CN116087978A - 一种隧道专用设备台车扫描测量系统及其工作方法 - Google Patents

一种隧道专用设备台车扫描测量系统及其工作方法 Download PDF

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牛孔肖
郑赢豪
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Abstract

本发明公开了一种隧道专用设备台车扫描测量系统及其工作方法，解决了现有技术中三维扫描装置测量效率低的问题。本发明测量系统包括全电脑三臂凿岩台车，全电脑三臂凿岩台车上设有用于连接臂架的大臂基座，大臂基座上设有测量装置；测量装置包括双轴电控云台，双轴电控云台上设有测距模块、主图像传感器、副图像传感器和固态激光雷达。本发明使用固态激光雷达传感器、测距模块、姿态传感器和图像传感器设计隧道专用设备台车扫描测量装置和测量方法，在满足隧道数字化扫描的基础上能够深度融入专用设备自动化作业流程设计，提供实时的臂架末端目标跟踪测量数据支持，为臂架引导提供闭环控制，实现更高水平的隧道自动化作业。

Description

一种隧道专用设备台车扫描测量系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及隧道专用设备台车技术领域，特别是指一种隧道专用设备台车扫描测量系统及其工作方法。
背景技术
定位导航与空间环境感知测量是智能型隧道专用设备台车的关键必备技术，目前智能型台车定位导航和三维扫描主要依靠测绘仪器辅助，增加了工序，自动化程度不高。
近年来，智能型专用设备台车开始加装三维扫描装置用于台车定位导航与隧道扫描，最常见的使用利用线激光雷达和电动转台组成机械式三维激光扫描装置，如申请号为CN202110316138.2的中国专利记载，机械式三维扫描仪可实现较大角度扫描，但扫描周期长、传感器寿命受限。随着激光雷达传感器技术发展，出现了可以实时获取区域面阵稠密点云的固态激光雷达技术，相对机械式线扫雷达固态激光雷达扫描效率高、寿命长，更适合作为三维扫描装置的传感器。针对固态激光雷达视场角小的问题中国专利CN114814870A提出结合旋转云台实现360度点云数据采集。但当前固态激光雷达的点扫精度为厘米级，难以满足隧道台车高精度定位导航要求。综上，现有的三维扫描装置存在结构尺寸大、扫描周期长、实时测量能力差、集成度低等问题。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种隧道专用设备台车扫描测量系统及其工作方法，解决了现有技术中三维扫描装置测量精度和测量效率低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种隧道专用设备台车扫描测量系统，包括全电脑三臂凿岩台车，全电脑三臂凿岩台车上设有用于连接臂架的大臂基座，所述大臂基座上设有测量装置；所述测量装置包括双轴电控云台，双轴电控云台上设有测距模块、主图像传感器、副图像传感器和固态激光雷达；主图像传感器和副图像传感器设置在测距模块的两侧。
进一步，所述双轴电控云台包括云台基座，云台基座上设有水平旋转部和俯仰旋转部，俯仰旋转部位于水平旋转部上部且两者之间通过电滑环相连接，所述俯仰旋转部上设有能相对俯仰旋转部进行俯仰动作的俯仰悬臂，俯仰悬臂上设有支撑外壳，测距模块、主图像传感器、副图像传感器和固态激光雷达均位于支撑外壳内。
进一步，所述水平旋转部内设有能对其水平旋转角度进行测量的角度传感器，俯仰旋转部内设有能对俯仰悬臂的俯仰角度进行测量的角度传感器。所述支撑外壳内设有姿态传感器和用于对测距模块、主图像传感器和副图像传感器进行支撑固定的支撑防护架。
进一步，所述支撑外壳的一侧设有供电接入口Ⅰ、另一侧设有数据输出口Ⅰ；俯仰旋转部上设有数据接入口和供电数据输出口；水平旋转部上设有供电接入口Ⅱ和数据输出口Ⅱ。
一种隧道专用设备台车扫描测量系统的工作方法，包括隧道三维扫描、台车导航和臂架末端定位测量；
隧道三维扫描过程如下：将测量装置调至合适状态，使测量装置的测距模块、主图像传感器、副图像传感器和固态激光雷达均朝向隧道待测目标，测距模块对待测目标进行距离测量，同时副图像传感器辅助测距模块对待测目标进行照准；同时主图像传感器与固态激光雷达配合，采集待测目标所在区域平面的RGB点云；然后借助双轴电控云台的旋转和俯仰变化，对隧道进行全景点云数据的采集；然后测量装置将数据传递给后台控制器，完成隧道三维扫描；
台车导航过程如下：利用测量装置的测距模块测量隧道内的至少2个目标点在台车坐标系中的坐标值，结合至少2个目标点的隧道坐标值确定台车坐标与隧道坐标系的转换关系，然后根据目标点在隧道坐标系中的坐标值，调节台车方位，实现台车的定位导航；
臂架末端定位测量过程如下：S1：在台车坐标系中建立全电脑三臂凿岩台车目标臂架初始位姿的模板点云M，并在模板点云M标识臂架末端位置特征点云坐标P；
S2：全电脑三臂凿岩台车计算目标臂架末端在台车坐标系中的位置T；
S3：记录测量装置使用固态激光雷达扫描的目标臂架末端位置的点云N；
S4：使用点云ICP匹配方法计算由点云M到点云N的匹配参数{R，T}；R为旋转参数，T为平移参数；
S5：根据步骤S1中标记的臂架末端位置特征点云坐标P和步骤S4计算的{R，T}参数，计算当前目标臂架末端点坐标S，如下所示：
S＝RP+T   (6)
S6：根据当前目标臂架末端点坐标S，修正由于臂架扰度变形、臂架各关节传感器数据和DH参数模型误差造成的臂架末端位置计算误差。
台车导航过程具体如下：
A1：定义测量装置坐标系是以俯仰悬臂转动轴与水平旋转轴的交点为坐标系原点O的三维空间坐标系；设云台旋转角为α、俯仰角为θ；测距模块测得的距离目标点Pt的距离为D；
A2：令a＝L2，b＝D-D2，在目标点Pt与云台旋转轴所在平面建立平面直角坐标系，此时定义俯仰角θ为负，计算点Pt的坐标：
Figure BDA0003994206010000031
其中，xt为Pt的x坐标，yt为Pt的y坐标；L2为测距模块中心点S2到俯仰旋转轴中心距离；D2为测距模块中心点S2到云台水平旋转轴线之间的距离；A3：结合云台旋转角为α，则目标点Pt的三维坐标为：
Figure BDA0003994206010000041
A4：固态激光雷达扫描的点云坐标Mi＝(xi,yi,zi)T转换到云台坐标系下坐标Ni
为：Ni＝R(Mi+t)(3)
其中t＝(0,-L1,D1)T；L1为固态激光雷达测量中心点S1到俯仰旋转轴中心距离；D1为固态激光雷达测量中心点S1到云台水平旋转轴线之间的距离；R为旋转矩阵：
Figure BDA0003994206010000042
A5：以测量装置所在的大臂基座的平面为xy平面建立台车坐标系，并定义台车坐标系与测量装置坐标系重合，则台车可以通过测量装置直接测量的目标点在台车坐标系中的空间坐标；
A6：根据测量装置中的姿态传感器数值判断测量装置的水平状态，调节台车使测量装置处于水平状态，控制云台使测距模块照准目标点，计算目标点在台车坐标系下的空间坐标；
A7：根据
Figure BDA0003994206010000043
其中，β为台车坐标系与隧道测量坐标系转换的旋转角度参数；(dx,dy)为台车坐标系与隧道测量坐标的水平平移参数；(xt,yt)为台车坐标系下的公共测量点坐标，(Xw，Yw)为隧道坐标系下公共测量点的坐标；
建立平面坐标下台车坐标系与隧道测量坐标系的关系，通过至少2个目标点即可计算出台车测量坐标系与隧道坐标系的平面转换参数；
A8：根据目标点的高程计算台车坐标系原点在隧道中的高程：
Ht＝Zw-zt  (5)
Ht为台车坐标系原点在隧道坐标系中的高程，Zw为目标点的高程，zt为目标点在台车坐标系中的高度值；
A9：根据步骤A7、A8得到台车坐标系与隧道测量坐标系的转换关系，然后根据目标点在隧道坐标系中的坐标值，调节台车方位，实现台车的定位导航。
步骤A9在确定台车坐标系与隧道测量坐标系的转换关系后，进一步控制云台使用固态激光雷达扫描隧道全景点云数据，同时使用主摄像传感器同步采集隧道全景影像信息，实现对含有RGB信息的隧道点云数据采集，用于数字化隧道测量分析。
步骤S3进行前，先根据目标臂架末端在台车坐标系中的位置，利用式(2)计算测量装置照准目标臂架的云台俯仰和旋转参数；根据上述云台俯仰和旋转参数控制云台照准目标位置，然后再记录测量装置使用固态激光雷达扫描的目标臂架末端位置的点云N。
本发明的有益效果为：本发明使用固态激光雷达传感器、结合测距模块、姿态传感器和图像传感器设计隧道专用设备台车扫描测量装置和测量方法，在满足隧道数字化扫描的基础上能够深度融入专用设备自动化作业流程设计，提供实时的臂架末端目标跟踪精确测量数据支持，为臂架引导提供闭环控制，实现更高水平的隧道自动化作业。本发明隧道专用设备台车扫描测量装置，典型用于全电脑三臂凿岩台车，其结构为测距模块、主副两个图像传感器、固态激光雷达、姿态传感器和具有电滑环结构的双轴电控云台。主传感器焦距固定用于全景影响的获取，副成像传感器具有变焦功能，用于确定测距模块是否照准目标。姿态传感器用于判断扫描装置是否处于水平状态，测距模块位于激光雷达正上方，在双轴云台角度控制配合下能够实现隧道目标精确测量和三维点云扫描。本发明台车上集成固态激光雷达、测距模块、成像传感器、姿态传感器及双轴电控云台组成的三维测量装置实现台车导航定位、隧道数字化三维扫描和臂架末端测量功能；同时结构尺寸大、扫描周期长、实时测量能力差等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明测量装置主视示意图。
图2为本发明测量装置侧视示意图
图3为本发明测量装置测量状态平面坐标示意图。
图4为本发明整体结构布置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，实施例1，一种隧道专用设备台车扫描测量系统，包括全电脑三臂凿岩台车100，全电脑三臂凿岩台车100的臂架上自带电脑控制与显示。全电脑三臂凿岩台车100上设有用于连接臂架200的大臂基座300，大臂基座上根据需要可连接1～3个臂架。所述大臂基座300上设有测量装置400。具体来说所述测量装置400包括双轴电控云台，双轴电控云台由两部分组成，可实现水平面内的转动和竖直面内的俯仰摆动。双轴电控云台上设有测距模块1、主图像传感器2、副图像传感器3和固态激光雷达5；主图像传感器2和副图像传感器3对称设置在测距模块1的两侧，且成像中心朝向与测距模块测距方向相同；其中主成像传感器焦距固定，用于获取环境影像，副成像传感器具有自动调焦功能，用于对测距模块激光指示目标的成像，确认激光指示位置的准确性。测量部分的核心部件中的测距模块带激光指示功能；利用激光实现测量距离。固态激光雷达5位于测距模块1下方，固态激光雷达安装在测距模块正下方，其相对关系如图2所示满足激光测距方向与固态激光雷达中心指向平行。固态激光雷达中心线在1测距模块中心线正下方且者这朝向一致。主图像传感器2用于与固态激光雷达5配合使用采集RGB点云，副图像传感器3用于辅助测距模块1对待测目标的照准。该测量装置是集成固态激光雷达、双轴电控云台、激光测距仪、姿态传感器和成像传感器的隧道扫描测量设备，能用于隧道专用设备车体导航、隧道三维扫描、臂架末端定位测量。
如图1所示，本实施例中的云台即所述双轴电控云台包括云台基座18，云台基座18上设有水平旋转部15和俯仰旋转部10，云台的水平旋转部可以实现360度旋转，具有断电自锁功能，俯仰旋转部10位于水平旋转部15上部且两者之间通过电滑环4相连接，电滑环4具备供电和数据传输的功能。所述俯仰旋转部10上设有能相对俯仰旋转部10进行俯仰动作的俯仰悬臂11，俯仰臂通过俯仰转轴连接在俯仰旋转部，俯仰悬臂可以实现正90到负90度的旋转，具有断电自锁功能。俯仰悬臂11上设有支撑外壳9，测距模块1、主图像传感器2、副图像传感器3和固态激光雷达5均位于支撑外壳9内，起到保护作用。
本实施例中所述水平旋转部15内设有能对其水平旋转角度进行测量的角度传感器，俯仰旋转部10内设有能对俯仰悬臂11的俯仰角度进行测量的角度传感器。云台通过实时输出当前的旋转角和11俯仰悬臂的俯仰角的数值，通过云台旋转部数据输出口传输到隧道专用设备的工控机上。作为优选所述支撑外壳9内设有姿态传感器6和用于对测距模块1、主图像传感器2和副图像传感器3进行支撑固定的支撑防护架4。主副摄像头和测距模块安装在内部固定防护结构上，确保各传感器内部相关位置关系固定，抵抗震动冲击；姿态传感器安装在支撑防护架侧面，支撑防护架与测量部分防护外壳通过螺栓固定连接。防护外壳通过螺栓安装在云台的俯仰悬臂平台上，保持激光测距模块和固态激光雷达中心指向与云台旋转轴垂直相交。
本实施例中所述支撑外壳9的一侧设有供电接入口Ⅰ7、另一侧设有数据输出口Ⅰ8；俯仰旋转部10上设有数据接入口13和供电数据输出口12；水平旋转部15上设有供电接入口Ⅱ17和数据输出口Ⅱ16。云台俯仰旋转部供电输出口与测量部防护外壳侧面的供电接入口通过导线连接，典型的供电口采用航空插头，相似的云台上数据接入口与测量部防护外壳侧面的数据输出口通过数据线连接，典型的使用航空插头；测量部的激光测距模块、成像传感器、姿态传感器、固态激光雷达的数据传输控制信息通过测量装置外壳的数据传输口输出，经过传输线接入云台俯仰部的数据接入口，经电滑环传输到旋转部的数据输出口，接入隧道专用设备台车工控机；典型的外部供电由云台旋转部供电口接入，经电滑环传输至云台旋转部供电口，再由导线接入装置测量部的供电口，给测量部的各传感器提供电源。
实施例2：一种如实施例1所述的隧道专用设备台车扫描测量系统的工作方法，包括隧道三维扫描、台车导航和臂架末端定位测量；
隧道三维扫描过程如下：将测量装置400调至合适状态，为了满足高精度测量功能，明确计算关系，装置的测量部分与云台部分在云台机械零位状态下存在如图2所示的相对关系，其中测距模块的测量方向与固态激光雷达中心测量方向一致，固态激光雷达测量中心点为S1，点S1距离云台水平旋转轴线之间的距离为D1，距离俯仰旋转轴中心距离为L1；测距模块的测距初始位置为S2，点S2距离云台水平旋转轴线之间的距离为D2，距离俯仰旋转轴中心距离为L2；其中6姿态传感器的竖直坐标轴与云台水平旋转轴线平行。使测量装置400的测距模块1、主图像传感器2、副图像传感器3和固态激光雷达5均朝向隧道待测目标；测距模块1对待测目标进行距离测量，同时副图像传感器3辅助测距模块1对待测目标进行照准；同时主图像传感器2与固态激光雷达5配合，采集待测目标所在区域平面的RGB点云；然后借助双轴电控云台的旋转和俯仰变化，对隧道进行全景点云数据的采集；然后测量装置400将数据传递给后台控制器，完成隧道三维扫描。
在本发明的隧道专用设备台车扫描测量装置中，云台部分具有360度平面旋转和正负90度的俯仰范围，为测量部分使用测距模块进行点位坐标测量和使用固态激光雷达实现隧道三维扫描提供了运控控制结构和方位角度及俯仰角度数值，以实现对目标坐标的计算。固态激光雷达能够进行区域平面的实时点云测量，借助云台的旋转和俯仰变化能够实现全景点云数据的采集；测量部分的存在主副两个摄像头，主摄像头为定焦摄像头主要用于获取全景影像为点云提供彩色纹理信息，副摄像头为可变焦摄像头主要用于图像引导确认测距模块发出的激光照准待测目标。姿态传感器用于两侧测量部分的俯仰角度和倾斜角度作为判别云台是否处于水平状态，并作为装置测量倾斜补偿的角度依据。
台车导航过程如下：利用测量装置400的测距模块1测量隧道内的至少2个目标点在台车坐标系中的坐标值，结合至少2个目标点的隧道坐标值确定台车坐标与隧道坐标系的转换关系，然后根据目标点在隧道坐标系中的坐标值，调节台车方位，实现台车的定位导航。其结果为，能够将扫描测量装置扫描测量的坐标转换到专用设备台车坐标系，为专用设备台车提供及时的隧道空间测量功能，可以利用装置的测距模块测量隧道内的2个或3个以上的目标点位在台车坐标系中的坐标值，结合2个或3个以上目标点的隧道坐标值确定台车坐标与隧道坐标系的转换关系，从而实现隧道专用设备台车的定位导航，进一步控制云台使用固态激光雷达扫描隧道全景点云数据，同时采集全景影像信息，实现对含有RGB信息的隧道点云数据采集，用于数字化隧道测量分析，进一步根据固态激光雷达实时采集的区域点云信息，为专用设备臂架引导控制提供实时的参考信息，可以控制云台跟踪测量臂架末端待测目标，为专用设备自动化作业提供实时空间测量感知信息支持。
台车导航过程具体如下：如图3所示，
A1：定义测量装置坐标系是以俯仰悬臂转动轴与水平旋转轴的交点为坐标系原点O的三维空间坐标系；即定义测量装置坐标系以云台水平旋转轴为三维空间直角坐标系的Z轴，方向向上；以俯仰悬臂转动轴与水平旋转轴的交点为坐标系原点O，以图1示意图状态下为机械零位，定义Y坐标轴垂直向外为正与激光测距模块朝向一致；X轴为图1图示状态下悬臂轴线向左为正。设云台旋转角为α、俯仰角为θ；测距模块测得的距离目标点Pt的距离为D；A2：令a＝L2，b＝D-D2，在目标点Pt与云台旋转轴所在平面建立平面直角坐标系，此时定义俯仰角θ为负，计算点Pt的坐标：
Figure BDA0003994206010000101
其中，xt为Pt的x坐标，yt为Pt的y坐标；L2为测距模块中心点S2到俯仰旋转轴中心距离；D2为测距模块中心点S2到云台水平旋转轴线之间的距离；A3：结合云台旋转角为α，则目标点Pt的三维坐标为：
Figure BDA0003994206010000102
A4：固态激光雷达扫描的点云坐标Mi＝(xi,yi,zi)T转换到云台坐标系下坐标Ni
为：Ni＝R(Mi+t)(3)
其中t＝(0,-L1,D1)T；L1为固态激光雷达测量中心点S1到俯仰旋转轴中心距离；D1为固态激光雷达测量中心点S1到云台水平旋转轴线之间的距离；R为旋转矩阵：
Figure BDA0003994206010000103
A5：以测量装置400所在的大臂基座300的平面为xy平面建立台车坐标系，即建立左手空间坐标系，x轴方向指向臂架方向，y轴指向车右侧，z轴方向垂直车体向上。并定义台车坐标系与测量装置坐标系重合，则台车可以通过测量装置直接测量的目标点在台车坐标系中的空间坐标；
A6：根据测量装置中的姿态传感器数值判断测量装置的水平状态，调节台车使测量装置处于水平状态，控制云台使测距模块照准目标点，计算目标点在台车坐标系下的空间坐标。即可以利用加装在台车上的扫描测量装置实现隧道台车导航定位，具体的使用测量装置测量隧道内2个隧道坐标已知的目标点可以确定台车坐标系与隧道测量坐标系的转换关系。首先根据测量装置中的姿态传感器数值判断测量装置的水平状态，调节台车使测量装置处于水平状态，控制云台使测距模块照准目标点，计算目标点在台车坐标系下的空间坐标。根据公式(4)建立平面坐标下台车测量坐标系与隧道测量坐标系的关系。
A7：根据
Figure BDA0003994206010000111
其中，β为台车坐标系与隧道测量坐标系转换的旋转角度参数；(dx,dy)为台车坐标系与隧道测量坐标的水平平移参数；(xt,yt)为台车坐标系下的公共测量点坐标，(Xw，Yw)为隧道坐标系下公共测量点的坐标；
建立平面坐标下台车坐标系与隧道测量坐标系的关系，通过至少2个目标点即可计算出台车测量坐标系与隧道坐标系的平面转换参数。
A8：根据目标点的高程计算台车坐标系原点在隧道中的高程：
Ht＝Zw-zt  (5)
Ht为台车坐标系原点在隧道坐标系中的高程，Zw为目标点的高程，zt为目标点在台车坐标系中的高度值；
A9：根据步骤A7、A8得到台车坐标系与隧道测量坐标系的转换关系，然后根据目标点在隧道坐标系中的坐标值，调节台车方位，实现台车的定位导航。
步骤A9在确定台车坐标系与隧道测量坐标系的转换关系后，进一步控制云台使用固态激光雷达扫描隧道全景点云数据，同时使用主摄像传感器同步采集隧道全景影像信息，实现对含有RGB信息的隧道点云数据采集，用于数字化隧道测量分析。
臂架末端定位测量过程如下：
S1：在台车坐标系中建立全电脑三臂凿岩台车目标臂架初始位姿的模板点云M，并在模板点云M标识臂架末端位置特征点云坐标P；
S2：全电脑三臂凿岩台车计算目标臂架末端在台车坐标系中的位置T；
S3：记录测量装置使用固态激光雷达扫描的目标臂架末端位置的点云N；
S4：使用点云ICP匹配方法计算由点云M到点云N的匹配参数{R，T}；R为旋转参数，T为平移参数；点云ICP算法式一种专业上常用的两个点云匹配的方法这里不再赘述。
S5：根据步骤S1中标记的臂架末端位置特征点云坐标P和步骤S4计算的{R，T}参数，计算当前目标臂架末端点坐标S，如下所示：
S＝RP+T   (6)
S6：根据当前目标臂架末端点坐标S，修正由于臂架扰度变形、臂架各关节传感器数据和DH参数模型误差造成的臂架末端位置计算误差；为臂架末端引导控制提供数据支持。
步骤S3进行前，先根据目标臂架末端在台车坐标系中的位置，利用式(2)计算测量装置照准目标臂架的云台俯仰和旋转参数；根据上述云台俯仰和旋转参数控制云台照准目标位置，然后再记录测量装置使用固态激光雷达扫描的目标臂架末端位置的点云N。
上述方法在满足隧道数字化扫描的基础上能够深度融入专用设备自动化作业流程设计，提供实时的臂架末端目标跟踪测量数据支持，为臂架引导提供闭环控制，实现更高水平的隧道自动化作业。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道专用设备台车扫描测量系统，包括全电脑三臂凿岩台车(100)，全电脑三臂凿岩台车(100)上设有用于连接臂架(200)的大臂基座(300)，其特征在于：所述大臂基座(300)上设有测量装置(400)；所述测量装置(400)包括双轴电控云台，双轴电控云台上设有测距模块(1)、主图像传感器(2)、副图像传感器(3)和固态激光雷达(5)；主图像传感器(2)和副图像传感器(3)设置在测距模块(1)的两侧。
2.根据权利要求1所述的隧道专用设备台车扫描测量系统，其特征在于：所述双轴电控云台包括云台基座(18)，云台基座(18)上设有水平旋转部(15)和俯仰旋转部(10)，俯仰旋转部(10)位于水平旋转部(15)上部且两者之间通过电滑环(4)相连接，所述俯仰旋转部(10)上设有能相对俯仰旋转部(10)进行俯仰动作的俯仰悬臂(11)，俯仰悬臂(11)上设有支撑外壳(9)，测距模块(1)、主图像传感器(2)、副图像传感器(3)和固态激光雷达(5)均位于支撑外壳(9)内。
3.根据权利要求2所述的隧道专用设备台车扫描测量系统，其特征在于：所述水平旋转部(15)内设有能对其水平旋转角度进行测量的角度传感器，俯仰旋转部(10)内设有能对俯仰悬臂(11)的俯仰角度进行测量的角度传感器。
4.根据权利要求2或3所述的隧道专用设备台车扫描测量系统，其特征在于：所述支撑外壳(9)内设有姿态传感器(6)和用于对测距模块(1)、主图像传感器(2)和副图像传感器(3)进行支撑固定的支撑防护架(4)。
5.根据权利要求4所述的隧道专用设备台车扫描测量系统，其特征在于：所述支撑外壳(9)的一侧设有供电接入口Ⅰ(7)、另一侧设有数据输出口Ⅰ(8)；俯仰旋转部(10)上设有数据接入口(13)和供电数据输出口(12)；水平旋转部(15)上设有供电接入口Ⅱ(17)和数据输出口Ⅱ(16)。
6.一种如权利要求1或2或5所述的隧道专用设备台车扫描测量系统的工作方法，其特征在于：包括隧道三维扫描、台车导航和臂架末端定位测量；
隧道三维扫描过程如下：将测量装置(400)调至合适状态，使测量装置(400)的测距模块(1)、主图像传感器(2)、副图像传感器(3)和固态激光雷达(5)均朝向隧道待测目标，测距模块(1)对待测目标进行距离测量，同时副图像传感器(3)辅助测距模块(1)对待测目标进行照准；同时主图像传感器(2)与固态激光雷达(5)配合，采集待测目标所在区域平面的RGB点云；然后借助双轴电控云台的旋转和俯仰变化，对隧道进行全景点云数据的采集；然后测量装置(400)将数据传递给后台控制器，完成隧道三维扫描；
台车导航过程如下：利用测量装置(400)的测距模块(1)测量隧道内的至少2个目标点在台车坐标系中的坐标值，结合至少2个目标点的隧道坐标值确定台车坐标与隧道坐标系的转换关系，然后根据目标点在隧道坐标系中的坐标值，调节台车方位，实现台车的定位导航；
臂架末端定位测量过程如下：S1：在台车坐标系中建立全电脑三臂凿岩台车目标臂架初始位姿的模板点云M，并在模板点云M标识臂架末端位置特征点云坐标P；
S2：全电脑三臂凿岩台车计算目标臂架末端在台车坐标系中的位置T；
S3：记录测量装置使用固态激光雷达扫描的目标臂架末端位置的点云N；
S4：使用点云ICP匹配方法计算由点云M到点云N的匹配参数{R，T}；R为旋转参数，T为平移参数；
S5：根据步骤S1中标记的臂架末端位置特征点云坐标P和步骤S4计算的{R，T}参数，计算当前目标臂架末端点坐标S，如下所示：
S＝RP+T    (6)
S6：根据当前目标臂架末端点坐标S，修正由于臂架扰度变形、臂架各关节传感器数据和DH参数模型误差造成的臂架末端位置计算误差。
7.根据权利要求6所述的隧道专用设备台车扫描测量系统的工作方法，其特征在于：台车导航过程具体如下：
A1：定义测量装置坐标系是以俯仰悬臂转动轴与水平旋转轴的交点为坐标系原点O的三维空间坐标系；设云台旋转角为α、俯仰角为θ；测距模块测得的距离目标点Pt的距离为D；
A2：令a＝L2，b＝D-D2，在目标点Pt与云台旋转轴所在平面建立平面直角坐标系，此时定义俯仰角θ为负，计算点Pt的坐标：
Figure FDA0003994204000000031
其中，xt为Pt的x坐标，yt为Pt的y坐标；L2为测距模块中心点S2到俯仰旋转轴中心距离；D2为测距模块中心点S2到云台水平旋转轴线之间的距离；
A3：结合云台旋转角为α，则目标点Pt的三维坐标为：
Figure FDA0003994204000000032
A4：固态激光雷达扫描的点云坐标Mi＝(xi,yi,zi)T转换到云台坐标系下坐标Ni为：Ni＝R(Mi+t)(3)
其中t＝(0,-L1,D1)T；L1为固态激光雷达测量中心点S1到俯仰旋转轴中心距离；D1为固态激光雷达测量中心点S1到云台水平旋转轴线之间的距离；
R为旋转矩阵：
Figure FDA0003994204000000033
A5：以测量装置(400)所在的大臂基座(300)的平面为xy平面建立台车坐标系，并定义台车坐标系与测量装置坐标系重合，则台车可以通过测量装置直接测量的目标点在台车坐标系中的空间坐标；
A6：根据测量装置中的姿态传感器数值判断测量装置的水平状态，调节台车使测量装置处于水平状态，控制云台使测距模块照准目标点，计算目标点在台车坐标系下的空间坐标；
A7：根据
Figure FDA0003994204000000041
其中，β为台车坐标系与隧道测量坐标系转换的旋转角度参数；(dx,dy)为台车坐标系与隧道测量坐标的水平平移参数；(xt,yt)为台车坐标系下的公共测量点坐标，(Xw，Yw)为隧道坐标系下公共测量点的坐标；
建立平面坐标下台车坐标系与隧道测量坐标系的关系，通过至少2个目标点即可计算出台车测量坐标系与隧道坐标系的平面转换参数；
A8：根据目标点的高程计算台车坐标系原点在隧道中的高程：
Ht＝Zw-zt  (5)
Ht为台车坐标系原点在隧道坐标系中的高程，Zw为目标点的高程，zt为目标点在台车坐标系中的高度值；
A9：根据步骤A7、A8得到台车坐标系与隧道测量坐标系的转换关系，然后根据目标点在隧道坐标系中的坐标值，调节台车方位，实现台车的定位导航。
8.根据权利要求7所述的隧道专用设备台车扫描测量系统的工作方法，其特征在于：步骤A9在确定台车坐标系与隧道测量坐标系的转换关系后，进一步控制云台使用固态激光雷达扫描隧道全景点云数据，同时使用主摄像传感器同步采集隧道全景影像信息，实现对含有RGB信息的隧道点云数据采集，用于数字化隧道测量分析。
9.根据权利要求6所述的隧道专用设备台车扫描测量系统的工作方法，其特征在于：步骤S3进行前，先根据目标臂架末端在台车坐标系中的位置，利用式(2)计算测量装置照准目标臂架的云台俯仰和旋转参数；根据上述云台俯仰和旋转参数控制云台照准目标位置，然后再记录测量装置使用固态激光雷达扫描的目标臂架末端位置的点云N。
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