CN111457890B - 一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，包括三维激光扫描仪、轨道车自适应结构、轨道车动力控制模块、光电传感器和轨道车主体，所述轨道车动力控制模块设置在轨道车主体上，所述轨道车动力控制模块上竖直设有一支撑杆，所述三维激光扫描仪安装在支撑杆顶端，所述轨道车主体两侧对称设有轨道车自适应结构，所述光电传感器设置在轨道车主体内部。本发明的基于三维激光扫描技术的地铁隧道自动化形变检测装置采用模块化设计，携带方便，组装简单，便于维修，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。

Description

一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置及方法
技术领域
本发明涉及隧道检测技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置及方法。
背景技术
三维激光扫描技术又称为实景复制技术，是利用激光测距的原理，采用一个稳定度及精度良好的水平自动马达，来记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。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度三维场景扫描。
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，此功能可用于隧道内移动扫描，进行隧道断面状态分析。
在对隧道等场景进行断面扫描时，需要将三维激光扫描仪固定在某平台上，三维扫描仪相对移动平台固定。
为了能够连续地对隧道断面进行扫描，一般将三维扫描仪安装在可以沿着轨道运行的小车，小车运行的平稳对扫描结果的影响很大，因此，三维激光扫描仪进行断面扫描过程中急需一种能够保证平台稳定运行的小车装置。
地铁隧道建成后，由于地质条件、沿路施工、列车运行、结构老化水文条件等多种因素，会导致地铁隧道的变形，如直径收敛、隧道顶部塌陷等情况,这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检测和巡查。
目前传统人工测量隧道收敛变形使用三维激光扫描仪进行架站式扫描，测量效率低且人工成本高，不适于当前轨道交通运营夜间作业窗口期短的要求。目前的自动化隧道扫描系统的整体精度受小车运行平稳程度的影响很大。因此地铁隧道变形监测中急需一种高效率、高精度的快速采集装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置及方法来解决现有技术中的三维激光扫描仪测量效率低且人工成本高，不适于当前轨道交通运营夜间作业窗口期短的要求的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，其创新点在于：包括三维激光扫描仪、轨道车自适应结构、轨道车动力控制模块、光电传感器和轨道车主体，所述轨道车动力控制模块设置在轨道车主体上，所述轨道车动力控制模块上竖直设有一支撑杆，所述三维激光扫描仪安装在支撑杆顶端，所述轨道车主体两侧对称设有轨道车自适应结构，所述光电传感器设置在轨道车主体内部。
进一步的，所述三维激光扫描仪的具体结构为：所述三维激光扫描仪包括扫描仪机身和固定安装头，所述的固定安装头设于扫描仪机身底部，并通过螺栓与扫描仪机身固定连接，所述支撑杆顶端插入固定安装头并与固定安装头固定，所述支撑杆通过螺栓固定与轨道车主体连接。
进一步的，每一所述轨道车自适应结构包括平衡侧杆、平衡摇臂、导向轮和引导架，所述平衡侧杆水平固定在轨道车主体前侧面，所述平衡摇臂为L形，所述平衡侧杆两端分别与轨道车主体两侧的轨道车自适应结构的平衡摇臂折弯点铰接，所述平衡摇臂的竖直部分和水平部分铰接，所述平衡摇臂竖直部分与轨道车主体旋接，所述平衡摇臂水平部分端部铰接在引导架中部，所述引导架远离轨道车主体的端部安装有导向轮，所述引导架靠近轨道车主体的端部和轨道车主体旋接，所述轨道车主体通过平衡侧杆和平衡摇臂沿轨道自适应调节高度和偏移角度，所述导向轮通过所述平衡侧杆和平衡摇臂自适应贴合轨道。
进一步的，所述轨道车动力控制模块包括控制箱、显示器、工控和控制微处理PCB，所述显示器和工控均安装在控制箱上表面，所述控制微处理PCB设于控制箱内部。
进一步的，所述工控采用功耗小的一体机，与三维激光扫描仪和轨道车动力控制模块通过有线连接，分别控制三维激光扫描仪数据采集以及轨道车的行进，同时工控通过RS232串口与光电传感器相连，控制光电传感器的运行并接受光电传感器的数据，进行多源数据的融合。
进一步的，所述轨道车主体包括四个臂关节、车轮、两个电机轴、四个臂关节轴承、电机装置、数个风扇、车体和两个固定架，所述车体设于轨道车动力控制模块下方，数个风扇设于车体的侧面及底面，四个所述臂关节轴承分别对称设于车体两侧面的端部，四个所述臂关节通过臂关节轴承旋接在车体上，通过臂关节轴承可实现轨道车主体模块的折叠，两个所述固定架分别设于车体两侧，车体每一侧的两个臂关节的端部均固定在对应的固定架上，每一所述平衡摇臂的竖直部分和车体两侧靠前的臂关节的端部旋接，所述引导架靠近轨道车主体的端部和固定架旋接，所述电机装置设于车体内部并贯穿车体两侧分别连接两个电机轴的一端，两个所述电机轴的另一端均贯穿车体两侧的固定架，两个所述电机轴的另一端分别固定有车轮。
进一步的，所述电机装置包括电机、主动轮、从动轮、测速编码盘和差速箱，所述电机固定在轨道车主体上部，所述电机和主动轮传动连接，所述主动轮和从动轮啮合，所述从动轮依次传动连接测速编码盘和差速箱，所述差速箱两侧分别通过两根传动轴传动连接轨道车主体两侧的电机轴，所述光电传感器设于测速编码盘上，所述的光电传感器为高精度光栅编码器，所述光电传感器为脉冲信号输出用于轨道小车在隧道内采集位置和里程信息。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案还提供一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
S1.施工人员在轨道车动力控制模块上通过工控进行轨道车的运行速度进行预设；
S2.控制轨道车动力控制模块中的工控发送启动指令给三维激光扫描仪、光电传感器和轨道车主体，启动电机带动轨道车主体开始动作；
S3.三维激光扫描仪、光电传感器和轨道车主体收到工控的启动指令，三维激光扫描仪连续的采集隧道管片的点云数据并将数据实时传输给工控并存储，光电传感器实时采集里程数据传输给工控并在显示器上实时显示出来，轨道车主体保持轨道车以平稳的速度运行。
进一步的，所述步骤S1中可设定的运行速度的最大值为6km/h，且在轨道车运行中可以进行实时无极调速，以应对隧道作业中的复杂情况。
进一步的，所述步骤S3中三维激光扫描仪采集中，发射的激光在垂直于地铁轨道的竖直平面内旋转，移动扫描。
本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：
(1)三维激光扫描小车中的机械自适应结构中的引导架能够通过平衡侧杆和平衡摇臂沿轨道自适应调节高度和偏移角度，导向轮能够通过平衡侧杆和平衡摇臂自适应贴合轨道，即实现了小车的自适应调节，使得小车在运行能够在运行过程中实时贴合轨道，提高了装置的稳定性和数据采集的精度。
(2)轨道车动力控制模块能够控制轨道车装置保持自主匀速巡航，车体及安装平台设计结构稳定性强，三维激光扫描仪能够采集隧道断面的变形数据，并且能够用多种指数进行衡量，数据采集的质量高。
(3)本发明的基于三维激光扫描技术的地铁隧道自动化形变检测装置的引导架活动旋接在固定架上，本发明通过折叠臂关节和引导架实现对轨道车主体的空间压缩，便于施工人员携带。
(4)本发明的基于三维激光扫描技术的地铁隧道自动化形变检测装置采用模块化设计，携带方便，组装简单，便于维修，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
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于三维激光扫描技术的地铁隧道检测装置的结构图。
图2为图1中的三维激光扫描仪的具体结构示意图。
图3为图1中的轨道车自适应结构的具体结构示意图。
图4为图1中的轨道车动力控制模块的具体结构示意图。
图5为图1中的轨道车主体的具体结构示意图。
图6为一种基于三维激光扫描技术的地铁隧道检测装置的结构图的仰视图。
图7为本发明的图6中的车体内部的透视图。
图8为图7中的电机的结构图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供提供一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，其具体结构如图1所示，包括三维激光扫描仪1、轨道车自适应结构2、轨道车动力控制模块3、光电传感器4和轨道车主体5，轨道车动力控制模块3设置在轨道车主体5上，轨道车动力控制模块3上竖直设有一支撑杆6，三维激光扫描仪1安装在支撑杆6顶端，轨道车主体 5两侧对称设有轨道车自适应结构2，光电传感器4设置在轨道车主体5内部。
本发明的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置的三维激光扫描仪的具体结构如图2所示，三维激光扫描仪1包括扫描仪机身 101和固定安装头102，固定安装头102设于扫描仪机身101底部，并通过螺栓与扫描仪机身101固定连接，支撑杆6顶端插入固定安装头102并与固定安装头102固定，支撑杆6通过螺栓固定与轨道车主体5连接。
本发明的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置的每一个轨道车自适应结构1如图3所示，包括平衡侧杆201、平衡摇臂202、导向轮203和引导架204，平衡侧杆201水平固定在轨道车主体5前侧面，平衡摇臂202为L形，平衡侧杆201两端分别与轨道车主体5 两侧的轨道车自适应结构2的平衡摇臂202折弯点铰接，平衡摇臂 202的竖直部分和水平部分铰接，平衡摇臂202竖直部分与轨道车主体5旋接，平衡摇臂202水平部分端部铰接在引导架204中部，引导架204远离轨道车主体5的端部安装有导向轮203，所述引导架204 靠近轨道车主体5的端部和轨道车主体5旋接。本发明的轨道车自适应结构2中的引导架204能够通过平衡侧杆201和平衡摇臂202沿轨道自适应调节高度和偏移角度，导向轮203能够通过平衡侧杆和平衡摇臂自适应贴合轨道，即实现了轨道小车的自适应调节，使得小车在运行能够在运行过程中实时贴合轨道，提高了装置的稳定性和数据采集的精度。
本发明的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置的轨道车动力控制模块3如图4所示，包括控制箱304、显示器301、工控302 和控制微处理PCB303，显示器301和工控302均安装在控制箱304 上表面，控制微处理PCB303设于控制箱304内部，轨道车动力控制模块3内部还设有用于给轨道车供电的电池。本发明的轨道车动力控制模块3能够控制轨道车装置保持自主匀速巡航，车体及安装平台设计结构稳定性强，三维激光扫描仪1能够采集隧道断面的变形数据，并且能够用多种指数进行衡量，数据采集的质量高。
本发明的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置三维激光扫描仪的工控302采用功耗小的一体机，与三维激光扫描仪1和轨道车动力控制模块3通过有线连接，分别控制三维激光扫描仪1数据采集以及轨道车的行进，同时工控302通过RS232串口与光电传感器4 相连，控制光电传感器4的运行并接受光电传感器4的数据，进行多源数据的融合。
本发明的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置三维激光扫描仪的轨道车主体5的结构如图5和6所示，包括四个臂关节501、车轮502、两个电机轴503、四个臂关节轴承504、电机装置、数个风扇505、车体506和两个固定架507，车体506设于轨道车动力控制模块3下方，数个风扇505设于车体的侧面及底面，四个臂关节轴承504分别对称设于车体506两侧面的端部，四个臂关节501通过臂关节轴承504旋接在车体506上，通过臂关节轴承504可实现轨道车主体模块3的折叠，两个固定架507分别设于车体506两侧，车体 506每一侧的两个臂关节501的端部均固定在对应的固定架507上，每一平衡摇臂202的竖直部分和车体506两侧靠前的臂关节501的端部旋接，引导架204靠近轨道车主体5的端部和固定架507旋接，本发明通过折叠臂关节501和引导架204实现对轨道车主体5的空间压缩，便于施工人员携带。电机装置设于车体506内部并贯穿车体506 两侧分别连接两个电机轴503的一端，两个电机轴503的另一端均贯穿车体506两侧的固定架507，两个电机轴503的另一端分别固定有车轮502。
本发明的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置三维激光扫描仪的电机装置如图7所示，包括电机7、主动轮8、从动轮9、测速编码盘10和差速箱11，所述电机7固定在轨道车主体5上部，电机7和主动轮8传动连接，主动轮8和从动轮9啮合，从动轮9依次传动连接测速编码盘10和差速箱11，差速箱11两侧分别通过两根传动轴12传动连接轨道车主体5两侧的电机轴503，光电传感器4 设于测速编码盘10上，本发明的电机7为空心杯减速电机，电机7 结构如图8所示，光电传感器4为高精度光栅编码器，光电传感器4 为脉冲信号输出用于轨道小车在隧道内采集位置和里程信息。
本发明的技术方案还提供一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
S1.施工人员在轨道车动力控制模块3上通过工控302进行轨道车的运行速度进行预设；其中，可设定的运行速度的最大值为6km/h，且在轨道车运行中可以进行实时无极调速，以应对隧道作业中的复杂情况。
S2.控制轨道车动力控制模块中的工控302发送启动指令给三维激光扫描仪1、光电传感器4和轨道车主体5，启动电机7带动轨道车主体5开始动作；
S3.三维激光扫描仪1、光电传感器4和轨道车主体5收到工控的启动指令，三维激光扫描仪1连续的采集隧道管片的点云数据并将数据实时传输给工控302并存储，光电传感器4实时采集里程数据传输给工控并在显示器301上实时显示出来，轨道车主体5保持轨道车以平稳的速度运行。其中，三维激光扫描仪1采集中，发射的激光在垂直于地铁轨道的竖直平面内旋转，移动扫描。
本发明的基于三维激光扫描技术的地铁隧道自动化形变检测装置采用模块化设计，携带方便，组装简单，便于维修，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。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (9)

1.一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，其特征在于：包括三维激光扫描仪、轨道车自适应结构、轨道车动力控制模块、光电传感器和轨道车主体，所述轨道车动力控制模块设置在轨道车主体上，所述轨道车动力控制模块上竖直设有一支撑杆，所述三维激光扫描仪安装在支撑杆顶端，所述轨道车主体两侧对称设有轨道车自适应结构，所述光电传感器设置在轨道车主体内部；
每一所述轨道车自适应结构包括平衡侧杆、平衡摇臂、导向轮和引导架，所述平衡侧杆水平固定在轨道车主体前侧面，所述平衡摇臂为L形，所述平衡侧杆两端分别与轨道车主体两侧的轨道车自适应结构的平衡摇臂折弯点铰接，所述平衡摇臂的竖直部分和水平部分铰接，所述平衡摇臂竖直部分与轨道车主体旋接，所述平衡摇臂水平部分端部铰接在引导架中部，所述引导架远离轨道车主体的端部安装有导向轮，所述引导架靠近轨道车主体的端部和轨道车主体旋接，所述轨道车主体通过平衡侧杆和平衡摇臂沿轨道自适应调节高度和偏移角度，所述导向轮通过所述平衡侧杆和平衡摇臂自适应贴合轨道。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，其特征在于：所述三维激光扫描仪的具体结构为：所述三维激光扫描仪包括扫描仪机身和固定安装头，所述的固定安装头设于扫描仪机身底部，并通过螺栓与扫描仪机身固定连接，所述支撑杆顶端插入固定安装头并与固定安装头固定，所述支撑杆通过螺栓固定与轨道车主体连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，其特征在于：所述轨道车动力控制模块包括控制箱、显示器、工控和控制微处理PCB，所述显示器和工控均安装在控制箱上表面，所述控制微处理PCB设于控制箱内部。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，其特征在于：所述工控采用功耗小的一体机，与三维激光扫描仪和轨道车动力控制模块通过有线连接，分别控制三维激光扫描仪数据采集以及轨道车的行进，同时工控通过RS232串口与光电传感器相连，控制光电传感器的运行并接受光电传感器的数据，进行多源数据的融合。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，其特征在于：所述轨道车主体包括四个臂关节、车轮、两个电机轴、四个臂关节轴承、电机装置、数个风扇、车体和两个固定架，所述车体设于轨道车动力控制模块下方，数个风扇设于车体的侧面及底面，四个所述臂关节轴承分别对称设于车体两侧面的端部，四个所述臂关节通过臂关节轴承旋接在车体上，通过臂关节轴承可实现轨道车主体模块的折叠，两个所述固定架分别设于车体两侧，车体每一侧的两个臂关节的端部均固定在对应的固定架上，每一所述平衡摇臂的竖直部分和车体两侧靠前的臂关节的端部旋接，所述引导架靠近轨道车主体的端部和固定架旋接，所述电机装置设于车体内部并贯穿车体两侧分别连接两个电机轴的一端，两个所述电机轴的另一端均贯穿车体两侧的固定架，两个所述电机轴的另一端分别固定有车轮。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维激光扫描的地铁隧道检测装置，其特征在于：所述电机装置包括电机、主动轮、从动轮、测速编码盘和差速箱，所述电机固定在轨道车主体上部，所述电机和主动轮传动连接，所述主动轮和从动轮啮合，所述从动轮依次传动连接测速编码盘和差速箱，所述差速箱两侧分别通过两根传动轴传动连接轨道车主体两侧的电机轴，所述光电传感器设于测速编码盘上，所述的光电传感器为高精度光栅编码器，所述光电传感器为脉冲信号输出用于轨道小车在隧道内采集位置和里程信息。
7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述地铁隧道检测装置的地铁隧道检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1.施工人员在轨道车动力控制模块上通过工控进行轨道车的运行速度预设；
S2.控制轨道车动力控制模块中的工控发送启动指令给三维激光扫描仪、光电传感器和轨道车主体，启动电机带动轨道车主体开始动作；
S3.三维激光扫描仪、光电传感器和轨道车主体收到工控的启动指令，三维激光扫描仪连续的采集隧道管片的点云数据并将数据实时传输给工控并存储，光电传感器实时采集里程数据传输给工控并在显示器上实时显示出来，轨道车主体保持轨道车以平稳的速度运行。
8.根据权利要求7所述的一种地铁隧道检测方法，其特征在于：所述步骤S1中可设定的运行速度的最大值为6km/h，且在轨道车运行中可以进行实时无极调速，以应对隧道作业中的复杂情况。
9.根据权利要求7所述的地铁隧道检测方法，其特征在于：所述步骤S3中三维激光扫描仪采集中，发射的激光在垂直于地铁轨道的竖直平面内旋转，移动扫描。
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