停处理[16]：为保证人员安全，当设备出现紧急情况时，需要立即点击紧急停止按钮实现紧急停止运行，确保相关设备工作区域内人员安全，当紧急情况处理完毕后，可点击复位初始化按钮使各执行机构回归原位，重新开始正常运行。
3控制系统设计
3.1控制系统的组成
本控制系统的主要任务是根据互联网技术智能传输系统以及产品功能选择从而快速接受无人机红外热成像的摄影画面以及功能切换，逻辑控制器（单片机）作为控制系统，设计了该控制系统的框架，确立了控制系统的硬件组成其主要包括快速检测功能、精准识别功能、智能展示功能等
3.2硬件选型
设计一种新型高层建筑外立面瓷砖检测装置的硬件选型需要考虑多个因素，包括检测精度、检测范围、耐用性、成本以及易用性等。关键硬件组件的选型如下。
（1）传感器：为了检测瓷砖的表面状况，可以选择高精度的激光位移传感器或光电传感器。这些传感器能够非接触地测量瓷砖表面的细*变化，为后续的分析提供数据。
（2）摄像头与图像处理单元：高清摄像头能够捕捉到建筑外立面的细节，而图像处理单元（如GPU）则用于快速处理和分析这些图像，以便检测瓷砖的损伤、裂纹或其他缺陷。
（3）运动系统：为了从各个角度检测建筑外立面的瓷砖，可能需要一个或多个运动系统，如伺服电机驱动的云台或机器人臂[17]。这些运动系统需要具备高精度和高稳定性，以确保检测的准确性。
（4）控制系统：中央处理器（CPU）是整个检测装置的大脑，负责协调各个硬件组件的工作，处理和存储数据，以及控制检测流程。为了保证实时性和准确性，应选择高性能的CPU。
（5）电源与存储：为了保证装置的连续工作，应选择可靠的电源供应系统，如可充电锂电池或太阳能电池板。同时，为了存储大量的图像和数据，需要配置大容量的存储设备。
（6）模块：为了实现远程控制和数据传输，可以选择合适的通*模块，如WiFi、蓝牙或4G/5G模块。
在选择硬件时，还需要考虑实际应用场景和环境条件，例如建筑的高度、气候条件、安全要求等。此外，为了确保装置的可靠性和耐用性，建议进行严格的环境测试和性能验证。
根据分析整个产品运行原理，无人机自动巡检的流程，可知无人机要快速检测建筑物外墙，既要精准识别出外墙空鼓区域，利用机器视觉技术，根据红外热成像摄像头拍到的图像中提取*息，进行处理并加以理解。又要将检测结果进行智能分析，显示于终端，终端数据再经处理显示于客户端，二者之间需要强大的处理运算能力，由于树莓派（Raspberry Pi）是一款基于ARM的*型电脑主板，专门为学习计算机编程而设计，其具有所有PC的基本功能，广泛应用在各种工业场景，应用包括物联网、工业自动化、智能农业、人工智能、新能源等。因此，本系统控制器采用深圳韵动的红版树莓派来实现对建筑物外墙的实时监测以及对客户对检测结果的便捷查询，完全满足减轻检测人员工作强度以及提高建筑物外墙空鼓区域的检测效率。
3.3控制软件编程
根据系统控制要求，设计本系统控制软件流程图如图7所示，采用顺序控制设计进行直观流程图编程，设备可根据其内部状态，在输入*号执行时，使各个执行机构按动作执行的先后次序自动依次进行工作。
本装置的C语言软件设计采用编程软件，在定义好程序目标和设计程序后进行编程。基于C语言编写了无人机的控制系统包括无人机自动巡检[18]、精准定位等程序，确保快速检测功能、精准识别功能、智能展示功能等功能运作[19]。
4设备测试验证
4.1设备运行测试
本设备属于智能检测器械，主要用于建筑外立墙面的检测，在实际投入之前需要大量验证其安全性，通过设备运行过程中可能会出现的问题，进行了对飞行高度调节如表1所示，全方位扫描完整度测试表如表2所示，功能切换测试表如表3所示。
本设备在户外场景某小区环境下共进行了10次模拟运行测试，总计高度调节的效率为99%，过程中设备稳固。共实行300次功能切换测试，成功切换次数294次，成功率为98%。并且由实验数据可知，每一轮扫描完整度率均在95%以上，模拟运行数据比较理想，能够满足设备设计要求（要求成功率>95%）。从图示模拟运行数据分析可知，本设备总体运行安全、稳定，可靠性较好，能够较好地完成外立墙面的检测作业。
4.2效率改善对比
通过传统检测方式与本设备进行分析比较可知，使用本设备比传统检测方式更加准确，也帮助工人们能安全地进行检测作业，成功实现了使用方便，操作简单，安全。
5结束语
高空坠物事故频频发生，尤其是瓷砖脱落事故突发率逐年增长，给居民生活带来很大的安全隐患。本文围绕此问题，针对传统人工检测危险性高、工作量大、检测困难、检测效率低等一系列问题，创新性地提出无人机+红外传感系统，通过快速检测、精准识别、智能展示三大核心技术实现高层建筑外立面瓷砖自动化、智能化检测。根据实验检测数据表明，本设备检测过程稳定、高效、精准。解决了高层建筑外立面瓷砖检测的痛点。作为一种无损、高效、智能的检测设备，本设备具有广泛的应用前景和潜力，很大程度上提前阻止了因瓷砖空鼓而导致的事故发生和高空边缘存在对楼下行人造成的威胁，更进一步地方便了对高楼瓷砖的检测和对人民安全的保障。随着技术的不断进步和应用需求的增加，本设备将会在后续不断改进更新迭代，经过不断改良让本设备变得完善，运作功能更接近自动化，飞行功能更加稳定、迅速，无人机的红外摄像头模块、图传系统模块，和普通摄像头模块的检测功能更加精准识别并标记，无人机本身的机架模块更加稳定、轻量化，无人机的电池模块续航更加持久，电池本身更轻。相*本设备将会在未来得到更加广泛地应用和推广。
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一种新型高层建筑外立面瓷砖检测装置的设计论文
人参与 2024-11-01 11:42:47 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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