[发明专利]一种隧道衬砌检测用正压式爬壁机器人及其控制方法

说明书

本发明公开了一种隧道衬砌检测用正压式爬壁机器人及其控制方法，机器人包括框架、驱动电机、驱动轮、压力传感器、涵道发动机、驱动轮控制系统、涵道发动机控制系统、姿态测量控制系统、无线通讯模块、地质雷达和地面遥控及监测系统；涵道发动机控制系统根据测得的压力值来判断是否需要对对应的涵道发动机功率进行调整，以使各驱动轮的压力值保持在预设的压力阈值范围内；并根据测得的重力方向加速度来判断机器人运行过程中是否存在打滑状况，若存在，使涵道发动机控制系统实时增大对各个驱动轮预设的最大压力阈值和最小压力阈值，从而抑制打滑现象；保证机器人实时贴壁的稳定状态。本发明可实现对隧道衬砌进行贴壁精确检测，运行速度大大提升。

技术领域

本发明涉及隧道检测技术领域，特别是涉及一种隧道衬砌检测用正压式爬壁机器人及其控制方法。

背景技术

我国是一个多山的国家，随着山区高速铁路、高速公路的建设，我国隧道运营总里程飞速增长。以铁路行业为例，截止2020年底，我国投入运营的铁路隧道共有16798座，总长约19630 km，其中近15年建成的有9270座，总长约15321 km（占比78%）。近年来随着川藏铁路、沪蓉高速等山区项目的上马及城市地铁建设提速，我国早已成为世界上隧道数量最多、总里程最长、发展速度最快的国家。

与隧道建设大规模发展不相称的是隧道检测技术还停留在比较落后的水平。地质雷达法是现阶段隧道质量检测最常用、最有效的检测手段，但到目前为止，隧道质量安全检测工作基本还停留在依靠传统人工托举雷达天线的方式进行检测的阶段，隧道拱顶、拱腰等部位检测需要搭设脚手架或使用高空作业车，作业成本高、工作效率低，且高空作业存在较大安全风险。因此，研发一种快速、高效的检测手段已成为迫切需要。

爬壁机器人是近年来发展出的一种可以在垂直墙壁上攀爬并完成作业的自动化机器人。传统的爬壁机器人吸附方式有负压吸附和磁力吸附两种，负压吸附一般适用于玻璃、金属等光滑表面，磁力吸附则仅适用于铁磁性物体表面，但上述方式均无法用于混凝土隧道壁。针对上述问题一些学者和机构也进行了相关研究。

董寒;面向铁路隧道壁面检测的爬壁机器人技术研究[D];北京理工大学;2016年，提出了一种利用柔性海绵组合吸盘进行吸附的负压式吸附设计，其在混凝土表面吸附力可达150N，能够背负常见地质雷达设备进行隧道检测，但受制于运行机制，其爬行速度只能达到0.058m/s，远低于现有人工托举雷达天线1-2m/s的移动速度，实用性不大。

近年来随着无人机技术的进步，又出现了一种利用无人机进行巡检的方法，中国专利公开号CN104843176A公开了一种用于桥梁隧道自动巡检旋翼无人机系统及导航方法，但该系统只适用于利用摄像头等设备进行非接触式表面巡检，无法搭载地质雷达实现精确贴壁内部检测。中国专利公开号CN111176332A公开了一种基于吸附式无人机搭载平台的隧道初支、二衬质量检测装备，其利用吸附式无人机结合车轮贴壁的方案可在一定程度上解决上述问题，但该方案在实际应用过程中依然存在较多问题，主要体现在以下几个方面：1）该方案依然采用GPS/INS组合的导航模式，在隧道内部完全无GPS信号的条件下较难开展实际检测工作；2）该方案采用的吸附式无人机旋翼提供的动力较小，很难搭载常用的重量通常超过4kg的400MHz主频地质雷达天线；3）该方案利用旋翼偏转方向提供整个检测装备前进、后退及转向动力，在粗糙的隧道衬砌表面较难控制，无法实现地质雷达检测所需的在1-2m/s范围内固定速度值匀速行驶。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种隧道衬砌检测用正压式爬壁机器人及其控制方法，该正压式爬壁机器人通过涵道发动机与AGV结合的方式实现机器人爬壁与导航，实现隧道衬砌快速爬壁检测。

本发明是这样实现的，一种隧道衬砌检测用正压式爬壁机器人，包括框架、驱动电机、驱动轮、压力传感器、涵道发动机、驱动轮控制系统、涵道发动机控制系统、姿态测量控制系统、无线通讯模块、地质雷达、和地面遥控及监测系统；