本實(shí)用新型屬于土木工程中的隧道修復(fù)領(lǐng)域，涉及隧道裂縫的修復(fù)，具體是一種基于貼壁式無(wú)人機(jī)的隧道裂縫修復(fù)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綜合國(guó)力的日益增強(qiáng)，交通建設(shè)得到迅速的發(fā)展，而我國(guó)山地眾多，工程建設(shè)中經(jīng)常需要修建大量的隧道，在長(zhǎng)時(shí)間使用后，隧道襯砌會(huì)出現(xiàn)裂縫等常見(jiàn)的病害，如果不采取有效的對(duì)策，將嚴(yán)重影響隧道的通行安全。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)隧道裂縫的修復(fù)主要依靠人工修復(fù)，一般需要有著豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來(lái)實(shí)施，效率低且可靠度差。特別是在對(duì)隧道頂部進(jìn)行修復(fù)時(shí)，一般要利用升降臺(tái)幫助技術(shù)人員進(jìn)行近距離修復(fù)，從而需要封閉交通，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且安全性差?？偟膩?lái)說(shuō)，目前的隧道裂縫修復(fù)技術(shù)還十分落后，急需研發(fā)價(jià)格低、效率高、精度高、不影響交通的隧道裂縫修復(fù)設(shè)備和方法。

裂縫表面修復(fù)法是一種較常見(jiàn)的修補(bǔ)方法，它主要基于向裂縫內(nèi)灌注修復(fù)材料達(dá)到修復(fù)裂縫的目的，適用于對(duì)結(jié)構(gòu)承載力沒(méi)有影響的表面裂縫的處理。與其它修復(fù)方法相比較，表面修復(fù)法具有操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)性高、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有隧道修復(fù)方法需要封閉交通且成本高、效率低的不足，本實(shí)用新型提供了一種無(wú)需封閉交通、成本較低、效率較高的基于貼壁式無(wú)人機(jī)的隧道裂縫修復(fù)系統(tǒng)。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于貼壁式無(wú)人機(jī)的隧道裂縫修復(fù)系統(tǒng)，所述隧道裂縫修復(fù)系統(tǒng)包括：

用于附在隧道襯砌表面，并按設(shè)定路徑移動(dòng)的貼壁式無(wú)人機(jī)；

用于對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航的GPS/INS組合導(dǎo)航模塊；

用于與地面工作站雙向通信，接受工作站的指令信號(hào)，并把定位信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)傳給工作站的機(jī)載通信及傳輸模塊；

用于控制無(wú)人機(jī)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制器；

用于確認(rèn)裂縫位置并監(jiān)控灌注過(guò)程的攝像裝置；

用于修復(fù)隧道襯砌裂縫的修復(fù)模塊；

用于對(duì)貼壁式無(wú)人機(jī)導(dǎo)航路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，并能接收、分析和顯示無(wú)人機(jī)傳回的檢測(cè)數(shù)據(jù)的地面工作站；

所述GPS/INS組合導(dǎo)航模塊、車載通信及傳輸模塊、運(yùn)動(dòng)控制器、攝像裝置和修復(fù)模塊均安裝在所述貼壁式無(wú)人機(jī)上。

進(jìn)一步，所述貼壁式無(wú)人機(jī)包括旋翼、臺(tái)架和車輪，所述車輛安裝在臺(tái)架底部，所述臺(tái)架頂部安裝所述旋翼，所述臺(tái)架上放置所述 GPS/INS組合導(dǎo)航模塊、車載通信及傳輸模塊、運(yùn)動(dòng)控制器、攝像裝置和超聲波檢測(cè)模塊。

再進(jìn)一步，所述車輪與臺(tái)架的連接處有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

所述的GPS/INS組合導(dǎo)航模塊由GPS和INS耦合實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航定位，內(nèi)部封裝GPS模塊和IMU模塊，能在隧道內(nèi)無(wú)信號(hào)的環(huán)境下進(jìn)行自主導(dǎo)航，在接受到GPS信號(hào)時(shí)進(jìn)行誤差分析和調(diào)整。

所述攝像裝置包括兩個(gè)帶光源的攝像頭，用于確認(rèn)裂縫的位置并監(jiān)控灌注過(guò)程。

所述的修復(fù)模塊包括壓縮空氣罐、活塞、灌注裝置及伸縮彈簧，所述壓縮空氣罐安裝在固定支座上，在伸縮彈簧作用下灌注裝置緊貼裂縫處；在不進(jìn)行灌注時(shí)，伸縮彈簧縮進(jìn)提起灌注裝置使其離開(kāi)襯砌表面；所述壓縮空氣罐的出氣口處有控制閥并通過(guò)軟管進(jìn)入填充材料罐并推動(dòng)其中的活塞；滾筒通過(guò)連桿與車體連接，所述滾筒中設(shè)有電熱絲。

本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為：近幾年來(lái)，無(wú)人機(jī)因其成本低，效費(fèi)比好，機(jī)動(dòng)性能好，使用方便等特點(diǎn)在各個(gè)工程領(lǐng)域中得到了廣泛運(yùn)用。本實(shí)用新型擬基于無(wú)人機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新性的優(yōu)化改造，結(jié)合隧道襯砌裂縫表面修復(fù)的原理，為隧道維護(hù)管理提供一種新方法。

本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在：

1)基于貼壁式無(wú)人機(jī)的隧道襯砌損傷檢測(cè)系統(tǒng)，在修復(fù)時(shí)無(wú)需封閉隧道，不影響正常的交通。

2)采用GPS/INS組合導(dǎo)航，隧道出入口有GPS信號(hào)處，利用 GPS導(dǎo)航修正INS導(dǎo)航誤差，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)的自主巡航。

3)修復(fù)時(shí)無(wú)人機(jī)通過(guò)輪子緊貼隧道表面，能增加修復(fù)的平穩(wěn)度，保障修復(fù)效果。

4)攝像機(jī)近距離拍攝裂縫圖像，能夠分辨出開(kāi)度大于0.01mm的微小裂縫，并能夠監(jiān)控灌注裝置的位置，通過(guò)工作站對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遙控來(lái)修復(fù)裂縫。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的下部仰視圖；

圖3是本實(shí)用新型的正視圖；

圖4是本實(shí)用新型的上部俯視圖；

圖5是本實(shí)用新型的側(cè)視圖；

圖6是本實(shí)用新型的慣性導(dǎo)航結(jié)構(gòu)圖；

圖7是本實(shí)用新型的系統(tǒng)示意圖；

圖1-6中，1-旋翼；2-臺(tái)架；3-車輪；4-懸臂；5-伺服電機(jī)；6-旋翼保護(hù)罩；7-轉(zhuǎn)向裝置；8-GPS/INS(全球定位系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)) 組合導(dǎo)航模塊；9-運(yùn)動(dòng)控制器；10-通信及傳輸模塊；11-攝像機(jī)；12- 光源；13-空氣壓縮罐；14-支座；15-軟管；16-活塞；17-扣帶；18-灌注裝置；19-伸縮彈簧；20-滾筒；21-連桿；22-電池；圖7中，23-地面工作站；24-移動(dòng)式電源；25-信號(hào)接收器；26-電腦。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖7，一種基于貼壁式無(wú)人機(jī)的隧道裂縫修復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，包括能夠吸附在隧道襯砌表面，并按設(shè)定路徑移動(dòng)的貼壁式無(wú)人機(jī)；用于對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航的GPS/INS組合導(dǎo)航模塊；控制無(wú)人機(jī)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制器；機(jī)載通信及傳輸模塊；確認(rèn)裂縫位置并監(jiān)控灌注過(guò)程的攝像裝置；修復(fù)隧道襯砌裂縫的修復(fù)模塊；能夠?qū)N壁式無(wú)人機(jī)導(dǎo)航路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，并能接受、分析和顯示無(wú)人機(jī)傳回的檢測(cè)數(shù)據(jù)的地面工作站。

所述的貼壁式無(wú)人機(jī)包括旋翼、臺(tái)架和車輪，所述臺(tái)架上放置修復(fù)裝置和監(jiān)控設(shè)備。

所述的貼壁式無(wú)人機(jī)采用旋翼提供反向推力，讓無(wú)人機(jī)緊貼于襯砌表面。所述旋翼可偏轉(zhuǎn)方向，從而提供前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向的動(dòng)力。

所述的貼壁式無(wú)人機(jī)的車輪與臺(tái)架的連接處有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可靈活的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

所述的GPS/INS組合導(dǎo)航模塊由GPS和INS耦合實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航定位，內(nèi)部封裝GPS模塊和IMU(Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元)模塊，能在隧道內(nèi)無(wú)信號(hào)的環(huán)境下進(jìn)行自主導(dǎo)航，并能在接受到GPS信號(hào)時(shí)進(jìn)行誤差分析和調(diào)整。

所述的通信及傳輸模塊與地面工作站雙向通信，接受工作站的指令信號(hào)，并把定位信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)傳給工作站。

所述的運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)通信及傳輸模塊接受地面工作站的指令后，通過(guò)電機(jī)控制無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

所述的攝像裝置包括兩個(gè)帶光源的攝像頭，用于確認(rèn)裂縫的位置并監(jiān)控灌注過(guò)程。

所述的隧道裂縫修復(fù)模塊包括壓縮空氣罐、活塞、灌注裝置及伸縮彈簧，用于對(duì)隧道裂縫的灌注，并使用加熱的滾筒壓平灌注后的襯砌表面。

如圖1-5所示，所述貼壁式無(wú)人機(jī)包括旋翼(1)、臺(tái)架(2)和車輪(3)。為了減輕車體的重量，加大有效載重，旋翼(1)、臺(tái)架(2) 和車輪(3)均采用碳纖維復(fù)合材料。懸臂(4)上安裝伺服電機(jī)(5) 并與臺(tái)架(2)相連接；伺服電機(jī)(5)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；旋翼(1)產(chǎn)生垂直于墻面的反向推力使無(wú)人機(jī)吸附在檢測(cè)面上；旋翼 (1)可轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，推動(dòng)無(wú)人機(jī)前后左右移動(dòng)；四個(gè)旋翼(1)的轉(zhuǎn)速保持一致，能使無(wú)人機(jī)勻速地運(yùn)動(dòng)；旋翼保護(hù)罩(6)能夠保護(hù)旋翼(1)免受損傷。臺(tái)架(2)上能安裝修復(fù)裝置和控制裝置。車輪(3) 與臺(tái)架(2)的連接處有轉(zhuǎn)向裝置(7)；所述轉(zhuǎn)向裝置(7)，包括轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、齒輪和齒條；轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪與齒條嚙合，帶動(dòng)齒條左右直線運(yùn)動(dòng)，可以推動(dòng)車輪(3)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。本實(shí)例選擇的是四旋翼結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用中可根據(jù)具體重量和尺寸選擇合適的旋翼結(jié)構(gòu)，例如六旋翼結(jié)構(gòu)。

所述的GPS/INS組合導(dǎo)航模塊(8)，包括GPS模塊和IMU模塊。如圖6所示，GPS模塊是一個(gè)集成電路，能接受衛(wèi)星的定位信號(hào)，定位出無(wú)人機(jī)的位置；IMU慣性測(cè)量模塊是由三個(gè)陀螺和三個(gè)加速度計(jì)組成的參數(shù)解算系統(tǒng)，基于陀螺的輸出值，可以得到無(wú)人機(jī)在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的位置，同時(shí)基于加速度計(jì)的輸出值，可以解算出車體的速度和位置。在本實(shí)施方案中，選用加拿大NovAtel公司生產(chǎn)的 SPAN-IGM-A1組合導(dǎo)航模塊控制導(dǎo)航。

所述的通信及傳輸模塊(10)，包括編碼模塊和高頻發(fā)射接受模塊。能與地面工作站(24)雙向通信，接受工作站的指令信號(hào)，并把定位信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)傳給工作站(24)。

所述的運(yùn)動(dòng)控制器(9)，由一塊單機(jī)片組成。是控制伺服電機(jī)(5) 運(yùn)行的專用控制器，能夠控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到控制無(wú)人機(jī)移動(dòng)的目的。

所述的攝像裝置，包括攝像機(jī)(11)和光源(12)。攝像機(jī)可選擇 100萬(wàn)像素以上，實(shí)現(xiàn)每秒50幀以上全畫幅攝像的型號(hào)，由于距離襯砌表面很近，得到的圖像可以分辨出開(kāi)度大于0.01mm的裂隙；通過(guò)光源(12)能提供充足光照，幫助高清相機(jī)(11)拍攝出清晰的裂縫圖像；兩臺(tái)攝像機(jī)(11)檢測(cè)得出的圖像通過(guò)傳輸模塊(10)傳送到地面工作站(25)中進(jìn)行處理；操作人員可根據(jù)實(shí)時(shí)的圖像遙控車體，保證灌注裝置(18)對(duì)準(zhǔn)裂縫。

如圖5所示，所述的修復(fù)模塊，包括壓縮空氣罐(13)、填充材料罐(16)、灌注裝置(18)及伸縮彈簧(19)。壓縮空氣罐(13)安裝在固定支座(14)上，用扣帶(17)扣緊，防止壓縮空氣罐(13)脫落；在伸縮彈簧(19)作用下，灌注裝置(18)緊貼裂縫處，在遇到表面起伏時(shí)可提供緩沖，以保護(hù)裝置；在不進(jìn)行灌注時(shí)，伸縮彈簧(19) 縮進(jìn)，提起灌注裝置(18)使其離開(kāi)襯砌表面，便于無(wú)人機(jī)移動(dòng)；壓縮空氣罐(13)的出氣口處有控制閥，當(dāng)控制閥打開(kāi)時(shí)，壓縮空氣流過(guò)軟管(15)進(jìn)入填充材料罐(16)并推動(dòng)其中的活塞，通過(guò)灌注裝置(18)將填充材料灌注到裂縫中。滾筒(20)通過(guò)連桿(21)與車體連接，滾筒(20)中的電熱絲給滾筒(20)加熱至一定溫度后，對(duì)剛灌注完填充材料的裂隙表面進(jìn)行壓平。壓縮空氣罐(13)可反復(fù)注氣，填充材料罐(16)可反復(fù)注入填充材料，車體電池(22)可反復(fù)充電并快速更換。本實(shí)例中修復(fù)材料選用環(huán)氧石英砂漿。

伺服電機(jī)(5)、通信及傳輸模塊(10)、GPS/INS(全球定位系統(tǒng) /慣性導(dǎo)航系統(tǒng))組合導(dǎo)航模塊(8)、攝像機(jī)(11)以及光源(12)的供電均由電池(22)提供。無(wú)人機(jī)的電量情況受到地面工作站的監(jiān)控，當(dāng)電池(22)的電量不足以維持無(wú)人機(jī)貼壁行進(jìn)時(shí)，地面工作站(24) 發(fā)出信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器(9)會(huì)控制無(wú)人機(jī)從隧道表面移動(dòng)到地面，防止摔落。

如圖7所示，所述的地面工作站(24)，包括電腦(27)、移動(dòng)式電源(25)和信號(hào)收發(fā)器(26)。信號(hào)收發(fā)器(26)能夠接受攝像機(jī)(11) 拍攝的圖像，并能夠發(fā)射導(dǎo)航檢測(cè)指令，控制無(wú)人機(jī)的修復(fù)路徑；無(wú)人機(jī)可按照事先輸入的裂縫三維坐標(biāo)地址自行運(yùn)行到裂縫處；電腦 (27)能夠儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，便于后期分析處理；電腦(27)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理軟件能對(duì)接收的修復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成直觀的隧道表面裂縫分布和修復(fù)圖；電腦(27)的顯示器能把修復(fù)結(jié)果直觀的展現(xiàn)出來(lái)，并能夠?qū)崟r(shí)顯示攝像頭拍攝的圖像，便于監(jiān)控灌注的位置；移動(dòng)式電源(25) 可以為電腦(27)和信號(hào)收發(fā)器(26)提供電力，在無(wú)人機(jī)電池缺電時(shí)可對(duì)電池充電。