一种地下隧道安全巡检机器人的制作方法

本发明实施例涉及安全巡检技术领域，更具体地，涉及一种地下隧道安全巡检机器人。

背景技术：

近年来，随着我国社会经济的快速发展，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。

在我国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，他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。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，大致包括以下因素：

(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。

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。目前在隧道内主要依靠人工进行巡检，即依靠人眼检测以及人工仪器检测,对检测人员要求较高，检测人员的安全作业难以保证的缺点，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。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种地下隧道安全巡检机器人。

本发明实施例提供一种地下隧道安全巡检机器人，包括巡检轨道，以及安装在所述巡检轨道上且可沿巡检轨道移动的机器人；

所述机器人包括电动伺服轮组、机器人本体，所述机器人本体通过所述电动伺服轮组与所述巡检轨道滑动连接；

所述机器人本体内设有主控系统，所述主控系统包括自平衡控制模块、电机控制模块、定位模块和图像识别模块；

所述自平衡控制模块，用于根据机器人本体的三维惯性测量单元获取机器人本体的姿态信息，并在机器人本体发生偏角时，自动调整电动伺服轮组中各电动伺服轮的高度，使机器人本体处于水平状态；有效降低了地铁综合管道内的事故，大大减少人力资源成本及复杂的人员协调和沟通成本，降低了火灾事故发生的危险性

所述电机控制模块，用于控制电动伺服轮组中各电动伺服轮的转速及高度；

所述定位模块，用于实时获取所述机器人的位置信息；

所述图像识别模块，用于对机器人运动过程中采集的图像进行检测，识别图像中的水渍信息、裂缝信息。

本发明实施例提出一种地下隧道安全巡检机器人，可利用已有轨道的单轨进行巡检，在夜间，轨道处于空闲状态时，工作人员可将机器人本体放置在地铁上，无需二次施工，进行隧道内水渍监测及隧道裂缝等检测，在巡检时，机器人将对安全问题的图片、位置信息及时间进行储存，可生成巡检日志，在发现问题后的每次巡检过程中将对安全隐患区域重点监测，尤其是隧道壁裂缝进行长期观测，建立独立的数据库，以供用户后期维护处理。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的地下隧道安全巡检机器人结构示意图；

图2为根据本发明实施例的地下隧道安全巡检机器人巡检过程示意图；

图3为根据本发明实施例的主控系统示意图；

图4为根据本发明实施例的通讯模块取电方式示意图；

图5为根据本发明实施例的姿态调节示意图。

附图标记：

巡检轨道1，机器人本体2，轨道水泥基板3，反光贴4，电动伺服轮5，摄像头系统6，超声波雷达7，激光测距仪8，激光识别器9，天线10，电动推杆11，平面轮12，平面轴承13，第一锁紧螺母14，支撑轴15，滚动轴16，滚珠轴承17，第二锁紧螺母18，固定螺母19，俯仰电机20，壳体21，罩壳22，回转电机23，回转主驱动齿轮24，回转副齿轮25，主控系统26，弹性橡胶护套27，自平衡控制模块261，电机控制模块262，定位模块263，图像识别模块264，检测模块265，通讯模块266，蓄电池267，三维惯性测量单元268。

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、完整地描述，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作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，他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。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，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。

目前在隧道内主要依靠人工进行巡检和仪器巡检，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要求较高，检测人员的安全作业难以保证的缺点，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。

本发明各实施例提出一种地下隧道安全巡检机器人，可利用已有轨道的单轨进行巡检，在夜间，轨道处于空闲状态时，工作人员可将机器人本体2放置在地铁上，进行自动巡检，无需二次施工。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

如图1所示，本发明实施例提供了一种地下隧道安全巡检机器人，其特征在于，包括巡检轨道11，以及安装在所述巡检轨道11上且可沿巡检轨道11移动的机器人；

所述机器人包括电动伺服轮组、机器人本体2，所述机器人本体2通过所述电动伺服轮组与所述巡检轨道11滑动连接；

所述机器人本体内设有主控系统，如图3所示，所述主控系统包括自平衡控制模块261、电机控制模块262、定位模块263和图像识别模块264，其中：

所述自平衡控制模块261根据机器人本体的三维惯性测量单元268获取机器人本体的姿态信息，并在机器人本体发生偏角时，自动调整电动伺服轮组中各电动伺服轮的高度，使机器人本体处于水平状态；

所述电机控制模块262控制电动伺服轮组中各电动伺服轮的转速及高度；

所述定位模块263实时获取所述机器人的位置信息；

所述图像识别模块264对机器人运动过程中采集的图像进行检测，识别图像中的水渍信息、裂缝信息。

还包括检测模块265，所述检测模块265包括摄像头系统6、超声波雷达7、激光测距仪8和激光识别器9。

具体的，在本实施例中，摄像头系统6包含双目识别的功能，可以进行目标识别，激光测距仪8包括激光器、红外标签(反光贴)和里程计，超声波雷达7包括超声波模块和光电避碰模块，用于进行障碍检测，还包括环境传感器，用于检测巡检路径中的环境信息。

综合实现电缆隧道的地铁隧道结构灾害、防火、有害气体监测工作的自动化，改变以往人工进入电缆隧道检查的落后方式,减少了劳动强度和工作危险性；有效降低了地铁电缆隧道内的事故，大大减少人力资源成本及复杂的人员协调和沟通成本，降低了火灾事故发生的危险性，对极早期发现事故隐患，提升地铁隧道内的安全性。解决地铁隧道内的安全隐患的机器人自动巡检、非接触式检测等，提高电缆隧道维护作业的工作效率和可靠性，并有效降低成本。

在本实施例中，主控系统内还设有蓄电池267。

在上述各实施例的基础上，还包括通讯模块266，所述通讯模块266通过自感线圈从地下隧道内高压线一侧感应到交变电压，并通过整流电路和电源变换电路获取直流电压。

在隧道内wifi系统由于需要供电，需要进行二次施工。为避免该问题，本实施例的通讯模块266采用自感线圈从隧道内地铁供电主电缆取电，自感线圈结构及取电方式如图4所示，地下隧道内通讯模块266供电采用高压线自取电电源，首先电流互感器从高压线一侧直接感应得到一定大小的交变电压，再通过相应的整流电路和电源变换电路对其进行处理，最后输出稳定的直流电压供给负载使用为隧道内定位模块263和通讯模块266提供充足的能源，其输出的电源通过导线连接无线wifi模块后实现隧道内长距离通讯。

为了满足机器人通讯的需求：如传输高速数据(高达2-3mbit/s)，视频传输，红外传输、定位信息的传输等。在本实施例中，本提出了自适应传输方法，在发射端利用信道状态信息来改变发射数据量的大小，传输符号律，编码律，传输功率电平，天线权值，通过wifi+长波混合通讯自适应传输方式结合使用方式，利用高压线自取电给wifi及长波通讯模块266进行实时供电，当机器人检测时，通讯模块266自动激活，机器人不工作时系统自动关闭，无需对模块进行管理，实现了无人化管理。

在上述各实施例的基础上，所述定位模块263包括激光器和反光贴，所述反光贴均匀间隔设于所述巡检轨道两侧。

具体的，在本实施例中，定位模块263，由激光标签模块(每隔100米设置1个反光贴)标记的每百米信号加上由电机转速监控反馈的近距离信息。考虑到电机丢步或者滚轮打滑等情况，以每个激光标签进行每次位置的校准。所述的激光标签模块(反光贴)，有安装在机器人本体上的红外激光光源和红外雪崩管组成；所述的反光贴通过对明暗条纹的调整，分为两类，一类为单反射条，一类为双反射条，双反射条反射光可形成双脉冲。根据定位精度要求，亦可增加到四反射条等实现地址码的编译。

在上述各实施例的基础上，所述自平衡控制模块261包括导航单元、单轴加速度计、单轴陀螺仪和单轴地磁仪，其中：

所述导航单元建立机器人的导航坐标系，并根据巡检线路设定机器人在所述导航坐标系中的导航坐标；

所述单轴加速度计检测所述机器人的加速度信号；

所述单轴陀螺仪检测机器人相对于导航坐标系的角速度信号；

所述单轴地磁仪，用于检测机器人相对于预设导航坐标的航向信号。

具体的，在本实施例中，利用隧道内已有轨道的单轨进行运动，可以有效的较少机器人体积，便于实现每日的机器人操作。机器人利用已有轨道的单轨进行运动，有别于双轨式机器人及吊轨式机器人，需要在运动载具内考虑机器人在单轨运动时的平衡性，尤其是机器人沿轨道做弧线运动时，受到离心力影响，机器人既不能依赖双轨机器人通过轨道对轮子的约束来实现稳定，也不能依赖吊轨式机器人通过侧向拉力来实现约束。

因此，在本实施例中，如图5所示，在本实施例中，电动伺服轮组包括四个电动伺服轮(图中1轮、2轮、3轮、4轮)，在巡检轨道两侧各有两个，机器人与巡检轨道的之间主要表现为压力和沿巡检轨道方向的摩擦力。轮子与巡检轨道之间力矩过小，难以克服离心力。因此为实现机器人的稳定性，本机器人通过陀螺仪实时监测机器人姿态，一旦机器人重点发生偏转，偏离轨道支撑点，则提升2、4轮的速度，利用速度差，轨道将给运动载具形成与离心力相反的作用力。通过对姿态的实时监控，与速度的连续调控，实现机器人在单轨上运行的稳定性。

具体的，在本实施例中，包含三个单轴加速度计、三个单轴陀螺仪及三个单轴地磁仪，单轴加速度计、单轴陀螺仪和单轴地磁仪组成三维惯性测量单元268，其中，单轴加速度计计用于检测物体在载体坐标系统的加速度信号、单轴陀螺仪用于检测载体相对于导航坐标系的角速度信号、单轴地磁仪用于检测载体相对与导航坐标的航向信号。通过测量物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，则可以解算出物体的姿态信息。为了提高检测精度与可靠性，利用激光测距仪来标定机器人左右位置，当机器人发生偏角时，两边测量的距离与系统中测试位置差值较大时机器人系统获取相关信息后自动调整左右轮子的高度自动匹配水平状态。

在本实施例中，所述巡检轨道11可为单轨道也可为双轨道，可以利用已有的轨道进行巡检，并通过摄像头系统6、超声波雷达7、激光测距仪8和激光识别器9进行环境参数采集，综合实现电缆隧道的地铁隧道结构灾害、防火、有害气体监测工作的自动化，改变以往人工进入电缆隧道检查的落后方式,减少了劳动强度和工作危险性；对极早期发现事故隐患，提升地铁隧道内的安全性。解决地铁隧道内的安全隐患的机器人自动巡检、非接触式检测等，提高电缆隧道维护作业的工作效率和可靠性，并有效降低运维成本。

在上述各实施例的基础上，所述巡检轨道11下方设有轨道水泥基板3，所述巡检轨道11固定在所述轨道水泥基板3上。

在上述各实施例的基础上，所述机器人本体2通过平面轮12滑动连接所述巡检轨道11的顶部平面；

所述机器人本体2下方固定有两个固定轴，两个所述固定轴间固定有一滚动轴16，所述滚动轴16与所述平面轮12的平面轴承13滚动连接，以使所述平面轮12沿所述滚动轴16转动，所述平面轮12的外侧面接触所述巡检轨道11的顶部平面。

在本实施例中，为了减小机器人本体2在巡检轨道11上的摩擦阻力，通过在机器人本体2和巡检轨道11的支撑处，设置平面轮12，通过平面轮12即可将机器人本体2支撑在巡检轨道11上，又可以减小机器人本体2运动时与巡检轨道11接触面的摩擦阻力，使机器人本体2更容易驱动行驶，具体的，在本实施例中，通过第一锁紧螺母14将平面轮12的滚动轴16固定在机器人本体2上，其中平面轮12与滚动轴16间可相对转动，滚动轴16通过第一锁紧罗密固定在两个支撑轴15间，该两个支撑轴15固定机器人本体2，且滚动轴16与平面轮12间通过平面轴承13滚动连接，以实现滚动轴16与平面轮12之间可相对滚动，平面轮12的外侧面接触所述巡检轨道11的顶部平面，即可起到支撑机器人本体2的目的，又可使机器人本体2可在巡检轨道11的顶部平面滚动。

在上述实施例的基础上，所述巡检轨道11的横截面呈“工”型，包括顶部平面和两侧的凹面。

在本实施例中，电动伺服轮组、平面轮12通过“工”型的巡检轨道11连接配合，此结构适合通用的地下轨道结构，因此，在一些有轨道的地下场所巡检时，可利用已有轨道的单轨进行巡检，在夜间，轨道处于空闲状态时，工作人员可将机器人本体2放置在地铁上，进行自动巡检，无需二次施工。

在上述实施例的基础上，如图2所示，所述电动伺服轮组包括四个电动推杆11和四个电动伺服轮5，每个所述电动推杆11的输出轴连接至一个电动伺服轮5的滚珠轴承17；两个所述电动伺服轮5的外轮接触所述巡检轨道1一侧的凹面，两个所述电动伺服轮5的外轮接触所述巡检轨道1另一侧的凹面。

在本实施例中，通过四个电动推杆11配合电动伺服轮5，实现对机器人本体2的驱动，结构简单，且安装方便。四个电动伺服轮5沿巡检轨道1前后安装，驱动整个机器人本体2沿着巡检轨道1前进，电动伺服轮5中心上设有电动推杆11，电动推杆11插入电动伺服轮5中，电动伺服轮5内部上设有滚珠轴承17，使得电动伺服轮5转动时电动推杆11无需转动，电动推杆11轴端设有螺纹孔使得第二锁紧螺母18锁住整个驱动机构。

在上述实施例的基础上，所述电动推杆11的输出轴上套装有弹性橡胶护套27。

在本实施例中，通过在电动推杆11裸漏出的杆子上套设弹性橡胶护套27，防止灰尘、水渍等破坏。

在上述实施例的基础上，所述机器人本体包括壳体21和位于所述壳体21上的罩壳22；壳体21和罩壳22通过固定螺母19固定连接。

所述壳体21内部设有主控系统26，所述电动推杆11设于所述壳体21内部，所述超声波雷达7、所述激光测距仪8和所述激光识别器9设于所述壳体21外侧，且所述电动推杆11、伺服电机轮、所述超声波雷达7、所述激光测距仪8和所述激光识别器9电连接所述主控系统26；

所述罩壳22内设有转动机构，所述摄像头系统6设于所述罩壳22上部且连接所述转动机构。

在本实施例中，主控系统26用控制整个机器人本体2按预设条件进行巡检、采集数据，包括控制机器人本体2按预设速度行驶，通过控制伺服电机轮调整机器人本体2的行驶状态，以及控制伺服电机轮、所述超声波雷达7、所述激光测距仪8和所述激光识别器9进行环境参数的采集。并进行距离识别、定位、通讯、自取电。

在上述实施例的基础上，所述摄像头系统6包括摄像头和转动机构；所述转动机构包括俯仰电机20和回转电机23，所述回转电机23的输出轴上固定有回转主动齿轮，所述俯仰电机20的输出轴上固定有回转副齿轮25，且所述回转电机23的输出轴连接所述摄像头系统6，所述回转主驱动齿轮24与所述回转副齿轮25啮合。

在本实施例中，通过回转电机23和俯仰电机20，可以实现摄像头系统6多角度、多高度的摄像，以使采集的数据更全面，防止巡检过程中有纰漏，保证了巡检的安全性。

在上述实施例的基础上，所述摄像头系统6包括双目深度摄像头和彩色摄像头。

综上所述，本发明实施例提供了一种地下隧道安全巡检机器人，可利用已有轨道的单轨进行巡检，在夜间，轨道处于空闲状态时，工作人员可将机器人本体放置在地铁上，无需二次施工，进行隧道内水渍监测及隧道裂缝等检测，在巡检时，机器人将对灾害问题的图片、位置信息及时间进行储存，可生成巡检日志，在发现问题后的每次巡检过程中将对安全隐患区域重点监测，尤其是隧道壁裂缝进行长期观测，建立独立的数据库，以供用户后期维护处理。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

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。