CN103148812B - 隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械，该设备包括：扫描仪，安装于随转台转动的臂架上；以及控制装置，用于：控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及发射角度，并通过坐标变换，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标。通过上述技术方案，可将臂架与隧道轮廓曲面统一在同一三维空间坐标系内，为臂架轨迹规划提供空间参考。

Description

隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械。

背景技术

混凝土喷浆设备（诸如，混凝土泵车、混凝土喷射机等）利用自身的液压机械臂引导软管，并通过软管将混凝土输送至目标位置进行喷浆作业，因此，大型多关节液压机械臂的运动控制非常关键。臂架智能运动控制综合了先进的传感检测技术和机器人控制技术，因其操作简单，控制精度高，逐步取代了传统的臂架单关节手动控制方式，成为臂架运动控制的发展趋势。

目前，臂架智能运动控制技术已在混凝土泵车上得到了广泛的应用，但混凝土喷射机的工作环境为在隧道等有限空间，其需要在该空间内进行开挖断面混凝土喷射衬砌作业，这一点与混凝土泵车不同，因此难以将现有的臂架智能运动控制技术直接应用在混凝土喷射机上。需要获取有关隧道的空间数据，以在在混凝土喷射机臂架运动控制时进行参考。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械，其可实现隧道轮廓扫描，且可将扫描得到的数据应用在喷射机臂架智能运动控制系统中。

为了实现上述目的，本发明提供一种隧道轮廓扫描设备，该设备包括：扫描仪，安装于随转台转动的臂架上；以及控制装置，用于执行以下操作：控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包含上述隧道轮廓扫描设备。

相应地，本发明还提供一种隧道轮廓扫描方法，该方法包括：控制扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离，该扫描仪安装于随转台转动的臂架上；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。

通过上述技术方案，可得隧道各断面上各点的坐标，从而可生成隧道曲面网格图；另外，还可将臂架与隧道轮廓曲面统一在同一三维空间坐标系内，得到臂架与所述隧道轮廓曲面的相对姿态，准确获取臂架在隧道内的三维空间的实际位置，以在进行臂架轨迹规划时进行参考，避开臂架运动过程中的某些姿态出现碰撞隧道壁的危险。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为一混凝土喷射机的臂架系统的结构示意图；

图2为本发明提供的隧道轮廓扫描设备的结构示意图；

图3为保护盒的结构示意图；

图4为保护盒的安装位置示意图；

图5为隧道轮廓扫描设备执行隧道轮廓扫描时与隧道之间的位置关系示意图；

图6为隧道轮廓扫描流程图；

图7(a)为极坐标系下的P点坐标的示意图；

图7(b)为平面直角坐标系下的P点坐标的示意图；

图7(c)为三维直角坐标系下的P点坐标的示意图；

图7(d)为隧道轮廓曲面网格图的示意图；以及

图8为隧道轮廓图像示意图。

附图标记说明

10转台21大臂

22第二节臂23第三节臂

30伸缩关节40喷射头

50扫描仪51发射镜面

60控制装置70保护盒

71盖板72密封圈

73线缆进出口74、75液压油管进出口

731线缆741液压进油管

751液压出油管

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

以下以混凝土喷射机为例对本发明的技术方案进行说明。图1为一混凝土喷射机的臂架系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括可绕竖直轴线以及水平轴线回转并可沿车身滑移的双回转转台10、“Z”型的三关节液压机械臂（该机械臂包含大臂21、第二节臂22、第三节臂23）、以及位于第三节臂23末端的伸缩关节30和具有两个可控自由度的喷射头40。该混凝土喷射机的臂架运动控制系统可利用安装在臂架上的传感器以及先进的运动学算法实现了臂架的智能运动控制，操作机手通过无线遥控器的摇杆可以直接控制臂架末端在三维空间内沿x轴、y轴、z轴作直线运动。

图2为本发明提供的隧道轮廓扫描设备的结构示意图。如图2所示，本发明提供了一种隧道轮廓扫描设备，该设备包括：扫描仪50，安装于随转台转动的臂架上，诸如图1所示的混凝土喷射机的臂架系统的臂架末端；以及控制装置60，用于执行以下操作：控制所述扫描仪50以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪50的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪50以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪50的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。

通过该方案，可得隧道各断面上各点的坐标，从而可生成隧道曲面网格图；在施工完成后，利用本发明对隧道轮廓重新进行一次扫描，通过生成的隧道轮廓三维曲面图可以将本次施工的结果与施工技术要求进行对比，从而较为准确的评估本次的施工质量；另外，还可将臂架与隧道轮廓曲面统一在同一三维空间坐标系内，得到臂架与所述隧道轮廓曲面的相对姿态，准确获取臂架在隧道内的三维空间的实际位置，以在进行臂架轨迹规划时进行参考，避开臂架运动过程中的某些姿态出现碰撞隧道壁的危险。

扫描仪50的工作原理是通过发射镜面51发射出一组处于同一平面的等夹角射线，对隧道轮廓进行扫描（可对隧道断面依次进行扫描，多个隧道断面构成隧道轮廓），并将测得的每个扫描点与扫描仪的中心之间的距离以及射线的发射角度值传输给所述控制装置60。由于施工现场充斥着大量的粉尘、泥浆以及回弹的混凝土，将扫描仪50直接暴露在外极易对扫描仪50发射面的清洁度及透光度造成影响从而影响扫描仪50的工作性能，而且施工完成后操作机手需要用水枪对机身进行冲洗，也有可能造成扫描仪50内部进水损坏。因此，如图3所示，本发明为扫描仪配置了保护盒70，保护盒70上部装有密封圈72的盖板71，盖板71的开闭由安装在保护盒70内的驱动装置73（诸如，液压油缸）驱动，保护盒70的侧面有线缆的进出口74及液压油管的进出口75和76。所述控制装置60可在控制所述扫描仪50开始测量之前，控制所述驱动装置73打开所述保护盒70，并在测量完成之后，控制所述驱动装置73关闭所述保护盒70，从而可确保扫描仪50免受外部环境的干扰。

另外，根据喷射机臂架的结构特点，所述扫描仪50可通过保护盒70底部的紧固螺栓安装在混凝土喷浆机第三节臂23末端的伸缩关节40上，如图4所示。

图5为隧道轮廓扫描设备执行隧道轮廓扫描时与隧道之间的位置关系示意图，图6为隧道轮廓扫描流程图，以下结合图5和图6对隧道轮廓扫描设备的扫描过程进行介绍。

1）操作机手将喷射机驾驶至施工位置并按施工工法停稳，尽量停靠在隧道内地面的中心轴线上，车身与轴线保持平行，这样可以有效保证设备的施工范围及操作机手的操作感觉。

2）操作机手开启喷射机的隧道轮廓扫描模式，控制装置控制臂架展开至隧道轮廓扫描姿态，即安装扫描仪的伸缩臂节保持水平，扫描仪的中心与回转台的中心等高，臂架在水平面的投影与车身轴线平行。

3）操作机手通过无线遥控器控制臂架移动，以使扫描仪到达初始测量位置并停稳；控制装置计算并记录此时转台的中心与扫描仪的中心之间的距离L，移动过程中臂架始终保持扫描姿态。

4）根据工况需求向所述控制装置输入轮廓扫描参数，该参数包括扫描角度范围、角度分辨率、扫描步长以及扫描区域总宽度等。其中，角度分辨率代表相邻射线之间的夹角，它与扫描角度范围一起决定了每个断面扫描的点数，扫描步长决定了扫描过程中臂架每次移动的距离（即，上述预定距离），扫描区域总宽度必须大于待喷隧道面的宽度。

5）参数设置完毕，控制装置控制保护盒打开，并控制扫描仪启动扫描。在每一个隧道断面扫描完成后，臂架向正前方（Z轴方向）移动所述扫描步长距离后停下，扫描仪再次启动扫描，如此重复，只至完成对设置的整个扫描区域的扫描，臂架运动过程中始终保持扫描姿态。

6）扫描完成后，控制装置控制保护盒闭合，并控制臂架收回。

以下介绍控制装置对所扫描所得到的距离数据的处理，具体可包括以下两部分内容：

1）隧道轮廓曲面网格图的生成

如前所述，扫描仪将扫描数据（即，所测量的距离以及测量该距离所使用的射速的发射角度）传输给控制装置，下面具体说明三维直角坐标系下隧道轮廓曲面网格图的生成过程。

所述控制装置还用于：根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第二三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述扫描仪的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向；以及根据所述各点在第二三维直角坐标系下的坐标，生成隧道曲面网格图。

假定扫描仪输出的第n个扫描断面的第i个扫描点的数据信息是以扫描仪的中心为原点的极坐标系下的坐标值P（d_i，θ_i），其中d_i代表扫描仪的中心距P点的距离，d_i代表该扫描射线的发射角度，如图7（a）所示。首先将射线所在平面上的极坐标系转换为直角坐标系，令初始发射的射线的方向为x轴，与其垂直的方向为y轴，则P点的坐标变为P(d_icosθ_i，d_isinθ_i)，如图7（b）所示。然后将平面坐标系下的P点坐标值转换为三维直角坐标系下的坐标值，令平面坐标系的x、y轴作为三维直角坐标系的x、y轴，并将与xy平面垂直的方向作为三维直角坐标系的z轴，则P点的坐标变为P（d_icosθ_i，d_isinθ_i，（n-1）D），其中D代表扫描参数中设置的相邻扫描断面间的间距（即，所述预定距离），如图7（c）所示。

按照此种方法对扫描数据进行处理，便可以得到以第一次断面扫描时扫描仪的中心为原点，以与臂架在水平面上的投影垂直的方向为x轴，以与水平面垂直的方向为y轴，以臂架在水平面的投影方向为z轴所建立的三维直角坐标系（即，上述第二三维直角坐标系）下的所有扫描点的坐标值，最终形成的三维直角坐标系下的轮廓曲面网格图如图7（d）所示。通过图像生成软件还可以将这些坐标值生成隧道轮廓图像，如图8所示。

2）坐标变换

由于臂架运动控制时所建立的臂架的空间坐标系是以转台的中心为原点，以水平面上与臂架投影垂直的方向为x轴，以与水平面垂直的方向为y轴，以臂架在水平面上的投影为z轴的三维直角坐标系（即，上述第一三维直角坐标系）。要将臂架与隧道空间各自所在的空间坐标系统一，还需要进行坐标变换。

在本发明中，两个坐标系的x，y，z轴的方向是一致的，而且坐标原点是等高的。将隧道轮廓的曲面图的z轴分量加上初次扫描前控制装置记录的转台的中心与扫描仪的中心之间的距离L，即可将隧道轮廓曲面图转换到臂架系统所在的三维直角坐标系下，以P点为例，在臂架的空间坐标系下的其坐标值变为P（d_icosθ_i，d_isinθ_i，（n-1）D+L）。

相应地，本发明还提供了一种工程机械，该工程机械包含上述隧道轮廓扫描设备。该工程机械在规划臂架运动轨迹时，可参考所述各隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标。

相应地，本发明还提供了一种隧道轮廓扫描方法，该方法包括：控制扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离，该扫描仪安装于随转台转动的臂架上；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及该距离所对应的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。

其中，该方法还可包括：根据所测量的距离及该距离所对应的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第二三维直角坐标系下的坐标，该三维支架以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向；以及根据所述各点在第二三维直角坐标系下的坐标，生成隧道曲面网格图。

其中，在所述扫描仪进行测量的过程中，所述扫描仪的中心可与所述转台的中心等高。

其中，所述扫描仪位于一保护盒内，该保护盒的开闭由一驱动装置驱动，所述方法还包括：在控制所述扫描仪开始测量之前，控制所述驱动装置打开所述保护盒，并在测量完成之后，控制所述驱动装置关闭所述保护盒。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种隧道轮廓扫描设备，其特征在于，该设备包括：

扫描仪，安装于随转台转动的臂架上；以及

控制装置，用于执行以下操作：

控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；

控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；

重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及

根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制装置还用于：

根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第二三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述扫描仪的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向；以及

根据所述各点在第二三维直角坐标系下的坐标，生成隧道曲面网格图。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在所述扫描仪进行测量的过程中，所述扫描仪的中心与所述转台的中心等高。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括保护盒及驱动该保护盒开闭的驱动装置，

所述扫描仪位于该保护盒内，所述控制装置还用于在控制所述扫描仪开始测量之前，控制所述驱动装置打开所述保护盒，并在测量完成之后，控制所述驱动装置关闭所述保护盒。

5.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包含根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的隧道轮廓扫描设备。

6.根据权利要求5所述的工程机械，其特征在于，所述工程机械在规划臂架运动轨迹时，参考所述各隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标。

7.根据要求5或6所述的工程机械，其特征在于，该工程机械为混凝土喷射机。

8.一种隧道轮廓扫描方法，其特征在于，该方法包括：

控制扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离，该扫描仪安装于随转台转动的臂架上；

控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；

重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及

根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第二三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述扫描仪的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向；以及

根据所述各点在第二三维直角坐标系下的坐标，生成隧道曲面网格图。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述扫描仪进行测量的过程中，所述扫描仪的中心与所述转台的中心等高。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述扫描仪位于一保护盒内，该保护盒的开闭由一驱动装置驱动，所述方法还包括：

在控制所述扫描仪开始测量之前，控制所述驱动装置打开所述保护盒，并在测量完成之后，控制所述驱动装置关闭所述保护盒。