一种挂轨式隧道智能巡检机器人的制作方法

1.本发明涉及一种巡检机器人，特别是公开一种公路、地铁、市政等隧道的挂轨式隧道智能巡检机器人，应用于地下基础设施检测领域。


背景技术：

2.随着运动控制、机器视觉、环境感知、结构检测等技术的发展，集成研发智能巡检机器人，搭载机器视觉、红外热成像、激光扫描等高精度设备，及时发现隧道内异物、火灾、结构病害等，为隧道的运营安全保驾护航。
3.目前，市面上已有智能巡检机器人，其功能单一、精度低，难以实现隧道内多病害的实时、快速检测。专利cn201610578468.8公开了电力隧道智能巡检机器人，包括其轨道行走机构、底部安装机箱、通话系统、烟雾探测器、无线收发系统等设备，可实现整条隧道的火灾自动报警、视频与环境监控及其配套通信设施；专利cn202111525635.x公开了一种高速公路隧道智能巡检机器人及其控制系统，包括承载组件、传动组件等，可简单的进行录像、查询违规车辆；专利cn201420557938.9公开了一种隧道智能巡检机器人，包括外界信息采集系统、动力与传动系统、壳体和锂电池，能反馈隧道内有害气体浓度，及时发现隐在火灾。但都无法进行隧道结构病害检测，同时其检测速度慢、功能比较单一，难以满足隧道结构与环境，日常和定期巡查。
4.综上，迫切需要一种巡检速度高、定位准确、功能多样、防护等级高的隧道智能巡检机器人。


技术实现要素：

5.本发明的目的设计一种挂轨式隧道智能巡检机器人，主要解决现有巡检装备速度低、定位精度差、功能相对单一等技术问题。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种挂轨式隧道智能巡检机器人，由机器人本体、机器人检测仓、机器人辅助系统、机器人数据处理系统和机器人管理平台五大部分组成；机器人本体包括机器人机体、控制系统、定位系统、动力系统和通信系统；机器人机体是控制系统、定位系统、动力系统和通信系统的承载结构，定位系统通过数据线向控制系统传递位置信号，通信系统通过路由器与控制系统交互，控制系统可对定位系统、动力系统和通信系统进行集成控制，动力系统为控制系统、定位系统和通信系统提供电力；机器人检测仓包括检测仓机体、检测设备和备用电池；机器人辅助系统包括轨道、轨道吊支架、无线网络系统、rfid定位系统、无线充电系统；机器人数据处理系统包括前端数据处理系统和后端数据处理系统；机器人管理平台用于对巡检机器人采集的数据和分析结果进行远程数字化管理。
7.机器人检测仓通过转接机构与机器人本体连接，转接机构连接包括机械、通信、通电；机器人本体和机器人检测仓各自通过2对承重轮悬挂于轨道上，确保机器人于轨道上稳定运行；机器人本体内置蓄电池通过轨道上的无线充电系统进行充电，并通过无线网络系
统与外界进行数据通信；机器人辅助系统通过吊支架安装于隧道结构上，其中rfid定位系统、无线充电系统安装于轨道上，通过无线ap于隧道内为机器人架设网络通信系统；机器人本体采集的数据通过机器人数据处理系统进行分析，并通过无线网络系统与机器人管理平台进行数据对接，可接受来自机器人管理平台的任务指令。
8.所述的机器人机体包括承载结构基板，承载结构基板通过2对共4个承重轮悬挂于轨道上，每对承重轮的横向间距小于轨道宽度的三分之一，可确保机器人不会从轨道上侧滑出来，承重轮采用高弹pu材质，其轴承采用专业滑板高速轴承，可满足高转速、无噪音、耐磨、不爆轴；进一步，每个承重轮的下方侧向各设置一个导向轮，导向轮沿轨道底部侧面滑动，用于侧向引导机器人于轨道上平稳运行，并进一步确保机器人不会从轨道上侧滑出来；进一步，选取一个承重轮作为测距轮，所选取的承重轮与编码器支座相连，编码器支座内置一个编码器，用于对机器人行驶距离的测量；进一步，4个承重轮通过一块方形钢板相连，作为机器人承载的主体结构，主体结构采用铝合金加工制作，方形钢板下方通过螺栓固定一个设备吊舱，设备吊舱内放置电池、plc、微型电脑、路由器等设备，设备吊舱采用铝合金块激光凿削一体成型，并设置散热片，电缆通信接口采用航空防水接头衔接，以确保设备吊舱防护等级到达ip65；所述的机器人本体的控制系统包括微型工控机和plc，微型工控机用于处理各种指令，plc用于对各设备进行集成控制，并与微型工控机进行协议通信；进一步，机器人本体的控制系统还包括运动控制系统，其包括控制单元、驱动单元、执行单元和位置反馈环，运动控制执行过程：（1）plc收到运动指令后，向控制单元发出位置期望值；（2）控制单元收到指令后向驱动单元发出驱动指令，驱动单元收到指令后并传递给执行单元；（3）执行单元执行任务，并反馈位置信息给控制单元；（4）控制单元判断执行位置与期望位置偏差，并视分析情况发出修正指令，重复步骤（1）、（2）、（3）、（4），直到机器人精准运动到期望位置。
9.进一步，控制单元主要包括定位算法、复位算法、s型加减速算法和插补算法等；进一步驱动单元主要包括伺服驱动器和2个动力轮，伺服驱动器安装于设备吊舱内，2个动力轮夹紧于轨道中截面两侧，动力轮轴固定于方形钢板上，每队动力轮通过一个弹性连杆相连，用于调节动力轮夹紧力度，动力轮的旋转驱动机器人沿轨道直线行驶，行驶速度每秒大于3.5米，刹车距离短于0.5米。
10.所述的机器人本体的定位系统包括测距轮、rfid、激光雷达、图像特征识别模块，测距轮用于粗略定位，rfid和图像特征识别模块用于测距轮长距离测量误差修正，激光雷达用于避障，可确保长距离绝对精度厘米级，局部重要位置毫米级定位。
11.进一步，rfid据隧道实际线性情况，可按20~50米一个布置。
12.所述的机器人本体的动力系统包括蓄电池、无线充电发送模块，无线充电模块包括控制器、发射端和接受端，其中控制器和发射端集成一体为外部充电桩，充电桩安装于轨道上方，并与外部电源连接，接受端安装于机器人本体结构外侧，当发射端与接收端靠近并静止时，就会对蓄电池进行无线充电，为了防止蓄电池频繁充电，通过控制系统可设定一个
充电阈值，如蓄电池电量低于80%时才可以充电；进一步，机器人巡检时使用内置蓄电池供电时，应实时监测电池剩余电量，当剩余电量低于设定的最低保护电量时，机器人将停止检测系统工作以确保更长的续航能力，并自主运动到最近充电桩充电，最低保护电量可设定为蓄电池满功率的20~30%；进一步，充电桩的安装间距依据巡检机器人功耗消耗情况设定，一般可按巡检机器人最低保护电量空载行驶距离的1.6倍设定。
13.所述的检测仓机体与机器人机体结构基本一致。
14.所述的机器人检测仓的检测设备包括环境监测传感器、衬砌摄像机、红外热成像仪、拾音器、激光测距仪、二维激光断面仪等，环境监测传感器、衬砌摄像机、红外热成像仪、拾音器、激光测距仪、二维激光断面仪通过机器人本体的plc进行集成控制；衬砌摄像机和红外热成像仪集成安装于平面360
°
旋转云台上，平面360
°
旋转云台安装于检测仓机体的承载结构基板尾部，用于对隧道衬砌结构表观图像和隧道环境进行拍摄；二维激光断面仪悬挂于检测仓机体前部，用于对隧道轮廓结构进行360
°
扫描；环境监测传感器、拾音器、激光测距仪安装于检测仓机体的设备吊仓内。
15.进一步，衬砌摄像机采用自动变焦摄像机，依据旋转云台的旋转调节，可实现对隧道衬砌结构全断面覆盖式摄像，采集图像分辨率0.3mm，通过亚像素分割算法，可实现对衬砌结构0.2mm以上裂缝的精准识别，检测要求满足工程需求。
16.所述的机器人辅助系统，轨道截面采用工字型轨道，轨道采用高强度铝合金型材，表面经过阳极处理，强度高、重量轻、耐磨、耐腐蚀，单根轨道直线段长度3~4米，转弯段单独设计，转弯半径依据机器人的最小转弯半径与隧道设备限界综合确定。
17.所述的机器人轨道吊支架采用不锈钢材料，强度高、耐腐蚀，吊支架通过化学锚栓固定于隧道衬砌结构上，负载能力和抗振动性强。
18.进一步，吊支架采用夹具方式固定轨道，现场开孔，通过螺栓将夹具与轨道固定连接，轨道与轨道间通过连接片和螺栓固定连接。
19.所述的机器人无线网络系统采用ap组网，网络拓扑采用光纤环网线型链路结构，每个基站通信控制箱中安装1台光环网交换机，通过预留的专用单模4芯光纤，与机房中的光交换机组成环形网络，通信基站的标准安装间距为180米/套，隧道内干扰严重、遮挡严重的情况下可缩短安装间距。
20.所述的机器人rfid和无线ap可采购市购件。
21.所述的机器人数据处理系统主要包括高性能计算机和数据处理软件，数据处理系统接收到机器人传输过来的采集数据，依据控制系统下达的指令，对采集数据进行分析，分析结果反馈至机器人管理平台或机器人本体。
22.进一步，依据机器人采集的隧道衬砌结构表观图像，利用机器学习、图像识别等方法，通过机器人配套的数据处理系统，可对隧道衬砌结构的裂缝、渗漏水、剥落、钢筋锈蚀及设施设备损坏情况进行图像检测，快速生成检测分析报告，并分级预警；进一步，依据机器人采集的红外热成像图像，利用机器学习、图像识别等方法，通过机器人配套的数据处理系统，可辅助结构渗漏水准确识别和行驶车辆车轮温度远程监控，对车轮热量或车体温度异常的车辆及时告警；进一步，依据机器人采集的激光点云数据，通过点云噪点剔除、点云三维重构与切
自适应支座，7-螺杆，8-弹簧，9-垫块，10-承重轮支座，11-承重轮，12-编码器支座，13-动力轮，14-刹车模块，15-散热风扇，16-接收端，17-m8主螺栓，19-激光雷达，20-轨道，21-轨道吊支架，22
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rfid，23-平面360
°
旋转云台，24-衬砌摄像机，25-红外热成像仪，26-二维激光断面仪，27-拾音器，28-激光测距仪，29-环境监测传感器，30-转接机构，31-导向轮。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
30.如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种挂轨式隧道智能巡检机器人，由机器人本体1、机器人检测仓2、机器人辅助系统、机器人数据处理系统和机器人管理平台五大部分组成；机器人本体包括机器人机体、控制系统、定位系统、动力系统和通信系统；机器人机体是控制系统、定位系统、动力系统和通信系统的承载结构，定位系统通过数据线向控制系统传递位置信号，通信系统通过路由器与控制系统交互，控制系统可对定位系统、动力系统和通信系统进行集成控制，动力系统为控制系统、定位系统和通信系统提供电力；机器人检测仓2包括检测仓机体、检测设备和备用电池；机器人辅助系统包括轨道20、轨道吊支架21、无线网络系统、rfid定位系统、无线充电系统；机器人数据处理系统包括前端数据处理系统和后端数据处理系统；机器人管理平台用于对巡检机器人采集的数据和分析结果进行远程数字化管理。
31.机器人检测仓2通过转接机构30与机器人本体连接，转接机构30连接包括机械、通信、通电；机器人本体和机器人检测仓2各自通过2对承重轮9悬挂于轨道20上，确保机器人于轨道20上稳定运行；机器人内置蓄电池通过轨道20上的无线充电系统进行充电，并利用无线网络系统与外界进行数据通信；机器人辅助系统通过吊支架安装于隧道结构上，其中rfid22定位系统、无线充电系统安装于轨道20上，利用无线ap于隧道内为机器人架设网络通信系统；机器人采集的数据通过机器人数据处理系统进行分析，并通过无线网络系统与机器人管理平台进行数据对接，可接受来自机器人管理平台的任务指令。
32.所述的机器人本体机体结构包括承载结构基板4，通过承重轮支座10，承载结构基板4通过2对共4个承重轮11悬挂于轨道20上，每对承重轮11的横向间距小于轨道20宽度的三分之一，可确保机器人不会从轨道20上侧滑出来，承重轮11采用高弹pu材质，其轴承采用专业滑板高速轴承，可满足高转速、无噪音、耐磨、不爆轴；左右两侧的支座5通过一对螺杆7相连，螺杆7间设置一节弹簧8，通过对螺杆7间的弹簧8调节，可调整支座5间的夹紧力，进而确保动力轮13紧贴于轨道20侧面上；一对螺杆7通过自适应支座6与基板相连；设备吊舱3通过4个m8主螺栓17固定于承载结构基板4上，4个m8主螺栓17间设置垫块9用于主仓平面调节；高弹pu材质：硬度为84bn，采用专属六边形内核结构，更加牢固；承重轮11外直径52mm，宽度31mm；进一步，每个承重轮11的下方侧向各设置一个导向轮31，导向轮31沿轨道20底部侧面滑动，用于侧向引导机器人于轨道20上平稳运行，并进一步确保机器人不会从轨道20上侧滑出来；进一步，选取一个承重轮作为测距轮18，所选取的承重轮与编码器支座12相连，编码器支座12内置一个编码器，用于对机器人行驶距离的测量；
进一步，4个承重轮11通过一块方形钢板相连，作为机器人承载的主体结构，方形钢板下方通过螺栓固定一个设备吊舱3，设备吊舱3内放置电池、plc、微型电脑、路由器，设备吊舱3采用铝合金块激光凿削一体成型，并设置散热片，电缆通信接口采用航空防水接头衔接，以确保设备吊舱防护等级到达ip65；plc选型：选用西门子品牌的cpu1212c主机，其型号为6es7212；西门子品牌的cb1241通信板，其型号为6es7241；西门子品牌的sb1222扩展板，其型号为6es7222。
33.航空防水接头选型：选用费舍尔ss插头，规格型号包括0f102开孔m9、1f103开孔m14、15f1031开孔m14；所述的机器人本体的控制系统包括微型工控机和plc，微型工控机用于处理各种指令，plc用于对各设备进行集成控制，并与微型工控机进行协议通信；进一步，机器人本体的控制系统还包括运动控制系统，其包括控制单元、驱动单元、执行单元和位置反馈环，运动控制执行过程：（1）plc收到运动指令后，向控制单元发出位置期望值；（2）控制单元收到指令后向驱动单元发出驱动指令，驱动单元收到指令后并传递给执行单元；（3）执行单元执行任务，并反馈位置信息给控制单元；（4）控制单元判断执行位置与期望位置偏差，并视分析情况发出修正指令，重复步骤（1）、（2）、（3）、（4），直到机器人精准运动到期望位置；进一步，控制单元主要包括定位算法、复位算法、s型加减速算法和插补算法等；定位算法简介：由控制器及编码器组成的闭环定位系统及绝对定位标签系统共同完成，其中控制器负责在接收到运动控制信号后，控制根据定位里程发送固定频率的脉冲到驱动器，进而驱动器解析脉冲列控制电机角位移，进而去控制传动机构动作，在运行过程中，由编码器对传动机构进行脉冲检测（里程测距），以此作为系统反馈量反馈回系统，控制器通过比较发送脉冲数和反馈量脉冲进行比较，进而修正实际输出脉冲数。
34.rfid29标签定位作为系统辅助的绝对修正变量，在起始过程至结束作为原始数据量，定位里程区间内存在一定间隔的标签量，通过行进至某一区间后，系统接收到定位标签所写入的里程点信息，作为强制扰动变量对系统进行绝对定位校准，以此确保与实际环境的绝对吻合。
35.复位算法简介：依赖于避障算法，使用二维的笛卡尔直方图栅格表示障碍物环境，每个栅格单元存储一个确信值，表示算法对该位置存在障碍物的确信度。当机器人在移动时，以机器人中心点为中心建立活动窗口。
36.s型加减速算法简介：s形加减速的速度曲线平滑，从而能够减少对控制过程中的冲击，并使插补过程具有柔性。由于s曲线在加减速的过程中，其加速度是变化的，因此这里引入了新的一个变量，即加加速度。三个最基本的系统参数：系统最大速度，最大加速度a_{max} ，加加速度确定整个运行过程。
37.1）速度时间关系方程结合加速度时间关系可以得到速度曲线关系，具体关系如下；
38.进一步简化可以得到：
39.2）位移时间关系方程位移和加加速度，经推导得到最终位移的方程如下所示
40.插补算法简介：采用直线插补的方式进行，利用两点间的插补沿着直线的点群来
逼近。
41.假设在实际轮廓起始点处沿x方向走一小段(给一个脉冲当量轴走一段固定距离)，发现终点在实际轮廓的下方，则下一条线段沿y方向走一小段；如果线段终点还在实际轮廓下方，则继续沿y方向走一小段，直到在实际轮廓上方以后，再向x方向走一小段，依此类推，直到到达轮廓终点为止。
42.这样实际轮廓是由一段段的折线拼接而成，虽然是折线，但每一段插补线段在精度允许范围内非常小，那么此段折线还是可以近似看做一条直线段，这就是直线插补。
43.进一步驱动单元包括伺服驱动器和2个动力轮13，伺服驱动器安装于设备吊舱3内，2个动力轮13夹紧于轨道20中截面两侧，动力轮轴固定于方形钢板上，每队动力轮13通过一个弹性连杆7相连，用于调节动力轮13夹紧力度，动力轮13的旋转驱动机器人沿轨道直线行驶，行驶速度每秒大于3.5米，刹车距离短于0.5米；机器人的刹车模块14安装于设备吊仓3前方，通过电磁装置控制刹车片与轨道20轨面是否接触，当接触时，紧急刹车；进一步，刹车模块14下方设置一个散热风扇15，用于对设备吊仓3内设备散热；所述的机器人本体的定位系统包括测距轮18、rfid22、激光雷达19、图像特征识别等多元综合定位系统，测距轮18用于粗略定位，rfid22和图像特征识别用于测距轮18长距离测量误差修正，激光雷达19用于避障，可确保长距离绝对精度厘米级，局部重要位置毫米级定位；rfid22设备选型：选用沃极科技的rfid22和抗金属标签，rfid22的型号为tr-h620，金属标签的型号为tg-h50r；进一步，rfid22据隧道实际线性情况，间距可按20~50米一个布置；所述的机器人本体的动力系统包括蓄电池、无线充电发送模块，无线充电发送模块包括控制器、发射端和接受端16，其中控制器和发射端集成一体为外部充电桩，充电桩安装于轨道20上方，并与外部电源连接，接受端16安装于机器人本体结构外侧，当发射端与接收端16靠近并静止时，就会对蓄电池进行无线充电，为了防止蓄电池频繁充电，通过控制系统可设定一个充电阈值，如蓄电池电量低于80%时才可以充电；进一步，机器人巡检时使用内置蓄电池供电时，应实时监测电池剩余电量，当剩余电量低于设定的最低保护电量时，机器人将停止检测系统工作以确保更长的续航能力，并自主运动到最近充电桩充电，最低保护电量可设定为蓄电池满功率的20~30%；进一步，充电桩的安装间距依据巡检机器人功耗消耗情况设定，一般可按巡检机器人最低保护电量空载行驶距离的1.6倍设定；所述的检测仓机体与机器人机体结构基本一致；所述的机器人检测仓2的检测设备包括环境监测传感器29、衬砌摄像机24、红外热成像仪25、拾音器27、激光测距仪28、二维激光断面仪26等，环境监测传感器、衬砌摄像机24、红外热成像仪25、拾音器27、激光测距仪28、二维激光断面仪26通过机器人本体的plc进行集成控制；衬砌摄像机和红外热成像仪25集成安装于平面360
°
旋转云台23上，平面360
°
旋转云台23安装于机器人检测仓2承载基板尾部，用于对隧道衬砌结构表观图像和隧道环境进行拍摄；二维激光断面仪26悬挂于机器人检测仓2前部，用于对隧道轮廓结构进行360
°
扫描；环境监测传感器29、拾音器27、激光测距仪28安装于机器人设备吊仓3内；
红外热成像设备选型：选用格物优信红外热成像仪25，辨率为640
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480，最高频率30hz，热灵敏度≤50mk@25℃，同时采用定焦镜头；进一步，衬砌摄像机24采用自动变焦摄像机，依据旋转云台的旋转调节，可实现对隧道衬砌结构全断面覆盖式摄像，采集图像分辨率0.3mm，通过亚像素分割算法，可实现对衬砌结构0.2mm以上裂缝的精准识别，检测要求满足工程需求；所述的机器人辅助系统，轨道20截面采用工字型轨道，轨道20采用高强度铝合金型材，表面经过阳极处理，强度高、重量轻、耐磨、耐腐蚀，单根轨道20直线段长度3~4米，转弯段单独设计，转弯半径依据机器人的最小转弯半径与隧道设备限界综合确定；轨道20工字钢截面尺寸：工字形，上表面宽60mm，下表面宽90mm，总高度110mm，壁厚5mm；所述的机器人轨道吊支架21采用不锈钢材料，强度高、耐腐蚀，吊支架通过化学锚栓固定于隧道衬砌结构上，负载能力和抗振动性强；化学锚栓选型：选用m8x110mm，钻孔直径10mm，钻孔深度80mm，锚固长度75mm；进一步，吊支架采用夹具方式固定轨道20，现场开孔，通过螺栓将夹具与轨道20固定连接，轨道20与轨道20间通过连接片和螺栓固定连接；所述的机器人无线网络系统采用ap组网，网络拓扑采用光纤环网线型链路结构，每个基站通信控制箱中安装1台光环网交换机，通过预留的专用单模4芯光纤，与机房中的光交换机组成环形网络，通信基站的标准安装间距为180米/套，隧道内干扰严重、遮挡严重的情况下可缩短安装间距；所述的机器人rfid20和无线ap可采购市购件。
44.所述的机器人数据处理系统包括高性能计算机和数据处理软件，数据处理系统接收到机器人传输过来的采集数据，依据控制系统下达的指令，对采集数据进行分析，分析结果反馈至机器人管理平台或机器人本体；进一步，依据机器人采集的隧道衬砌结构表观图像，利用机器学习、图像识别等方法，通过机器人配套的数据处理系统，可对隧道衬砌结构的裂缝、渗漏水、剥落、钢筋锈蚀及设施设备损坏情况进行图像检测，快速生成检测分析报告，并分级预警；进一步，依据机器人采集的红外热成像图像，利用机器学习、图像识别等方法，通过机器人配套的数据处理系统，可辅助结构渗漏水准确识别和行驶车辆车轮温度远程监控，对车轮热量或车体温度异常的车辆及时告警；进一步，依据机器人采集的激光点云数据，通过点云噪点剔除、点云三维重构与切割提取、点云曲线拟合等算法处理，可用于对隧道衬砌结构形变、侵限分析；进一步，依据机器人采集的隧道环境影像数据，通过ai智能分析，可实现对隧道车流量、车辆分布、车速、异物侵入等环境事件快速感知与预警；进一步，依据机器人采集的环境传感数据，通过数据解析，可实现对隧道各区段的光照、温度、湿度、气体的全程感知；所述的机器人管理平台包括下述功能模块：平台首页、实时监控模块、数据中心、巡检管理、设备中心、系统设置等模块；平台采用b/s架构设计，运维人员能通过web界面进行远程控制机器人移动、查看设备运行状态、调阅设备历史监测记录、调整巡检路径、添加巡检任务及巡检和分析数据远程数字化管理等操作；
进一步，巡检管理包括日常巡检、定期巡检、重点巡检和紧急引导，用于满足隧道巡检各种差异化要求。
45.（1）普通巡检：对隧道结构表观病害、轮廓形变、轮廓限界、环境等单一或所有项目每日或经常性检测；（2）定期巡检：对隧道结构表观病害、轮廓形变、轮廓限界、环境等单一或所有项目周期性检测，巡检频率一般一年2~4次；（3）重点巡检：对普通检测发现的重大病害或隧道某一指定重点区域利用巡检机器人进行重点巡检；（4）紧急引导：针对紧急突发情况，通过人工控制模块引导机器人前往指定位置，进行紧急救援引导。
46.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明的权利要求书所要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于：由机器人本体、机器人检测仓、机器人辅助系统、机器人数据处理系统和机器人管理平台五大部分组成；机器人检测仓通过转接机构与机器人本体连接，转接机构连接包括机械、通信、通电；机器人本体和机器人检测仓各自通过2对承重轮悬挂于轨道上，机器人本体内置蓄电池通过轨道上的无线充电系统进行充电，并利用无线网络系统与外界进行数据通信；机器人辅助系统通过吊支架安装于隧道结构上，利用无线ap于隧道内为机器人架设网络通信系统；机器人本体采集的数据通过机器人数据处理系统进行分析，并通过无线网络系统与机器人管理平台进行数据对接，可接受来自机器人管理平台的任务指令。2.根据权利要求1所述的一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于，机器人本体包括机器人机体、控制系统、定位系统、动力系统和通信系统；机器人机体是控制系统、定位系统、动力系统和通信系统的承载结构，定位系统通过数据线向控制系统传递位置信号，通信系统通过路由器与控制系统交互，控制系统可对定位系统、动力系统和通信系统进行集成控制，动力系统为控制系统、定位系统和通信系统提供电力；所述的机器人机体包括承载结构基板，承载结构基板通过2对共4个承重轮悬挂于轨道上，每个承重轮的下方侧向各设置一个导向轮，导向轮沿轨道底部侧面滑动，4个承重轮通过一块方形钢板相连，方形钢板下方通过螺栓固定一个设备吊舱，设备吊舱内放置电池、plc、微型电脑、路由器，设备吊舱设置散热片；所述的机器人本体的控制系统包括微型工控机和plc，微型工控机用于处理各种指令，plc用于对各设备进行集成控制，并与微型工控机进行协议通信；机器人本体的控制系统还包括运动控制系统，运动控制系统包括控制单元、驱动单元、执行单元和位置反馈环，运动控制执行过程：（1）plc收到运动指令后，向控制单元发出位置期望值；（2）控制单元收到指令后向驱动单元发出驱动指令，驱动单元收到指令后并传递给执行单元；（3）执行单元执行任务，并反馈位置信息给控制单元；（4）控制单元判断执行位置与期望位置偏差，并视分析情况发出修正指令，重复步骤（1）、（2）、（3）、（4），直到机器人精准运动到期望位置；所述的机器人本体的定位系统包括测距轮、rfid、激光雷达、图像特征识别模块，测距轮用于粗略定位，rfid和图像特征识模块别用于测距轮长距离测量误差修正，激光雷达用于避障；所述的机器人本体的动力系统包括蓄电池、无线充电发送模块，无线充电模块包括控制器、发射端和接受端，其中控制器和发射端集成一体为外部充电桩，充电桩安装于轨道上方，并与外部电源连接，接受端安装于机器人本体结构外侧，当发射端与接收端靠近并静止时，就会对蓄电池进行无线充电。3.根据权利要求2所述的一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于，所述控制单元包括定位算法模块、复位算法模块、s型加减速算法模块和插补算法模块；所述驱动单元主要包括伺服驱动器和2个动力轮，伺服驱动器安装于设备吊舱内，2个动力轮夹紧于轨道中截面两侧，动力轮轴固定于方形钢板上，每队动力轮通过一个弹性连杆相连，用于调节动力轮夹紧力度，动力轮的旋转驱动机器人沿轨道直线行驶。4.根据权利要求1所述的一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于，机器人检测仓
包括检测仓机体、检测设备和备用电池；所述检测设备包括环境监测传感器、衬砌摄像机、红外热成像仪、拾音器、激光测距仪、二维激光断面仪，环境监测传感器、衬砌摄像机、红外热成像仪、拾音器、激光测距仪、二维激光断面仪通过机器人本体的plc进行集成控制；衬砌摄像机和红外热成像仪集成安装于平面360
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旋转云台上，平面360
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旋转云台安装于检测仓机体的承载结构基板尾部，用于对隧道衬砌结构表观图像和隧道环境进行拍摄；二维激光断面仪悬挂于检测仓机体前部，用于对隧道轮廓结构进行360
°
扫描；环境监测传感器、拾音器、激光测距仪安装于检测仓机体的设备吊仓内。5.根据权利要求1所述的一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于，机器人辅助系统包括轨道、轨道吊支架、无线网络系统、rfid定位系统、无线充电系统；其中rfid定位系统、无线充电系统安装于轨道上，所述无线网络系统采用ap组网，网络拓扑采用光纤环网线型链路结构，每个基站通信控制箱中安装1台光环网交换机，通过预留的专用单模4芯光纤，与机房中的光交换机组成环形网络。6.根据权利要求1所述的一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于，所述机器人数据处理系统包括高性能计算机和数据处理软件，并包括前端数据处理系统和后端数据处理系统，数据处理系统接收到机器人传输过来的采集数据，依据控制系统下达的指令，对采集数据进行分析，分析结果反馈至机器人管理平台或机器人本体；进一步，依据机器人采集的隧道衬砌结构表观图像，利用机器学习、图像识别方法，通过机器人配套的数据处理系统，可对隧道衬砌结构的裂缝、渗漏水、剥落、钢筋锈蚀及设施设备损坏情况进行图像检测，快速生成检测分析报告，并分级预警；进一步，依据机器人采集的红外热成像图像，利用机器学习、图像识别方法，通过机器人配套的数据处理系统，可辅助结构渗漏水准确识别和行驶车辆车轮温度远程监控，对车轮热量或车体温度异常的车辆及时告警；进一步，依据机器人采集的激光点云数据，通过点云噪点剔除、点云三维重构与切割提取、点云曲线拟合算法处理，可用于对隧道衬砌结构形变、侵限分析；进一步，依据机器人采集的隧道环境影像数据，通过ai智能分析，可实现对隧道车流量、车辆分布、车速、异物侵入等环境事件快速感知与预警；进一步，依据机器人采集的环境传感数据，通过数据解析，可实现对隧道各区段的光照、温度、湿度、气体的全程感知。7.根据权利要求1所述的一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于，所述机器人管理平台包括平台首页、数据中心、巡检管理模块和设备中心模块；用于对巡检机器人采集的数据和分析结果进行远程数字化管理。8.根据权利要求1所述的一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于，机器人巡检时使用内置蓄电池供电时，应实时监测电池剩余电量，当剩余电量低于设定的最低保护电量时，机器人将停止检测系统工作以确保更长的续航能力，并自主运动到最近充电桩充电，最低保护电量可设定为蓄电池满功率的20~30%；充电桩的安装间距依据巡检机器人功耗消耗情况设定，按巡检机器人最低保护电量空载行驶距离的1.6倍设定。9.根据权利要求1所述的一种挂轨式隧道智能巡检机器人，其特征在于，所述机器人管理平台包括下述功能模块：平台首页、实时监控模块、数据中心、巡检管理、设备中心、系统设置；机器人管理平台采用b/s架构设计，运维人员能通过web界面进行远程控制机器人移
动、查看设备运行状态、调阅设备历史监测记录、调整巡检路径、添加巡检任务及巡检和分析数据远程数字化管理操作；巡检管理包括日常巡检、定期巡检、重点巡检和紧急引导。

技术总结
本发明涉及一种挂轨式隧道智能巡检机器人。主要解决现有巡检装备速度低、定位精度差、功能相对单一等技术问题。智能巡检机器人由机器人本体、机器人检测仓、机器人辅助系统、机器人数据处理系统和机器人管理平台五大部分组成；机器人本体包括机器人机体、控制系统、定位系统、动力系统和通信系统；机器人检测仓包括检测仓机体、检测设备和备用电池；机器人辅助系统包括轨道、轨道吊支架、无线网络系统、RFID定位系统、无线充电系统；机器人数据处理系统包括前端数据处理系统和后端数据处理系统；机器人管理平台用于对巡检机器人采集的数据和分析结果进行远程数字化管理。分析结果进行远程数字化管理。分析结果进行远程数字化管理。


技术研发人员：刘学增 温成佳 刘新根 桑运龙
受保护的技术使用者：上海同岩土木工程科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/31