CN113802618A - 一种坑底隆起监测系统 - Google Patents

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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Abstract

一种坑底隆起监测系统，信号发射接收模块采集基坑底部与挖掘机的距离信息，激光轮廓仪发射激光信号，信号接收装置接收反射回来的激光。坐标标定子模块将挖掘机的轮廓仪坐标系转化为工作坐标系。数据处理模块完成坑底隆起值的定位与匹配，距离标定子模块通过激光传播的总时间t计算被扫描点位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离，通过每一开挖步下距离与初始开挖步的距离计算隆起值的大小，并与轮廓仪的平面坐标相匹配。信号传输模块中将数据信息传输到PC终端模块。PC终端模块完成信息的可视化处理，编码器利用编程软件对被测得到的坐标点位、隆起值结合时间信息进行编程处理，生成各时间下坐标‑隆起的4D云图，最后通过显示器展现4D云图。

Description

一种坑底隆起监测系统
技术领域
本发明涉及一种坑底隆起监测系统
背景技术
随着我国城市经济的发展，国土空间越来越紧张，地下空间的开发力度加大，基坑工程得以快速发展。
基坑土方开挖过程中，坑底隆起是基坑工程的重要参考指标，它可以反映基坑开挖过程中的稳定性，同时预测基坑围护变形的可能发展趋势，为基坑的安全性分析提供可靠支撑。
现阶段针对土方开挖过程中坑底隆起无法作出较为精确的监测。其次，基坑开挖阶段中实时监测坑底隆起的可行性技术并未提及。因此，为实现基坑开挖过程中坑底隆起的精确观测，提供实时观测结果，发明了一种基于挖掘机智能扫描的坑底隆起监测系统。
发明内容
本发明要克服现有技术缺乏基坑开挖过程中坑底隆起实时监测的缺点，本发明提出一种坑底隆起监测系统。
一种坑底隆起监测系统，其特征在于，包括：信号发射接收模块、坐标标定模块、数据处理模块、数据传输模块、PC终端模块。信号发射接收模块受驾驶室控制开关指令发射激光信号并接收反射回的激光信号；坐标标定模块定位激光轮廓仪在轮廓仪坐标系下的具体位置(x1，y1)，并将轮廓仪坐标系转化为工作坐标系，得到被扫描点6在工作坐标系下的坐标(x2，y2)；数据处理模块计算地面与激光轮廓仪的距离Sj，通过每一开挖步下距离Sj+i与初始开挖步的距离Sj计算隆起值的大小，并与轮廓仪的平面坐标相匹配。数据传输模块利用传感器将数据处理信息传输至PC终端模块，PC终端模块对数据信息进行编程处理，并最终将坐标—隆起数据与时间结合的4D云图通过显示器展示。
信号发射接收模块1，信号发射接收模块包括控制开关、激光轮廓仪和信号接收装置。其中，激光轮廓仪位于挖掘机驾驶室底部，并始终垂直于挖掘机驾驶平面。信号发射接收模块中的控制开关用于发送信号采集指令，当接收到控制开关的采集指令后，置于挖掘机驾驶室正下方的激光轮廓仪发射激光信号，激光信号在遇到被扫描点6后直线返回，同时信号接收装置接收反射回来的激光。单光子二极管在信号激光发射与接收的同时各打上击穿标记，并进一步利用时间—数字转换器给击穿标记打上时间戳信息，得到激光传播的总时间t。
坐标标定模块2，坐标标定模块包括轮廓仪坐标标定子模块和坐标转换子模块。轮廓仪坐标标定子模块用GPS系统定位激光轮廓仪在轮廓仪坐标系下的平面坐标(x0，y0)。坐标转换子模块将挖掘机所处的轮廓仪平面坐标系转化为工作平面坐标系，将挖掘机被扫描点6在轮廓仪平面坐标系中的坐标通过坐标转换模块转换为工作平面坐标系的相对位置(x1，y1)，具体转换方法如下：
Figure BDA0003225436650000021
Figure BDA0003225436650000022
Figure BDA0003225436650000023
其中，{s}为轮廓仪平面坐标系；{w}为工作平面坐标系。
Figure BDA0003225436650000024
为坐标转换矩阵，其中t为坐标转换的平移参数，可表示为
Figure BDA0003225436650000025
wsx、wsy为轮廓仪坐标系相对于工作坐标系在x、y方向的位移矢量；ζ为坐标转换的旋转矩阵，可表示为ζ＝[ωx ωy]T。P为初始矩阵，其中x0、y0为激光轮廓仪坐标系下被测点的x、y坐标。
Figure BDA0003225436650000026
为转换完成后工作坐标系下的坐标，可表示为
Figure BDA0003225436650000027
数据处理模块3包括距离标定子模块、坑底隆起计算子模块和坐标-隆起匹配子模块。距离标定子模块通过激光传播的总时间t计算被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离Sj，具体的计算方法如式1。土方开挖前，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj；此后一阶段土方开挖完成时，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+1；直至土方开挖完成(第n步)时，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+n。坑底隆起计算子模块对于坑底隆起值(L)计算的理念主要为当前开挖步(第j+i步)挖掘机底部距离地面(扫描点)的距离Sj+i与初始开挖步Sj差值的绝对值。
Sj＝t×v÷2 (4)
L＝|Sj+i–Sj| (5)
坐标—隆起匹配子模块将计算得到的隆起值L与该点处坐标(x0，y0)相匹配，以(x0，y0—L)格式储存于数据处理模块中。
数据传输模块(4)，数据传输模块利用传感器将坐标标定模块计算得到的被扫描点6坐标信息传输至挖掘机驾驶室内的PC终端模块。
PC终端模块(5)，PC终端模块包括数据接收子模块、编码器和显示器，数据接收子模块接收传输过来的数据信息，编码器利用编程软件对被测得到的坐标—隆起数据结合时间信息进行编程处理，生成各时间下坐标-隆起的4D云图，最后通过显示器展现4D云图。
优选地，所述激光轮廓仪安装于挖掘机驾驶室底部，始终与驾驶室水平面垂直，通过发射接收激光信号得到激光轮廓仪与扫描点的距离Sj。
优选地，所述安装于挖掘机机械臂上的数据处理模块通过激光传播的总时间t计算被扫描点距离挖掘机上激光轮廓仪的距离Sj，通过每一开挖步下距离Sj+i与初始开挖步的距离Sj计算隆起值的大小，例：土方开挖前，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj；此后一阶段土方开挖完成时，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+1；直至土方开挖完成(第n步)时，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+n，坑底隆起值(L)即为当前开挖步(第j+i步)挖掘机底部距离地面(被扫描点6)的距离Sj+i与初始开挖步Sj差值的绝对值。最终与轮廓仪的平面坐标匹配形成(x0，y0—L)格式储存于数据处理模块中。
优选地，所述PC终端模块内的编码器可利用Matlab软件将数据处理模块计算得到的坐标—隆起数据与时间-数字转换器得到的时间戳信息结合，生成4D云图。
本发明用于实时监测土方开挖过程中基坑底部的隆起值。信号发射接收模块采集基坑底部与挖掘机的距离信息，控制开关发送信号采集命令，激光轮廓仪发射激光信号，同时信号接收装置接收反射回来的激光，单光子二极管在信号激光发射与接收的同时各打上击穿标记，并进一步利用时间—数字转换器给击穿标记打上时间戳信息，得到激光传播的总时间t。对于坐标标定主要由坐标标定模块完成，坐标标定子模块将挖掘机所处的轮廓仪坐标系转化为工作坐标系，将挖掘机扫描点在轮廓仪坐标系中的坐标通过坐标转换模块转换为工作坐标系的相对位置(x1，y1)。数据处理模块完成坑底隆起值的定位与匹配，距离标定子模块通过激光传播的总时间t计算被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离Sj，通过每一开挖步下距离Sj+i与初始开挖步的距离Sj计算隆起值的大小，并与轮廓仪的平面坐标相匹配。对于信号的传输主要由信号传输模块中的传感器完成，其主要负责将数据信息传输到PC终端模块。PC终端模块完成信息的可视化处理，数据接收子模块接收传输过来的数据信息，编码器利用编程软件对被测得到的坐标点位、隆起值结合时间信息进行编程处理，生成各时间下坐标-隆起的4D云图，最后通过显示器展现4D云图。
本发明的优点是：
(1)本发明作为一类挖掘机附属的坑底隆起监测系统，可通过位于挖掘机底部的信号发射接收模块，实现基坑土方开挖过程中坑底隆起值的精确采集，并与时间信息相结合，形成基坑坑底隆起—时间观测信息。具有实时性、精确性、便捷性。
(2)本发明可通过PC终端模块生成坑底隆起—时间可视化4D云图，形象化表达便于土方开挖过程中坑底隆起值的实时采集。
附图说明
图1是本发明的监测系统侧视图。
图2是本发明的监测系统后视图。
图3是本发明的监测系统俯视图。
图4是本发明的坐标转换模块运作关系。
图5是本发明的运作流程框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
本发明提出的一种坑底隆起监测系统，其特征是，主要用于基坑土方开挖过程中坑底隆起的监测，具体的监测方法如下：
步骤一：在开挖范围内利用挖掘机进行土方开挖的同时，通过移动挖掘机位置扫描基坑内部点位。信号发射接收模块中的控制开关发送信号采集指令，激光轮廓仪接收指令后发射激光信号，激光信号在遇到被扫描点6后直线反射，信号接收模块接收反射回来的激光信号。单光子二极管在信号发射与接收的同时各打上击穿标记，时间—数字转换器给击穿打上时间戳信息，通过时间戳信息得到激光传播的总时间t。
步骤二：坐标标定模块中的轮廓仪坐标标定子模块用GPS系统定位激光轮廓仪在轮廓仪坐标系下的平面坐标(x0，y0)。坐标转换子模块将挖掘机所处的轮廓仪坐标系转化为工作坐标系，将挖掘机被扫描点6在轮廓仪坐标系中的坐标通过坐标转换模块转换为工作坐标系的相对位置(x1，y1)，具体计算方式如式(1)～(3)所示。
步骤三：数据处理模块中的距离标定子模块通过激光传播的总时间t计算被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离Sj，具体的计算方法如式4。在土方开挖前，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj；此后一阶段土方开挖完成时，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+1；直至土方开挖完成(第n步)时，计算得到被扫描点6距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+n。坑底隆起计算子模块对坑底隆起值(L)进行计算，计算的理念主要为当前开挖步(第j+i步)挖掘机底部距离地面(被扫描点6)的距离Sj+i与初始开挖步Sj差值的绝对值，具体计算方法如式5。
步骤四：数据传输模块利用传感器将数据处理模块计算得到的被扫描点6坐标信息传输至挖掘机驾驶室内的PC终端模块。
步骤五：PC终端模块中的数据接收子模块接收传输过来的数据信息，编码器利用编程软件对被测得到的坐标—隆起数据结合时间信息进行编程处理，生成各时间下坐标-隆起的4D云图，最后通过显示器展现4D云图。

Claims (4)

1.一种坑底隆起监测系统，其特征在于，包括：信号发射接收模块、坐标标定模块、数据处理模块、数据传输模块、PC终端模块。信号发射接收模块受驾驶室控制开关指令发射激光信号并接收反射回的激光信号；坐标标定模块定位激光轮廓仪在轮廓仪坐标系下的具体位置(x1，y1)，并将轮廓仪坐标系转化为工作坐标系，得到被测点在工作坐标系下的坐标(x2，y2)；数据处理模块计算地面与激光轮廓仪的距离Sj，通过每一开挖步下距离Sj+i与初始开挖步的距离Sj计算隆起值的大小，并与轮廓仪的平面坐标相匹配。数据传输模块利用传感器将数据处理信息传输至PC终端模块，PC终端模块对数据信息进行编程处理，并最终将坐标—隆起数据与时间结合的4D云图通过显示器展示。
信号发射接收模块(1)，信号发射接收模块包括控制开关、激光轮廓仪和信号接收装置。其中，激光轮廓仪位于挖掘机驾驶室底部，并始终垂直于挖掘机驾驶平面。信号发射接收模块中的控制开关用于发送信号采集指令，当接收到控制开关的采集指令后，置于挖掘机驾驶室正下方的激光轮廓仪发射激光信号，激光信号在遇到被测物后直线返回，同时信号接收装置接收反射回来的激光。单光子二极管在信号激光发射与接收的同时各打上击穿标记，并进一步利用时间—数字转换器给击穿标记打上时间戳信息，得到激光传播的总时间t。
坐标标定模块(2)，坐标标定模块包括轮廓仪坐标标定子模块和坐标转换子模块。轮廓仪坐标标定子模块用GPS系统定位激光轮廓仪在轮廓仪坐标系下的平面坐标(x0，y0)。坐标转换子模块将挖掘机所处的轮廓仪平面坐标系转化为工作平面坐标系，将挖掘机扫描点在轮廓仪平面坐标系中的坐标通过坐标转换模块转换为工作平面坐标系的相对位置(x1，y1)，具体转换方法如下：
Figure FDA0003225436640000011
Figure FDA0003225436640000012
Figure FDA0003225436640000013
其中，{s}为轮廓仪平面坐标系；{w}为工作平面坐标系。
Figure FDA0003225436640000014
为坐标转换矩阵，其中t为坐标转换的平移参数，可表示为
Figure FDA0003225436640000015
wsx、wsy为轮廓仪坐标系相对于工作坐标系在x、y方向的位移矢量；ζ为坐标转换的旋转矩阵，可表示为ζ＝[ωx ωy]T。P为初始矩阵，其中x0、y0为激光轮廓仪坐标系下被测点的x、y坐标。
Figure FDA0003225436640000016
为转换完成后工作坐标系下的坐标，可表示为
Figure FDA0003225436640000021
数据处理模块(3)包括距离标定子模块、坑底隆起计算子模块和坐标-隆起匹配子模块。距离标定子模块通过激光传播的总时间t计算被扫描点位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离Sj，具体的计算方法如式1。土方开挖前，计算得到被扫描点位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj；此后一阶段土方开挖完成时，计算得到被扫描点位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+1；直至土方开挖完成(第n步)时，计算得到被扫描单位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+n。坑底隆起计算子模块对于坑底隆起值(L)计算的理念主要为当前开挖步(第j+i步)挖掘机底部距离地面(扫描点)的距离Sj+i与初始开挖步Sj差值的绝对值。
Sj＝t×v÷2 (4)
L＝|Sj+i-Sj| (5)
坐标—隆起匹配子模块将计算得到的隆起值L与该点处坐标(x0，y0)相匹配，以(x0，y0—L)格式储存于数据处理模块中。
数据传输模块(4)，数据传输模块利用传感器将坐标标定模块计算得到的扫描点位坐标信息传输至挖掘机驾驶室内的PC终端模块。
PC终端模块(5)，PC终端模块包括数据接收子模块、编码器和显示器，数据接收子模块接收传输过来的数据信息，编码器利用编程软件对被测得到的坐标—隆起数据结合时间信息进行编程处理，生成各时间下坐标-隆起的4D云图，最后通过显示器展现4D云图。
2.如权利要求1所述的一种坑底隆起监测系统，其特征在于，所述激光轮廓仪安装于挖掘机驾驶室底部，始终与驾驶室水平面垂直，通过发射接收激光信号得到激光轮廓仪与扫描点的距离Sj。
3.如权利要求1所述的一种坑底隆起监测系统，其特征在于，所述安装于挖掘机机械臂上的数据处理模块通过激光传播的总时间t计算被扫描点位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离Sj，通过每一开挖步下距离Sj+i与初始开挖步的距离Sj计算隆起值的大小，例：土方开挖前，计算得到被扫描点位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj；此后一阶段土方开挖完成时，计算得到被扫描点位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+1；直至土方开挖完成(第n步)时，计算得到被扫描单位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离为Sj+n，坑底隆起值(L)即为当前开挖步(第j+i步)挖掘机底部距离地面(扫描点)的距离Sj+i与初始开挖步Sj差值的绝对值。最终与轮廓仪的平面坐标匹配形成(x0，y0—L)格式储存于数据处理模块中。
4.如权利要求1所述的坑底隆起监测系统，其特征在于，所述PC终端模块内的编码器可利用Matlab软件将数据处理模块计算得到的坐标—隆起数据与时间-数字转换器得到的时间戳信息结合，生成4D云图。
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