CN101846507B - 巷道断面自动测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种巷道断面自动测定方法，方法是：将激光测距探头设在巷道内，测量巷道壁到激光测距探头距离，转动0.5～2°角度，再测量巷道壁到激光测距探头距离，直至转动测量一周，得到每个角度下极距，利用极坐标扇形积分原理，对测量得到的每个所述角度下的面积微元进行积分运算，得出极坐标中每个角度所形成扇形的面积和弧长，再求和，即得到巷道断面面积和周长。装置包括步进电机、步进电机驱动器、由步进电机驱动的旋转机构和激光测距探头、控制步进电机和旋转机构的单片机，激光测距探头固定在旋转机构输出端，单片机与步进电机驱动器、旋转机构和电源电相连。结构简单、操作方便、要求人工量小、过程短、误差小、便于储存。

Description

巷道断面自动测定方法

技术领域

本发明涉及地下掘进工程断面几何参数检测领域，特别是涉及一种巷道断面自动测定方法及其装置。

背景技术

矿山井下巷道、公(铁)路隧涵道、城市地铁等地下巷道工程的设计、施工、验收等工作均需要对地下工程的断面积及几何形状、喷砌(支护)量等参数进行测量。通常采用人工使用塔尺进行测量、记录，然后计算才能得到这些参数。目前的参数测定方式要求人工量大、过程长、误差大。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种结构简单、操作方便、要求人工量小、过程短、误差小、便于储存的巷道断面自动测定方法及其装置。

实现本发明巷道断面自动测定方法的技术方案是：将激光测距探头设置在巷道内，测量巷道壁到激光测距探头的距离，转动0.5～2°角度后，再测量巷道壁到激光测距探头的距离，直至转动测量一周，得到每个所述角度下的极距，利用极坐标扇形积分原理，对测量得到的每个所述角度下的面积微元进行积分运算，得出极坐标中每个角度所形成扇形的面积和弧长，再求和，即得到巷道断面面积和周长。

在上述技术方案中，所述积分运算包括以下步骤：把巷道断面分成若干等极角的曲边扇形，将所述曲边扇形的面积和弧长表示成巷道壁到测定仪中心的距离和激光传感器旋转角度的函数，再对所述函数求积分。

在上述技术方案中，所述测定仪放置成与巷道轴线垂直进行测量。

在上述技术方案中，所述扫描测量多组指定角度下的极距包括以下步骤：单片机程序预先设定所述指定角度，控制激光传感器的激光测距探头围绕其装置轴按照指定角度步进旋转并测量当前角度下的极距。

在上述技术方案中，还包括以下步骤：根据得到的巷道断面面积和周长，计算出巷道的支护材料量或支护工程量，并判断巷道断面是否符合设计要求。

在上述技术方案中，所述激光测距探头固定在旋转机构的输出端，单片机分别与步进电机驱动器、旋转机构和电源电相连，步进电机驱动器与步进电机电连接，旋转机构与步进电机输出端机械连接。

实现本发明的巷道断面自动测定装置的技术方案是，包括步进电机、与步进电机相连的步进电机驱动器、由步进电机驱动的旋转机构和激光测距探头，它还包括控制步进电机和旋转机构的单片机，所述激光测距探头固定在旋转机构的输出端，单片机分别与步进电机驱动器、旋转机构和电源电相连。

在上述技术方案中，所述步进电机、与步进电机相连的步进电机驱动器和单片机设在测定仪外壳内。

在上述技术方案中，所述测定仪外壳的上端面布置有LED显示屏和设置按钮。

在上述技术方案中，所述测定仪外壳的上端面还设置有水平仪。

在上述技术方案中，所述测定仪外壳的上端面布置有D型9针通讯接口和电源插孔。

巷道断面自动测定装置通过单片机程序控制并进行数据计算，是一种光电一体化智能测量仪器。它通过激光测距探头获得从巷道断面自动测定装置到断面周界各点的距离，利用激光器旋转的角度和在这两个夹角的两个极距，根据极坐标面积积分得到该夹角范围内的扇形面积和弧长，最后把激光器旋转一周所得的所有小扇形的面积和弧长求和，得到断面面积和周长。把这些数据传输给巷道断面自动测定装置内置的单片机，单片机内嵌积分计算程序，并可接受存储设置参数。在获得断面至测定仪的参数后，经单片机运算，得到断面的参数数据(断面周长、面积)，并将计算的数据显示在LED显示屏上，同时，数据保存在存储体内，从而检验巷道断面是否符合设计要求。此外，根据支护厚度及长度，得到巷道的支护材料用量和工程量。存储体存储的数据，可以通过测定仪的通讯接口，转储到计算机内，以备进行后续处理与使用。本发明提供的巷道断面自动测定装置结构简单、操作方便，利用本发明提供的巷道断面自动测定方法，要求人工量小、过程短、误差小、便于储存。

附图说明

图1为巷道断面自动测定装置的结构示意图；

图2为巷道扫描示意图；

图3为运用极坐标扇形积分求解巷道断面面积和周长的几何图；

图4为巷道断面自动测定方法的原理框图。

图中：1-激光测距探头，2-旋转机构，3-单片机，3.1-模数转换模块，3.2-设置接口，3.3-中央处理器，3.4-存储体，3.5-通讯接口，4-设置按钮，5-步进电机驱动器，6-LED显示屏，7-步进电机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明提供的巷道断面自动测定方法，包括以下步骤：单片机程序预先设定所述指定角度即转动测量的角度0.5～2°(极角)，控制激光测距探头围绕其装置轴按照指定角度步进旋转并测量当前角度(0.5～2°)下的极距。激光传感器在单片机的控制下扫描测量多组指定角度下的极距并保存，测定仪放置成与巷道轴线垂直进行测量。单片机程序利用极坐标扇形积分原理，对测量得到的多组指定角度下的极距进行积分运算，把巷道断面分成等极角的曲边扇形，将所述曲边扇形的面积和弧长表示成巷道壁到测定仪中心的距离和激光传感器旋转角度的函数，再对所述函数求积分，得出极坐标中每个角度所形成扇形的面积和弧长，再求和，即得到巷道断面面积和周长，将其存储并显示。还可以根据得到的巷道断面面积和周长，计算出巷道的支护材料量或支护工程量，并判断巷道断面是否符合设计要求。

参见图1所示，本发明提供一种巷道断面自动测定装置(简称测定仪)，包括步进电机7、与步进电机7相连的步进电机驱动器5、由步进电机7驱动的旋转机构2、控制步进电机7和旋转机构2的单片机3、电源、激光测距探头1和测定仪外壳，旋转机构2由测定仪外壳及内部的支撑结构支撑，并由步进电机7驱动，能够360℃自由旋转。激光测距探头1固定在旋转机构2上，并随旋转机构2一起按指定的角度转动，本实施例中指定的角度为1°。单片机3分别与步进电机驱动器5、旋转机构2和电源(蓄电池)相连。测定仪外壳的上端面布置有LED显示屏6、设置按钮4、水平仪、D型9针通讯接口和电源插孔，底部安装有支架连接内螺纹孔。单片机3通过排线与步进电机驱动器5、LED显示屏6、设置按钮4、电源连接。单片机3为巷道断面自动测定装置的程序控制和数据计算的核心部分，包括模数转换模块3.1、设置接口3.2、中央处理器3.3、存储体3.4(可存储4M数据)、通讯接口3.5(RS232通讯接口)。模数转换模块3.1通过设置接口3.2与设置按钮4相连，存储体3.4通过中央处理器3.3与LED显示屏6相连，设置接口3.2通过中央处理器3.3分别与通讯接口3.5和步进电机驱动器5相连。激光器所测的距离数据，通过数据总线进入模数转换模块(A/D)3.1，把模拟量转换数字量进行运算，运算结果保存在存储体内3.4，存储体内的数据可以通过测定仪通讯接口3.5，转储到其他存储体上。巷道断面自动测定装置的外形为50×50×30cm的长方体，其上表面布置有LED显示屏、轻触式设置按钮、D型9针通讯接口、电源插孔，两相邻边垂直布置有水平仪，整个箱体密封。巷道断面自动测定装置的距离分辨率为1mm，角度分辨率为1℃。

旋转机构2为转盘，转盘可以直接步进电机的输出轴连接，也可以通过齿轮传动副与步进电机的输出轴连接。激光测距探头设在转盘上。所述单片机3，步进电机驱动器5，步进电机7设在测定仪外壳内，步进电机7的输出轴或齿轮传动副的输出轴穿出测定仪外壳与旋转机构2转盘连接。测定仪外壳的上端面上设有水平仪。

所述激光测距探头放置成与巷道轴线垂直进行测量。

本发明的原理详细描述如下：

巷道断面自动测定装置是一种智能测试仪器，它通过非接触式激光测距及单片机程序控制与计算，采用极坐标面积积分原理，参见图2所示，极坐标积分把巷道断面分成等极角的曲边扇形，并把曲边扇形的面积表示成巷道壁到测定仪中心的距离和激光传感器旋转角度的函数表示，把极坐标扇形积分的思想运用在仪器的面积和周长的计算中，其公式如下： $A=\∫\mathrm{dA}=\frac{1}{2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{r}^2\mathrm{d\θ},$ $L=\∫\mathrm{dl}={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{rd\θ},$ 面积和周长积分公式中的符号参见图3所示，获得扫描角度内的面积和弧长，然后求得所有面积和弧长之和，得到断面的面积和周长。参见图4所示，单片机控制单元输出控制信号控制步进电机驱动器，步进电机驱动器发送驱动信号到步进电机，步进电机按照指定角度旋转，激光测距探头在步进电机的机械转动带动下在指定角度上测距，将测到的距离数据传输给单片机控制单元，单片机控制单元将收到的数据存储并显示。

在使用时，不需要把测定仪置于巷道的中心点，只需把测定仪放置成与巷道轴线垂直即可进行测量。测定仪的上端面带有水平仪，来保证测定仪放置水平。单片机程序能够控制激光测距传感器围绕其装置轴按设定的角度旋转，旋转角度优选角度为1℃。单片机程序能够计算出断面面积、周长，并把其数据显示在测定仪的LED显示屏上、储存于储存体以备后期更深入的处理和利用。除此之外。还能根据断面面积和周长计算出巷道的支护材料量或支护工程量，并根据断面数据判断断面是否符合设计要求。巷道断面自动测定装置采用非接触式激光测量方式，测量角度参数可以设置，控制激光测距传感器的旋转角度θ能够保证巷道面积的准确率，利用步进电机驱动器保证旋转角度1度或小于1度，减小所测量的不规则断面面积和周长。计算结果即时显示。测定仪自带的电池能够保证最小5小时的使用测量，能在相对湿度在98％的环境下进行测量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种巷道断面自动测定方法，它是：

将激光测距探头设置在巷道内，测量巷道壁到激光测距探头的距离，转动0.5～2°角度后，再测量巷道壁到激光测距探头的距离，直至转动测量一周，得到每个所述角度下的极距，利用极坐标扇形积分原理，对测量得到的每个所述角度下的面积微元进行积分运算，得出极坐标中每个角度所形成扇形的面积和弧长，再求和，即得到巷道断面面积和周长；所述激光测距探头放置成与巷道轴线垂直进行测量；激光测距探头固定在旋转机构的输出端，单片机分别与步进电机驱动器、旋转机构和电源电相连，步进电机驱动器与步进电机电连接，旋转机构与步进电机输出端机械连接；所述积分运算包括以下步骤：把巷道断面分成若干等极角的曲边扇形，将所述曲边扇形的面积和弧长表示成巷道壁到激光测距探头中心的距离和激光测距探头旋转角度的函数，再对所述函数求积分。

2.如权利要求1所述的巷道断面自动测定方法，其特征在于还包括以下步骤：根据得到的巷道断面面积和周长，计算出巷道的支护材料量或支护工程量，并判断巷道断面是否符合设计要求。

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