一种基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统技术领域
本发明属于土木工程中的隧道修复领域，涉及隧道裂缝的修复，具体是一种基于
贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统。
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，国内对隧道裂缝的
修复主要依靠人工修复，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。特
别是在对隧道顶部进行修复时，一般要利用升降台帮助技术人员进行近距离修复，从而需
要封闭交通，不仅费时费力而且安全性差。总的来说，目前的隧道裂缝修复技术还十分落
后，急需研发价格低、效率高、精度高、不影响交通的隧道裂缝修复设备和方法。
裂缝表面修复法是一种较常见的修补方法，它主要基于向裂缝内灌注修复材料达
到修复裂缝的目的，适用于对结构承载力没有影响的表面裂缝的处理。与其它修复方法相
比较，表面修复法具有操作简便、适应性高、成本较低的优点。
发明内容
为了克服现有隧道修复方法需要封闭交通且成本高、效率低的不足，本发明提供
了一种无需封闭交通、成本较低、效率较高的基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统，所述隧道裂缝修复系统包括：
用于附在隧道衬砌表面，并按设定路径移动的贴壁式无人机；
用于对无人机进行导航的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
给工作站的机载通信及传输模块；
用于控制无人机移动的运动控制器；
用于确认裂缝位置并监控灌注过程的摄像装置；
用于修复隧道衬砌裂缝的修复模块；
用于对贴壁式无人机导航路径进行设计和控制，并能接收、分析和显示无人机传
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、摄像装置和修复
模块均安装在所述贴壁式无人机上。
进一步，所述贴壁式无人机包括旋翼、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、摄像装置和超声波检测模块。
再进一步，所述车轮与台架的连接处有转向机构。
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。
所述摄像装置包括两个带光源的摄像头，用于确认裂缝的位置并监控灌注过程。
所述的修复模块包括压缩空气罐、活塞、灌注装置及伸缩弹簧，所述压缩空气罐安
装在固定支座上，在伸缩弹簧作用下灌注装置紧贴裂缝处；在不进行灌注时，伸缩弹簧缩进
提起灌注装置使其离开衬砌表面；所述压缩空气罐的出气口处有控制阀并通过软管进入填
充材料罐并推动其中的活塞；滚筒通过连杆与车体连接，所述滚筒中设有电热丝。
本发明的技术构思为：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。本发明拟基于无人机进行创新性的优化改
造，结合隧道衬砌裂缝表面修复的原理，为隧道维护管理提供一种新方法。
本发明的有益效果主要表现在：
1)基于贴壁式无人机的隧道衬砌损伤检测系统，在修复时无需封闭隧道，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)修复时无人机通过轮子紧贴隧道表面，能增加修复的平稳度，保障修复效果。
4)摄像机近距离拍摄裂缝图像，能够分辨出开度大于0.01mm的微小裂缝，并能够
监控灌注装置的位置，通过工作站对无人机进行遥控来修复裂缝。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的下部仰视图；
图3是本发明的正视图；
图4是本发明的上部俯视图；
图5是本发明的侧视图；
图6是本发明的惯性导航结构图；
图7是本发明的系统示意图；
图1-6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-摄像机；12-光源；13-空气压缩罐；14-支座；15-软管；16-活塞；17-扣带；18-灌
注装置；19-伸缩弹簧；20-滚筒；21-连杆；22-电池；图7中，23-地面工作站；24-移动式电源；
25-信号接收器；26-电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一种基于贴壁式无人机的隧道裂缝修复系统，其特征在于，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无人机；用于对无人机进行导航的
GPS/INS组合导航模块；控制无人机移动的运动控制器；机载通信及传输模块；确认裂缝位
置并监控灌注过程的摄像装置；修复隧道衬砌裂缝的修复模块；能够对贴壁式无人机导航
路径进行设计和控制，并能接受、分析和显示无人机传回的检测数据的地面工作站。
所述的贴壁式无人机包括旋翼、台架和车轮，所述台架上放置修复装置和监控设
备。
所述的贴壁式无人机采用旋翼提供反向推力，让无人机紧贴于衬砌表面。所述旋
翼可偏转方向，从而提供前进、后退及转向的动力。
所述的贴壁式无人机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(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)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
无人机的运动。
所述的摄像装置包括两个带光源的摄像头，用于确认裂缝的位置并监控灌注过
程。
所述的隧道裂缝修复模块包括压缩空气罐、活塞、灌注装置及伸缩弹簧，用于对隧
道裂缝的灌注，并使用加热的滚筒压平灌注后的衬砌表面。
如图1-5所示，所述贴壁式无人机包括旋翼(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无人机吸附在检测面上；旋翼(1)可转动一定角度，推动无人机
前后左右移动；四个旋翼(1)的转速保持一致，能使无人机匀速地运动；旋翼保护罩(6)能够
保护旋翼(1)免受损伤。台架(2)上能安装修复装置和控制装置。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。如图6所示，GPS模块是
一个集成电路，能接受卫星的定位信号，定位出无人机的位置；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，可以得到无人机在导航坐
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(24)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(24)。
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无人机移动的目的。
所述的摄像装置，包括摄像机(11)和光源(12)。摄像机可选择100万像素以上，实
现每秒50帧以上全画幅摄像的型号，由于距离衬砌表面很近，得到的图像可以分辨出开度
大于0.01mm的裂隙；通过光源(12)能提供充足光照，帮助高清相机(11)拍摄出清晰的裂缝
图像；两台摄像机(11)检测得出的图像通过传输模块(10)传送到地面工作站(25)中进行处
理；操作人员可根据实时的图像遥控车体，保证灌注装置(18)对准裂缝。
如图5所示，所述的修复模块，包括压缩空气罐(13)、填充材料罐(16)、灌注装置
(18)及伸缩弹簧(19)。压缩空气罐(13)安装在固定支座(14)上，用扣带(17)扣紧，防止压缩
空气罐(13)脱落；在伸缩弹簧(19)作用下，灌注装置(18)紧贴裂缝处，在遇到表面起伏时可
提供缓冲，以保护装置；在不进行灌注时，伸缩弹簧(19)缩进，提起灌注装置(18)使其离开
衬砌表面，便于无人机移动；压缩空气罐(13)的出气口处有控制阀，当控制阀打开时，压缩
空气流过软管(15)进入填充材料罐(16)并推动其中的活塞，通过灌注装置(18)将填充材料
灌注到裂缝中。滚筒(20)通过连杆(21)与车体连接，滚筒(20)中的电热丝给滚筒(20)加热
至一定温度后，对刚灌注完填充材料的裂隙表面进行压平。压缩空气罐(13)可反复注气，填
充材料罐(16)可反复注入填充材料，车体电池(22)可反复充电并快速更换。本实例中修复
材料选用环氧石英砂浆。
伺服电机(5)、通信及传输模块(10)、GPS/INS(全球定位系统/惯性导航系统)组合
导航模块(8)、摄像机(11)以及光源(12)的供电均由电池(22)提供。无人机的电量情况受到
地面工作站的监控，当电池(22)的电量不足以维持无人机贴壁行进时，地面工作站(24)发
出信号，运动控制器(9)会控制无人机从隧道表面移动到地面，防止摔落。
如图7所示，所述的地面工作站(24)，包括电脑(27)、移动式电源(25)和信号收发
器(26)。信号收发器(26)能够接受摄像机(11)拍摄的图像，并能够发射导航检测指令，控制
无人机的修复路径；无人机可按照事先输入的裂缝三维坐标地址自行运行到裂缝处；电脑
(27)能够储存数据，便于后期分析处理；电脑(27)内的数据处理软件能对接收的修复数据
进行处理，生成直观的隧道表面裂缝分布和修复图；电脑(27)的显示器能把修复结果直观
的展现出来，并能够实时显示摄像头拍摄的图像，便于监控灌注的位置；移动式电源(25)可
以为电脑(27)和信号收发器(26)提供电力，在无人机电池缺电时可对电池充电。