一种基于贴壁式检测车的隧道衬砌缺陷探地雷达检测系统的制作方法

本实用新型属于土木工程中的隧道检测领域，涉及隧道衬砌缺陷检测，具体是一种基于贴壁式检测车的隧道衬砌缺陷探地雷达检测系统。

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。

探地雷达是近年来发展起来的检测新技术，以其高精度、高效率、高分辨率、灵活轻便等优点，受到工程技术人员的青睐。在隧道检测中，探地雷达探测技术较传统检测技术能更好的检测出隧道衬砌中的空洞等缺陷。现有的雷达探测技术一般需要通过人工方式将探头附于衬砌表面，对隧道顶部的探测则需要升降台作业，效率低且安全性差。

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，本实用新型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缺陷探地雷达检测系统。

本实用新型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缺陷探地雷达检测系统，所述雷达检测系统包括：

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；

用于探测衬砌背面空洞的探地雷达模块；

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、运动控制器和探地雷达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、运动控制器和探地雷达模块。

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。

所述探地雷达模块，向衬砌发射和接收电磁波，记录波的双程走时，把雷达检测数据传给通信及传输模块。

所述探地雷达模块包括发射机、发射天线、接收机、接收天线、控制单元、光缆、天线支架和滑行器；所述天线支架用来固定发射天线和接收天线，所述发射天线和接收天线通过光缆分别与发射机和接收机连接；所述发射机发射高幅值的脉冲波并将脉冲波送入发射天线；所述发射天线将该脉冲变换和放大，向衬砌内发射高频宽带短脉冲的电磁波；所述接收天线接收反射波并记录反射波的时间；所述接收机把接收天线接收到的信号通过光缆传输给控制单元，所述控制单元通过光缆连接并控制发射机和接收机，并将接收到的检测数据传送给通信及传输模块。

本实用新型的技术构思为：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。随着雷达探测仪器向着小型化发展，将探地雷达安装在小型移动装置上进行快速探测已成为可能。本实用新型拟基于无人机进行创新性的优化改造，结合小型探地雷达，为隧道检测提供一种新方法。

本实用新型的有益效果主要表现在：

1)基于贴壁式检测车的隧道衬砌缺陷探地雷达检测系统，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)利用探地雷达检测装置对隧道衬砌内部的空洞等缺陷进行检测，能发现潜在的危险因素，探测深度达到50cm。

5)探地雷达的检测信息包含坐标信息，通过后期处理可以得到整个隧道衬砌的内部缺陷分布图。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的下部仰视图。

图3是本实用新型的正视图。

图4是本实用新型的上部俯视图。

图5是本实用新型的侧视图。

图6是本实用新型的惯性导航结构图。

图7是本实用新型的探地雷达模块示意图

图8是本实用新型的系统示意图。

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-探地雷达模块；12-电池；13-地面工作站；14-电脑；15-移动式电源；16-信号收发器；图7中，17-发射机；18-发射天线；19-接收机；20-接收天线；21-控制单元；22-光缆；23-天线支架；24-滑行器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图8，一种基于贴壁式检测车的隧道衬砌缺陷探地雷达检测系统，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；车载通信及传输模块；控制检测车移动的运动控制器；探测衬砌背面空洞的探地雷达模块；能够对贴壁式检测车导航路径进行设计和控制，并能接收、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，所述台架上放置探测衬砌背面空洞的探地雷达模块和控制设备。

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。

所述的探地雷达模块，其特征在于：向衬砌发射和接收电磁波，记录波的双程走时，把雷达检测数据传给通信及传输模块。

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。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(15)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(15)。

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。

所述的探地雷达模块(11)，如图7所示，由发射机(17)、发射天线(18)、接收机(19)、接收天线(20)、控制单元(21)、光缆(22)、天线支架(23)、滑行器(24)构成；滑行器(24)由平的摩擦系数很低的塑料垫组成，并带加固装置，能很好地适应起伏地形下的操作；天线支架(23)用来固定发射天线(18)和接收天线(20)；发射天线(18)和接收天线(20)通过光缆(22)分别与发射机(17)和接收机(19)连接；发射机(17)发射高幅值的脉冲波并将脉冲波送入发射天线(18)；发射天线(18)将该脉冲变换和放大，向衬砌内发射高频宽带短脉冲的电磁波；电磁波遇到衬砌混凝土与围岩界面或者空洞的边界时有部分返回；接收天线(20)接收反射波并记录反射波的时间；接收机(19)把接收天线(20)接收到的信号通过光缆(22)传输给控制单元(21)；控制单元(21)是数据采集的管理器，控制单元(21)通过光缆(22)连接并控制发射机(17)和接收机(19)；控制单元(21)将接收到的检测数据传送给通信及传输模块(10)，由通信及传输模块(10)将检测信号传给地面工作站(13)进行分析处理。本实施案例选用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR雷达，可探测衬砌内部50cm范围内的缺陷。

伺服电机(5)、通信及传输模块(10)、GPS/INS组合导航模块(8)、探地雷达模块(11)的供电均由电池(12)提供。检测车的电量情况受到地面工作站(13)的监控，当电池(12)的电量不足以维持检测车贴壁行进时，地面工作站(13)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(13)，包括电脑(14)、移动式电源(15)和信号收发器(16)。信号收发器(16)能够接受探地雷达模块(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(14)能够储存检测数据，方便后期分析处理；电脑内的数据处理软件能对接收的检测数据进行处理，生成直观的雷达波检测图；对雷达波检测图进行分析可得到衬砌背面缺陷；移动式电源(15)可以为电脑(14)、信号收发器(16)提供电力，在检测车电池缺电时可对电池充电。