CN107941151A - 一种三维激光扫描仪固定机构、地铁隧道采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维激光扫描仪固定机构、地铁隧道采集系统及方法，地铁隧道采集系统包括三维激光扫描仪固定机构、轨道车模块、距离传感器、RFID读写器和上位机；三维激光扫描仪连续采集隧道环片的点云数据，距离传感器实时采集里程数据传输给所述上位机，所述RFID读写器实时返回读写的所述RFID智能标签信号给所述上位机，由所述上位机完成多源数据融合和保存。本发明解决了三维激光扫描仪在断面扫描模式下自动马达不能锁死的问题，避免了误操作对扫描仪的损伤。通过匀速的轨道车和三维激光扫描仪两个模块的集成设计提高了采集数据的质量，实现了隧道变形数据及病害信息的自动化采集，降低了人工成本，提高了检测效率。

Description

一种三维激光扫描仪固定机构、地铁隧道采集系统及方法
技术领域
本发明涉及地铁隧道检测领域，具体涉及一种三维激光扫描仪固定机构、地铁隧道采集系统及方法。
背景技术
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，三维激光扫描仪采用一个稳定度及精度良好的水平自动马达，能够测量可视场景内所有对象的三维坐标和激光反射率值。三维激光扫描仪的激光发射器镜头在竖直平面内旋转，同时自动马达带动扫描仪机身在水平方向旋转，完成360°三维场景扫描。
三维激光扫描仪还具有断面扫描功能，激光发射器在竖直平面内旋转，三维激光扫描仪水平方向不转动，此功能常用于隧道内移动扫描，进行隧道断面变形监测。
现有技术三维激光扫描仪在进行三维场景扫描时安装方式如下：
三维激光扫描仪包括扫描仪机身、自动马达和基座，自动马达包括马达本体和马达转动轴,自动马达通过马达转动轴与扫描仪机身连接，自动马达本体和基座固定连接。
当扫描仪进行三维场景扫描时，三维激光扫描仪通过基座固定在支撑架平台上，三维扫描过程中自动马达本体处于固定状态，自动马达开启后，自动马达的马达转动轴转动带动扫描仪机身在水平方向旋转。
但当扫描仪在进行断面扫描时，为了保证扫描激光始终与隧道环片垂直，需要将扫描仪机身固定，而自动马达又不具有锁死功能，自动马达误操作启动后，马达转动轴因扫描仪机身固定而不能转动，马达本体因基座固定也不能转动，导致启动的驱动力使自动马达损伤。
因此，三维激光扫描仪进行断面扫描过程中急需一种防止误操作造成三维激光扫描仪自动马达损伤的三维激光扫描仪固定机构。
地铁隧道建成后，因地质条件、沿线施工、列车震动、结构老化等多种因素，会导致地铁隧道的变形，如直径收敛、隧道顶部塌陷、管壁渗漏水、隧道补砌管片缺角脱落、通信电缆及动力电缆等附属物脱落，从而严重影响地铁运营安全。因此需要对地铁隧道状态进行高频率的监测和巡查。
目前传统人工测量隧道收敛变形和人工巡查隧道环片病害，测量效率低且人工成本高，不适于当前地铁运营夜间作业窗口期逐渐缩短的要求。
目前的自动化采集系统为多台相机组合采集图像，整体精度受多台相机组合定位精度的影响。
因此地铁隧道变形及病害数据采集中急需一种高效率、高精度的快速采集系统及方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种在断面扫描中防止误操作造成三维激光扫描仪自动马达损伤的三维激光扫描仪固定机构和全自动、能够同时采集隧道变形数据和病害信息的高精度、高效率的采集系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种三维激光扫描仪固定机构,包括三维激光扫描仪和仪器安装平台；
所述三维激光扫描仪包括机身、激光发射器和自动马达；所述机身中间有安装槽，所述激光发射器在所述安装槽内竖直平面旋转，所述机身底部中间为圆形构件，所述自动马达包括马达本体和转动轴,所述自动马达通过所述转动轴与所述机身底部圆形构件连接；
所述仪器安装平台包括上部固定平板，所述固定平板中间为圆孔，所述圆孔一侧为豁口，所述固定平板下面通过若干支撑柱与支撑板固定连接；
所述豁口和圆孔与所述圆形构件配合，所述圆形构件穿过所述豁口，进入所述圆孔，所述固定平板与所述机身底部螺接。
进一步的，所述支撑板下部通过若干支撑柱与底部固定板固定连接，所述底部固定板的面积小于所述支撑板的面积。
所述仪器安装平台，采用稳定、减震、保护激光扫描仪自动马达的机械设计。
通过所述支撑板过渡的两层的支撑固定结构增加了一定高度的所述仪器安装平台的结构稳定性，同时所述底部固定板面积变小，可腾出所述轨道车模块上表面更多空间用于安装其它部件。
所述三维激光扫描仪去除基座与所述仪器安装平台装配固定，将自动马达部分悬空，从而达到允许马达本体转动的效果，固定所述三维激光扫描仪机身的同时保护自动马达，所述仪器安装平台顶部预留了接线口和接线空间，保证所述三维激光扫描仪其他功能正常使用；三维激光扫描仪机身直接与仪器安装平台相连，减小了因为基座安装和扫描仪自动马达松动带来的系统安装误差，整体性更好；拆装方便，节约作业时间。
一种地铁隧道采集系统，包括三维激光扫描仪固定机构、轨道车模块、距离传感器、RFID读写器和上位机；
所述三维激光扫描仪固定机构固定在所述轨道车模块上，所述轨道车模块上配置距离传感器、RFID读写器和上位机；
所述上位机通过无线或/和有线与所述三维激光扫描仪通信连接，通过串口分别与所述距离传感器和所述RFID读写器通信连接。
进一步的，所述距离传感器为高精度光栅编码器，且所述距离传感器为脉冲信号输出,用于定位采集系统在隧道内的位置。
进一步的，所述轨道车模块包括轨道车车体、轨道车控制器、轨道车控制器信号接收器、驱动机构、蓄电池和照明设备；
所述轨道车控制器与所述轨道车控制器信号接收器通过无线或/和有线连接；
所述轨道车车体周圈配置照明设备，所述蓄电池用于给所述照明设备供电。
更进一步的，所述驱动机构包括高精度步进电机、传动装置，所述高精度步进电机通过所述传动装置与所述轨道车车体的车轮传动连接。
一种地铁隧道采集方法，包括以下步骤；
S1、所述轨道车模块带动整个采集系统以恒定的速度在地铁轨道上运行；
S2、所述上位机发送启动采集指令给所述三维激光扫描仪、所述距离传感器和所述RFID读写器；
S3、所述三维激光扫描仪、所述距离传感器和所述RFID读写器接收所述上位机的启动采集指令，所述三维激光扫描仪连续的采集隧道环片的点云数据并实时传输给所述上位机，所述距离传感器实时采集里程数据传输给所述上位机，所述RFID读写器识别地铁隧道内部环片上预设的RFID智能标签，并将识别信号实时返回给所述上位机；
S4、所述上位机接收所述三维激光扫描仪、所述距离传感器和所述RFID读写器传输的数据，完成多源数据融合处理和保存。
进一步的，步骤S1中，所述轨道车控制器发送控制信号，所述轨道车控制器信号接收器接收所述控制信号，对所述高精度步进电机进行无线控制，所述高精度步进电机通过传动装置驱动整个采集系统以恒定的速度在地铁轨道上运行，作业效率高，每小时可完成3.6km的隧道检测任务；
进一步的，步骤S3中，所述三维激光扫描仪采集时，所述激光发射器在垂直于地铁轨道的竖直平面内旋转，移动扫描。
所述三维激光扫描仪能够高精度的获得被测物体测点的三维坐标和激光反射率值，点云数据采集效率达到每秒百万级。
所述RFID读写器用于识别环片上预设的所述RFID智能标签，用于精确定位采集系统当前的环号位置，与所述距离传感器一起精确定位采集系统的位置。
所述上位机为便携式笔记本，安装有主控软件，通过WLAN方式与三维激光扫描仪连接，控制三维激光扫描仪数据采集，同时通过RS232串口分别与所述距离传感器和所述RFID读写器相连，接收所述距离传感器和所述RFID读写器的数据，进行多源数据融合处理。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果：
1、三维激光扫描仪固定机构将自动马达悬空的设计在固定三维激光扫描仪机身的同时，有效解决了自动马达因误操作旋转损伤的问题，保护了仪器安全，提高了系统的整体稳定性。
2、所述轨道车模块自主匀速巡航，车体及安装平台结构设计稳定性强，数据质量高。
3、轨道车和三维激光扫描仪均一键启动，采集过程不需人工干预。
4、三维激光扫描仪既能够采集隧道断面的变形数据，又可以获得隧道环片的病害信息，成果丰富。
5、系统模块化设计，组装方便，操作简单。
6、集成距离传感器和RFID技术，通过里程与环号的自动匹配，实现采集系统在隧道内自主定位。
本发明解决了三维激光扫描仪在断面扫描模式下自动马达不能锁死的问题，避免了误操作对扫描仪的损伤。通过匀速的轨道车和三维激光扫描仪两个模块的集成设计提高了采集数据的质量，实现了隧道变形数据及病害信息的自动化采集，人工干预少，降低了人工成本，提高了隧道检测效率，满足实际作业需求。
附图说明
图1三维激光扫描仪三维场景扫描时，自动马达带动机身在水平面旋转，激光发射器在竖直平面旋转示意图；
图2现有技术三维激光扫描仪安装方式示意图；
图3去除基座后的三维激光扫描仪；
图4本发明的仪器安装平台；
图5本发明的三维激光扫描仪固定机构，即去除基座后的三维激光扫描仪与本发明的仪器安装平台装配后示意图；
图6本发明地铁隧道采集系统结构示意图；
图7本发明地铁隧道采集系统从底部看示图；
图8本发明地铁隧道采集系统数据流示意图；
图9本发明地铁隧道采集系统工作场景示意图；
图10本发明地铁隧道采集系统断面扫描示意图。
其中：1.三维激光扫描仪，101.机身，102.自动马达，2a.三维激光扫描仪的基座，2b.现有技术三维激光扫描仪的安装平台，2.仪器安装平台，201.固定平板，202.支撑柱，203.支撑板，204.底部固定板，3.上位机，4.距离传感器，5.轨道车控制器，6.轨道车控制器信号接收器，7.RFID读写器，8.传动装置，9.照明设备，10.蓄电池，11.高精度步进电机，12.轨道车车体。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
如图1，三维激光扫描仪三维场景扫描时，自动马达带动扫描仪机身在水平面旋转，激光发射器在竖直平面旋转示意图。
如图2，现有技术三维激光扫描仪安装方式示意图，2a.三维激光扫描仪的基座，2b.现有技术三维激光扫描仪的安装平台。
如图3，去除基座后的三维激光扫描仪，移除基座，留出足够接线空间。
如图4，本发明的仪器安装平台。
所述仪器安装平台2包括上部固定平板201，所述固定平板201中间为圆孔，所述圆孔一侧为豁口，所述固定平板201下面通过若干支撑柱202与支撑板203固定连接；所述支撑板203下部通过若干支撑柱与底部固定板204固定连接，所述底部固定板204的面积小于所述支撑板203的面积。
如图5，去除基座后的三维激光扫描仪与本发明的仪器安装平台装配后示意图。
去除基座后的三维激光扫描仪的机身101与自动马达102之间的圆形台阶穿过所述固定平板201的豁口，进入所述圆孔，通过所述圆孔周圈的螺栓与所述三维激光扫描仪的机身101固定。
如图6和图7所示，一种地铁隧道采集系统，包括三维激光扫描仪1、仪器安装平台2、上位机3、距离传感器4、轨道车控制器5、轨道车控制器信号接收器6、RFID读写器7、传动装置8、照明设备9、蓄电池10、高精度步进电机11和轨道车车体12。
所述三维激光扫描仪1通过所述仪器安装平台2与所述轨道车车体12固定连接。
所述轨道车控制器5一键启动，通过所述控制器信号接收器6对所述高精度步进电机11进行无线控制，所述高精度步进电机11通过传动装置8驱动整个采集系统以恒定的速度作业。
如图8所示，本发明采集系统数据流示意图。
所述上位机3为便携式笔记本，安装有采集系统主控软件，是整个采集系统的控制中心，通过WLAN方式分别与所述三维激光扫描仪1通信连接，控制所述三维激光扫描仪1采集数据，通过COM串口RS232分别与所述距离传感器4和所述RFID读写器7连接。
所述距离传感器4为高精度光栅编码器，与轨道车车轮同轴安装，含模数转换器，将脉冲信号转换为数字信号，实时传输信号给所述上位机3，实时测量轨道车行进里程。
所述RFID读写器7对预设在隧道环片上的所述RFID智能标签进行识别，将识别信号转换为数字信号，并传输给所述上位机3。
所述上位机3接收所述三维激光扫描仪1、所述距离传感器4和所述RFID读写器7的数据，进行多源数据融合处理。
如图9，本发明地铁隧道采集系统工作场景示意图。
如图10，本发明地铁隧道采集系统断面扫描示意图。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种三维激光扫描仪固定机构,其特征在于，
包括三维激光扫描仪(1)和仪器安装平台(2)；
所述三维激光扫描仪包括机身(101)、激光发射器和自动马达(102)；所述机身(101)中间有安装槽，所述激光发射器在所述安装槽内竖直平面旋转，所述机身(101)底部中间为圆形构件，所述自动马达(102)包括马达本体和转动轴,所述自动马达(102)通过所述转动轴与所述机身(101)底部圆形构件连接；
所述仪器安装平台(2)包括上部固定平板(201)，所述固定平板(201)中间为圆孔，所述圆孔一侧为豁口，所述固定平板(201)下面通过若干支撑柱(202)与支撑板(203)固定连接；
所述豁口和所述圆孔与所述圆形构件配合，所述圆形构件穿过所述豁口，进入所述圆孔，所述固定平板与所述机身底部螺接。
2.根据权利要求1所述的一种三维激光扫描仪固定机构,其特征在于，所述支撑板(203)下部通过若干支撑柱与底部固定板(204)固定连接，所述底部固定板(204)的面积小于所述支撑板(203)的面积。
3.一种基于权利要求1或2所述的一种三维激光扫描仪固定机构的地铁隧道采集系统，其特征在于，包括三维激光扫描仪固定机构、轨道车模块、距离传感器(4)、RFID读写器(7)和上位机(3)；
所述三维激光扫描仪固定机构固定在所述轨道车模块上，所述轨道车模块上配置距离传感器(4)、RFID读写器(7)和上位机(3)；
所述上位机(3)通过无线或/和有线与所述三维激光扫描仪(1)通信连接，通过串口分别与所述距离传感器(4)和所述RFID读写器(7)通信连接。
4.根据权利要求3所述的一种地铁隧道采集系统，其特征在于，所述距离传感器(4)为高精度光栅编码器，且所述距离传感器(4)为脉冲信号输出,用于定位采集系统在隧道内的位置。
5.根据权利要求3所述的一种地铁隧道采集系统，其特征在于，所述轨道车模块包括轨道车车体(12)、轨道车控制器(5)、轨道车控制器信号接收器(6)、驱动机构、蓄电池(10)和照明设备(9)；
所述轨道车控制器(5)与所述轨道车控制器信号接收器(6)通过无线或/和有线连接；
所述轨道车车体(12)周圈配置照明设备(9)，所述蓄电池(10)用于给所述照明设备(9)供电。
6.根据权利要求5所述的一种地铁隧道采集系统，其特征在于，所述驱动机构包括高精度步进电机(11)、传动装置(8)，所述高精度步进电机(11)通过所述传动装置(8)与所述轨道车车体(12)的车轮传动连接。
7.一种基于权利要求6所述的一种地铁隧道采集系统的地铁隧道采集方法，包括以下步骤；
S1、所述轨道车模块带动整个采集系统以恒定的速度在地铁轨道上运行；
S2、所述上位机(3)发送启动采集指令给所述三维激光扫描仪(1)、所述距离传感器(4)和所述RFID读写器(7)；
S3、所述三维激光扫描仪(1)、所述距离传感器(4)和所述RFID读写器(7)接收所述上位机(3)的启动采集指令，所述三维激光扫描仪(1)连续的采集隧道环片的点云数据并实时传输给所述上位机(3)，所述距离传感器(4)实时采集里程数据传输给所述上位机(3)，所述RFID读写器(7)识别地铁隧道内部环片上预设的RFID智能标签，并将识别信号实时返回给所述上位机(3)；
S4、所述上位机(3)接收所述三维激光扫描仪(1)、所述距离传感器(4)和所述RFID读写器(7)传输的数据，完成多源数据融合处理和保存。
8.根据权利要求7所述的一种地铁隧道采集方法，其特征在于，
步骤S1中，所述轨道车控制器(5)发送控制信号，所述轨道车控制器信号接收器(6)接收所述控制信号，对所述高精度步进电机(11)进行无线控制，所述高精度步进电机(11)通过传动装置(8)驱动整个采集系统以恒定的速度在地铁轨道上运行。
9.根据权利要求7所述的一种地铁隧道采集方法，其特征在于，
步骤S3中，所述三维激光扫描仪(1)采集时，所述激光发射器在垂直于地铁轨道的竖直平面内旋转，移动扫描。
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