CN111322951A - 一种建筑物工程竖井测量装置及工程竖井模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种建筑物工程竖井测量装置，包括测量机构和用于驱动测量机构移动的攀爬机构；测量机构包括：与攀爬机构连接的外壳体；水平激光测距模块；双轴倾角传感器；垂直激光测距模块；摄像头；以及左伺服电机和右伺服电机；左伺服电机设置在外壳体内部，并与水平激光测距模块连接；水平激光测距模块伸出于外壳体上端面，并与双轴倾角传感器连接；右伺服电机与左伺服电机背向设置并位于外壳体内部；摄像头与右伺服电机连接并伸出于外壳体下端面；垂直激光测距模块设置在外壳体的上端部和下端部。本发明还提供一种建筑物工程竖井模型构建方法。本发明既降低了勘测人员的劳动强度、安全性和专业性的要求，也提高了工程竖井测量数据的准确性。

Description

一种建筑物工程竖井测量装置及工程竖井模型构建方法

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，更具体地说，涉及一种建筑物工程竖井测量装置及工程竖井模型构建方法。

背景技术

建筑物内的工程竖井主要包括供水井、供电井、排水管线井、电话井、有线电视井、监控井、通风井和电梯井等一个相对封闭的垂直或横向空间。现阶段工程竖井从功能上的需求来看，除了基本的供水、供电、排水管线外，还需要用于电话、有线电视、监控、通风和电梯等等布线，并且随时代发展还会有所增加。而从安全上的需要来看，多种工程竖井集中在一个建筑物内，必然会产生相互影响，因此功能相近的，安全性相近的工程竖井是需要集中设计，危险性大的需要单独封闭，也不容易受到人为破坏，达到保护安全的作用和美观上的需要。

工程竖井的结构、形状、几何尺寸和建造误差，根据安装设备会有不一样的需求，在现有的建筑图纸设计时和建筑建造过程中，工程竖井作为建筑物内的辅助体会不可避免为满足建筑主体的需求而让步，例如：因建筑物高度过大时垂直度难以控制而导致偏差，承重受力构件中的梁、角、柱等向凸入竖井内，以及几何尺寸因建造方式的不同引起误差等等，这些都会其中涉及相关的参数具有重要作用，是保证设备能满足检验要求的重要一环。

随着楼宇建筑不断加高和增多，为保证设备在安装过程中避免因竖井误差而影响安装和验收，在制造设备和安装前，须安排专业人员进入竖井内部或外围逐层进行现场勘测。这种通过人为现场勘测的方式不仅耗费体力和浪费时间，而且不能保证因测量方法的问题而造成的尺寸误差，再结合现场属于危险场合：存在着建筑余料或废料的杂乱堆放、灰尘飞扬、光线不足、高空坠物、高空坠落、防护设施不足或缺失等情况，因此，现有工程竖井的测量环境会对勘测人员的测量造成干扰，大大影响工程竖井测量的准确性，而且加大人员测量的危险程度。另外，如何通过测量数据对工程竖井模型进行构建也是急需解决的重要问题，为后续在工程竖井安装设备提供参考依据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种建筑物工程竖井测量装置及工程竖井模型构建方法；该测量装置及工程竖井模型构建方法可解决人工对工程竖井进行测绘导致测量数据不准确和安全性问题，从而既降低了勘测人员的劳动强度、安全性和专业性的要求，也提高了工程竖井测量数据的准确性，通过测量结果进行工程竖井模型构建，为后续在工程竖井安装设备提供参考依据。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种建筑物工程竖井测量装置，其特征在于：包括测量机构和用于驱动测量机构移动的攀爬机构；所述测量机构包括：

外壳体；所述外壳体与攀爬机构连接；

用于测量工程竖井水平距离的水平激光测距模块；

用于测量工程竖井X轴方向与Y轴方向倾角的双轴倾角传感器；

用于测量工程竖井垂直距离的垂直激光测距模块；

用于拍摄工程竖井的摄像头；

以及用于分别驱动水平激光测距模块和摄像头转动的左伺服电机和右伺服电机；

所述左伺服电机设置在外壳体内部，并与水平激光测距模块连接；所述水平激光测距模块伸出于外壳体上端面，并与双轴倾角传感器连接；所述右伺服电机与左伺服电机背向设置并位于外壳体内部；所述摄像头与右伺服电机连接并伸出于外壳体下端面；所述垂直激光测距模块设置在外壳体的上端部和下端部。

在上述方案中，本发明的攀爬机构带动测量机构在工程竖井运动，则可通过水平激光测距模块测量工程竖井水平距离，通过双轴倾角传感器测量工程竖井X轴方向与Y轴方向的倾角，通过垂直激光测距模块测量工程竖井垂直距离，以及通过摄像头拍摄采集工程竖井的图像，该测量装置可解决人工对工程竖井进行测绘导致测量数据不准确和安全性问题，从而既降低了勘测人员的劳动强度、安全性和专业性的要求，也提高了工程竖井测量数据的准确性。

所述外壳体由左腔体、安装部和右腔体连接组成；所述安装部与攀爬机构连接；

所述垂直激光测距模块为用于相互交替测量垂直距离和检测测量机构是否到达测量边界的垂直激光测距模块一和垂直激光测距模块二；所述垂直激光测距模块一和垂直激光测距模块二分别设置在外壳体的上端部和下端部。本发明垂直激光测距模块一和垂直激光测距模块二分别朝上和朝下设计，不仅可实现测量垂直距离和检测测量机构是否到达测量边界这两个作用同时进行，而且可使得测量机构通过攀爬机构返回过程中，也可以实现垂直距离的测量，从而可提高工程竖井测量的效率和安全性。

本发明还包括控制模块、用于存储测量数据的数据存储模块和与外部通讯的通讯模块；所述控制模块分别与数据存储模块和通讯模块连接；所述控制模块、数据存储模块和通讯模块均设置在外壳体内部。

所述攀爬机构包括固定于工程竖井顶部或工程竖井横向方向一侧的伺服电机、导滑轮一、绳索、导滑轮二和用于保证绳索处于紧绷状态的绳索张紧机构；所述导滑轮一与伺服电机的传动轴连接；所述绳索张紧机构固定于工程竖井的底端或工程竖井横向方向另一侧，并与导滑轮二连接；所述绳索穿设外壳体并与导滑轮一和导滑轮二连接；工作时，伺服电机驱动绳索运动实现带动测量机构上下移动或左右横向移动。

所述绳索张紧机构包括绳索张紧支架、导杆和弹簧；所述导滑轮二安装在绳索张紧支架上；所述导杆安装在工程竖井的底端或工程竖井横向方向另一侧，并与绳索张紧支架连接；所述弹簧穿设在导杆上，且一端与工程竖井的底端或工程竖井横向方向另一侧相抵，另一端与绳索张紧支架相抵。

所述攀爬机构为卷扬机、导向轨道或无人飞行机器人。

一种建筑物工程竖井模型构建方法，其特征在于：

第一步，通过攀爬机构带动测量机构在工程竖井垂直上下运动，以转动升降的方式的对工程竖井的水平距离和水平倾角进行测量以及对工程竖井的图像进行采集，分别得到水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集以及工程竖井的图像数据；以相互交替的方式测量工程水井的垂直距离和检测测量机构是否到达测量边界，得到垂直距离的测量数据集；

第二步，对水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集和垂直距离的测量数据集进行预处理，根据水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集和垂直距离的测量数据集进行绝对坐标系的建立、相对坐标系的建立、坐标转换和工程竖井垂直高度的计算，得到设定单位尺寸的组成工程竖井内壁的小平面；最后根据设定工程竖井壁厚，建立工程竖井的三维模型；

第三步，将图像数据与建筑材料图库的数据作对比，并结合工程竖井的三维模型，将三维模型的表面进行图像仿真，建立并输出工程竖井的三维仿真模型。

在上述方案中，本发明通过对工程竖井的测量结果进行工程竖井模型构建，为后续在工程竖井安装设备提供参考依据。

第二步中，绝对坐标系的建立是指：

所述测量机构包括：

用于测量工程竖井水平距离的水平激光测距模块；

用于测量工程竖井X轴方向与Y轴方向倾角的双轴倾角传感器；

用于测量工程竖井垂直距离的垂直激光测距模块；

用于拍摄工程竖井的摄像头；

以及用于分别驱动水平激光测距模块和摄像头转动的左伺服电机和右伺服电机；所述水平激光测距模块分别与左伺服电机和双轴倾角传感器连接；所述摄像头与右伺服电机连接；所述垂直激光测距模块分别朝上和朝下设置；

在水平距离和水平倾角测量时，水平激光测距模块测量反馈初始距离值L_m0，双轴倾角传感器反馈初始X轴倾角δ_xm0与初始Y轴倾角δ_ym0；左侧伺服电机按设定的角度间距ω定频率转动，每一次转动后左侧伺服电机传动轴上固定的水平激光测距模块反馈测量的距离值L_mn，水平激光测距模块上固定双轴倾角传感器反馈X轴倾角δ_xmn与Y轴倾角δ_ymn；右侧伺服电机以与左侧伺服电机相同的转动运动，带动传动轴上固定安装的摄像头拍摄并反馈图像数据；直至右伺服电机完成360°转动后，攀爬机构设定的高度间距h拉动测量机构按垂直移动一次；

在垂直距离测量时，朝下设置的垂直激光测距模块测量反馈初始高度值H₀并指引攀爬机构在垂直移动设定的高度间距h后进行工作，拉动测量机构作垂直移动动作，每一次垂直移动后测量机构均作水平距离和水平倾角测量，朝下设置的垂直激光测距模块反馈测量的高度值H_m，朝上设置的垂直激光测距模块随着垂直移动测量距离值逐渐变小，当离顶层楼面一定预设安全距离H_s时，控制攀爬机构停止工作，测量机构作最后一次水平距离和水平倾角测量，完成首次测量；反之，当测量机构完成首次测量后，朝上设置的垂直激光测距模块与朝下设置的垂直激光测距模块互换功能，下降至开始点，完成垂直测量动作的校验，本返过程也可添加水平距离和水平倾角测量的高度；

以首次测量初始状态的水平激光测距模块的距离测量零点为原点，测量方向的水平投影为X轴正方向，建立三维直角坐标系；设第m次垂直移动后的测量机构的水平激光测距模块的距离测量零点O_m(X_m，Y_m，Z_m)，即初始状态O₀(0，0，0)；

每次垂直移动后测量零点坐标计算：计算第1次垂直移动后水平激光测距模块的距离测量零点O₁(X₁，Y₁，Z₁)，初始高度值H₀、第1次垂直移动后的高度值H₁、在初始位置的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_x00，δ_x01，δ_x02……δ_x0n}与Y轴倾角集{δ_y00，δ_y01，δ_y02……δ_y0n}、第1次垂直移动后的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_x10，δ_x11，δ_x12……δ_x1n}与Y轴倾角集{δ_y10，δ_y11，δ_y12……δ_y1n}数据，根据水平倾角计算公式

可得初始位置水平倾角集{δ_z00，δ_z01，δ_z02……δ_z0n}与第1次垂直移动后水平倾角集{δ_z10，δ_z11，δ_z12……δ_z1n}，计算出初始位置平均水平倾角△δ_z0与第1次垂直移动后平均水平倾角△δ_z1，则计算出Z₁＝H₁×cos△δ_z1-H₀×cos△δ_z0，X₁＝0-Z₁×tanδ_x00，Y₁＝0-Z₁×tanδ_y00；

依次类推，

Z_m＝H_m×cos△δ_zm-H_(m-1)×cos△δ_z(m-1)+Z_m-1；

X_m＝X_m-1-Z_m×tanδ_x(m-1)0；

Y_m＝Y_m-1-Z_m×tanδ_y(m-1)0；

根据以上公式组可计算出每一次垂直移动后水平激光测距模块的距离测量零点O_m坐标，实现绝对坐标系的建立。

第二步中，相对坐标系的建立是指：

以第m次垂直移动后的测量机构的水平激光测距模块的距离测量零点O_m为极点，初始测量方向的水平投影为极轴，建立相对圆柱坐标系；设第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点

每次转动后交点相对坐标计算：计算第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点

根据设定的角度间距ω、第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块测量的距离值L_mn、第m次垂直移动后第n次转动后的双轴倾角传感器测量的X轴倾角δ_xmn数据，计算出ρ_mn＝L_mn×cosδ_xmn，

z_mn＝L_mn×sinδ_xmn；

根据以上公式组计算出每一次转动水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点P_mn坐标，实现相对坐标系的建立。

第二步中，坐标转换是指：

每次转动后交点绝对坐标计算：根据相对圆柱坐标极点O_m的绝对坐标(X_m，Y_m，Z_m)与P_mn的相对坐标

按以下公式化为P_mn的绝对坐标(X_mn，Y_mn，Z_mn)：

Z_mn＝z_mn+Z_m；

根据以上公式组可计算出每一次转动水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点P_mn绝对坐标，实现坐标转换。

第二步中，工程竖井垂直高度的计算，得到设定单位尺寸的组成工程竖井内壁的小平面；根据设定工程竖井壁厚，建立工程竖井的三维模型是指：

设垂直激光测距模块测量零点垂直距离为h_b，最后一次垂直移动后的高度值为H_m、预设安全距离为H_s，最后一次垂直移动后的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_xm0，δ_xm1，δ_xm2……δ_xmn}与Y轴倾角集{δ_ym0，δ_ym1，δ_ym2……δ_ymn}，根据水平倾角计算公式

可得最后一次垂直移动后水平倾角集{δ_zm0，δ_zm1，δ_zm2……δ_zmn}，计算出最后一次垂直移动后平均水平倾角△δ_zm，则计算工程竖井垂直高度为H＝(H_m+H_s+h_b)×cos△δ_zm；

在所有水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点中，将m值相等的点线性连接，同样将n值相等的点线性连接，得出设定单位尺寸小平面，各个小平面组成工程竖井内壁；以工程竖井垂直高度H通过建立线性方程对工程竖井内壁面异常数据进行修正与缺失数值推算，并设定工程竖井壁厚，建立并输出工程竖井三维模型。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明建筑物工程竖井测量装置及工程竖井模型构建方法可解决人工对工程竖井进行测绘导致测量数据不准确和安全性问题，从而既降低了勘测人员的劳动强度、安全性和专业性的要求，也提高了工程竖井测量数据的准确性，通过测量结果进行工程竖井模型构建，为后续在工程竖井安装设备提供参考依据。

附图说明

图1是本发明建筑物工程竖井测量装置的工作示意图；

图2是本发明建筑物工程竖井测量装置中测量机构示意图；

图3是本发明建筑物工程竖井测量装置中攀爬机构上部示意图；

图4是本发明建筑物工程竖井测量装置中攀爬机构下部示意图；

图5(1)-5(3)是本发明建筑物工程竖井模型构建方法过程示意图；

其中，1为测量机构、101为外壳体、102为水平激光测距模块、103为双轴倾角传感器、104为左伺服电机、105为摄像头、106为垂直激光测距模块一、107为垂直激光测距模块二、108为右伺服电机、2为攀登机构、201为伺服电机、202为导滑轮一、203为绳索、204为导滑轮二、205为绳索张紧支架、206为弹簧、207为导杆、3为工程竖井。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

如图1至图4所示，本发明建筑物工程竖井测量装置包括测量机构和用于驱动测量机构移动的攀爬机构，其中，测量机构1包括：

外壳体101，该外壳体101与攀爬机构2连接；

用于测量工程竖井3水平距离的水平激光测距模块102；

用于测量工程竖井3X轴方向与Y轴方向倾角的双轴倾角传感器103；

用于测量工程竖井3垂直距离的垂直激光测距模块；该垂直激光测距模块为用于相互交替测量垂直距离和检测测量机构是否到达测量边界的垂直激光测距模块一106和垂直激光测距模块二107；

用于拍摄工程竖井3的摄像头105；

以及用于分别驱动水平激光测距模块102和摄像头105转动的左伺服电机104和右伺服电机108；

该外壳体101由左腔体、安装部和右腔体连接组成，安装部与攀爬机构2连接。左伺服电机104设置在外壳体101的左腔体内部，并与水平激光测距模块102连接，水平激光测距模块伸出于外壳体101的左腔体上端面，并与双轴倾角传感器103连接，右伺服电机108与左伺服电机104背向设置并位于外壳体101的右腔体，摄像头105与右伺服电机108连接并伸出于外壳体101下端面，垂直激光测距模块一106和垂直激光测距模块二107分别设置在外壳体101的右腔体上端部和左腔体下端部。

本发明测量机构还包括控制模块、用于存储测量数据的数据存储模块和与外部通讯的通讯模块；其中，控制模块分别与数据存储模块和通讯模块连接；控制模块、数据存储模块和通讯模块均设置在外壳体101内部。

本发明的攀爬机构2包括固定于工程竖井3顶部的伺服电机201、导滑轮一202、绳索203、导滑轮二204和用于保证绳索处于紧绷状态的绳索张紧机构，其中，导滑轮一202与伺服电机201的传动轴连接，绳索张紧机构固定于工程竖井3的底端，并与导滑轮二204连接，绳索203穿设外壳体101并与导滑轮一202和导滑轮二204连接；工作时，伺服电机201驱动绳索203运动实现带动测量机构上下移动。

具体地说，绳索张紧机构包括绳索张紧支架205、导杆207和弹簧206，导滑轮二204安装在绳索张紧支架205上，导杆207安装在工程竖井3的底端，并与绳索张紧支架205连接，而弹簧206穿设在导杆207上，且一端与工程竖井3的底端相抵，另一端与绳索张紧支架205相抵。

本发明建筑物工程竖井模型构建方法是这样的：

第一步，通过攀爬机构2带动测量机构1在工程竖井3垂直上下运动，以转动升降的方式的对工程竖井3的水平距离和水平倾角进行测量以及对工程竖井3的图像进行采集，分别得到水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集以及工程竖井的图像数据；以相互交替的方式测量工程水井的垂直距离和检测测量机构是否到达测量边界，得到垂直距离的测量数据集，如图5(1)所示；

第二步，对水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集和垂直距离的测量数据集进行预处理，根据水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集和垂直距离的测量数据集进行绝对坐标系的建立、相对坐标系的建立、坐标转换和工程竖井3垂直高度的计算，得到设定单位尺寸的组成工程竖井3内壁的小平面，如图5(2)所示；最后根据设定工程竖井3壁厚，建立工程竖井3的三维模型，如图5(3)所示；

第三步，采用图像识别软件将图像数据与建筑材料图库的数据作对比，针对每个小平面的图像数据与建筑材料图库对比以确定材质，采用渲染软件(例如3DS MAX或Artlantis等)将每个小平面进行表面材料图像仿真，整体分析工程竖井3的墙体建筑结构，并结合工程竖井3的三维模型，将三维模型的表面进行图像仿真，建立并输出工程竖井3的三维仿真模型。

第二步中，绝对坐标系的建立是指：

在水平距离和水平倾角测量时，水平激光测距模块102测量反馈初始距离值L_m0，双轴倾角传感器103反馈初始X轴倾角δ_xm0与初始Y轴倾角δ_ym0；左侧伺服电机104按设定的角度间距ω定频率转动，每一次转动后左侧伺服电机104传动轴上固定的水平激光测距模块102反馈测量的距离值L_mn，水平激光测距模块102上固定双轴倾角传感器103反馈X轴倾角δ_xmn与Y轴倾角δ_ymn；右侧伺服电机108以与左侧伺服电机104相同的转动运动，带动传动轴上固定安装的摄像头105拍摄并反馈图像数据；直至右伺服电机108完成360°转动后，攀爬机构2设定的高度间距h拉动测量机构1按垂直移动一次；

在垂直距离测量时，朝下设置的垂直激光测距模块二107测量反馈初始高度值H₀并指引攀爬机构2在垂直移动设定的高度间距h后进行工作，拉动测量机构1作垂直移动动作，每一次垂直移动后测量机构1均作水平距离和水平倾角测量，朝下设置的垂直激光测距模块二107反馈测量的高度值H_m，朝上设置的垂直激光测距模块一106随着垂直移动测量距离值逐渐变小，当离顶层楼面一定预设安全距离H_s时，控制攀爬机构2停止工作，测量机构1作最后一次水平距离和水平倾角测量，完成首次测量；反之，当测量机构1完成首次测量后，朝上设置的垂直激光测距模块一106与朝下设置的垂直激光测距模块二107互换功能，下降至开始点，完成垂直测量动作的校验，本返过程也可添加水平距离和水平倾角测量的高度；

以首次测量初始状态的水平激光测距模块102的距离测量零点为原点，测量方向的水平投影为X轴正方向，建立三维直角坐标系；设第m次垂直移动后的测量机构1的水平激光测距模块101的距离测量零点O_m(X_m，Y_m，Z_m)，即初始状态O₀(0，0，0)；

每次垂直移动后测量零点坐标计算：计算第1次垂直移动后水平激光测距模块101的距离测量零点O₁(X₁，Y₁，Z₁)，初始高度值H₀、第1次垂直移动后的高度值H₁、在初始位置的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_x00，δ_x01，δ_x02……δ_x0n}与Y轴倾角集{δ_y00，δ_y01，δ_y02……δ_y0n}、第1次垂直移动后的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_x10，δ_x11，δ_x12……δ_x1n}与Y轴倾角集{δ_y10，δ_y11，δ_y12……δ_y1n}数据，根据水平倾角计算公式

可得初始位置水平倾角集{δ_z00，δ_z01，δ_z02……δ_z0n}与第1次垂直移动后水平倾角集{δ_z10，δ_z11，δ_z12……δ_z1n}，计算出初始位置平均水平倾角△δ_z0与第1次垂直移动后平均水平倾角△δ_z1，则计算出Z₁＝H₁×cos△δ_z1-H₀×cos△δ_z0，X₁＝0-Z₁×tanδ_x00，Y₁＝0-Z₁×tanδ_y00；

依次类推，

Z_m＝H_m×cos△δ_zm-H_(m-1)×cos△δ_z(m-1)+Z_m-1；

X_m＝X_m-1-Z_m×tanδ_x(m-1)0；

Y_m＝Y_m-1-Z_m×tanδ_y(m-1)0；

根据以上公式组可计算出每一次垂直移动后水平激光测距模块101的距离测量零点O_m坐标，实现绝对坐标系的建立。

第二步中，相对坐标系的建立是指：

以第m次垂直移动后的测量机构1的水平激光测距模块101的距离测量零点O_m为极点，初始测量方向的水平投影为极轴，建立相对圆柱坐标系；设第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块101的激光射线与工程竖井3内壁交点

每次转动后交点相对坐标计算：计算第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块101的激光射线与工程竖井3内壁交点

根据设定的角度间距ω、第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块101测量的距离值L_mn、第m次垂直移动后第n次转动后的双轴倾角传感器103测量的X轴倾角δ_xmn数据，计算出ρ_mn＝L_mn×cosδ_xmn，

z_mn＝L_mn×sinδ_xmn；

根据以上公式组可计算出每一次转动水平激光测距模块101的激光射线与工程竖井3内壁交点P_mn坐标，实现相对坐标系的建立。

第二步中，坐标转换是指：

每次转动后交点绝对坐标计算：根据相对圆柱坐标极点O_m的绝对坐标(X_m，Y_m，Z_m)与P_mn的相对坐标

按以下公式化为P_mn的绝对坐标(X_mn，Y_mn，Z_mn)：

Z_mn＝z_mn+Z_m；

根据以上公式组可计算出每一次转动水平激光测距模块101的激光射线与工程竖井3内壁交点P_mn绝对坐标，实现坐标转换。

第二步中，工程竖井3垂直高度的计算，得到设定单位尺寸的组成工程竖井3内壁的小平面；根据设定工程竖井3壁厚，建立工程竖井3的三维模型是指：

设垂直激光测距模块测量零点垂直距离为h_b，最后一次垂直移动后的高度值为H_m、预设安全距离为H_s，最后一次垂直移动后的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_xm0，δ_xm1，δ_xm2……δ_xmn}与Y轴倾角集{δ_ym0，δ_ym1，δ_ym2……δ_ymn}，根据水平倾角计算公式

可得最后一次垂直移动后水平倾角集{δ_zm0，δ_zm1，δ_zm2……δ_zmn}，计算出最后一次垂直移动后平均水平倾角△δ_zm，则计算工程竖井3垂直高度为H＝(H_m+H_s+h_b)×cos△δ_zm；

在所有水平激光测距模块101的激光射线与工程竖井3内壁交点中，将m值相等的点线性连接，同样将n值相等的点线性连接，得出设定单位尺寸小平面，各个小平面组成工程竖井3内壁；以工程竖井3垂直高度H通过建立线性方程对工程竖井3内壁面异常数据进行修正与缺失数值推算，并设定工程竖井3壁厚，建立并输出工程竖井3三维模型。

本发明建筑物工程竖井测量装置及工程竖井模型构建方法可解决人工对工程竖井进行测绘导致测量数据不准确和安全性问题，从而既降低了勘测人员的劳动强度、安全性和专业性的要求，也提高了工程竖井测量数据的准确性，通过测量结果进行工程竖井模型构建，为后续在工程竖井安装设备提供参考依据。该建筑物工程竖井测量装置替代人工进行工程竖井3的数据采集，避免了人员进行工程竖井3测量过程中容易发生意外事故，也提高了采集数据的准确性和全面性。

实施例二

本实施例与实施例一不同之处仅在于：攀爬机构可带动测量机构沿工程竖井的横向方向左右移动。其中，伺服电机固定于工程竖井横向方向一侧，绳索张紧机构固定于工程竖井横向方向另一侧，工作时，伺服电机驱动绳索运动实现带动测量机构左右横向移动。

本实施例的其他结构与实施例一一致。

实施例三

本实施例与实施例一不同之处仅在于：攀爬机构为卷扬机、导向轨道或无人飞行机器人。

当攀爬机构采用无人飞行机器人时，测量机构可根据无人飞行机器人结构将外壳体横向设置，外壳体的左腔体、左伺服电机水平激光测距模块和垂直激光测距模块二安装在无人飞行机器人的下端面，外壳体的右腔体、右伺服电机、摄像头和垂直激光测距模块一安装在无人机的上端面。

现有大部份无人飞行机器人设计时已有水平倾角传感器功能、垂直激光测距模块功能、水平激光测距功能、摄像功能、数据存储器、通讯模块和控制模块，则可以采用现有技术进行配置应用。

测量人员可通过手持控制器(可以是移动智能电话、平板、电脑、带屏幕操作器)搭配软件，对测量过程进行人工控制。

本实施例的其它结构与实施例一一致。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种建筑物工程竖井测量装置，其特征在于：包括测量机构和用于驱动测量机构移动的攀爬机构；所述测量机构包括：

外壳体；所述外壳体与攀爬机构连接；

用于测量工程竖井水平距离的水平激光测距模块；

用于测量工程竖井X轴方向与Y轴方向倾角的双轴倾角传感器；

用于测量工程竖井垂直距离的垂直激光测距模块；

用于拍摄工程竖井的摄像头；

以及用于分别驱动水平激光测距模块和摄像头转动的左伺服电机和右伺服电机；

所述左伺服电机设置在外壳体内部，并与水平激光测距模块连接；所述水平激光测距模块伸出于外壳体上端面，并与双轴倾角传感器连接；所述右伺服电机与左伺服电机背向设置并位于外壳体内部；所述摄像头与右伺服电机连接并伸出于外壳体下端面；所述垂直激光测距模块设置在外壳体的上端部和下端部。

2.根据权利要求1所述的建筑物工程竖井测量装置，其特征在于：所述外壳体由左腔体、安装部和右腔体连接组成；所述安装部与攀爬机构连接；

所述垂直激光测距模块为用于相互交替测量垂直距离和检测测量机构是否到达测量边界的垂直激光测距模块一和垂直激光测距模块二；所述垂直激光测距模块一和垂直激光测距模块二分别设置在外壳体的上端部和下端部。

3.根据权利要求1所述的建筑物工程竖井测量装置，其特征在于：还包括控制模块、用于存储测量数据的数据存储模块和与外部通讯的通讯模块；所述控制模块分别与数据存储模块和通讯模块连接；所述控制模块、数据存储模块和通讯模块均设置在外壳体内部。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的建筑物工程竖井测量装置，其特征在于：所述攀爬机构包括固定于工程竖井顶部或工程竖井横向方向一侧的伺服电机、导滑轮一、绳索、导滑轮二和用于保证绳索处于紧绷状态的绳索张紧机构；所述导滑轮一与伺服电机的传动轴连接；所述绳索张紧机构固定于工程竖井的底端或工程竖井横向方向另一侧，并与导滑轮二连接；所述绳索穿设外壳体并与导滑轮一和导滑轮二连接；工作时，伺服电机驱动绳索运动实现带动测量机构上下移动或左右横向移动。

5.根据权利要求4所述的建筑物工程竖井测量装置，其特征在于：所述绳索张紧机构包括绳索张紧支架、导杆和弹簧；所述导滑轮二安装在绳索张紧支架上；所述导杆安装在工程竖井的底端或工程竖井横向方向另一侧，并与绳索张紧支架连接；所述弹簧穿设在导杆上，且一端与工程竖井的底端或工程竖井横向方向另一侧相抵，另一端与绳索张紧支架相抵。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的建筑物工程竖井测量装置，其特征在于：所述攀爬机构为卷扬机、导向轨道或无人飞行机器人。

7.一种建筑物工程竖井模型构建方法，其特征在于：

第一步，通过攀爬机构带动测量机构在工程竖井垂直上下运动，以转动升降的方式的对工程竖井的水平距离和水平倾角进行测量以及对工程竖井的图像进行采集，分别得到水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集以及工程竖井的图像数据；以相互交替的方式测量工程水井的垂直距离和检测测量机构是否到达测量边界，得到垂直距离的测量数据集；

第二步，对水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集和垂直距离的测量数据集进行预处理，根据水平距离的测量数据集、水平倾角的测量数据集和垂直距离的测量数据集进行绝对坐标系的建立、坐标转换和工程竖井垂直高度的计算，得到设定单位尺寸的组成工程竖井内壁的小平面；最后根据设定工程竖井壁厚，建立工程竖井的三维模型；

第三步，将图像数据与建筑材料图库的数据作对比，并结合工程竖井的三维模型，将三维模型的表面进行图像仿真，建立并输出工程竖井的三维仿真模型。

8.根据权利要求7所述的建筑物工程竖井模型构建方法，其特征在于：第二步中，绝对坐标系的建立是指：

所述测量机构包括：

用于测量工程竖井水平距离的水平激光测距模块；

用于测量工程竖井X轴方向与Y轴方向倾角的双轴倾角传感器；

用于测量工程竖井垂直距离的垂直激光测距模块；

用于拍摄工程竖井的摄像头；

以及用于分别驱动水平激光测距模块和摄像头转动的左伺服电机和右伺服电机；所述水平激光测距模块分别与左伺服电机和双轴倾角传感器连接；所述摄像头与右伺服电机连接；所述垂直激光测距模块分别朝上和朝下设置；

在水平距离和水平倾角测量时，水平激光测距模块测量反馈初始距离值L_m0，双轴倾角传感器反馈初始X轴倾角δ_xm0与初始Y轴倾角δ_ym0；左侧伺服电机按设定的角度间距ω定频率转动，每一次转动后左侧伺服电机传动轴上固定的水平激光测距模块反馈测量的距离值L_mn，水平激光测距模块上固定双轴倾角传感器反馈X轴倾角δ_xmn与Y轴倾角δ_ymn；右侧伺服电机以与左侧伺服电机相同的转动运动，带动传动轴上固定安装的摄像头拍摄并反馈图像数据；直至右伺服电机完成360°转动后，攀爬机构设定的高度间距h拉动测量机构按垂直移动一次；

在垂直距离测量时，朝下设置的垂直激光测距模块测量反馈初始高度值H₀并指引攀爬机构在垂直移动设定的高度间距h后进行工作，拉动测量机构作垂直移动动作，每一次垂直移动后测量机构均作水平距离和水平倾角测量，朝下设置的垂直激光测距模块反馈测量的高度值H_m，朝上设置的垂直激光测距模块随着垂直移动测量距离值逐渐变小，当离顶层楼面一定预设安全距离H_s时，控制攀爬机构停止工作，测量机构作最后一次水平距离和水平倾角测量，完成首次测量；反之，当测量机构完成首次测量后，朝上设置的垂直激光测距模块与朝下设置的垂直激光测距模块互换功能，下降至开始点，完成垂直测量动作的校验，本返过程也可添加水平距离和水平倾角测量的高度；

以首次测量初始状态的水平激光测距模块的距离测量零点为原点，测量方向的水平投影为X轴正方向，建立三维直角坐标系；设第m次垂直移动后的测量机构的水平激光测距模块的距离测量零点O_m(X_m，Y_m，Z_m)，即初始状态O₀(0，0，0)；

每次垂直移动后测量零点坐标计算：计算第1次垂直移动后水平激光测距模块的距离测量零点O₁(X₁，Y₁，Z₁)，初始高度值H₀、第1次垂直移动后的高度值H₁、在初始位置的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_x00，δ_x01，δ_x02……δ_x0n}与Y轴倾角集{δ_y00，δ_y01，δ_y02……δ_y0n}、第1次垂直移动后的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_x10，δ_x11，δ_x12……δ_x1n}与Y轴倾角集{δ_y10，δ_y11，δ_y12……δ_y1n}数据，根据水平倾角计算公式

可得初始位置水平倾角集{δ_z00，δ_z01，δ_z02……δ_z0n}与第1次垂直移动后水平倾角集{δ_z10，δ_z11，δ_z12……δ_z1n}，计算出初始位置平均水平倾角△δ_z0与第1次垂直移动后平均水平倾角△δ_z1，则计算出Z₁＝H₁×cos△δ_z1-H₀×cos△δ_z0，X₁＝0-Z₁×tanδ_x00，Y₁＝0-Z₁×tanδ_y00；

依次类推，

Z_m＝H_m×cos△δ_zm-H_(m-1)×cos△δ_z(m-1)+Z_m-1；

X_m＝X_m-1-Z_m×tanδ_x(m-1)0；

Y_m＝Y_m-1-Z_m×tanδ_y(m-1)0；

根据以上公式组可计算出每一次垂直移动后水平激光测距模块的距离测量零点O_m坐标，实现绝对坐标系的建立。

9.根据权利要求8所述的建筑物工程竖井模型构建方法，其特征在于：第二步中，相对坐标系的建立是指：

以第m次垂直移动后的测量机构的水平激光测距模块的距离测量零点O_m为极点，初始测量方向的水平投影为极轴，建立相对圆柱坐标系；设第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点P_mn(ρ_mn，

z_mn)；

每次转动后交点相对坐标计算：计算第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点

根据设定的角度间距ω、第m次垂直移动后第n次转动后的水平激光测距模块测量的距离值L_mn、第m次垂直移动后第n次转动后的双轴倾角传感器测量的X轴倾角δ_xmn数据，计算出ρ_mn＝L_mn×cosδ_xmn，

z_mn＝L_mn×sinδ_xmn；

根据以上公式组计算出每一次转动水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点P_mn坐标，实现相对坐标系的建立；

第二步中，坐标转换是指：

每次转动后交点绝对坐标计算：根据相对圆柱坐标极点O_m的绝对坐标(X_m，Y_m，Z_m)与P_mn的相对坐标

按以下公式化为P_mn的绝对坐标(X_mn，Y_mn，Z_mn)：

Z_mn＝z_mn+Z_m；

根据以上公式组可计算出每一次转动水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点P_mn绝对坐标，实现坐标转换。

10.根据权利要求9所述的建筑物工程竖井模型构建方法，其特征在于：第二步中，工程竖井垂直高度的计算，得到设定单位尺寸的组成工程竖井内壁的小平面；根据设定工程竖井壁厚，建立工程竖井的三维模型是指：

设垂直激光测距模块测量零点垂直距离为h_b，最后一次垂直移动后的高度值为H_m、预设安全距离为H_s，最后一次垂直移动后的水平倾角测量的X轴倾角集{δ_xm0，δ_xm1，δ_xm2……δ_xmn}与Y轴倾角集{δ_ym0，δ_ym1，δ_ym2……δ_ymn}，根据水平倾角计算公式

可得最后一次垂直移动后水平倾角集{δ_zm0，δ_zm1，δ_zm2……δ_zmn}，计算出最后一次垂直移动后平均水平倾角△δ_zm，则计算工程竖井垂直高度为H＝(H_m+H_s+h_b)×cos△δ_zm；

在所有水平激光测距模块的激光射线与工程竖井内壁交点中，将m值相等的点线性连接，同样将n值相等的点线性连接，得出设定单位尺寸小平面，各个小平面组成工程竖井内壁；以工程竖井垂直高度H通过建立线性方程对工程竖井内壁面异常数据进行修正与缺失数值推算，并设定工程竖井壁厚，建立并输出工程竖井三维模型。

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