地铁隧道巡检机器人的巡检系统的制作方法

本发明实施例涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种地铁隧道巡检机器人的巡检系统。

背景技术：

随着经济的快速发展，城市化进程不断加快，城市交通需求的总量也在急剧增长，城市交通运输矛盾日益突出。与传统的地面交通模式相比，地铁作为城市交通的重要工具，具有运量大、速度快、准时、方便、节能环保等优点，在改善城市交通环境方面发挥着越来越大的作用，在许多城市得到广泛应用。为了对地铁隧道进行巡检，目前在隧道内主要依靠人工进行巡检以及仪器巡检，即依靠人眼检测以及人工仪器检测。这两种方法的优点是技术成熟可靠，但同时存在对检测人员巡检效率低，受外部工作环境大、工作经验技能技术高，检测人员的安全作业难以保证的缺点。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的地铁隧道巡检机器人的巡检系统。

本发明实施例提供一种地铁隧道巡检机器人的巡检系统，该系统包括：机器人本体、控制单元及探测单元，探测单元设置于机器人本体上；控制单元用于向机器人本体及探测单元分别发送控制指令；机器人本体用于根据控制指令沿地铁隧道内的轨道行进；探测单元用于根据控制指令，在机器人本体沿地铁隧道内的轨道行进时，对地铁隧道内的环境进行探测，并将探测获得的数据发送至控制单元。

本发明实施例提供的系统，通过控制单元向机器人本体及探测单元发送控制指令，以使机器人本体在沿地铁隧道内的轨道行驶时，探测单元能够对地铁隧道内的环境进行探测，从而实现了利用机器人对地铁隧道进行自动的巡检，相对于现有技术中的人工操作，避免了对检测人员要求人员巡检效率低，受外部工作环境大、工作经验技能技术高以及检测巡检人员的安全难以保证的缺陷，提高了巡检的效率和准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的地铁隧道巡检机器人的巡检系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的机器人巡检示意图；

图3为本发明实施例提供的供电单元的示意图；

图4为本发明实施例提供的供电单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的机器人本体的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电机伺服轮示意图；

图7为本发明实施例提供的机器人探测单元示意图；

图8为本发明实施例提供的地铁隧道内机器人的定位系统的界面示意图；

图中，101：机器人本体；102：控制单元；103：探测单元；301：无线通信单元；302：供电单元；303：高压电缆；401：墙体；402：下盖板；403：上盖板；404：固定螺母；405：软体支撑；406：高压电缆；407：线路板；701：三维惯性测量单元；702：无线传输及接收模块；703：机器人自走平衡控制系统；704：蓄电池；705：图像识别系统；706：检测模块；707：定位控制系统；708：驱动伺服电机控制系统；709：主控系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在已建或在建的城市中，在地铁隧道沿线附近或上方进行非地铁施工的建设项目越来越多，这些项目存在卸载、加载、抽水、降水或振动等施工程序或因素，它们可能对地铁隧道结构产生一定的结构变形、倾斜、位移、隆起或沉降等等影响。而结构变形可能会降低列车的运营性能和效率；可能会增大列车车轮与轮轨之间的摩擦，从而加快列车车轮和轮轨的损耗；当地铁道床隆起或沉降3mm以上时，需对路轨进行调整。在变形严重而检测不到位的情况下，甚至会颠覆高速运行的列车，引发严重的交通安全事故，因此对地铁隧道安全进行巡检是地铁安全运营的一个重要工作。

地铁隧道结构裂缝主要分为道床裂缝、边墙裂缝和拱顶裂缝等，这些结构裂缝的产生是设计施工、运营荷载、外部环境改变等多因素导致，大致可归纳为以下6类因素：

1)地基差异沉降，地铁隧道结构在建设期如工程设计方案不合理，则可能导致地基加固效果不明显、不均衡，在后期运营荷载作用下，导致地基出现差异沉降现象，当沉降程度远超出设计和实际工程结构允许范围时，进而出现大量的结构病害性裂缝。

2)隧道结构周边土地变位，地铁运营隧道周边存在深基坑开挖时，在基坑降水及支护结构水平位移的共同作用下，容易导致地铁隧道结构周边土地产生变位，使得地铁隧道结构侧限土压力不足，隧道断面水平收敛不断增大，继而导致隧道结构产生拱顶裂缝及道床与衬砌结构的剥离裂缝，同时伴随管片边角部位的崩角掉块现象。

3)变形缝的设置，变形缝主要包括沉降缝和伸缩缝两种，而考虑到地铁结构的整体道床基础可承受的垂直错位最大值，除特殊要求外，基本不设置沉降缝。但是在土质较为松软的地区，为达到增加结构的纵向刚度的目的，通常设置数量有限的伸缩缝。这也导致当地基加固效果不好或遭受外部环境影响时，施工后的沉降程度增加，使得结构应力集中度增大，易导致结构裂缝的出现。

4)结构强度不足，在地铁隧道设计和施工过程中，如果工程设计有问题或者施工过程中壁后回填土压实程度不足等，会导致结构强度和质量没有达到相关设计施工要求，同样易产生隧道结构裂缝。

5)列车振动影响，地铁列车发车频率较高，使得地铁隧道结构长期受到低频连续振动，这种状态易使得软土下卧层地基出现较大程度的纵向沉降，易在隧道结构应力集中区段产生裂缝。对于现有裂缝，长时间的地铁运营荷载易导致道床上下振动而出现倒吸现象，倒吸现象使得水不停的潜蚀裂缝，易使得裂缝扩大。

6)渗漏水问题，渗漏水是地铁隧道结构另一种较为普遍的病害，会导致并加速隧道结构衬砌风化和剥蚀，如果渗漏水中含有腐蚀物质，会进一步腐蚀损坏衬砌混凝土，导致衬砌可承载量下降，严重影响地铁隧道结构的耐久性。一般而言，渗漏水出现的位置在环缝、纵缝和区间联络通道等部位，产生原因主要在于结构裂缝持续发展，以及结构防水层出现问题导致防水体系失效等。

由于人工或仪器对地铁隧道巡检存在安全不确定性，同时人工检测具有较大的主观性，即使经验丰富的检测人员也难以保证检测结果的完整性与准确性。随着当前检测工作量的不断增大，这种人工加仪器的方式越来越难以满足检测的需求，完成全部检测所需时间也越来越长，检测人员的安全性也无法得到保证。而近年来出现的隧道小车进行安全监测时采用人工操作的方式，也受制与人员素质，特别巡检常在夜间、凌晨开展，工作效率较低。基于此，本发明实施例提供一种地铁隧道巡检机器人的巡检系统，参见图1，该系统包括：机器人本体101、控制单元102及探测单元103，探测单元103设置于机器人本体101上；控制单元102用于向机器人本体101及探测单元102分别发送控制指令；机器人本体用于根据控制指令沿地铁隧道内的轨道行进；探测单元103用于根据控制指令，在机器人本体101沿地铁隧道内的轨道行进时，对地铁隧道内的环境进行探测，并将探测获得的数据发送至控制单元102。

其中，参见图2，地铁隧道内铺设有地铁车辆行走的轨道，机器人本体101在接收到控制单元102的控制指令后，可沿该轨道水平运动，本发明实施例对机器人本体101的机械结构和驱动方式不作限定。本发明实施例对控制单元102所处的位置不作限定，控制单元102可在远程通过无线通讯的方式向机器人本体101及探测单元103发送控制指令，控制单元102也可直接设置于机器人本体101上，直接发送控制指令。探测单元103可设置于机器人本体101的外部，从而方便、有效地对机器人本体101的周围环境进行探测。本发明实施例对探测单元103的具体类型不作限定，包括但不限于视觉传感器、超声波传感器和激光扫描测距传感器。利用上述传感器均能够对机器人本体101周围一定范围内的物理环境进行探测，获得相应的数据。探测单元103可将数据反馈回控制单元102。控制单元102可进一步对数据进行分析和监测，从而完成对地铁隧道内的安全巡检。

以下以一个示例对地铁隧道巡检机器人的巡检系统的工作流程进行说明：

步骤1、当在夜间、地铁停运、轨道处于空闲状态时，工作人员可将机器人本体放置于轨道上；

步骤2、机器人本体开机进行机器人本体自身系统的自检，在自检完成后，工作人员通过控制单元设定巡检区域内设置开始时间及结束时间等参数，具体可通过人机交互界面实现上述参数的设定；

步骤3、完成设定后，控制单元发送相应的指令给机器人本体及探测单元，机器人本体及探测单元根据控制指令所携带的参数进行相应的巡检。

本发明实施例提供的系统，通过控制单元向机器人本体及探测单元发送控制指令，以使机器人本体在沿地铁隧道内的轨道行驶时，探测单元能够对地铁隧道内的环境进行探测，从而实现了利用机器人对地铁隧道进行自动的巡检，相对于现有技术中的人工操作，避免了对检测人员要求人员巡检效率低，受外部工作环境大、工作经验技能技术高以及检测巡检人员的安全难以保证的缺陷，提高了巡检的效率和准确度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，地铁隧道巡检机器人的巡检系统还包括：无线通信单元，多个无线通信单元沿机器人本体的行进方向在地铁隧道的侧壁上间隔设置；控制单元通过无线通信单元向机器人本体及探测单元发送控制指令，探测单元通过无线通信单元将探测获得的数据发送至控制单元。

具体地，由于地铁隧道较长，并且为了使控制单元能够对机器人本体及探测单元发送控制指令，以及使探测单元能够实时将探测获得的数据反馈至控制单元，因此需要在隧道内设置无线通信单元。无线通信单元之间具体可以按照设定距离间隔设置(例如每隔50米安装一个)，从而使控制单元与探测单元及机器人本体能够通过无线通信单元进行数据和指令的传输。无线通信单元具体可以为wifi模块，本发明实施例对无线通信单元的具体类型不作限定。另外，无线通信单元还可以具备休眠功能，即在机器人本体没有行进至附近时处于关闭状态，当机器人本体行进至附近时才开启，从而能够节约电能及工作时间，降低产品长期工作发热导致不稳定，从而达到长时间工作及寿命。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，地铁隧道巡检机器人的巡检系统还包括：供电单元；供电单元用于从沿地铁隧道铺设的高压电缆中感应获得交变电压；对交变电压进行处理，获得直流电压，并通过直流电压为无线通信单元供电。

具体地，由于无线通信单元需要供电，需要在隧道中进行设置独立的电源，采用本发明的无线模块避免对地铁隧道的二次施工，从而减少了对地铁隧道的结构造成损害，本发明实施例提供一种供电单元。参见图3，该供电单元302能够从主高压电缆303中取电，即可利用电流互感器从主高压电缆中感应获得交变电压，并通过处理(例如整流电路和电源交换电路进行处理)，最后能够输出稳定的直流电压。可将该直流电压供给无线通信单元301，从而实现地铁隧道内的长距离通信。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，参见图4，供电单元包括：上盖板403、下盖板402、线路板407及固定螺母404；固定螺母404将上盖板403及下盖板402固定至地铁隧道的侧壁，上盖板403与下盖板402之间形成容纳空间，容纳空间用于容纳高压电缆406；线路板407设置于高压电缆406与下盖板402之间，线路板407用于接收交变电压。

具体地，上盖板403和下盖板402都为“ω”型结构，从而上盖板403和下盖板402相对的中部形成容纳空间。两个固定螺母404分别穿过上盖板403和下盖板402的两个边部，从而贯穿上盖板403和下盖板402，将上盖板403和下盖板402固定至隧道内的侧壁或墙体401上。其中，上盖板403相对于下盖板402远离墙体401。而下盖板402与高压电缆406之间设置有用于取电的线路板407，能够接收互感产生的互感电流或交变电压。因此，供电单元采用上述结构形式，能够方便的将供电单元垂直安装于墙体401上。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，供电单元还包括：软体支撑405；软体支撑405设置于上盖板403与高压电缆406之间以及下盖板402与高压电缆406之间。其中，设置软体支撑405能够增加上盖板403与高压电缆406之间的摩擦强度以及高压电缆406与线路板407之间的摩擦强度，使供电单元的结构形式稳定，提高供电单元从高压电缆406中取电过程中的稳定性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，地铁隧道巡检机器人的巡检系统还包括：三维惯性测量单元701；机器人本体沿地铁隧道内的单轨行进，三维惯性测量单元701设置于机器人本体；三维惯性测量单元701用于测量机器人本体在行进过程中的三维姿态信息；控制单元还用于根据三维姿态信息对机器人本体的行走姿态进行调节，使机器人本体保持运行平衡及检测隧道变形的精度。

参见图7，701为三维惯性测量单元；702为无线传输及接收模块；703为机器人自走平衡控制系统；704为蓄电池；705为图像识别系统；706为检测模块；707为定位控制系统；708为驱动伺服电机控制系统；709为主控系统。具体地，本发明实施例提供的机器人本体可沿地铁隧道内的单轨行进，能够减小机器人本体的体积及重量，便于实现机器人的巡检功能。但机器人利用单轨行进时，机器人本体与双轨式机器人或吊轨式机器人是不同的。由于机器人本体的支撑点仅为单轨，因此在行进过程中可能会产生不平衡，所以需要考虑机器人本体在单轨运动时的平衡性。因此，可在机器人本体上设置三维惯性测量单元701，利用三维惯性测量单元701能够测量机器人本体在行进过程中的三维姿态信息。通过三维姿态信息，控制单元能够判断机器人本体在行进时是否能够保持机器人的平衡，并在不平衡时通过相应的手段对机器人本体的姿态进行调整，从而使机器人本体在整个巡检过程中能够保持平衡，保证了探测单元探测获得的数据的准确性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，三维惯性测量单元包括加速度计、陀螺仪及地磁仪。其中，加速度计用于检测机器人本体的加速度信号，陀螺仪用于检测机器人本体相对于导航坐标系的角速度信号，地磁仪用于检测机器人本体相对于导航坐标的航向信号。通过测量机器人本体在三维空间中的角速度、加速度及航向角三个方面的信号，则可以计算出机器人本体的三维姿态信息。

参见图5，基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，机器人本体的底部设置有前后两对电机伺服轮，机器人本体通过两对电机伺服轮沿地铁隧道内的单轨行进；相应地，控制单元还用于在机器人本体转弯时，若根据三维姿态信息判断获知机器人本体的重心偏离单轨支撑点，则提高位于弯道外侧的两个电机伺服轮的速度。

其中，由于机器人本体的支撑点仅为单轨，因此在行进过程中可能会产生不平衡，尤其是机器人本体沿单轨做弧线运动时，受到离心力影响，机器人本体既不能如双轨机器人通过轨道对轮子的约束来实现稳定，也不能如吊轨式机器人通过侧向拉力来实现约束。具体地，由于机器人本体与单轨之间主要表现为压力和沿轨道方向的摩擦力。在转弯时，电机伺服轮与单轨之间力矩过小，难以克服离心力，因此，为实现机器人本体的稳定性，控制单元可对三维姿态信息进行监测，一旦发现机器人本体的中心发生偏转，即偏离单轨支撑点，则可提升位于弯道外侧的电机伺服轮的速度，例如图6中的3、4轮的速度，从而利用3、4轮与1、2轮之间的速度差，单轨将对机器人本体形成与离心力相反的作用力。因此，通过对三维姿态信息的实时监控及电机伺服轮速度的连续调控，实现机器人本体在单轨上运行的稳定性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，地铁隧道巡检机器人的巡检系统还包括：激光测距仪，激光测距仪分别设置于机器人本体的左右两侧；激光测距仪用于测量机器人本体分别与地铁隧道的左右两个侧壁之间的距离；控制单元还用于若根据激光测距仪测量获得的距离判断获知机器人本体发生偏角，则调整电机伺服轮的高度以使机器人本体保持水平状态。具体地，为了提高探测单元探测获得的数据的准确性，可利用激光测距仪来标定机器人的左右位置。若根据测量获得的距离与正常行进时的距离偏差较大，则可确认机器人本体发生了偏角，即机器人本体向其左侧或右侧偏离。由于此时两侧的电机伺服轮在高度上必然不一致，因此可以通过调节左侧和/或右侧的电机伺服轮的水平高度，使机器人本体保存水平状态运行，提高探测获得的数据的准确性。基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，探测单元探测获得的数据包括：地铁隧道的水渍探测数据和/或裂缝探测数据。其中，水渍探测数据即用来判定隧道内是否存在积水，而裂缝探测数据即用来判定隧道的墙壁上是否存在列横，从而对隧道内是否存在安全问题进行确认。

具体地，水渍探测数据具体可通过以下方式获取：利用红外热像和激光雷达对整段管道进行探测，当有渗漏水的位置点时，红外热成像反射回的温度差异性初次判断漏水点，利用激光雷达的多次回波原理，当激光雷达的红外波扫描至漏水点时三维激光云点数据异常密集进行二次判断，生成该漏水点的图像大小。

另外，参见图8，为地铁隧道内机器人的定位系统的界面示意图，能够对可见光视频、红外视频、陀螺仪和雷达所检测到的参数或画面进行展示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。