CN112361981A - 一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光扫描仪技术领域的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台，在扫描过程中不依赖于轨道，即可实现对隧道的全方位扫描，适用于各种无轨隧道和各类地下空间结构。包括：激光扫描仪和一体化工作平台，激光扫描仪安装在支撑杆上，支撑杆通过球铰组件与一体化工作平台铰接，支撑杆上安装有距离传感器，激光扫描仪和距离传感器分别与数据处理装置电连接，数据处理装置与控制面板电连接，控制面板和所述数据处理装置固定在一体化工作平台上；一体化工作平台上设有动力系统、制动系统和多个行走轮，动力系统通过驱动行走轮进而驱动一体化工作平台实现前进或后退，制动系统为行走轮提供制动力，使一体化工作平台停在指定位置。

Description

一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台

技术领域

本发明属于激光扫描仪技术领域，具体涉及一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台。

背景技术

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，采集汇总点云数据，形成地下结构的三维立体模型。

在各种隧道的运营过程中，隧道结构会随着时间的推移而出现各种病害,其中典型的包括：结构滴水渗水、混凝土裂缝、剥落、掉块等病害，且此类病害一般具有发生时间短、影响程度大、修复时间长等特点，尤其是在运营期间出现，因此需要对隧道进行高频率的检测。目前传统人工测量隧道变形、裂缝与其他隧道病害效率低且人工成本高，不适合现在的地铁隧道测量。

现有隧道三维激光扫描技术多用于地铁隧道或其他有轨隧道中，通过轨道车使扫描仪在隧道中定向移动，对于无轨公路隧道或其他空间复杂的地下结构，激光扫描仪缺少固定的定向移动轨道，扫描出的隧道点数据杂乱无章，无法拟合出隧道三维模型，没有利用价值。常规断面扫描仪必须在轨道上保证激光扫描仪竖直，从而扫描出隧道的横断面，对于地形复杂的无轨地下空间，如出现斜坡或地面不平整的情况，激光扫面议会扫描出隧道的斜断面图而非横断面轮廓图，激光扫描出的点云数据为倾斜截面的，难以利用，无法实现对隧道变形的控制检测。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台，在扫描过程中不依赖于轨道，即可实现对隧道的全方位扫描，适用于各种无轨隧道和各类地下空间结构。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台，包括：激光扫描仪和一体化工作平台，所述激光扫描仪安装在支撑杆上，所述支撑杆通过球铰组件与所述一体化工作平台铰接，所述支撑杆上安装有距离传感器，所述激光扫描仪和所述距离传感器分别与数据处理装置电连接，所述数据处理装置与控制面板电连接，所述控制面板和所述数据处理装置固定在所述一体化工作平台上；所述一体化工作平台上设有动力系统、制动系统和多个行走轮，所述动力系统通过驱动行走轮进而驱动所述一体化工作平台实现前进或后退，所述制动系统为所述行走轮提供制动力，使所述一体化工作平台停在指定位置。

进一步地，所述球铰组件包括安装底座和与所述安装底座铰接的铰接球，所述安装底座固定在所述一体化工作平台上，所述铰接球的中心设有可供所述支撑杆穿过的通孔，所述支撑杆穿过所述通孔后与所述铰接球固定连接。

进一步地，所述一体化工作平台上设置竖直矫正装置，所述支撑杆在所述竖直矫正装置的驱动下，始终保持竖直状态。

进一步地，所述竖直矫正装置包括水平调控器、电动转盘、若干个电动伸缩支架和铰支座，每个所述电动伸缩支架的一端通过所述铰支座固定在一体化工作平台的内壁，另一端与水平调控器固定连接，若干个所述电动伸缩支架绕水平调控器的轴线均匀布置；水平调控器与电动转盘的定子固定连接，电动转盘的转子与支撑杆固定连接。

进一步地，所述支撑杆的轴线、水平调控器的轴线、电动转盘的定子轴线和转子轴线共线。

进一步地，所述支撑杆是中空的。

进一步地，所述数据处理装置接收所述距离传感器检测到的所述一体化工作平台的位置信息和所述激光扫描仪检测到的地下结构内表面的点云数据，所述数据处理装置根据所述位置信息和所述点云数据拟合出地下结构的三维信息模型，并将所述三维信息模型输出至所述控制面板。

进一步地，所述数据处理装置还设有通讯模块。

进一步地，所述控制面板为触屏式面板，且所述控制面板与所述动力系统和所述制动系统电连接，所述控制面板上设置控制所述动力系统和所述制动系统的控制按钮。

进一步地，所述一体化工作平台还设有供电系统，所述供电系统与所述数据处理装置、所述动力系统和所述制动系统电连接。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

（1）本发明通过将激光扫描仪与一体化工作平台进行组合，一体化工作平台依靠内部动力系统驱动，或由牵引车在前牵引拖拽行驶，在扫描过程中不依赖于轨道，即可实现对隧道的全方位扫描适用于各种无轨隧道和各类地下空间结构；

（2）本发明通过球铰组件配合一体化工作平台内的竖直矫正装置，使激光扫描仪在扫描过程中始终保持竖直，在斜坡和地面不平整的地方保证扫描仪的良好工作状态；

（3）本发明通过旋转机构驱动激光扫描仪水平方向360度无障碍旋转，在电力驱动下旋转，实现隧道地下结构内定点全方向激光扫描；本发明可自动化扫描，扫描中无需人为控制；可进行远程控制扫描平台的启动和行驶，调整激光扫描仪扫描速率，提高扫描工作效率；

（4）本发明可获取隧道地下结构内表面点数据，采集拟合成隧道的三维信息模型，对隧道断面的变形，隧道内表面裂缝及渗漏进行监控，可提高隧道变形与各病害检测效率，测量效率高，可提高检测频率，减少检测周期，提升病害预防效果；全程自动化扫描，减低人工成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台的三维结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台的侧视图；

图3是本发明实施例提供的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台在隧道地下结构中的工作原理图；

图4是本发明实施例提供的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台中的球铰组件的三维示意图；

图5是本发明实施例提供的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台中的球铰组件的剖面示意图；

图6是本发明实施例提供的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台中的球铰组件与激光扫描仪连接的三维示意图；

图7是本发明实施例提供的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台在斜坡上扫描时，激光扫描仪保持竖直状态示意图；

图8是本发明实施例提供的一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台中的竖直矫正装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1~图8所示，一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台，包括：激光扫描仪1和一体化工作平台2，激光扫描仪1安装在支撑杆3上，支撑杆3通过球铰组件与一体化工作平台2铰接，支撑杆3上安装有距离传感器4，激光扫描仪1和距离传感器4分别与数据处理装置电连接，数据处理装置与控制面板21电连接，控制面板21和数据处理装置固定在一体化工作平台2上；一体化工作平台2上设有动力系统、制动系统和多个行走轮22，动力系统通过驱动行走轮22进而驱动一体化工作平台2实现前进或后退，制动系统为行走轮22提供制动力，使一体化工作平台2停在指定位置。

本实施例中，支撑杆3是中空的，可采用圆管，与激光扫描仪1和距离传感器4连接的导线、数据线等线缆可以从中空的支撑杆3中穿过，方便布线的同时，可以避免外露的线缆对扫描工作的影响，同时外观更简洁。球铰组件包括安装底座51和与安装底座51铰接的铰接球52，安装底座51固定在一体化工作平台2上，铰接球52中心设有可供支撑杆3穿过的通孔53，支撑杆3与铰接球52上的通孔53采用过盈配合，或者在铰接球52的非球面位置设置若干个螺纹孔，通过与螺纹孔配合的螺钉将铰接球52与支撑杆3固定连接，一体化工作平台2上设置竖直矫正装置，支撑杆3在竖直矫正装置的驱动下，始终保持竖直状态。

竖直矫正装置包括3个电动伸缩支架61，铰支座62，水平调控器63，电动转盘64，每个电动伸缩支架61的一端通过铰支座62固定在一体化工作平台2的内壁，另一端固定在水平调控器63上，3个电动伸缩支架61绕水平调控器63的轴线均匀布置；水平调控器63固定在电动转盘64的一端，电动转盘64的转子与穿过铰接球52的支撑杆3固定连接；支撑杆3的轴线和水平调控器63的轴线共线；本实施例中，电动转盘64的壳体（定子）的轴线与转子的轴线共线，且同时与支撑杆3的轴线和水平调控器63的轴线共线。

水平调控器63内部有水准气泡，通过气泡上方监控仪观测气泡浮在水面上的位置来判别是否处于水平状态，气泡位于中心即水平调控器在水平面内，上部连接的支撑杆即为竖直状态。若气泡偏向某处，则水平调控器63向对应的电动伸缩支架61发送控制信号，通过伸长或缩短对应的电动伸缩支架61进行自动调整，保持支撑杆3处于竖直状态。

支撑杆3下方的电动转盘64配合球铰组件可以使激光扫描仪1在水平方向360°无障碍旋转，实现隧道地下结构内定点全方向激光扫描。电力驱动支撑杆3及其上的激光扫描仪1自由转动与静止。

在本实施例中，一体化工作平台在行驶时，激光扫描仪发射激光对隧道表面进行全断面扫描，通过分析发射和收到的激光信号(强度和相位差)，获得隧道内表面各点距激光扫描仪的距离以及隧道内表面影像图与隧道三维模型。竖直矫正装置使激光扫描仪在扫描过程中始终保持竖直，在斜坡和地面不平整的地方保证激光扫描仪的良好工作状态，保证激光扫描仪扫描出的是隧道的横断面，避免出现激光扫描仪扫描出隧道的斜断面的情况，造成数据难以利用，无法实现对隧道变形的控制检测。

数据处理装置接收距离传感器检测到的一体化工作平台的位置信息和激光扫描仪检测到的地下结构内表面的点云数据，数据处理装置根据位置信息和点云数据拟合出地下结构的三维信息模型，并将三维信息模型输出至控制面板。控制面板为触屏式面板，且控制面板与动力系统和制动系统电连接，控制面板上设置控制动力系统和制动系统的控制按钮及整个扫描平台的电源按钮。距离传感器为高精度光栅编码器，紧贴在支撑杆上，可以精准定位激光扫描仪在隧道或地下结构的位置，为绘制隧道地下结构三维模型提供基准坐标与参考系。一体化工作平台可用电力驱使行驶，也可由汽车等载具牵引移动。在汽车等载具的牵引下，实现对隧道结构的快速扫描与测量，点云数据收集整合，迅速构建隧道结构三维信息模型，通过每次测量的结果对比，实现对隧道变形等各类病害的监控与预防。

数据处理装置还设有通讯模块，可以通过遥控器进行无线远程控制，使激光扫描仪360度全扫描，并遥控平台移动停止，实现其在整个隧道或地下结构内进行全角度扫描，也可通过WLAN方式将三维隧道模型传递给安装有主控软件的电脑中。一体化工作平台四周配置照明设备与警示轮廓灯，用于夜间或光线较暗时在隧道地下结构扫描过程中照探四周路况，提示正常行驶车辆注意安全，减速避让。一体化工作平台还设有供电系统，供电系统与数据处理装置、动力系统和制动系统等各系统电连接，为整个工作平台提供运行所需的电力。一体化工作平台整体为金属结构，稳定性好，持久耐用。

本实施例的具体使用方式为：

首先在某无轨隧道如公路隧道中，工程师打开扫描平台开关，启动激光扫描仪，准备就绪后工程师驾驶牵引车对隧道进行扫描；也可进行远程控制，工程师直接在牵引车上一键启动扫描平台，接着在隧道内进行匀速行驶，在夜间扫描时可启动周围示廓灯，提醒周围车辆注意避让，激光扫描仪高速旋转，不断采集隧道内表面点云数据，与此同时距离感应器记录扫描平台在隧道内的位置信息，隧道内表面的点云数据与激光扫描仪的位置信息被实时传递给数据处理装置中的信息接收处理器，处理器将信息汇总拟合，绘制出隧道结构三维信息模型，行驶途中可停下令扫描仪静止不动，扫描仪360°全方位扫描，实现对特殊结构的详细具体扫描，扫描完成后可将数据统一发送给主控软件或直接在工作平台控制板上显示，可对隧道进行高频率扫描，效率高，质量好，有利于隧道病害预防控制，与变形监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，包括：激光扫描仪和一体化工作平台，所述激光扫描仪安装在支撑杆上，所述支撑杆通过球铰组件与所述一体化工作平台铰接，所述支撑杆上安装有距离传感器，所述激光扫描仪和所述距离传感器分别与数据处理装置电连接，所述数据处理装置与控制面板电连接，所述控制面板和所述数据处理装置固定在所述一体化工作平台上；所述一体化工作平台上设有动力系统、制动系统和多个行走轮，所述动力系统通过驱动行走轮进而驱动所述一体化工作平台实现前进或后退，所述制动系统为所述行走轮提供制动力，使所述一体化工作平台停在指定位置。

2.根据权利要求1所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述球铰组件包括安装底座和与所述安装底座铰接的铰接球，所述安装底座固定在所述一体化工作平台上，所述铰接球的中心设有可供所述支撑杆穿过的通孔，所述支撑杆穿过所述通孔后与所述铰接球固定连接。

3.根据权利要求1所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述一体化工作平台上设置竖直矫正装置，所述支撑杆在所述竖直矫正装置的驱动下，始终保持竖直状态。

4.根据权利要求3所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述竖直矫正装置包括水平调控器、电动转盘、若干个电动伸缩支架和铰支座，每个所述电动伸缩支架的一端通过所述铰支座固定在一体化工作平台的内壁，另一端与水平调控器固定连接，若干个所述电动伸缩支架绕水平调控器的轴线均匀布置；水平调控器与电动转盘的定子固定连接，电动转盘的转子与支撑杆固定连接。

5.根据权利要求4所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述支撑杆的轴线、水平调控器的轴线、电动转盘的定子轴线和转子轴线共线。

6.根据权利要求1所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述支撑杆是中空的。

7.根据权利要求1所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述数据处理装置接收所述距离传感器检测到的所述一体化工作平台的位置信息和所述激光扫描仪检测到的地下结构内表面的点云数据，所述数据处理装置根据所述位置信息和所述点云数据拟合出地下结构的三维信息模型，并将所述三维信息模型输出至所述控制面板。

8.根据权利要求1所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述数据处理装置还设有通讯模块。

9.根据权利要求1所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述控制面板为触屏式面板，且所述控制面板与所述动力系统和所述制动系统电连接，所述控制面板上设置控制所述动力系统和所述制动系统的控制按钮。

10.根据权利要求1所述的多功能一体化隧道三维激光扫描平台，其特征是，所述一体化工作平台还设有供电系统，所述供电系统与所述数据处理装置、所述动力系统和所述制动系统电连接。

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