一种基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统的制作方法

本发明属于土木工程中的隧道修复领域，涉及隧道裂缝的修复，具体是一种基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统。

背景技术：

随着我国经济的发展，综合国力的日益增强，交通建设得到迅速的发展，而我国山地众多，工程建设中经常需要修建大量的隧道，在长时间使用后，隧道衬砌会出现裂缝等常见的病害，如果不采取有效的对策，将严重影响隧道的通行安全。目前，国内对隧道裂缝的修复主要依靠人工修复，一般需要有着丰富经验的技术人员来实施，效率低且可靠度差。特别是在对隧道顶部进行修复时，一般要利用升降台帮助技术人员进行近距离修复，从而需要封闭交通，不仅费时费力而且安全性差。总的来说，目前的隧道裂缝修复技术还十分落后，急需研发价格低、效率高、精度高、不影响交通的隧道裂缝修复设备和方法。

裂缝表面修复法是一种较常见的修补方法，它主要基于向裂缝内灌注修复材料达到修复裂缝的目的，适用于对结构承载力没有影响的表面裂缝的处理。与其它修复方法相比较，表面修复法具有操作简便、适应性高、成本较低的优点。

技术实现要素：

为了克服现有隧道修复方法需要封闭交通且成本高、效率低的不足，本发明提供了一种无需封闭交通、成本较低、效率较高的基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统，所述隧道裂缝修复系统包括：

用于附在隧道衬砌表面，并按设定路径移动的贴壁式无人机；

用于对无人机进行导航的GPS/INS组合导航模块；

用于与地面工作站双向通信，接受工作站的指令信号，并把定位信号、检测信号传给工作站的机载通信及传输模块；

用于控制无人机移动的运动控制器；

用于确认裂缝位置并监控灌注过程的摄像装置；

用于修复隧道衬砌裂缝的修复模块；

用于对贴壁式无人机导航路径进行设计和控制，并能接收、分析和显示无人机传回的检测数据的地面工作站；

所述GPS/INS组合导航模块、车载通信及传输模块、运动控制器、摄像装置和修复模块均安装在所述贴壁式无人机上。

进一步，所述贴壁式无人机包括旋翼、台架和车轮，所述车辆安装在台架底部，所述台架顶部安装所述旋翼，所述台架上放置所述GPS/INS组合导航模块、车载通信及传输模块、运动控制器、摄像装置和超声波检测模块。

再进一步，所述车轮与台架的连接处有转向机构。

所述的GPS/INS组合导航模块由GPS和INS耦合实现组合导航定位，内部封装GPS模块和IMU模块，能在隧道内无信号的环境下进行自主导航，在接受到GPS信号时进行误差分析和调整。

所述摄像装置包括两个带光源的摄像头，用于确认裂缝的位置并监控灌注过程。

所述的修复模块包括压缩空气罐、活塞、灌注装置及伸缩弹簧，所述压缩空气罐安装在固定支座上，在伸缩弹簧作用下灌注装置紧贴裂缝处；在不进行灌注时，伸缩弹簧缩进提起灌注装置使其离开衬砌表面；所述压缩空气罐的出气口处有控制阀并通过软管进入填充材料罐并推动其中的活塞；滚筒通过连杆与车体连接，所述滚筒中设有电热丝。

本发明的技术构思为：近几年来，无人机因其成本低，效费比好，机动性能好，使用方便等特点在各个工程领域中得到了广泛运用。本发明拟基于无人机进行创新性的优化改造，结合隧道衬砌裂缝表面修复的原理，为隧道维护管理提供一种新方法。

本发明的有益效果主要表现在：

1)基于贴壁式无人机的隧道衬砌损伤检测系统，在修复时无需封闭隧道，不影响正常的交通。

2)采用GPS/INS组合导航，隧道出入口有GPS信号处，利用GPS导航修正INS导航误差，实现隧道内的自主巡航。

3)修复时无人机通过轮子紧贴隧道表面，能增加修复的平稳度，保障修复效果。

4)摄像机近距离拍摄裂缝图像，能够分辨出开度大于0.01mm的微小裂缝，并能够监控灌注装置的位置，通过工作站对无人机进行遥控来修复裂缝。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的下部仰视图；

图3是本发明的正视图；

图4是本发明的上部俯视图；

图5是本发明的侧视图；

图6是本发明的惯性导航结构图；

图7是本发明的系统示意图；

图1-6中，1-旋翼；2-台架；3-车轮；4-悬臂；5-伺服电机；6-旋翼保护罩；7-转向装置；8-GPS/INS(全球定位系统/惯性导航系统)组合导航模块；9-运动控制器；10-通信及传输模块；11-摄像机；12-光源；13-空气压缩罐；14-支座；15-软管；16-活塞；17-扣带；18-灌注装置；19-伸缩弹簧；20-滚筒；21-连杆；22-电池；图7中，23-地面工作站；24-移动式电源；25-信号接收器；26-电脑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统，其特征在于，包括能够吸附在隧道衬砌表面，并按设定路径移动的贴壁式无人机；用于对无人机进行导航的GPS/INS组合导航模块；控制无人机移动的运动控制器；机载通信及传输模块；确认裂缝位置并监控灌注过程的摄像装置；修复隧道衬砌裂缝的修复模块；能够对贴壁式无人机导航路径进行设计和控制，并能接受、分析和显示无人机传回的检测数据的地面工作站。

所述的贴壁式无人机包括旋翼、台架和车轮，所述台架上放置修复装置和监控设备。

所述的贴壁式无人机采用旋翼提供反向推力，让无人机紧贴于衬砌表面。所述旋翼可偏转方向，从而提供前进、后退及转向的动力。

所述的贴壁式无人机的车轮与台架的连接处有转向机构，可灵活的实现转向。

所述的GPS/INS组合导航模块由GPS和INS耦合实现组合导航定位，内部封装GPS模块和IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)模块，能在隧道内无信号的环境下进行自主导航，并能在接受到GPS信号时进行误差分析和调整。

所述的通信及传输模块与地面工作站双向通信，接受工作站的指令信号，并把定位信号、检测信号传给工作站。

所述的运动控制器通过通信及传输模块接受地面工作站的指令后，通过电机控制无人机的运动。

所述的摄像装置包括两个带光源的摄像头，用于确认裂缝的位置并监控灌注过程。

所述的隧道裂缝修复模块包括压缩空气罐、活塞、灌注装置及伸缩弹簧，用于对隧道裂缝的灌注，并使用加热的滚筒压平灌注后的衬砌表面。

如图1-5所示，所述贴壁式无人机包括旋翼(1)、台架(2)和车轮(3)。为了减轻车体的重量，加大有效载重，旋翼(1)、台架(2)和车轮(3)均采用碳纤维复合材料。悬臂(4)上安装伺服电机(5)并与台架(2)相连接；伺服电机(5)将电信号转化成转矩和转速；旋翼(1)产生垂直于墙面的反向推力使无人机吸附在检测面上；旋翼(1)可转动一定角度，推动无人机前后左右移动；四个旋翼(1)的转速保持一致，能使无人机匀速地运动；旋翼保护罩(6)能够保护旋翼(1)免受损伤。台架(2)上能安装修复装置和控制装置。车轮(3)与台架(2)的连接处有转向装置(7)；所述转向装置(7)，包括转向传动轴、齿轮和齿条；转向时，转向传动轴带动小齿轮转动，小齿轮与齿条啮合，带动齿条左右直线运动，可以推动车轮(3)左右转动，从而实现转向功能。本实例选择的是四旋翼结构，在实际使用中可根据具体重量和尺寸选择合适的旋翼结构，例如六旋翼结构。

所述的GPS/INS组合导航模块(8)，包括GPS模块和IMU模块。如图6所示，GPS模块是一个集成电路，能接受卫星的定位信号，定位出无人机的位置；IMU惯性测量模块是由三个陀螺和三个加速度计组成的参数解算系统，基于陀螺的输出值，可以得到无人机在导航坐标系中的位置，同时基于加速度计的输出值，可以解算出车体的速度和位置。在本实施方案中，选用加拿大NovAtel公司生产的SPAN-IGM-A1组合导航模块控制导航。

所述的通信及传输模块(10)，包括编码模块和高频发射接受模块。能与地面工作站(24)双向通信，接受工作站的指令信号，并把定位信号、检测信号传给工作站(24)。

所述的运动控制器(9)，由一块单机片组成。是控制伺服电机(5)运行的专用控制器，能够控制伺服电机的转矩和转速从而达到控制无人机移动的目的。

所述的摄像装置，包括摄像机(11)和光源(12)。摄像机可选择100万像素以上，实现每秒50帧以上全画幅摄像的型号，由于距离衬砌表面很近，得到的图像可以分辨出开度大于0.01mm的裂隙；通过光源(12)能提供充足光照，帮助高清相机(11)拍摄出清晰的裂缝图像；两台摄像机(11)检测得出的图像通过传输模块(10)传送到地面工作站(25)中进行处理；操作人员可根据实时的图像遥控车体，保证灌注装置(18)对准裂缝。

如图5所示，所述的修复模块，包括压缩空气罐(13)、填充材料罐(16)、灌注装置(18)及伸缩弹簧(19)。压缩空气罐(13)安装在固定支座(14)上，用扣带(17)扣紧，防止压缩空气罐(13)脱落；在伸缩弹簧(19)作用下，灌注装置(18)紧贴裂缝处，在遇到表面起伏时可提供缓冲，以保护装置；在不进行灌注时，伸缩弹簧(19)缩进，提起灌注装置(18)使其离开衬砌表面，便于无人机移动；压缩空气罐(13)的出气口处有控制阀，当控制阀打开时，压缩空气流过软管(15)进入填充材料罐(16)并推动其中的活塞，通过灌注装置(18)将填充材料灌注到裂缝中。滚筒(20)通过连杆(21)与车体连接，滚筒(20)中的电热丝给滚筒(20)加热至一定温度后，对刚灌注完填充材料的裂隙表面进行压平。压缩空气罐(13)可反复注气，填充材料罐(16)可反复注入填充材料，车体电池(22)可反复充电并快速更换。本实例中修复材料选用环氧石英砂浆。

伺服电机(5)、通信及传输模块(10)、GPS/INS(全球定位系统/惯性导航系统)组合导航模块(8)、摄像机(11)以及光源(12)的供电均由电池(22)提供。无人机的电量情况受到地面工作站的监控，当电池(22)的电量不足以维持无人机贴壁行进时，地面工作站(24)发出信号，运动控制器(9)会控制无人机从隧道表面移动到地面，防止摔落。

如图7所示，所述的地面工作站(24)，包括电脑(27)、移动式电源(25)和信号收发器(26)。信号收发器(26)能够接受摄像机(11)拍摄的图像，并能够发射导航检测指令，控制无人机的修复路径；无人机可按照事先输入的裂缝三维坐标地址自行运行到裂缝处；电脑(27)能够储存数据，便于后期分析处理；电脑(27)内的数据处理软件能对接收的修复数据进行处理，生成直观的隧道表面裂缝分布和修复图；电脑(27)的显示器能把修复结果直观的展现出来，并能够实时显示摄像头拍摄的图像，便于监控灌注的位置；移动式电源(25)可以为电脑(27)和信号收发器(26)提供电力，在无人机电池缺电时可对电池充电。