CN110595399A - 基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备及方法，该设备包括工控机、总控制器、横向驱动装置、纵向驱动装置、激光测距模块、主体支撑部件和基准底座；主体支撑部件设置于基准底座上，主体支撑部件包括侧支架、左右支撑板和开设于侧支架上的滑道，滑道为用于纵向驱动装置端部的辅助滑动轮专用滑道，左支撑板和右支撑板均固定设置于侧支架的同侧。本发明可以针对10cm*15cm范围的节理表面进行高精度、高智能化快速的起伏形态数据采集，其结构简单、携带方便、对于测量区域的选择要求更低，可实现对控制范围内各个方向特征曲线的数据进行采集，最大程度的削弱了人为因素的影响，提高了现场数据采集工作的质量和效率。

Description

基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备及方法

技术领域

本发明属于岩石力学技术领域，具体的说是涉及一种为精确评价影响岩体稳定特性的节理面特征参数而应用于岩石工程中的节理表面起伏形态快速扫描设备及扫描方法。

背景技术

节理是广泛存在于地壳岩石中的一种十分复杂的地质结构，由于节理的强度和刚度大大低于完整岩石，因此工程岩体的强度和稳定性主要取决于节理的方位和力学性质。在过去的几十年中人们进行了大量节理力学行为的研究，取得了很多十分有价值的研究成果，但仍然不能满足工程设计的需要。众所周知，节理粗糙度和节理表面形态是影响节理力学行为的重要参数，而且很多物理力学现象如摩擦、磨损、剪切破坏等都取决于节理的表面形态，因此如何测试和定量描述节理表面形态是一个十分重要的研究课题。

有关节理粗糙度特征的研究最具代表性的是Barton等人从工程角度出发提出的描述节理粗糙度的综合参数，而粗糙度系数J作为其中的一个指标直到今天仍被广泛应用于工程实际，其主要的测试方法之一便是将实际的节理剖面线与标准曲线进行比较，然后取值。随着岩石力学研究的发展，针对节理粗糙度的取值进入了理论研究阶段，其中包括第一种Tse&Cruden提出的表面粗糙度参数法，该方法用结构面表面轮廓均方根Z或均方根偏距SF来估算JRC；第二种就是Turk&Dreman提出的直接测量法，该方法首先以轮廓曲线直线长度和迹线长度的比值定义结构面起伏角余弦函数，然后在此基础之上建立粗糙度与结构面起伏角的函数关系；第三种是王岐提出的伸长率法，定义剖面迹线长度与直线长度的差值所占剖面直线长度的比值为伸长率，建立了粗糙度与伸长率间的函数关系；第四种是谢和平等研究人员利用节理粗糙度曲线的自相似性建立了节理剖面的广义分形模型，该模型根据节理凸起体的平均基底长度L和平均高度h两种参数直接得到节理剖面的分维数，并最终建立了JRC与分维D之间的函数关系；第五种是Barton&Chouby根据200多组结构面统计分析确定了节理粗糙度与节理剖面最大起伏度和取样长度之间的函数关系，并用图解的方式进行了表达。

以上这些针对节理粗糙度的研究为我们准确评价岩体特性提供了理论支撑，然而不难发现，任何一种理论方法的诞生都首先以节理粗糙度曲线为研究对象，准确获取能够描述节理特性的起伏特征直接决定了理论研究成果的可靠性。基于此，国内外学者提出了多种节理粗糙度曲线的采集设备，其中包括Hass等人提出的表面轮廓记录仪，该仪器可绘制长61cm的水平节理表面轮廓曲线，精度高、曲线连续、绘制速度快，但试件要求加工需严格按照比例安装，因而限制了操作速度并且只适用于室内测量；Stimpson研制的轮廓尺和模型模子将170根等长的针夹于一个长形夹子内组成一个平面并垂直放置于基准面水平的节理表面，将沿节理表面起伏而自由升降形成的针上端起伏轮廓以喷漆或喷墨记录于背景的绘图纸上，从而得到节理表面轮廓曲线，该装置的测量精度和长度受限于针的直径和数目，而且只能绘制水平节理面的轮廓；夏才初等人提出的RSP-1型智能岩石表面形貌仪将机械、控制、测试和数据处理四个部分合为一体，在绘制轮廓曲线的同时，求得表面形貌特征参数，测量精度高，但是这种智能岩石表面形貌仪只适用于实验室节理粗糙度的测量；杜时贵等研究人员提出的轮廓曲线仪利用滑块在滑轨上滑动过程中的升降将节理粗糙度曲线的起伏状态连续的反映到绘图板上，该装置重量轻、体积小、携带方便，但测量精度较低，测量过程受人为因素的影响偶然性较大。

近几年，随着激光技术的快速发展，凭借其亮度高、速度快、指向性好、相干性好、单色性好等特点，激光技术在医学、军事、通信、工业等各个领域都得到了广泛的应用。激光测距技术便是利用激光的指向性好进行应用的众多方式之一，激光测距技术测距精度高、测距仪体积小、重量轻、分辨率高、抗干扰能力强，因此，如果能够将激光测距技术应用于工程岩体节理面起伏特征采集中，对于提高节理面特征数据采集效率和精度，促进节理粗糙度理论研究的进一步发展将会产生至关重要的作用。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足，提供一种基于激光测距技术的节理表面起伏特征快速扫描设备及扫描方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其包括工控机、总控制器、横向驱动装置、纵向驱动装置、激光测距模块、主体支撑部件和基准底座；主体支撑部件设置于基准底座上，主体支撑部件包括侧支架、左支撑板、右支撑板和开设于侧支架上的滑道，滑道为用于纵向驱动装置端部的辅助滑动轮专用滑道，左支撑板和右支撑板均固定设置于侧支架的同侧；横向驱动装置的两端分别固定于左支撑板和右支撑板之上，横向驱动装置包括横向滑道、设置于横向滑道上的横向滑块和位于横向滑道一端的横向步进电机；纵向驱动装置包括纵向滑道、设置于纵向滑道上的纵向滑块、设置于纵向滑道一端的辅助滑动轮和设置于纵向滑道另一端的纵向步进电机，纵向滑道的一端与横向滑块的顶部固定连接，纵向驱动装置的另一端经由辅助滑动轮与辅助滑动轮专用滑道自由接触并沿辅助滑动轮专用滑道横向自由移动，激光测距模块固定设置于纵向滑动装置的纵向滑块下端。激光测距模块用于对测量范围内的岩面进行激光测距并将距离信息及时反馈给控制系统。

总控制器由PLC控制电路和与PLC控制电路相连的伺服控制器构成。左支撑板和右支撑板分别位于侧支架横向两端的同一水平高度。辅助滑动轮专用滑道设置于侧支架的上端，并位于侧支架整体高度的2/3位置处。

在基准底座的底端固定设置有2个基准底座调整装置。基准底座调整装置为一个圆形金属底座，圆形金属底座的厚度为10mm，在圆形金属底座上有设置有3个沿圆心均匀设置的调平螺栓，通过调节3个调平螺栓与节理表面接触来调平基准底座从而实现基准底座与节理表面的平行。

辅助滑动轮专用滑道与辅助滑动轮之间采取滚动摩擦的接触形式，辅助滑动轮专用滑道限制辅助滑动轮在竖直方向的自由移动。

本发明还公开了一种采用基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备实现节理表面起伏形态快速扫描采集的方法，其包括横向扫描、纵向扫描、斜向成固定角度扫描以及组合扫描共四种扫描方式：

横向扫描时，首先启动纵向驱动装置确保激光测距模块随纵向驱动装置上的纵向滑块移动到指定位置时停下，然后启动横向驱动装置，横向驱动装置上的横向滑块带动整个纵向驱动装置匀速从横向滑道一端滑动到另一端完成横向扫描；

纵向扫描时，首先启动横向驱动装置，确保纵向驱动装置随横向滑块一起移动到指定位置时停下，然后启动纵向驱动装置，使激光测距模块随纵向滑块从纵向滑道的一端匀速滑动到另一端完成纵向扫描；

斜向成固定角度扫描时，利用横向驱动装置和纵向驱动装置在不同匀速滑动状态下实现斜向成固定角度扫描；

组合扫描时，首先启动纵向驱动装置使激光测距模块随纵向滑块一起匀速从纵向滑道的一端移动到另一端，然后使纵向驱动装置停下确定时间，在该段时间，启动横向驱动装置，使纵向驱动装置随横向滑块向前移动指定距离后停下确定时间，在该段时间，启动纵向驱动装置，再次使激光测距模块随纵向滑块从纵向滑道的一端移动到另一端停下，如此交替进行完成组合扫描。

在斜向成固定角度扫描时，通过设定纵向滑动速度与横向滑动速度的比例分别为0.58、1和1.7从而实现与横向分别成30°、45°和60°的直线扫描。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于激光测距技术的节理表面起伏形态快速扫描采集设备及方法，本发明中的快速扫描采集设备可以针对10cm*15cm范围的节理表面进行高精度、高智能化快速的起伏形态数据采集，其结构简单、携带方便、对于测量区域的选择要求更低，出于对粗糙度各向异性研究的需要，本发明中的快速扫描采集设备可实现对控制范围内各个方向特征曲线的数据进行采集，另外整个测量过程由激光测距模块自动测距，通过PLC工控模块进行智能控制，最大程度的削弱了人为因素的影响，使测量数据更加准确客观，提高了现场数据采集工作的质量和效率。

本发明中的四种工作模式分别为横向扫描、纵向扫描、斜向成固定角度扫描和组合扫描。横向扫描属于单向扫描，适合与节理面近似水平的情况，节理面与水平面角度小于30°，以方便设备垂直放置。此时，采用横线工作模式，扫描头在平行于节理面的方向工作，该种模式下，扫描快捷，效率高。纵向扫描也属于单向扫描，适合于节理面近似垂直的情况，节理面与竖直面夹角小于30°。采用竖直工作模式，扫描头在平行于节理面的方向工作。该种模式下，同样能够很好的节省扫描头的运动距离，减少工作量。斜向成固定角度扫描属于双向扫描，设备沿纵横轴以固定的高度和固定的步进角度在某一高度上进行扫描运动，相对于纵向扫描和横向扫描而言，扫描的速度较慢，扫描点数目较多，工作相对较慢。组合扫描结合纵向扫描、横向扫描和固定角度扫描，属于组合工作模式，扫描速度慢，时间长，测点数据多，测量精度高。

附图说明

图1是本发明节理表面起伏形态采集设备的立体结构示意图；

图2是本发明纵向驱动装置的立体结构示意图；

图3是本发明横向驱动装置的立体结构示意图；

图4是本发明基准底座调整装置的俯视结构示意图；

图5是本发明基准底座调整装置的侧视结构示意图；

图中：1-纵向驱动装置；2-左支撑板；3-横向驱动装置；4-激光测距模块；5-侧支架；6-基准底座；7-纵向步进电机；8-纵向滑道；9-纵向滑块；10-辅助滑动轮；11-横向步进电机；12-横向滑道；13-横向滑块；14-右支撑板；15-辅助滑动轮专用滑道；16-圆形金属底座；17-调平螺栓。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

如图1至图5所示，一种基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其包括工控机、总控制器、横向驱动装置3、纵向驱动装置1、激光测距模块4、主体支撑部件和基准底座6；主体支撑部件设置于基准底座6上，主体支撑部件包括侧支架5、左支撑板2、右支撑板14和开设于侧支架5上的滑道，滑道为用于纵向驱动装置1端部的辅助滑动轮专用滑道15，左支撑板2和右支撑板14均固定设置于侧支架5的同侧；横向驱动装置3的两端分别固定于左支撑板2和右支撑板14之上，横向驱动装置3包括横向滑道12、设置于横向滑道12上的横向滑块13和位于横向滑道12一端的横向步进电机11；纵向驱动装置1包括纵向滑道8、设置于纵向滑道8上的纵向滑块9、设置于纵向滑道8一端的辅助滑动轮10和设置于纵向滑道8另一端的纵向步进电机7，纵向滑道8的一端与横向滑块13的顶部固定连接，纵向驱动装置1的另一端经由辅助滑动轮10与辅助滑动轮专用滑道15自由接触并沿辅助滑动轮专用滑道15横向自由移动，激光测距模块4固定设置于纵向滑动装置的纵向滑块9下端。激光测距模块4用于对测量范围内的岩面进行激光测距并将距离信息及时反馈给控制系统。

总控制器由PLC控制电路和与PLC控制电路相连的伺服控制器构成。左支撑板2和右支撑板14分别位于侧支架5横向两端的同一水平高度。辅助滑动轮专用滑道15设置于侧支架5的上端，并位于侧支架5整体高度的2/3位置处。在基准底座6的底端固定设置有2个基准底座6调整装置。如图4至图5所示，基准底座6调整装置为一个圆形金属底座16，圆形金属底座16的厚度为10mm，在圆形金属底座16上有设置有3个沿圆心均匀设置的调平螺栓17，通过调节3个调平螺栓17与节理表面接触来调平基准底座6从而实现基准底座6与节理表面的平行。辅助滑动轮专用滑道15与辅助滑动轮10之间采取滚动摩擦的接触形式，辅助滑动轮专用滑道15限制辅助滑动轮10在竖直方向的自由移动。

本发明还公开了一种采用基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备实现节理表面起伏形态快速扫描采集的方法，其包括横向扫描、纵向扫描、斜向成固定角度扫描以及组合扫描共四种扫描方式：

横向扫描时，首先启动纵向驱动装置1确保激光测距模块4随纵向驱动装置1上的纵向滑块9移动到指定位置时停下，然后启动横向驱动装置3，横向驱动装置3上的横向滑块13带动整个纵向驱动装置1匀速从横向滑道12一端滑动到另一端完成横向扫描；

纵向扫描时，首先启动横向驱动装置3，确保纵向驱动装置1随横向滑块13一起移动到指定位置时停下，然后启动纵向驱动装置1，使激光测距模块4随纵向滑块9从纵向滑道8的一端匀速滑动到另一端完成纵向扫描；

斜向成固定角度扫描时，利用横向驱动装置3和纵向驱动装置1在不同匀速滑动状态下实现斜向成固定角度扫描；

组合扫描时，首先启动纵向驱动装置1使激光测距模块4随纵向滑块9一起匀速从纵向滑道8的一端移动到另一端，然后使纵向驱动装置1停下确定时间，在该段时间，启动横向驱动装置3，使纵向驱动装置1随横向滑块13向前移动指定距离后停下确定时间，在该段时间，启动纵向驱动装置1，再次使激光测距模块4随纵向滑块9从纵向滑道8的一端移动到另一端停下，如此交替进行完成组合扫描。

在斜向成固定角度扫描时，通过设定纵向滑动速度与横向滑动速度的比例分别为0.58、1和1.7从而实现与横向分别成30°、45°和60°的直线扫描。

如图1所示，基于激光测距技术的节理表面起伏形态快速采集设备包括纵向驱动装置1、左支撑板2、右支撑板14、横向驱动装置3、激光测距模块4、侧支架5、基准底座6、PLC控制电路和伺服控制器，PLC控制电路通过伺服控制器实现对各个驱动装置的控制。

纵向驱动装置1如图2所示，纵向驱动装置1包括纵向步进电机7、纵向滑道8、纵向滑块9以及辅助滑动轮10，其中激光测距模块4固定于纵向滑块9下方随纵向滑块9同步滑动，辅助滑动轮10与位于侧支架5上的辅助滑动轮专用滑道15直接接触，滚动摩擦。

横向驱动装置3如图3所示，横向驱动装置3包括横向步进电机11、横向滑道12和横向滑块13，其主要作用为纵向驱动装置1的承载结构并为纵向驱动装置1提供横向移动的驱动力。

本发明中的横向驱动装置3和纵向驱动装置1分别由横向步进电机11和纵向步进电机7通过高精密丝杠驱动，在横向驱动装置3和纵向驱动装置1上分别连接有横向滑块13和纵向滑块9，横向滑块13和纵向滑块9均与高精密丝杠通过螺纹实现传动。

侧支架5为整个运动装置的辅助承载结构，同时为纵向驱动装置1提供了辅助滑动轮专用滑道15，基准底座6用于支撑侧支架5和作节理表面基准面。

现场进行节理面起伏形态横向扫描时，首先通过基准底座6调整装置与节理表面平行接触，启动纵向驱动装置1，使激光测距模块4随纵向滑块9一起移动到纵向滑道8的指定位置停下，然后启动横向驱动装置3，使纵向驱动装置1随横向滑块13一起从横向滑道12的一端移动到另一端从而完成横向扫描。

纵向扫描过程参照横向扫描过程，首先启动横向驱动装置3，使纵向驱动装置1移动到横向滑道12的指定位置后停下，再启动纵向驱动装置1，使激光测距模块4随纵向滑块9一起从纵向滑道8的一端移动到另一端完成纵向扫描。

斜向成固定角度扫描这里以与横向成45°直线扫描为例，同时启动横向驱动装置3与纵向驱动装置1，使横向滑块13与纵向滑块9以相同的速度从滑道一端移动到另一端完成斜向成固定角度扫描。

组合扫描是通过PLC控制系统分别实现横向驱动装置3与纵向驱动装置1间隔启动与停止而完成的一种扫描形式，扫描点密度由横向滑块13与纵向滑块9的移动速度控制，可先启动横向驱动装置3使纵向驱动装置1随横向滑块13移动一定距离后停下，然后纵向驱动装置1启动，待激光测距模块4随纵向滑块9完成一次纵向扫描后停下，此时横向驱动装置3启动，如此交替进行完成组合扫描，将会得到控制平面内的所有节理面起伏特征数据。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其特征在于：所述基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备包括工控机、总控制器、横向驱动装置、纵向驱动装置、激光测距模块、主体支撑部件和基准底座；所述主体支撑部件设置于所述基准底座上，所述主体支撑部件包括侧支架、左支撑板、右支撑板和开设于所述侧支架上的滑道，所述滑道为用于所述纵向驱动装置端部的辅助滑动轮专用滑道，所述左支撑板和右支撑板均固定设置于所述侧支架的同侧；所述横向驱动装置的两端分别固定于左支撑板和右支撑板之上，所述横向驱动装置包括横向滑道、设置于所述横向滑道上的横向滑块和位于横向滑道一端的横向步进电机；所述纵向驱动装置包括纵向滑道、设置于所述纵向滑道上的纵向滑块、设置于所述纵向滑道一端的辅助滑动轮和设置于纵向滑道另一端的纵向步进电机，所述纵向滑道的一端与所述横向滑块的顶部固定连接，所述纵向驱动装置的另一端经由所述辅助滑动轮与所述辅助滑动轮专用滑道自由接触并沿所述辅助滑动轮专用滑道横向自由移动，所述激光测距模块固定设置于纵向滑动装置的纵向滑块下端。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其特征在于：所述总控制器由PLC控制电路和与所述PLC控制电路相连的伺服控制器构成。

3.根据权利要求1所述的基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其特征在于：所述左支撑板和右支撑板分别位于侧支架横向两端的同一水平高度。

4.根据权利要求1所述的基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其特征在于：所述辅助滑动轮专用滑道设置于侧支架的上端，并位于侧支架整体高度的2/3位置处。

5.根据权利要求1所述的基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其特征在于：在所述基准底座的底端固定设置有2个基准底座调整装置。

6.根据权利要求5所述的基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其特征在于：所述基准底座调整装置为一个圆形金属底座，圆形金属底座的厚度为10mm，在所述圆形金属底座上有设置有3个沿圆心均匀设置的调平螺栓，通过调节3个调平螺栓与节理表面接触来调平基准底座从而实现基准底座与节理表面的平行。

7.根据权利要求1所述的基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备，其特征在于：所述辅助滑动轮专用滑道与所述辅助滑动轮之间采取滚动摩擦的接触形式，所述辅助滑动轮专用滑道限制辅助滑动轮在竖直方向的自由移动。

8.一种采用基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备实现节理表面起伏形态快速扫描采集的方法，其特征在于：

所述节理表面起伏形态快速扫描采集的方法包括横向扫描、纵向扫描、斜向成固定角度扫描以及组合扫描共四种扫描方式：

横向扫描时，首先启动纵向驱动装置确保激光测距模块随纵向驱动装置上的纵向滑块移动到指定位置时停下，然后启动横向驱动装置，横向驱动装置上的横向滑块带动整个纵向驱动装置匀速从横向滑道一端滑动到另一端完成横向扫描；

纵向扫描时，首先启动横向驱动装置，确保纵向驱动装置随横向滑块一起移动到指定位置时停下，然后启动纵向驱动装置，使激光测距模块随纵向滑块从纵向滑道的一端匀速滑动到另一端完成纵向扫描；

斜向成固定角度扫描时，利用横向驱动装置和纵向驱动装置在不同匀速滑动状态下实现斜向成固定角度扫描；

组合扫描时，首先启动纵向驱动装置使激光测距模块随纵向滑块一起匀速从纵向滑道的一端移动到另一端，然后使纵向驱动装置停下确定时间，在该段时间，启动横向驱动装置，使纵向驱动装置随横向滑块向前移动指定距离后停下确定时间，在该段时间，启动纵向驱动装置，再次使激光测距模块随纵向滑块从纵向滑道的一端移动到另一端停下，如此交替进行完成组合扫描。

9.根据权利要求8所述的一种采用基于激光测距的节理表面起伏特征快速扫描设备实现节理表面起伏形态快速扫描采集的方法，其特征在于：在斜向成固定角度扫描时，通过设定纵向滑动速度与横向滑动速度的比例分别为0.58、1和1.7从而实现与横向分别成30°、45°和60°的直线扫描。