一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统及检测无人机

1.本实用新型涉及隧道病害检测技术领域，具体为一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统及检测无人机。


背景技术：

2.随着中国经济高速发展，城市空间需求急剧膨胀与地面空间有限这一矛盾日益突出，有效地开发利用城市地下空间愈来愈迫切。隧道结构作为人类利用地下空间的重要生命线工程，其建设得到了前所未有的发展。然而，由于隧道是修建在地下岩土介质中的半隐蔽工程，而且我国隧道是在不同时期、不同地质条件和不同技术水平下修建的。经过多年运营，许多隧道已出现多种病害，衬砌裂缝是最常见也是最严重的病害之一。实现隧道衬砌裂缝病害的自动快速识别和检测，对于隧道衬砌结构安全评估和隧道的安全运营管理具有重要的基础性意义，是现实工程应用中的迫切需要，也是目前隧道工程领域国内外研究的热点和前沿问题。
3.长期以来，隧道衬砌裂缝的检测方法以手工测量为主，此类方法存在效率低、危险程度高、主观性强、准确性无法保证以及费时费力等缺点，公开号为cn218350125u提供的一种隧道衬砌裂缝检测装置，其通过第一旋转驱动件，第一旋转驱动件使旋转盘进行转动，带动检测探头对隧道中的任意位置进行检测，实用性强，通过第一升降杆、第一伸缩驱动件、第二伸缩驱动件、第三伸缩驱动件、第二升降杆和第三升降杆使检测探头的高度发生变化，该检测方法基于车载检测系统，其体积庞大，需要人工控制巡检车、线阵相机和机械臂进行配合，自动化程度较低。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统及检测无人机，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，包括：
7.图像采集模块，所述图像采集模块包括相机，所述相机和图像采集卡电性连接，用于采集隧道衬砌裂缝图像并发送至图像采集卡，所述图像采集卡和微控制器模块电性连接，用于对相机采集的图像进行量化以后转换为数字图像并输入至微控制器模块；
8.定位模块，所述定位模块包括uwb定位标签，所述uwb定位标签内部设置有定位脉冲收发装置，用于向至少三个uwb定位基站分别发送定位脉冲，以及用于在收到至少三个所述uwb定位基站中的任何一个返回的定位响应脉冲后再向对应的所述uwb定位基站发送定位脉冲，以使至少三个所述uwb定位基站能够获得其与所述uwb定位标签的实时距离数据；
9.惯性传感器，所述惯性传感器和微控制器模块电性连接，用于检测和测量获取定位模块所在位置的实时运动参数数据并传送给所述微控制器模块；
10.微控制器模块和uwb定位标签电性连接，用于生成所述uwb定位标签的定位脉冲发
送参数，以及用于基于定位脉冲发送参数控制所述uwb定位标签向至少三个所述uwb定位基站发送定位脉冲；
11.蓄电池，所述蓄电池用于为所述图像采集模块、定位模块惯性传感器和微控制器模块的用电单元供电。
12.在其中一个实施例中，所述图像采集模块还包括有照明光源，所述照明光源和蓄电池电性连接，用于为相机采集图像提供照明。
13.在其中一个实施例中，所述照明光源设置有两组，对称设置在相机的两侧，且照明方向和相机的拍摄呈一定的夹角。
14.在其中一个实施例中，所述微控制器模块还和通讯模块电性连接，用于通过无线网络将图像采集卡转换的数字图像、惯性传感器测量的运动参数数据发送至与至少三个所述uwb定位基站通信连接的上位机或管理平台。
15.本发明另外还提供一种隧道衬砌裂缝的检测无人机，所述检测无人机包括无人机本体和检测系统，所述检测系统采用上述的一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，所述无人机本体包括机身和固定在机身上的旋翼，所述图像采集模块、uwb定位标签、惯性传感器、微控制器模块和蓄电池安装在机身上。
16.在其中一个实施例中，所述机身外侧固定有两轴云台，两轴云台上固定有安装座，所述相机固定在安装座上。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
18.本实用新型利用相机对隧道表面扫描采集图像信息，通过惯性传感器和定位模块用于确定无人机飞行状态和位移，在隧道内进行相应的无人机航线控制和导航，并将采集的信息发送至微控制器模块，替代了现有技术中的手工测量与车载检测系统，解决其自动化程度较低的问题，能够和无人机进行结合对隧道衬砌裂缝进行检测，整个检测系统的体积较小，搭配无人机能够实现自动巡检。
附图说明
19.图1为本实用新型整体系统结构示意图；
20.图2为本实用新型中检测无人机的工作示意图；
21.图3为本实用新型中检测无人机的分解示意图；
22.图4为本实用新型中检测无人机的两轴云台的安装示意图。
23.图中：10图像采集模块、11相机、12图像采集卡、13照明光源、20定位模块、21uwb定位标签、22uwb定位基站、30惯性传感器、40微控制器模块、50蓄电池、60通讯模块、70无人机本体、71机身、72旋翼、73两轴云台、74安装座。
具体实施方式
24.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.实施例：
26.请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：
27.一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，包括图像采集模块10、定位模块20、惯性传感器30、微控制器模块40、蓄电池50和通讯模块60，其中：
28.所述图像采集模块10包括相机11，所述相机11和图像采集卡12电性连接，用于采集隧道衬砌裂缝图像并发送至图像采集卡12，所述图像采集卡12和微控制器模块40电性连接，用于对相机11采集的图像进行量化以后转换为数字图像并输入至微控制器模块40，所述图像采集卡是图像采集部分和图像处理部分的接口。
29.进一步的，所述图像采集模块10还包括有照明光源13，所述照明光源13和蓄电池50电性连接，用于为相机11采集图像提供照明，照明光源13采用led灯，电源由蓄电池50提供。
30.可选的，所述相机11采用高精度相机，拍摄高分辨率和尺寸的图像。
31.进一步的，所述照明光源13设置有两组，对称设置在相机11的两侧，且照明方向和相机11的拍摄呈一定的夹角，这样可保证足够的光照强度和较好的光强均匀性，以获得高质量的隧道衬砌图像。
32.所述定位模块20包括uwb定位标签21，所述uwb定位标签21内部设置有定位脉冲收发装置，用于向至少三个uwb定位基站22分别发送定位脉冲，以及用于在收到至少三个所述uwb定位基站22中的任何一个返回的定位响应脉冲后再向对应的所述uwb定位基站22发送定位脉冲，以使至少三个所述uwb定位基站22能够获得其与所述uwb定位标签21的实时距离数据。
33.微控制器模块40和uwb定位标签21电性连接，用于生成所述uwb定位标签21的定位脉冲发送参数，以及用于基于定位脉冲发送参数控制所述uwb定位标签21向至少三个所述uwb定位基站22发送定位脉冲，所述微控制器模块40采用基于stm32的芯片构成，所述uwb定位标签21基于浩如科技的ulm3系列远距离uwb标签模块构成，uwb定位基站22采用浩如科技的ulm3-pdoa系列基站构成，uwb定位基站22至少设置有三组，在进行工作时设置在待检测的隧道内。
34.本实施例采用四组uwb定位基站22进行进一步的说明，四组基站分别为基站a0、基站a1、基站a2、基站a3,首先uwb定位基站22会收到uwb定位标签21发送过来的“广播”帧，接着基站a0会给标签发送响应信息，然后基站a1、基站a2、基站a3依次将响应信息按顺序发送给uwb定位标签21，最后uwb定位标签21将得到的数据发送到基站，利用它们的时间差值与光速相乘的一半就得到了每个基站的距离。
35.所述惯性传感器30和微控制器模块40电性连接，用于检测和测量获取定位模块20所在位置的实时运动参数数据并传送给所述微控制器模块40，惯性传感器30采用型号为bmi160六轴惯性运动传感器，用于检测和测量定位模块20所在位置的加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度。
36.进一步的，所述微控制器模块40还和通讯模块60电性连接，通讯模块60采用型号为esp32-cam的通讯模块，用于通过无线网络将图像采集卡12转换的数字图像、惯性传感器30测量的运动参数数据发送至与至少三个所述uwb定位基站22通信连接的上位机或管理平台，能够进行无线网络通讯。
37.uwb定位标签21距离各个uwb定位基站22的距离在基站侧进行计算，计算的结果通
过串口或者通讯模块60回传到微控制器模块40，微控制器模块4对接收到的原始数据进行一个简单的距离计算，通过三边定位的算法计算出uwb定位标签21在四个基站中的位置，计算出uwb定位标签21所在四个基站内的坐标信息
38.所述蓄电池50用于为所述图像采集模块10、定位模块20惯性传感器30和微控制器模块40的用电单元供电，所述蓄电池50采用可充电的锂电池。
39.请参阅图2-4，本发明另外还提供一种隧道衬砌裂缝的检测无人机，所述检测无人机包括无人机本体70和检测系统，所述检测系统采用上述的一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，所述无人机本体70包括机身71和固定在机身71上的旋翼72，所述图像采集模块10、uwb定位标签21、惯性传感器30、微控制器模块40和蓄电池50安装在机身71上。
40.进一步的，所述机身71外侧固定有两轴云台73，两轴云台73上固定有安装座74，所述相机11固定在安装座74上。
41.所述检测无人机的内部还设置有电机的驱动单元，微控制器模块40可以通过电机的驱动单元控制两轴云台73的电机进行运动，调整两轴云台73的倾斜角度，也可通过电机的驱动单元驱动旋翼72的转动。
42.微控制器模块40解算数据得到坐标之后，可以对检测无人机进行控制，将期望坐标值与当前检测无人机所在的位置进行比较，计算出与期望目标值的距离，结合惯性传感器30的数据，计算检测无人机的方向，方向与期望的坐标比较就可以实现检测无人机在室内的精准定位。
43.本实施例利用相机11对隧道表面扫描采集图像信息，通过惯性传感器30和定位模块20用于确定检测无人机飞行状态和位移，在隧道内进行相应的无人机航线控制和导航，并将采集的信息发送至微控制器模块40，替代了现有技术中的手工测量与车载检测系统，解决其自动化程度较低的问题，能够和无人机进行结合对隧道衬砌裂缝进行检测，整个检测系统的体积较小，搭配无人机能够实现自动巡检。
44.本实用新型的使用原理：
45.在微控制器模块40内部输入期望的航线值目标值，定位模块20和惯性传感器30相配合，让检测无人机飞行到对应的位置，相机11采集隧道衬砌裂缝图像并发送至图像采集卡12，图像采集卡12对采集的图像进行量化以后转换为数字图像并输入至微控制器模块40，微控制器模块40通过通讯模块60将采集的图像信息发送到外部。
46.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，其特征在于，包括：图像采集模块(10)，所述图像采集模块(10)包括相机(11)，所述相机(11)和图像采集卡(12)电性连接，用于采集隧道衬砌裂缝图像并发送至图像采集卡(12)，所述图像采集卡(12)和微控制器模块(40)电性连接，用于对相机(11)采集的图像进行量化以后转换为数字图像并输入至微控制器模块(40)；定位模块(20)，所述定位模块(20)包括uwb定位标签(21)，所述uwb定位标签(21)内部设置有定位脉冲收发装置，用于向至少三个uwb定位基站(22)分别发送定位脉冲，以及用于在收到至少三个所述uwb定位基站(22)中的任何一个返回的定位响应脉冲后再向对应的所述uwb定位基站(22)发送定位脉冲，以使至少三个所述uwb定位基站(22)能够获得其与所述uwb定位标签(21)的实时距离数据；惯性传感器(30)，所述惯性传感器(30)和微控制器模块(40)电性连接，用于检测和测量获取定位模块(20)所在位置的实时运动参数数据并传送给所述微控制器模块(40)；微控制器模块(40)和uwb定位标签(21)电性连接，用于生成所述uwb定位标签(21)的定位脉冲发送参数，以及用于基于定位脉冲发送参数控制所述uwb定位标签(21)向至少三个所述uwb定位基站(22)发送定位脉冲；蓄电池(50)，所述蓄电池(50)用于为所述图像采集模块(10)、定位模块(20)惯性传感器(30)和微控制器模块(40)的用电单元供电。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，其特征在于：所述图像采集模块(10)还包括有照明光源(13)，所述照明光源(13)和蓄电池(50)电性连接，用于为相机(11)采集图像提供照明。3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，其特征在于：所述照明光源(13)设置有两组，对称设置在相机(11)的两侧，且照明方向和相机(11)的拍摄呈一定的夹角。4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，其特征在于：所述微控制器模块(40)还和通讯模块(60)电性连接，用于通过无线网络将图像采集卡(12)转换的数字图像、惯性传感器(30)测量的运动参数数据发送至与至少三个所述uwb定位基站(22)通信连接的上位机或管理平台。5.一种隧道衬砌裂缝的检测无人机，其特征在于：所述检测无人机包括无人机本体(70)和检测系统，所述检测系统采用权利要求1-4任一项所述的一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统，所述无人机本体(70)包括机身(71)和固定在机身(71)上的旋翼(72)，所述图像采集模块(10)、uwb定位标签(21)、惯性传感器(30)、微控制器模块(40)和蓄电池(50)安装在机身(71)上。6.根据权利要求5所述的一种隧道衬砌裂缝的检测无人机，其特征在于：所述机身(71)外侧固定有两轴云台(73)，两轴云台(73)上固定有安装座(74)，所述相机(11)固定在安装座(74)上。

技术总结
本实用新型提供一种基于无人机的隧道衬砌裂缝检测系统及检测无人机，包括图像采集模块、定位模块、惯性传感器、微控制器模块、蓄电池和通讯模块，本实用新型利用相机对隧道表面扫描采集图像信息，通过惯性传感器和定位模块用于确定无人机飞行状态和位移，在隧道内进行相应的无人机航线控制和导航，并将采集的信息发送至微控制器模块，替代了现有技术中的手工测量与车载检测系统，解决其自动化程度较低的问题，能够和无人机进行结合对隧道衬砌裂缝进行检测，整个检测系统的体积较小，搭配无人机能够实现自动巡检。能够实现自动巡检。能够实现自动巡检。


技术研发人员：段淑倩 张明焕 熊杰程 曹备 钱辉 邱士利 尹卫红 李晨阳
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/19