CN220890259U - 一种隧道巡检系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于隧道监测技术领域，具体涉及一种隧道巡检系统，包括导轨、充电站、机器人、服务器和客户端，所述导轨的背面固定在隧道墙壁，作为轨道挂载机器人运行，还能提供机器人定位标签；所述充电站固定在所述导轨两端的下方，机器人运行到上方进行无线充电；所述机器人为挂轨式巡检机器人，挂载到导轨的正面，监测隧道结构异常状况和隧道设备运行状态；机器人通过无线网络将数据上报给服务器进行数据存储和告警分析统计；客户端为值班人员、管理者和运维人员提供数据展示、报警提醒和视频展示。本实用新型提高隧道的巡检效率、降低运营维护成本。
Description
技术领域
本实用新型属于隧道监测技术领域，具体涉及一种隧道巡检系统。
背景技术
目前隧道事故导致了整个社会的高度关注。这些事故从现在开始可能会变得更加频繁，因为一些隧道的建设已经超过了30年。为了避免这些事故的发生，有必要对隧道进行定期检查。例如，隧道衬砌变形包括凸起和凹陷，凸起意味着隧道内壁相应部分在不久将来有很大可能脱落，凹陷意味着相应部分已经脱落。
发明内容
本实用新型的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种隧道巡检系统，提高隧道的巡检效率、降低运营维护成本。
为实现上述目的，所采取的技术方案是：
本实用新型提供了一种隧道巡检系统，包括：
导轨，所述导轨的背面固定在隧道墙壁，作为轨道挂载机器人运行，还能提供机器人定位标签；
充电站，其固定在所述导轨两端的下方，机器人运行到上方进行无线充电；
机器人，为挂轨式巡检机器人，挂载到导轨的正面，监测隧道结构异常状况和隧道设备运行状态；
服务器，机器人通过无线网络将数据上报给服务器进行数据存储和告警分析统计；
以及客户端，为值班人员、管理者和运维人员提供数据展示、报警提醒和视频展示。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述导轨的背面水平开设有两个导轨固定槽，用于通过螺丝固定导轨到墙壁上；所述导轨的两端设置有堵挡。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述导轨的正面粘贴有RFID卡，协助机器人判断所处的位置，布置在巡检区域的起始点、巡检预置点、弯道出入口、上下坡度进出位置、充电站点以及里程标识。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述充电站包括小型配电柜，所述小型配电柜的内顶部固定充电发射单元，所述小型配电柜的内底部安装防雷器、漏电保护器、AC-DC电源模块、继电器模块和通信板，所述小型配电柜设置有右侧门和前门； AC220V电源依次经过防雷器、漏电保护器接入AC-DC电源模块，经AC-DC电源模块转换为DC24V电源给通信板供电；所述漏电保护器还经过继电器模块给充电发射单元供电，所述继电器模块接收通信板指令实现开关动作。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述通信板包括微处理器和与微处理器相连的门控模块和无线透传模块，所述微处理器通过无线透传模块与机器人进行无线通信交互。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述机器人包括外壳、水平行走单元、云台、处理器单元、边缘计算模块、充电接收单元、电源管理单元、运动监测单元、视频采集单元、远程通信单元、人机交互单元、本地遥控单元、温控单元、热成像单元和外观检测单元。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述电源管理单元包括电源开关、蓄电池、24V转12V电路、12V转5V电路和电压采集电路，所述蓄电池利用充电接收单元接收的DC24V电源充电，所述蓄电池经电源开关连接24V转12V电路和12V转5V电路，提供24V、12V和5V电源。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述处理器单元包括主控板MCU芯片及外围电路，所述边缘计算模块采用Jetson Nano核心板及载板。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述运动监测单元包括RFID读卡器、设置在外壳水平方向两端的限位开关和姿态传感器；所述视频采集单元包括摄像机；所述远程通信单元包括交换机芯片和5G通信模块；所述水平行走单元包括步进减速电机；所述人机交互单元包括指示灯和语音输出。
根据本实用新型隧道巡检系统，进一步地，所述温控单元采用温湿度传感器；所述热成像单元采用热成像模块；所述外观检测单元采用激光雷达模块。
采用上述技术方案，所取得的有益效果是：
本实用新型的隧道巡检系统，挂轨式巡检机器人挂载到隧道的导轨上沿着导轨运行，利用温控单元监测隧道内的空气温湿度，利用热成像单元监测隧道设备表面温度、衬砌是否漏水、地面是否有积水，利用激光雷达模块识别衬砌裂缝和变形，利用摄像机的视频数据判断有异物侵占到轨道运行的区域，判断目标物资是否在固定位置等，当出现异常情况时进行告警提醒，整个系统提高了隧道的巡检效率，降低了人员成本，采集隧道数据更加全面，可实时监视隧道结构和隧道设备状况。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下文中将对本实用新型实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本实用新型的一些实施例，而非将本实用新型的全部实施例限制于此。
图1是本实用新型实施例的隧道巡检系统的结构框图；
图2是本实用新型实施例的机器人、充电站和导轨的安装示意图，图中1表示充电站，2表示机器人，3表示导轨，4表示RFID卡；
图3是本实用新型实施例的导轨的结构示意图，图中3表示导轨，301表示导轨固定槽，302表示齿轨固定槽；
图4是本实用新型实施例的堵挡的安装示意图，图中3表示导轨，4表示堵挡；
图5是本实用新型实施例的充电站部分电路原理图；
图6是本实用新型实施例的机器人外壳的结构示意图，图中5表示外壳，6表示摄像机；
图7是本实用新型实施例的机器人的水平行走单元的结构示意图，图中7表示步进减速电机。
具体实施方式
下文中将结合本实用新型具体实施例的附图，对本实用新型实施例的示例方案进行清楚、完整地描述。除非另作定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
如图1所示，本实施例的隧道巡检系统主要包括导轨、充电站、机器人、服务器和客户端五个部分。
（1）导轨
导轨的背面固定在隧道墙壁，作为轨道挂载机器人运行，还能提供机器人定位标签，如图2所示。
如图3所示，导轨主体采用6063-T5铝挤压型材，表面经过喷砂及阳极氧化处理，具有较高的物理性能。导轨可根据工作场所进行直线拼接、S型拼接和拱形拼接。
导轨的背面水平开设有两个导轨固定槽，用于通过螺丝固定导轨到墙壁上。导轨中间预留安装齿轨固定槽，安装齿条后可保证30度陡坡不打滑。
导轨的两端设置有堵挡，当机器人运行到两端时阻挡水平运动的限位开关，将断电从而阻止机器人冲出导轨。堵挡采用直角三角架，其中一个直角边通过2个M6螺栓固定在导轨上，另一个直角边垂直导轨面向机器人运行方向，如图4所示堵挡安装图。
导轨的正面粘贴有RFID卡，RFID卡为抗金属智能卡，读卡距离不低于10mm，通过非接触方式与机器人运动监测单元的RFID读卡器进行通信，协助机器人判断所处的位置，根据巡检区域粘贴在起始点、巡检预置点、弯道出入口、上下坡度进出位置、充电站点以及里程标识。RFID卡内数据内容包括位置类型和位置编号。
（2）充电站
充电站固定在导轨两端的下方，机器人运行到上方可进行无线充电。
充电站包括小型配电柜，小型配电柜选用304不锈钢室外防雨配电柜。小型配电柜的内顶部固定充电发射单元，内底部安装防雷器、漏电保护器、AC-DC电源模块、继电器模块和通信板，充电站的上方空间为机器人停放位置，通过右侧门和前门均可打开配电柜。
如图5所示，AC220V电源依次经过防雷器、漏电保护器接入AC-DC电源模块，经AC-DC电源模块转换为DC24V电源给通信板供电；漏电保护器还经过继电器模块给充电发射单元供电，继电器模块接收通信板指令实现开关动作。
优选的，防雷器型号为DZ47Y-40/2P-385，2P浪涌保护AC385V防雷器。漏电保护器型号为DZ47sLE-6A-2P。
本实例中的充电发射单元为外购无线充电发射模块，配合无线充电接收模块使用。无线充电发射模块额定功率200W，输入电压AC220V，输出最高电压DC25.2V，额定输出电流0～5A。机器人与充电站通过互感线圈传递能量，给机器人充电。
通信板包括 微处理器和与微处理器相连的门控模块和无线透传模块，微处理器通过无线透传模块与机器人进行无线通信交互；这里使用的门控模块为外购件，包括一个PW60机组、一个控制器和一个24V开关电源。充电站可以根据机器人指令控制充电站开关或者关门、充电电源打开，同时反馈充电站工作状态、门角度。
（3）机器人
机器人为挂轨式巡检机器人，挂载到导轨的正面，监测隧道结构异常状况和隧道设备运行状态。
机器人包括外壳、水平行走单元、云台、处理器单元、边缘计算模块、充电接收单元、电源管理单元、运动监测单元、视频采集单元、远程通信单元、人机交互单元、本地遥控单元、温控单元、热成像单元和外观检测单元。
①外壳
外壳的长宽厚尺寸约为60*30*30cm，如图6所示。
②充电接收单元
充电接收单元为外购无线充电接收模块，配合无线充电发射模块使用。无线充电接收模块最大功率200W，最大电压DC25.2V，最大电流5A。
③电源管理单元
电源管理单元包括电源开关、蓄电池、备用电池、过流保护、过压保护、防反接保护、24V转12V电路、12V转5V电路、电压采集电路和输出控制电路。
电源开关是从蓄电池到电路板主电源输入的常开开关，型号为DN-GQ16A。
蓄电池利用充电接收单元接收的DC24V电源充电。蓄电池采用电池模组，标称电压24V，标称容量10Ah，充电电流≤10A ，放电电流≤15A，瞬间放电电流20A，电芯为186503350mAh三元圆柱电芯。配备智能BMS，实时监控电池状态并保护电池。
备用电池采用电池模组，标称电压12V，标称容量9Ah，充电电流≤2A，放电电流≤2A。
过流保护采用慢断保险丝。防反接保护和过压保护采用单向TVS，型号为SMBJ26A，保护电压28V，冲击电流13.3A。
24V转12V电路采用的DCDC芯片为LMR14050SDDAR，最大输出电流5A。12V转5V电路采用DCDC芯片为TPS54202，最大输出电流2A。
电压采集电路为通过同一个ADC采样口，通过模拟开关CD74HC4051M分时采样24V、12V、5V、备用电池的电压。
输出控制电路通过大功率PMOS FDD4243控制输出24V、12V、5V。
④处理器单元
处理器单元包括主控板MCU芯片、晶振、看门狗芯片和低压复位芯片。主控板MCU芯片为STM32F407VE，32位高性能ARM Cortex-M4处理器时钟高达168MHz。看门狗芯片采用SP706，输出低电平复位信号，超时时间1.6s，喂狗方式为电平翻转输入。低压复位芯片为NCP803SN308T1，实现上电复位和低压复位，复位电压为3.08V。
⑤边缘计算模块
边缘计算模块采用Jetson Nano核心板及载板，具备四核64位ARM CPU和128核集成NVIDIA GPU，可提供472 GFLOPS的计算性能。
⑥运动监测单元
运动监测单元包括RFID读卡器、限位开关和姿态传感器。RFID读卡器读取导轨上的RFID卡，读取RFID卡的距离一般为10-20mm。限位开关为两个常闭行程开关，安装在外壳水平方向的两端，与导轨的堵挡配合实现轨道极限位置监测和安全保护。姿态传感器采用加速度传感器、地磁传感器一体的LIS3DH芯片，用于检测机器人运动状态、运动方向，LIS3DH芯片采用I2C通信。
⑦视频采集单元
视频采集单元包括摄像机，摄像机采用摄像头模组实现，型号为安佳500万30倍变焦一体化机芯。
⑧远程通信单元
远程通信单元包括交换机芯片和5G通信模块。
交换机芯片采用KSZ8794CNX四口交换芯片，具备3路 10/100 Mbps端口和1路 10/100/1000 Mbps千兆位上行链路端口。带3个 MAC、1个 GMAC（用于上行链路）和3个PHY。
5G通信模块的型号为FM650-CN，具备mini pcie接口，支持5G独立组网（SA）和非独立组网(NSA)两种网络架构，支持中国所有运营商频段，满足国内对5G通信模块的需求。
⑨水平行走单元
水平行走单元包括步进减速电机和电机驱动控制器。
如图7所示，步进减速电机型号为M060C010-03GN，额定扭矩 6N.m ，减速比1:10,两相四线行星齿轮减速步进电机，额定电压24V，额定电流4A，减速比1:10，基本步距角0.18°，速度范围0～120rpm，保持力矩：6N·m，输出轴D型，输出轴直径14mm。
电机驱动控制器采用MD-542驱动模块，可设置电流与分频数，通过主控板MCU芯片的2个GPIO实现控制电机驱动控制器，控制输出方向、步进速度。
⑩人机交互单元
人机交互单元包括指示灯和喇叭。
指示灯为白色普亮LED，通过控制不同闪码展现不同的工作状态。
语音输出为TTS方式语音输出，TTS语音芯片为SYN6288E，通过UART输入GB2312的文本，输出音频信号，通过功放芯片LM4871进行音频放大，输出到3寸4欧5W全频喇叭。
⑪本地遥控单元
本地遥控单元采用433MHz无线接收模块，接收遥控器的ASK信号，进行软件解码，主要实现按键操作功能。
⑫温控单元
温控单元采用SHTC3温湿度传感器，采用I2C总线通信，测温范围为-40～125℃，精度0.2℃；测湿度范围为0-100%RH，精度2%。
⑬热成像单元
热成像单元采用热成像模块，内置高灵敏度探测器，支持384×288分辨率，支持2种测温范围：-20℃~150 ℃或0 ℃~550℃，测温精度：±2 ℃或者读数的±2%。热成像单元能够采集隧道内物体表面温度。
⑭外观检测单元
外观检测单元采用激光雷达模块RPLIDAR S2，供电电压DC5V，通信接口为UART。
⑮云台
云台控制采用RS485通信方式，供电电源部分通过大功率PMOS FDD4243控制输出12V到云台。
机器人的边缘计算模块通过温度湿度数据判断隧道内的空气温湿度是否超过高温高湿告警阈值，通过热成像数据判断隧道设备表面温度是否超过设置的温度告警阈值，通过热成像数据判断衬砌是否漏水和地面是否有积水，通过雷达数据识别衬砌裂缝和变形，通过视频数据判断有异物侵占到轨道运行的区域以及目标物资不在固定位置。
（4）服务器
机器人通过无线网络将数据上报给服务器，在服务器实现视频和数据存储、告警分析统计和巡检任务管理。
（5）客户端
通过办公电脑、大屏、打印设备为值班人员、管理者、运维人员提供数据展示、报警提醒、视频展示和报表打印等可视化服务。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的 “包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
上文已详细描述了用于实现本实用新型的较佳实施例，但应理解，这些实施例的作用仅在于举例，而不在于以任何方式限制本实用新型的范围、适用或构造。本实用新型的保护范围由所附权利要求及其等同方式限定。所属领域的普通技术人员可以在本实用新型的教导下对前述各实施例作出诸多改变，这些改变均落入本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种隧道巡检系统，其特征在于，包括：
导轨，所述导轨的背面固定在隧道墙壁，作为轨道挂载机器人运行，还能提供机器人定位标签；
充电站，其固定在所述导轨两端的下方，机器人运行到上方进行无线充电；
机器人，为挂轨式巡检机器人，挂载到导轨的正面，监测隧道结构异常状况和隧道设备运行状态；
服务器，机器人通过无线网络将数据上报给服务器进行数据存储和告警分析统计；
以及客户端，为值班人员、管理者和运维人员提供数据展示、报警提醒和视频展示；
所述充电站包括小型配电柜，所述小型配电柜的内顶部固定充电发射单元，所述小型配电柜的内底部安装防雷器、漏电保护器、AC-DC电源模块、继电器模块和通信板，所述小型配电柜设置有右侧门和前门； AC220V电源依次经过防雷器、漏电保护器接入AC-DC电源模块，经AC-DC电源模块转换为DC24V电源给通信板供电；所述漏电保护器还经过继电器模块给充电发射单元供电，所述继电器模块接收通信板指令实现开关动作。
2.根据权利要求1所述的隧道巡检系统，其特征在于，所述导轨的背面水平开设有两个导轨固定槽，用于通过螺丝固定导轨到墙壁上；所述导轨的两端设置有堵挡。
3.根据权利要求1或者2所述的隧道巡检系统，其特征在于，所述导轨的正面粘贴有RFID卡，协助机器人判断所处的位置，布置在巡检区域的起始点、巡检预置点、弯道出入口、上下坡度进出位置、充电站点以及里程标识。
4.根据权利要求1所述的隧道巡检系统，其特征在于，所述通信板包括微处理器和与微处理器相连的门控模块和无线透传模块，所述微处理器通过无线透传模块与机器人进行无线通信交互。
5.根据权利要求1所述的隧道巡检系统，其特征在于，所述机器人包括外壳、水平行走单元、云台、处理器单元、边缘计算模块、充电接收单元、电源管理单元、运动监测单元、视频采集单元、远程通信单元、人机交互单元、本地遥控单元、温控单元、热成像单元和外观检测单元。
6.根据权利要求5所述的隧道巡检系统，其特征在于，所述电源管理单元包括电源开关、蓄电池、24V转12V电路、12V转5V电路和电压采集电路，所述蓄电池利用充电接收单元接收的DC24V电源充电，所述蓄电池经电源开关连接24V转12V电路和12V转5V电路，提供24V、12V和5V电源。
7.根据权利要求5所述的隧道巡检系统，其特征在于，所述处理器单元包括主控板MCU芯片及外围电路，所述边缘计算模块采用Jetson Nano核心板及载板。
8.根据权利要求5所述的隧道巡检系统，其特征在于，所述运动监测单元包括RFID读卡器、设置在外壳水平方向两端的限位开关和姿态传感器；所述视频采集单元包括摄像机；所述远程通信单元包括交换机芯片和5G通信模块；所述水平行走单元包括步进减速电机；所述人机交互单元包括指示灯和语音输出。
9.根据权利要求5所述的隧道巡检系统，其特征在于，所述温控单元采用温湿度传感器；所述热成像单元采用热成像模块；所述外观检测单元采用激光雷达模块。
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| GR01 | Patent grant | ||
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