一种基于贴壁式检测车的隧道衬砌裂缝超声波检测系统的制作方法

本发明属于土木工程中的隧道检测领域，涉及隧道衬砌裂缝检测，具体是一种基于贴壁式检测车的隧道衬砌裂缝超声波检测系统。

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、空洞等常见的病害，如果不采取有效的对策，将严重影响隧道的通行安全。目前，国内对隧道衬砌裂缝的检测主要依靠人工检测，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，技术人员之间的检测结果经常出现不一致的情况。特别是在对隧道顶部进行检测时，一般要利用升降台帮助技术人员进行近距离观察，从而需要封闭交通，不仅费时费力而且安全性差。

近年来出现了运用检测车对隧道进行自动检测的方法，但检测车的价格十分昂贵，普及十分困难；检测车上装载的摄像头离衬砌还有一定的距离，得到的图像只能分辨出开度较大的裂缝(一般大于0.2mm)，还无法做到和人工检测同样的近距离观测，对衬砌内部的裂缝则无法有效探测。

总的来说，目前的隧道衬砌检测技术还十分落后，急需研发价格低、效率高、精度高、不影响交通的隧道衬砌检测设备和方法。

用超声波研究物体内部结构的方法开始于上世纪三十年代，如今超声波检测已经发展成为工业检测中应用最为广泛的方法之一。超声波检测有着适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、成本较低等特点。在隧道检测中，超声波检测与其他一些检测手段相比能较好的检测出裂缝的深度和分布。但现有的常规检测方法仍然需要人工进行，存在着效率低、成本高等问题。

技术实现要素：

为了克服现有隧道衬砌检测方法需要封闭交通且成本高、精度低的不足，本发明提供了一种无需封闭交通、成本较低、精度较高的基于贴壁式检测车的隧道衬砌裂缝超声波检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于贴壁式检测车的隧道衬砌裂缝超声波检测系统，所述超声波检测系统包括：

用于附在隧道衬砌表面，并按设定路径移动的贴壁式检测车；

用于对检测车进行导航的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车载通信及传输模块；

用于控制检测车移动的运动控制器；

用于拍摄衬砌表面图像的摄像装置；

用于探测衬砌表面及内部裂缝的超声波检测模块；

用于对贴壁式检测车导航路径进行设计和控制，并能接收、分析和显示检测车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、摄像装置和超声波检测模块均安装在所述贴壁式检测车上。

进一步，所述贴壁式检测车包括旋翼、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。

更进一步，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，用于对衬砌表面进行高清摄像。

所述的超声波检测模块包括超声波传感器、支架和保护装置，用于检测裂缝的深度和分布；所述超声波传感器采用直探头构造，可发射和接受纵波；在超声波传感器的探头处通过支架后倾斜式地连接一个球形保护装置。

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，结合超声波检测原理，为隧道检测提供一种新方法。

本发明的有益效果主要表现在：

1)基于贴壁式检测车的隧道衬砌裂缝检测系统，在检测时无需封闭隧道，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)检测时检测车通过轮子紧贴隧道表面，能增加检测的平稳度，提高检测精度。

4)高清相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，利用超声波检测系统能检测出衬砌内部裂缝的深度和分布；两者相结合可以得到从表面到内部的高精度裂缝分布数据。

5)利用导航系统，每一个点的摄影图像及超声波探测结果都含有坐标信息，在后期处理时可以通过数据拼接得到整个隧道衬砌表面的三维损伤信息。

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是本发明的超声波传感器图；

图8是本发明的系统示意图；

图1-5及图8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-转向机构；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-高清相机；12-光源；13-超声波传感器；14-支架；15-球形保护装置；16-电池；17-地面工作站；18-电脑；19-信号收发器；20-移动式电源。

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8，一种基于贴壁式检测车的隧道衬砌裂缝超声波检测系统，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检测车；用于对检测车进行导航的GPS/INS组合导航模块；控制检测车移动的运动控制器；车载通信及传输模块；拍摄衬砌表面图像的摄像装置；探测衬砌表面及内部裂缝的超声波检测模块；能够对贴壁式检测车导航路径进行设计和控制，并能接受、分析和显示检测车传回的检测数据的地面工作站。

所述的贴壁式检测车包括旋翼、台架和车轮，所述台架上放置衬砌裂缝的相关检测装置和控制设备。

所述的贴壁式检测车采用旋翼提供反向推力，让检测车紧贴于衬砌表面。所述旋翼可偏转方向，从而提供前进、后退及转向的动力。

所述的贴壁式检测车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，通过电机控制检测车的运动。

所述的摄像装置包括两个带光源的摄像头，用于对衬砌表面进行

高清摄像。

所述的超声波检测模块包括超声波传感器、支架和保护装置，用于检测裂缝的深度和分布；所述超声波传感器采用直探头构造，可发射和接受纵波。

如图1-5所示，所述贴壁式检测车包括旋翼(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检测车吸附在检测面上；旋翼(1)可转动一定角度，推动检测车前后左右移动；四个旋翼(1)的转速保持一致，能使检测车匀速地运动；旋翼保护罩(6)能够保护旋翼(1)免受损伤。台架(2)上能安装检测装置和控制装置。车轮(3)与台架(2)的连接处有转向装置(7)。所述转向机构(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，定位出检测车的位置；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，可以得到检测车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(17)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(17)。

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检测车移动的目的。

所述的摄像装置，包括高清相机(11)和光源(12)。高清相机可选择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；两台相机得到的图像后期可在电脑中实现拼接；检测得出的图像和波形通过传输模块传(10)传送到地面工作站(17)中进行处理。

如图7所示，所述的超声波检测模块，包括超声波传感器(13)、支架(14)、球形保护装置(15)。超声波传感器(13)采用直探头构造，在沿隧道延伸方向前行时，可发射和接受纵波；为了防止探头磨损，在探头处通过支架(14)后倾斜式地连接一个球形保护装置(15)，在检测车行驶过程中遇到凸起部分弹簧能起到缓冲作用，从而保护球形保护装置(15)；超声波装置可以对衬砌内部裂隙的深度和分布进行有效检测，如选择T/R40-16封闭式一体超声波传感器，可探测衬砌内部0-0.5m深的裂缝。

伺服电机(5)、通信及传输模块(10)、GPS/INS组合导航模块(8)、超声波传感器(13)、高清相机(11)以及光源(12)的供电均由电池(16)提供。检测车的电量情况受到地面工作站(17)的监控，当电池(16)的电量不足以维持检测车贴壁行进时，地面工作站(17)发出信号，运动控制器(9)会控制检测车从隧道表面移动到地面，防止摔落。

如图8所示，所述的地面工作站(17)，包括电脑(18)、信号收发器(19)和移动式电源(20)。信号收发器(19)能够接受超声波传感器(13)和高清相机(11)的检测数据，并能能够发射导航检测指令，控制检测车的检测路径；电脑(18)能够储存检测数据，方便后期分析处理；电脑(18)内的数据处理软件能对接收的检测数据进行处理，生成直观的隧道表面三维损伤图；电脑(18)的显示器能把检测结果直观的展现出来，并能够实时显示摄像头拍摄的图像，便于监测和控制；移动式电源(20)可以为电脑(18)、信号收发器(19)提供电力，在检测车电池缺电时可对电池充电。