CN104792261B - 地下洞室三维空间精细测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于地下空间测量技术领域的一种地下洞室三维空间精细测量系统。该测量系统包括导轨支架装置、激光扫描传感器，导轨运动控制装置，供电装置，主控计算机，无线接入点和平板电脑；水平主梁放在导轨支架装置上，限位开关、步进电机、定位靶标固定在水平主梁上，激光扫描传感器固定在激光扫描传感器适配器上并与滑块固定；导轨运动控制装置，提供测量系统的精确定位；激光扫描传感器利用飞行时原理对三维空间的断面轮廓进行精细扫描，并实时返回断面轮廓的距离信息，角度信息和强度信息；主控计算机控制导轨运动控制装置和激光扫描传感器完成基于断面测量的三维空间精细测量；本发明为主动非接触测量，测量点云密度大且空间分布均匀，内业外业可同时进行，节约测量时间，同时定位精度可达1～3mm。
Description
技术领域
本发明属于地下空间测量技术领域，特别涉及一种地下洞室三维空间精细测量系统。
背景技术
地下洞室的三维空间测量，国内外有很多方法，比如声波测量，近景摄影测量，激光全站仪，激光扫描仪三维测量等方法。
对于大多数地下工程，洞室群空间布置复杂，单个洞室尺寸很大，洞室结构形状复杂，尤其对于无衬砌的地下洞室，岩面凸凹不平，迫切需要三维空间精细测量。而目前的方法，如果进行精细测量，会大大增加外业和内业的劳动强度。目前的三维扫描设备虽然可以快速测量大范围空间，点云精度可达几个毫米，点云密度很大，但是，在三维扫描设备近距区域内点云很密，远距区域点云十分稀疏。并且，随着扫描距离和入射角的增大，点云数据的精度和反射强度的精度都受到很大的影响，不太适合三维空间精细测量。
目前，绝大多数的地下工程，都属于线状结构，纵向尺寸远远大于断面尺寸，并且断面几何特征明显，且沿纵向变化不大。针对线状结构的测量，目前市场上已经存在车载的移动测量系统，在车辆高速前进时，借助于惯性导航模块或者GPS模块进行位置的三维定位，同时借助激光扫描仪和摄影技术进行实景的三维信息获取和存储，采集速度快，采集信息丰富，使用方便，但是，GPS的定位精度严重依赖于GPS信号的实时性和可见性，对于地下工程，往往GPS信号缺失，而惯性导航模块随着距离增加，累计误差会越来越大。并且，针对地下工程，其他的定位方法比如基于RFID射频信号的定位，基于Wi-Fi网络信号的定位等技术需要布设基站和线路且精度不高，也不大适合三维空间精细测量。
并且，现有的测量方法大都外业和内业分离，首先进行外业的数据采集，然后回到室内，进行数据的处理和分析，大大增加了工时，并且，数据处理中发现测量错误或不足时，无法复测或补测，对数据的后续分析和有效利用带来困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种地下洞室三维空间精细测量系统，其特征在于，所述三维空间精细测量系统包括导轨支架装置、激光扫描传感器，导轨运动控制装置，供电装置，主控计算机，无线接入点和平板电脑；其中，激光扫描传感器19，导轨运动控制装置，供电装置，主控计算机16，无线接入点17，平板电脑18等组成。其中，导轨支架装置由水平横梁2下面固定两个竖向支撑3，每个竖向支撑3再与地脚4固定在一起形成；一个水平主梁1放在两个导轨支架装置的水平横梁2上，两个气泡水准仪5分别放在水平主梁1两头，两个限位开关9分别固定在传动皮带6的两端，两个定位靶标10分别固定在限位开关9顶部，传动皮带6套在水平主梁1右端的导轮和左端的步进电机8转动轴上，滑块7固定在传动皮带6的一处，并传动皮带6带动在水平主梁1上表面滑动；激光扫描传感器19固定在激光扫描传感器适配器20上，激光扫描传感器适配器20与滑块7固定；
所述导轨运动控制装置由运动控制器11和步进电机驱动器12组成，步进电机驱动器12与步进电机8连接；主控计算机16与运动控制器11连接，提供测量系统的精确定位；
所述供电装置包括24V直流蓄电池组13，为蓄电池组13充电的电源适配器14和插座15，蓄电池组13为运动控制器11，步进电机驱动器12，主控计算机16和无线接入点17提供电力；
所述主控计算机16包括导轨运动控制模块、扫描参数设置模块、扫描控制模块、测量数据预处理模块和测量数据处理模块，控制整个测量系统工作；
所述无线接入点和平板电脑，无线接入点17为主控计算机16，激光扫描传感器19以及平板电脑18之间提供无线连接，提供无线信号覆盖；平板电脑18实时监控主控计算机16和激光扫描传感器19的工作状态，并实时显示三维空间测量数据。
所述地脚4和气泡水准仪5联合调节导轨支架装置高度，使水平主梁1保持水平状态。
所述限位开关控制激光扫描传感器19在导轨上的行程起止位置；定位靶标10为测量系统提供外部地理参考，在室外环境下通过在定位靶标10顶部安装GPS接收器确定其地理参考，室内和地下空间下通过激光全站仪为定位靶标10提供地理参考。
所述激光扫描传感器为激光扫描仪，或者激光断面仪，要求有无线局域网接口，市场上均有销售。测量时，实时发射激光、接收激光，利用飞行时原理对三维空间的断面轮廓进行精细扫描，并实时返回断面轮廓的距离信息，角度信息和强度信息，完成断面的精细测量。
所述导轨支架装置为铝合金型材。
本发明的有益效果是本精细测量系统为主动非接触测量，测量速度快，测量精度高，测量点云密度大且空间分布均匀，内业外业可同时进行，大大节约测量时间。三维空间定位精度可以达到1～3mm，可以保证断面之间间距3～5mm，断面测点间距6mm。距离精度2mm，最大测量距离120m，完成一个断面的精细测量仅需要1s。
附图说明
图1为断面精细测量系统示意图。
图中，1－水平主梁，2－水平横梁，3－竖向支撑，4－地脚，5－气泡水准仪，6－传动皮带，7－滑块，8－步进电机，9－限位开关，10－定位靶标，11－运动控制器，12－步进电机驱动器，13－蓄电池组，14－电源适配器，15－充电插头，16－主控计算机，17－无线接入点，18－平板电脑，19－激光扫描传感器，20－激光扫描传感器连接适配器。
具体实施方式
本发明提供一种地下洞室三维空间精细测量系统；下面结合附图及实施方式作进一步详细描述：
图1为断面精细测量系统示意图。图中三维空间精细测量系统包括导轨支架装置、激光扫描传感器，导轨运动控制装置，供电装置，主控计算机，无线接入点和平板电脑；其中，激光扫描传感器19，导轨运动控制装置，供电装置，主控计算机16，无线接入点17，平板电脑18等组成。其中，导轨支架装置为铝合金型材制造，由水平横梁2下面固定两个竖向支撑3，每个竖向支撑3再与地脚4固定在一起形成；一个水平主梁1放在两个导轨支架装置的水平横梁2上，两个气泡水准仪5分别放在水平主梁1两头，两个限位开关9分别固定在传动皮带9的两端，两个定位靶标10分别固定在限位开关9顶部，传动皮带6套在水平主梁1右端的导轮和左端的步进电机8转动轴上，滑块7固定在传动皮带6的一处，并传动皮带6带动在水平主梁1上表面滑动；激光扫描传感器19固定在激光扫描传感器适配器20上，激光扫描传感器适配器20与滑块7固定，就可以在导轨轨道上做往复直线运动。
所述导轨运动控制装置由运动控制器11和步进电机驱动器12组成，步进电机驱动器12与步进电机8连接；主控计算机16与运动控制器11连接，提供测量系统的精确定位。
所述供电装置包括24V直流蓄电池组13，为蓄电池组13充电的电源适配器14和插座15。蓄电池组13为运动控制器11，步进电机驱动器12，主控计算机16和无线接入点17提供电力；
所述主控计算机16包括导轨运动控制模块、扫描参数设置模块、扫描控制模块、测量数据预处理模块和测量数据处理模块，控制整个测量系统工作；扫描控制模块主要完成扫描过程的实时控制，包括扫描仪的启动，停止，开始扫描，停止扫描，扫描仪的定位等。测量数据预处理模块主要完成测量数据的下载，过滤，存储至数据库工作。测量数据处理模块根据实际工程需求，建立三维模型，计算分析等工作。
所述无线接入点和平板电脑，无线接入点17为主控计算机16，激光扫描传感器19以及平板电脑18之间提供无线连接，提供无线信号覆盖；平板电脑18显示测量系统的实时监控和数据。
所述导轨运动控制装置由运动控制器11和步进电机驱动器12组成，步进电机驱动器12与步进电机8连接；主控计算机16与运动控制器11连接，提供测量系统的精确定位。
所述供电装置包括24V直流蓄电池组13，为蓄电池组13充电的电源适配器14和插座15。蓄电池组13为运动控制器11，步进电机驱动器12，主控计算机16和无线接入点17提供电力；
所述主控计算机16包括导轨运动控制模块、扫描参数设置模块、扫描控制模块、测量数据预处理模块和测量数据处理模块，控制整个测量系统工作；
所述无线接入点和平板电脑，无线接入点17为主控计算机16，激光扫描传感器19以及平板电脑18之间提供无线连接，提供无线信号覆盖；平板电脑18实时监控主控计算机16和激光扫描传感器19的工作状态，并实时显示三维空间测量数据。
所述地脚4和气泡水准仪5联合调节导轨支架装置高度，使水平主梁1保持水平状态。
所述限位开关控制激光扫描传感器19在导轨上的行程起止位置；定位靶标10为测量系统提供外部地理参考，在室外环境下通过在定位靶标10顶部安装GPS接收器确定其地理参考，室内和地下空间下通过激光全站仪为定位靶标10提供地理参考。
所述激光扫描传感器为激光扫描仪，或者激光断面仪，要求有无线局域网接口，市场上均有销售。测量时，实时发射激光、接收激光，利用飞行时原理对三维空间的断面轮廓进行精细扫描，并实时返回断面轮廓的距离信息，角度信息和强度信息，完成断面的精细测量。
本精细测量系统的工作原理是：
(1)将整套测量系统安装组合，将测量系统放置在平行于洞室轴线的方向上，将扫描设备紧邻限位开关放置。
(2)打开无线接入点17，然后打开主控计算机16，平板电脑18，激光扫描传感器19，建立主控计算机，平板电脑，激光扫描传感器与无线接入点之间的网络连接，通过平板电脑18进入主控计算机16的桌面，然后打开主控计算机18的串口，建立与运动控制器11的连接，通过平板电脑的监控页面打开主控计算机18的网口，建立主控计算机与激光扫描传感器19的连接。
(3)根据实际扫描场景和测量要求确定初始的精细断面测量的扫描参数，扫描模式为断面扫描，水平扫描角度范围为0～0度，垂直扫描角度范围为－65～90度，扫描质量设置为测点4～8次测量求平均，精细扫描的最优点云间距Δ按照下式计算：
其中，w为激光束的光腰半径，D为扫描场景的距离范围，λ为激光波长。然后，与实际测量要求的间距相比，取较大值，作为点云密度的指标参数。操作主控计算机18对激光扫描传感器19进行扫描参数设置；
(4)通过平板电脑18的监控页面启动断面精细扫描，扫描结束后，停止扫描。然后，主控计算机18控制激光扫描传感器19完成数据传输，并进行数据过滤，数据存储至主控计算机18的数据库；
(5)通过平板电脑18的监控页面实时显示该测量断面的特征数据，即1度间隔的距离信息和强度信息。检查该测量断面的数据质量，如果有效点数大于80％，那么本次断面测量的数据合格，可以进入下一个步骤；否则，重复步骤4～5，直至测量数据合格；
(6)测量断面间距即步进电机前进步距确定：
首次测量，取最优点云间距Δ作为步进电机前进的步距。
后续测量时，根据前两次测量的断面特征数据，进行自适应调整前进步距。具体为，计算前两次测量断面1度间隔的距离信息平均值，如果前两次测量断面的距离平均值增加超过5％，将步进电机前进的步距减小50％；如果距离平均值减少超过5％，那么将步进电机前进的步距增加50％。
(7)主控计算机18通过串口操控运动控制器11，指挥驱动器12驱动步进电机前进一个自适应调整的步距。
(8)重复步骤4～7，直至滑块7碰撞到限位开关9，然后停止前进，停止扫描，主控计算机18通过串口操控运动控制器11，指挥驱动器12驱动步进电机逆向运动，将滑块传动至初始位置。至此，一个扫描轮回结束，完成对待测区域的精细扫描。
(9)如果测量区域较长，那么可以将测量区域沿轴线方向分段，然后按照步骤2～8逐段扫描。如果需要地理参考，可以使用全站仪确定测量系统的定位靶标10的地理坐标即可。
(10)扫描结束后，通过平板电脑的监控页面关闭主控计算机18的网口和串口，关闭激光扫描传感器19，关闭无线接入点17，关闭主控计算机16，关闭平板电脑18。
Claims (2)
1.一种地下洞室三维空间精细测量系统的测量方法，所述地下洞室三维空间精细测量系统包括导轨支架装置、激光扫描传感器，导轨运动控制装置，供电装置，主控计算机，无线接入点和平板电脑；其中，导轨支架装置由水平横梁(2)下面固定两个竖向支撑(3)，每个竖向支撑(3)再与地脚(4)固定在一起形成；一个水平主梁(1)放在两个导轨支架装置的水平横梁(2)上，两个气泡水准仪(5)分别放在水平主梁(1)两头，两个限位开关(9)分别固定在传动皮带(6)的两端，两个定位靶标(10)分别固定在限位开关(9)顶部，传动皮带(6)套在水平主梁(1)右端的导轮和左端的步进电机(8)转动轴上，滑块(7)固定在传动皮带(6)的一处，并由传动皮带(6)带动在水平主梁(1)上表面滑动；激光扫描传感器(19)固定在激光扫描传感器适配器(20)上，激光扫描传感器适配器(20)与滑块(7)固定；其中，地脚(4)和气泡水准仪(5)联合调节导轨支架装置高度，使水平主梁(1)保持水平状态；其特征在于，该测量方法包括：
(1)将整套测量系统安装组合，将测量系统放置在平行于洞室轴线的方向上，将激光扫描传感器紧邻限位开关放置；
(2)打开无线接入点(17)，然后打开主控计算机(16)，平板电脑(18)，激光扫描传感器(19)，建立主控计算机，平板电脑，激光扫描传感器与无线接入点之间的网络连接，通过平板电脑(18)进入主控计算机(16)的桌面，然后打开主控计算机(16)的串口，建立与运动控制器(11)的连接，通过平板电脑的监控页面打开主控计算机(16)的网口，建立主控计算机与激光扫描传感器(19)的连接；
(3)根据实际扫描场景和测量要求确定初始的精细断面测量的扫描参数，扫描模式为断面扫描，水平扫描角度范围为0～0度，垂直扫描角度范围为－65～90度，扫描质量设置为测点4～8次测量求平均，精细扫描的最优点云间距Δ按照下式计算：
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0.86</mn>
<mi>w</mi>
<msqrt>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&lambda;</mi>
<mi>D</mi>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mi>&pi;w</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
其中，w为激光束的光腰半径，D为扫描场景的距离范围，λ为激光波长；然后，与实际测量要求的间距相比，取较大值，作为点云密度的指标参数；操作主控计算机(18)对激光扫描传感器(19)进行扫描参数设置；
(4)通过平板电脑(18)的监控页面启动断面精细扫描，扫描结束后，停止扫描，然后，主控计算机(16)控制激光扫描传感器(19)完成数据传输，并进行数据过滤，数据存储至主控计算机(16)的数据库；
(5)通过平板电脑的监控页面实时显示该测量断面的特征数据，即1度间隔的距离信息和强度信息；检查该测量断面的数据质量，如果有效点数大于80％，那么本次断面测量的数据合格，进入下一个步骤；否则，重复步骤4～5，直至测量数据合格；
(6)测量断面间距即步进电机前进步距的确定：
首次测量，取最优点云间距Δ作为步进电机前进的步距，后续测量时，根据前两次测量的断面特征数据，进行自适应调整前进步距；
(7)主控计算机(16)通过串口操控运动控制器(11)，指挥驱动器(12)驱动步进电机(8)前进一个自适应调整的步距；
(8)重复步骤4～7，直至滑块(7)碰撞到限位开关(9)，然后停止前进，停止扫描，主控计算机(16)通过串口操控运动控制器(11)，指挥驱动器(12)驱动步进电机(8)逆向运动，将滑块传动至初始位置，至此，一次扫描流程结束，完成对待测区域的三维精细扫描；
(9)如果测量区域较长，那么可以将测量区域沿轴线方向分段，然后按照步骤2～8逐段扫描；如果需要地理参考，可以使用激光全站仪确定测量系统的定位靶标(10)的地理坐标即可；
(10)测量区域扫描结束后，通过平板电脑的监控页面关闭主控计算机(18)的网口和串口，关闭激光扫描传感器(19)，关闭无线接入点(17)，关闭主控计算机(16)，关闭平板电脑(18)。
2.根据权利要求1所述的地下洞室三维空间精细测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(6)的具体测量断面间距为计算前两次测量断面1度间隔的距离信息平均值，如果前两次测量断面的距离平均值增加超过5％，将步进电机前进的步距减小50％；如果距离平均值减少超过5％，那么将步进电机前进的步距增加50％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |