CN116105692B - 用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法 - Google Patents

用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116105692B
CN116105692B CN202310083432.2A CN202310083432A CN116105692B CN 116105692 B CN116105692 B CN 116105692B CN 202310083432 A CN202310083432 A CN 202310083432A CN 116105692 B CN116105692 B CN 116105692B
Authority
CN
China
Prior art keywords
surrounding rock
rotating motor
camera
sensor
acquisition device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310083432.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116105692A (zh
Inventor
郑明明
张钰
马春驰
蒋卓君
熊亮
朱俊林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Univeristy of Technology
Original Assignee
Chengdu Univeristy of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Univeristy of Technology filed Critical Chengdu Univeristy of Technology
Priority to CN202310083432.2A priority Critical patent/CN116105692B/zh
Publication of CN116105692A publication Critical patent/CN116105692A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116105692B publication Critical patent/CN116105692B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B1/00—Cleaning by methods involving the use of tools
    • B08B1/10—Cleaning by methods involving the use of tools characterised by the type of cleaning tool
    • B08B1/12—Brushes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B1/00—Cleaning by methods involving the use of tools
    • B08B1/30—Cleaning by methods involving the use of tools by movement of cleaning members over a surface
    • B08B1/32—Cleaning by methods involving the use of tools by movement of cleaning members over a surface using rotary cleaning members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B5/00—Cleaning by methods involving the use of air flow or gas flow
    • B08B5/02—Cleaning by the force of jets, e.g. blowing-out cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D55/00—Endless track vehicles
    • B62D55/06—Endless track vehicles with tracks without ground wheels
    • B62D55/065—Multi-track vehicles, i.e. more than two tracks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M11/00—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters
    • F16M11/02—Heads
    • F16M11/04—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M11/00—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters
    • F16M11/02—Heads
    • F16M11/04—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand
    • F16M11/06—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting
    • F16M11/12—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting in more than one direction
    • F16M11/14—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting in more than one direction with ball-joint
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M11/00—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters
    • F16M11/02—Heads
    • F16M11/18—Heads with mechanism for moving the apparatus relatively to the stand
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M11/00—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters
    • F16M11/42—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters with arrangement for propelling the support stands on wheels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法，其中采集装置包括相机组件、控制器以及斜向伸缩机构，控制器控制斜向伸缩机构将相机组件斜向送至围岩附近，并使相机正对围岩表面且距离保持不变进行拍摄，控制斜向伸缩机构旋转直至相机组件将整个围岩拍摄完毕。本采集装置可将相机组件斜向送至围岩附近，因此无需铲车将渣石清除即可直接放置在定位点进行扫描。除了扫描围岩，本装置还可对掌子面进行扫描。通过斜向伸缩机构将扫描镜头贴近围岩表面，根据对正机构使扫描相机始终正对围岩表面且距离基本保持不变，增加扫描成像质量，可获取围岩细节且图片畸变较小。辅助以照明光源，提高成像清晰度。

Description

用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法
技术领域
本发明涉及隧道围岩扫描技术领域，尤其涉及一种用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法。
背景技术
高原隧道的修建是目前西南地区研究的重要工程。高原隧道的修建有利于优化西南地区的产业结构，实现地区经济的协调发展；也有利于降低高原地区的运输成本，提高经济效益，有利于高原地区的对外开放，能够加强高原偏远地区与其他地区的交流互动。
围岩分级与围岩变形的监测是隧道施工的关键指标。围岩分级是后续隧道施工的基础，而进行围岩变形监测是保证施工质量稳定性的重要环节。基于这样的背景，目前已有如下传统技术。方法1：申请公布号CN112734640A提供了一种隧道围岩图像采集装置、处理系统及全景图像拼接方法，能够实时拍摄钻爆洞围岩图像并进行存储,通过球面投影模型结合线性畸变矫正模型对鱼眼相机采集的图像进行畸变矫正，然后利用配准算法、融合算法、球面展开算法等实现钻爆洞围岩全景图拼接。方法2：授权公布号CN112173103B是一种用于钻爆法施工隧道的工作面检测装置及方法。所述工作面检测装置包括:控制系统、存储与传输系统、信息采集系统、照明与供电系统以及无人机，采用本发明所提供的工作面检测装置及方法能够提高检查效率以及安全性。
但目前行业传统方法都不够完备，在某方面优势突出的同时，短板也依旧突出。如上述方法1人工测量、现场绘制误差大，使用高性能摄像系统价格昂贵，现场设备需要不断安装、拆除，工作量大；方法2使用无人机成本较高，容易损坏，并且无人机实时定位精准不高，难以准确给出扫描出的各图像的准确位置，影响围岩全方位三维形貌的高质量重建。
发明内容
本发明提供了一种用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法，以解决上述技术问题。
本发明采用的技术方案是：提供一种用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置，包括：相机组件、控制器以及斜向伸缩机构，所述控制器控制斜向伸缩机构将相机组件斜向送至围岩附近，并使相机正对围岩表面且距离保持不变进行拍摄，控制斜向伸缩机构旋转直至相机组件将整个围岩拍摄完毕。
进一步的，还包括行走装置，所述斜向伸缩机构安装在所述行走装置上。
进一步的，所述行走装置为履带底盘。
进一步的，所述斜向伸缩机构包括铰接组件、第二安装板以及分别与所述控制器电连接的平台式旋转电机、第一旋转电机、伺服电动缸、球形旋转电机，所述平台式旋转电机安装在所述行走装置上，所述伺服电动缸底部通过铰接组件与平台式旋转电机连接，所述第一旋转电机安装在所述铰接组件上以驱动铰接组件旋转，所述伺服电动缸顶部通过第二安装板与球形旋转电机底部连接，所述球形旋转电机顶部与相机组件进行连接。
进一步的，所述铰接组件包括凵型铰接架和凵型底座，所述凵型底座安装在所述平台式旋转电机上，所述凵型铰接架与凵型底座开口相对扣合在一起，所述凵型铰接架和凵型底座的一侧壁通过所述第一旋转电机铰接，所述凵型铰接架和凵型底座的另一侧壁通过转轴铰接。
进一步的，所述相机组件包括相机、保护罩、对正机构、雨水传感器、灰尘传感器、雨水清扫机构、灰尘清扫机构、LED灯带以及第一安装板；所述保护罩与第一安装板形成封闭腔体，所述相机位于该封闭腔体内，所述LED灯带位于封闭腔体内，且周向布置于相机四周。
进一步的，所述灰尘传感器安装在保护罩上，所述灰尘清扫机构包括滤气型气泵和扁口吹气嘴，所述扁口吹气嘴安装在保护罩的盖板上，当灰尘传感器检测到灰尘达到预设值时，扁口吹气嘴对盖板表面进行清扫；所述雨水清扫机构包括雨刷和雨刷驱动电机，所述雨刷安装在盖板上，当雨水传感器检测到盖板上的雨水达到预设值时，雨刷驱动电机驱动雨刷对盖板进行清扫。
进一步的，所述对正机构为安装在保护罩四周的四个距离传感器，当至少三个距离传感器所测距离在预设范围内时判定为对正。
进一步的，还包括定位机构，所述定位机构包括第一倾角传感器、第二倾角传感器、第一角度传感器，所述第一倾角传感器和第一角度传感器安装在第一安装板上，所述第二倾角传感器安装在第二安装板上；通过第一倾角传感器、第二倾角传感器、第一角度传感器、平台式旋转电机的旋转角度、伺服电动缸行程、保护罩的高度、对正机构对正时距离传感器所测距离、球形旋转电机的高度、第一旋转电机旋转中心凵型铰接架的底板距离测得围岩坐标。
本发明还提供一种用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集方法，所述采集方法基于上述的采集装置实现，所述采集方法包括：
在隧道内进行爆破并完成后，将调试完毕的采集装置驶入定位点坐标，所述定位点坐标位于围岩斜下方；
驱动第一旋转电机、平台式旋转电机、伺服电动缸，使相机组件移动至围岩附近；
驱动球形旋转电机，使相机组件正对围岩，通过相机组件拍摄围岩，拍摄时通过定位机构对围岩进行坐标定位；
旋转伺服电动缸对围岩所在剖面的各个位置进行拍摄；
将围岩的各点坐标以及图像输入至模拟软件中，得到此围岩剖面的二维轮廓坐标和整个围岩成像图。
本发明的有益效果是：
(1)、通过斜向伸缩机构将扫描镜头贴近围岩表面，根据对正机构使扫描相机始终正对围岩表面且距离基本保持不变，增加扫描成像质量。辅助以照明光源，提高成像清晰度。
(2)、本采集装置可将相机组件斜向送至围岩附近，因此无需铲车将渣石清除即可直接放置在定位点进行扫描。除了扫描围岩，本装置还可对掌子面进行扫描。
(3)、采集装置是贴近围岩进行扫描，可获取围岩细节且图片畸变较小。
(4)、可在进行爆破后立即进行扫描，可以不考虑爆破灰尘的影响，因扫描镜头始终贴近围岩表面，粉尘对清晰度基本不影响。独特的设计包括镜头清洁装置，能够在围岩渗水、涌滴水、粉尘弥漫时使用，设置有污渍(水滴、粉尘)检测传感器，原位自动开启或手动开启清洁动作，无需返回地面后再清洁，提高工作效率，且能更好的保护相机。
(5)、扫描图像的实时传输，可利用电脑终端实时观察成像质量或镜头污渍等；配合扫描镜头的远程控制，对需要更清晰展示部位可随时返回和重点长时间扫描。
(6)、整个采集装置所需要利用的部件采用模块化设计，拆装和维护方便。
附图说明
图1为本发明公开的用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置的结构示意图。
图2为本发明公开的用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置的正视图。
图3为本发明公开的用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置的左视图。
图4为本发明公开的用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置的俯视图。
图5为本发明公开的采集装置在二维隧道截面的公式推导示意图。
图6为本发明公开的采集装置在三维空间的公式推导示意图。
图7为本发明公开的采集装置扫描围岩时相对于球形旋转电机球心坐标推导示意图。
图8为本发明公开的采集装置在隧道内进行围岩扫描的示意图。
附图标记：1-履带底盘，2-电池组，3-软管，4-滤气型气泵，5-扁口吹气嘴，6-保护罩，7-相机，8-灰尘传感器，9-距离传感器组，10-第一角度传感器，11-第一倾角传感器，12-第一安装板，13-球形旋转电机，14-第二倾角传感器，15-第二安装板，16-伺服电动缸，17-凵型铰接架，18-第一旋转电机，19-凵型底座，20-平台式旋转电机，21-控制器，22-雨刷，23-LED灯带，24-雨刷驱动器，25-雨水传感器，26-安装平台，27-转轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
围岩分级与围岩变形的监测是隧道施工的关键指标。根据岩体完整程度和岩石强度等指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别，即将稳定性相似的一些围岩划归为一类，将全部的围岩划分为若干类。在围岩分类的基础上再依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。因此围岩分级是后续隧道施工的基础，而进行围岩变形监测是保证施工质量稳定性的重要环节。
为了在隧道爆破完成后尽快获得围岩形貌进行围岩分级，本实施例提供一种用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置，参见图1-图4，该采集装置包括：相机组件、控制器21以及斜向伸缩机构，控制器21控制斜向伸缩机构将相机组件斜向送至围岩附近，并使相机7正对围岩表面且距离保持不变进行拍摄，控制斜向伸缩机构旋转直至相机组件将整个围岩拍摄完毕。
进一步的，该采集装置还包括行走装置，斜向伸缩机构安装在行走装置上。行走装置优选为履带底盘1。履带底盘1，能够适隧道内复杂的地面情况，可在刚刚开挖的隧道断面凹凸不平的路面正常行走。
斜向伸缩机构包括铰接组件、第二安装板15以及分别与控制器21电连接的平台式旋转电机20、第一旋转电机18、伺服电动缸16、球形旋转电机13。平台式旋转电机20安装在行走装置上，伺服电动缸16底部通过铰接组件与平台式旋转电机20连接，第一旋转电机18安装在铰接组件上以驱动铰接组件旋转，伺服电动缸16顶部通过第二安装板15与球形旋转电机13底部连接，球形旋转电机13顶部与相机组件进行连接。
具体的，本实施例的平台式旋转电机20具有一旋转平台，该旋转平台带动铰接组件旋转。还可以在平台式旋转电机20的壳体上固定安装平台26，该安装平台26不与铰接组件一通旋转。控制器21、采集装置所需的电池组2可安装在该安装平台26上。电线、数据线等可通过软管3连接到相机组件内；当然，控制器21还可通过通讯模块来控制相机组件及平台式旋转电机20等，电池组2也可以安装在相机组件内，从而实现无线控制，此时就无需软管3。
具体的，铰接组件包括凵型铰接架17和凵型底座19，凵型底座19安装在平台式旋转电机20上，凵型铰接架17与凵型底座19开口相对扣合在一起，凵型铰接架17和凵型底座19的一侧壁通过第一旋转电机18铰接，凵型铰接架17和凵型底座19的另一侧壁通过转轴27铰接。在另一实施例中，凵型铰接架17和凵型底座19的两侧壁通过一个第一旋转电机18实现铰接(图中未示出)。
参见图4，相机组件包括相机7、保护罩6、对正机构、雨水传感器25、灰尘传感器8、雨水清扫机构、灰尘清扫机构、LED灯带23以及第一安装板12；保护罩6与第一安装板12形成封闭腔体，相机7位于该封闭腔体内，LED灯带23位于封闭腔体内，且周向布置于相机7四周。封闭腔体内可设置反光材质或反光层，从而提升光照亮度。
具体的，灰尘传感器8安装在保护罩6上，灰尘清扫机构包括滤气型气泵4和扁口吹气嘴5，扁口吹气嘴5安装在保护罩6的盖板上，当灰尘传感器8检测到灰尘达到预设值时，扁口吹气嘴5对盖板表面进行清扫；雨水清扫机构包括雨刷22和雨刷驱动电机24，雨刷22安装在盖板上，当雨水传感器25检测到盖板上的雨水达到预设值时，雨刷驱动电机24驱动雨刷22对盖板进行清扫。雨刷驱动电机24可以通过电池组2来供电。相机组件能够在围岩渗水、涌滴水、粉尘弥漫时使用，设置有污渍(水滴、粉尘等)识别系统，原位自动开启或手动开启清洁动作，无需返回地面后再清洁，提高工作效率，且能更好的保护相机7。
对正机构为安装在保护罩6四周的四个距离传感器，当至少三个距离传感器所测距离在预设范围内时判定为对正。所测距离在预设范围可根据围岩表面平整性以及图片清晰度调整。四个距离传感器的数值可以对正对状态进行核验、矫正。四个小型距离传感器在伸缩过程中实时传输数据至微型控制器21，若距离小于阈值则将以信息预警的方式反馈给操作者，并紧急暂停伸缩。阈值可根据设定的初始参数确定，防止相机7与围岩发生碰撞导致损坏。
具体的，相机组件中距离传感器、雨水传感器25、灰尘传感器8、雨刷驱动电机24、滤气型气泵4、LED灯带23分别与控制器21连接。
进一步的，本实施例的采集装置还包括定位机构，定位机构包括第一倾角传感器11、第二倾角传感器14、第一角度传感器10，第一倾角传感器11和第一角度传感器10安装在第一安装板12上，第二倾角传感器14安装在第二安装板15上；通过第一倾角传感器11、第二倾角传感器14、第一角度传感器10、平台式旋转电机20的旋转角度、伺服电动缸16行程、保护罩6的高度、对正机构对正时距离传感器所测距离、球形旋转电机13的高度、第一旋转电机18旋转中心凵型铰接架17的底板距离测得围岩坐标。
具体的，参见图5-图8，定位系统根据下述公式能够计算出扫描围岩的坐标。围岩的坐标如下：
X＝X1+X2+(L1-L2)/2＝(L+d1/2)*cosα*cosθ+(d1/2+d2+d3)*cosβ*cosγ/cos
β+(L1-L2)/2
Y＝Y1+Y2＝(L+d1/2)*cosα*sinθ+(d1/2+d2+d3)*cosβ*sin[1-(cosγ/cos
β)2]1/2
Z＝Z1+Z2＝(L+d1/2)*sinα+(d1/2+d2+d3)*sin*[1-(cosγ/cosβ)2]1/2
公式推导过程如下：
1、位置平面(图5)
在定位点所在剖面进行定位。此时以第一旋转电机轴心为原点，水平方向为x轴，铅直方向为z轴，建立坐标系，所扫描围岩的坐标：
X`＝(L+d1/2)*cosα+(d1/2+d2+d3)*cosβ
Z`＝(L+d1/2)*sinα+(d1/2+d2+d3)*sinβ
2、三维空间(图6)
将位置平面置于三维空间中再次定位。此时，仍以第一旋转电机为原点，以隧道洞轴线平行方向为y轴，并以往隧道内朝向掌子面的方向为正方向，以隧道洞轴线垂直方向为x轴，以铅直方向为z轴，并以向上为正方向，建立坐标系：
可推导伺服电动缸顶端坐标为
X1＝(L+d1/2)*cosα*cosθ
Y1＝(L+d1/2)*cosα*sinθ
Z1＝(L+d1/2)*sinα
可推导扫描围岩位置相对于球形旋转电机球心坐标(图7)
X2＝(d1/2+d2+d3)*cosβ*cosγ/cosβ
Y2＝(d1/2+d2+d3)*cosβ*sin[1-(cosγ/cosβ)2]1/2
Z2＝(d1/2+d2+d3)*sin[1-(cosγ/cosβ)2]1/2
3、三维空间建立大地坐标系
将步骤2中的坐标系的坐标原点平移至隧道洞轴线上，x、y、z轴方向不变：
X＝X1+X2+(L1-L2)/2＝(L+d1/2)*cosα*cosθ+(d1/2+d2+d3)*cosβ*cosγ/cos
β+(L1-L2)/2
Y＝Y1+Y2＝(L+d1/2)*cosα*sinθ+(d1/2+d2+d3)*cosβ*sin[1-(cosγ/cos
β)2]1/2
Z＝Z1+Z2＝(L+d1/2)*sinα+(d1/2+d2+d3)*sin[1-(cosγ/cosβ)2]1/2
注：
L：伺服电动缸原长度+伺服电动缸行程+驱动电机中心到凵型底座距离
L1：采集装置与剖面在x轴负方向最大距离处的距离
L2：采集装置与剖面在x轴正方向最大距离处的距离
d1：球形旋转电机高度
d2：相机保护罩高度
d3：相机保护罩顶部平面到围岩的距离(相机组件对正时距离传感器所测距离)
α：第二倾角传感器所测倾角(表示在xoz面上x轴正方向与伺服电机缸轴的夹角)
β：第一倾角传感器所测倾角(表示在xoz面上x轴正方向与球形电机输出轴的夹角)
θ：第二角度传感器所测旋转角度(表示平台式旋转电机从X轴正方向旋转所经过的的角度，第二角度传感器安装于平台式旋转电机内部(图中未示出))
γ：第一角度传感器所测的旋转角度(表示球形旋转电机从X轴正方向逆时针旋转至球形旋转电机输出轴轴线指向围岩方向所经过的角度)
参见图8，爆破完成后无需铲车将渣石清除，本采集装置可以直接放置在定位点进行扫描，可提前对定位点进行测量，得到上述L1和L2。本采集装置置于隧道中轴线的一侧能够避让中轴线处来往施工车辆，且扫描速度较快，能在最大限度内不影响后续清渣以及后续隧道工作，即围岩扫描和渣石清除可以同时进行。
本采集装置可以实现如下功能：
1、将相机7贴近围岩近距离拍摄，且通过对正机构使得相机7正对围岩，获得清晰、畸变小的图像。
2、本采集装置可将相机组件斜向送至围岩附近，因此无需铲车将渣石清除，本采集装置可以直接放置在定位点进行扫描。
3、除了扫描围岩，本装置还可对掌子面进行扫描。
4、定位机构通过多个构件协同工作，准确定位相机7扫描时围岩的坐标，且坐标与围岩图像一一对应，不存在误差，模拟软件建模时更加准确。
5、清理围岩渣石与围岩扫描可同时进行，极大的提高了工作效率。
6、污渍检测，雨水传感器25和灰尘传感器8实时监测雨水和粉尘含量，高于设定阈值时自动开启清扫模式，无需返回清洗。
7、环形LED灯带23补光，加之反光层的设置能显著提升光照亮度。
8、由手持端进行控制和接收测量的坐标数值和拍摄的图片。
实施例2：
本实施例公开一种用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集方法，所述采集方法基于实施例1所述的采集装置实现，该采集方法包括：
在隧道内进行爆破并完成后，将调试完毕的采集装置驶入定位点坐标，所述定位点坐标位于围岩斜下方；
驱动第一旋转电机18、平台式旋转电机20、伺服电动缸16，使相机组件移动至围岩附近；
驱动球形旋转电机13，使相机组件正对围岩，通过相机组件拍摄围岩，拍摄时通过定位机构对围岩进行坐标定位；
旋转伺服电动缸16对围岩所在剖面的各个位置进行拍摄；
将围岩的各点坐标以及图像输入至模拟软件中，得到此围岩剖面的二维轮廓坐标和整个围岩成像图。
具体的，采集方法/扫描方法详细过程如下：
前期准备：在隧道内进行爆破后，对定位点坐标进行再次确认。在此之后，工作人员对要使用采集装置进行调试和检测：选择合适的相机7焦距、判断需要的照片大小、检查水管是否有漏水现象等。调试完成后，根据定位点处在围岩剖面的具体位置，输入合适的初始参数，参数包括：相机7距离传感器误差范围、粉尘浓度允许范围等。必要时，工作人员操作采集装置进行模拟操作，确保采集装置的调试以及各项初始参数设置无误后，将采集装置驶入至定位点附近位置，并确保此处不会影响清渣的进程。
扫描流程：工作人员驱动第一旋转电机18、平台式旋转电机20、伺服电动缸16，使相机组件移动至围岩附近；驱动球形旋转电机13，使相机组件正对围岩，通过相机组件拍摄围岩，拍摄时通过定位机构对围岩进行坐标定位，然后将数据通过无线通讯模块传输至工作人员手持端。然后旋转伺服电动缸16实现对围岩这一剖面各个位置的扫描，旋转伺服电动缸16过程中正对机构同时工作，从而实现整个围岩表面的成像扫描和轮廓扫描，数据传回处理器和存储单元，同时也可传输到外接设备上。通过以上操作，将在各个点测得的定位点准确坐标输入至模拟软件中，即可得到此围岩剖面的二维轮廓图和此扫描剖面上的整个围岩成像图。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置，其特征在于，包括：相机组件、控制器以及斜向伸缩机构，所述控制器控制斜向伸缩机构将相机组件斜向送至围岩附近，并使相机正对围岩表面且距离保持不变进行拍摄，控制斜向伸缩机构旋转直至相机组件将整个围岩拍摄完毕；
还包括行走装置，所述斜向伸缩机构安装在所述行走装置上；
所述斜向伸缩机构包括铰接组件、第二安装板以及分别与所述控制器电连接的平台式旋转电机、第一旋转电机、伺服电动缸、球形旋转电机，所述平台式旋转电机安装在所述行走装置上，所述伺服电动缸底部通过铰接组件与平台式旋转电机连接，所述第一旋转电机安装在所述铰接组件上以驱动铰接组件旋转，所述伺服电动缸顶部通过第二安装板与球形旋转电机底部连接，所述球形旋转电机顶部与相机组件进行连接；
所述相机组件包括相机、保护罩、对正机构、雨水传感器、灰尘传感器、雨水清扫机构、灰尘清扫机构、LED灯带以及第一安装板；所述保护罩与第一安装板形成封闭腔体，所述相机位于该封闭腔体内，所述LED灯带位于封闭腔体内，且周向布置于相机四周；
还包括定位机构，所述定位机构包括第一倾角传感器、第二倾角传感器、第一角度传感器，所述第一倾角传感器和第一角度传感器安装在第一安装板上，所述第二倾角传感器安装在第二安装板上；通过第一倾角传感器、第二倾角传感器、第一角度传感器、平台式旋转电机的旋转角度、伺服电动缸行程、保护罩的高度、对正机构对正时距离传感器所测距离、球形旋转电机的高度、第一旋转电机旋转中心凵型铰接架的底板距离测得围岩坐标。
2.根据权利要求1所述的用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置，其特征在于，所述行走装置为履带底盘。
3.根据权利要求1所述的用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置，其特征在于，所述铰接组件包括凵型铰接架和凵型底座，所述凵型底座安装在所述平台式旋转电机上，所述凵型铰接架与凵型底座开口相对扣合在一起，所述凵型铰接架和凵型底座的一侧壁通过所述第一旋转电机铰接，所述凵型铰接架和凵型底座的另一侧壁通过转轴铰接。
4.根据权利要求1所述的用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置，其特征在于，所述灰尘传感器安装在保护罩上，所述灰尘清扫机构包括滤气型气泵和扁口吹气嘴，所述扁口吹气嘴安装在保护罩的盖板上，当灰尘传感器检测到灰尘达到预设值时，扁口吹气嘴对盖板表面进行清扫；所述雨水清扫机构包括雨刷和雨刷驱动电机，所述雨刷安装在盖板上，当雨水传感器检测到盖板上的雨水达到预设值时，雨刷驱动电机驱动雨刷对盖板进行清扫。
5.根据权利要求1所述的用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置，其特征在于，所述对正机构为安装在保护罩四周的四个距离传感器，当至少三个距离传感器所测距离在预设范围内时判定为对正。
6.用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集方法，其特征在于，所述采集方法基于权利要求1所述的采集装置实现，所述采集方法包括：
在隧道内进行爆破并完成后，将调试完毕的采集装置驶入定位点坐标，所述定位点坐标位于围岩斜下方；
驱动第一旋转电机、平台式旋转电机、伺服电动缸，使相机组件移动至围岩附近；
驱动球形旋转电机，使相机组件正对围岩，通过相机组件拍摄围岩，拍摄时通过定位机构对围岩进行坐标定位；
旋转伺服电动缸对围岩所在剖面的各个位置进行拍摄；
将围岩的各点坐标以及图像输入至模拟软件中，得到此围岩剖面的二维轮廓坐标和整个围岩成像图。
CN202310083432.2A 2023-02-08 2023-02-08 用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法 Active CN116105692B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310083432.2A CN116105692B (zh) 2023-02-08 2023-02-08 用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310083432.2A CN116105692B (zh) 2023-02-08 2023-02-08 用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116105692A CN116105692A (zh) 2023-05-12
CN116105692B true CN116105692B (zh) 2024-04-05

Family

ID=86255767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310083432.2A Active CN116105692B (zh) 2023-02-08 2023-02-08 用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116105692B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4682421A (en) * 1985-02-26 1987-07-28 Shell Oil Company Method for determining the azimuth of a borehole
KR20160019613A (ko) * 2014-08-11 2016-02-22 한국전력공사 지중 구조물의 3차원 모델링 장치 및 그 방법
CN109186480A (zh) * 2018-09-19 2019-01-11 成都理工大学 基于双护盾tbm工艺的隧道围岩扫描与观测系统
CN110779507A (zh) * 2019-11-11 2020-02-11 成都理工大学 一种用于隧道施工期监控量测的测点反光装置及其安装方法
WO2021068846A1 (zh) * 2019-10-09 2021-04-15 山东大学 一种用于运营期隧道衬砌检测及病害诊断的多臂机器人
CN113175888A (zh) * 2021-05-28 2021-07-27 安徽省交通控股集团有限公司 一种用于边坡坡表变形监测的多功能目标物及其布设方法
CN216636668U (zh) * 2021-12-27 2022-05-31 南京信息工程大学 一种用于大型壁画复原的高光谱图像采集小车
CN114895367A (zh) * 2022-04-27 2022-08-12 清华大学 岩体产状信息测量方法
CN115022509A (zh) * 2022-05-28 2022-09-06 深圳市华视安邦科技发展有限公司 一种基于物联网的具有清洁功能的安防监控摄像头

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111751394B (zh) * 2020-04-17 2021-08-27 山东大学 基于图像与xrf矿物反演的岩性识别方法及系统

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4682421A (en) * 1985-02-26 1987-07-28 Shell Oil Company Method for determining the azimuth of a borehole
KR20160019613A (ko) * 2014-08-11 2016-02-22 한국전력공사 지중 구조물의 3차원 모델링 장치 및 그 방법
CN109186480A (zh) * 2018-09-19 2019-01-11 成都理工大学 基于双护盾tbm工艺的隧道围岩扫描与观测系统
WO2021068846A1 (zh) * 2019-10-09 2021-04-15 山东大学 一种用于运营期隧道衬砌检测及病害诊断的多臂机器人
CN110779507A (zh) * 2019-11-11 2020-02-11 成都理工大学 一种用于隧道施工期监控量测的测点反光装置及其安装方法
CN113175888A (zh) * 2021-05-28 2021-07-27 安徽省交通控股集团有限公司 一种用于边坡坡表变形监测的多功能目标物及其布设方法
CN216636668U (zh) * 2021-12-27 2022-05-31 南京信息工程大学 一种用于大型壁画复原的高光谱图像采集小车
CN114895367A (zh) * 2022-04-27 2022-08-12 清华大学 岩体产状信息测量方法
CN115022509A (zh) * 2022-05-28 2022-09-06 深圳市华视安邦科技发展有限公司 一种基于物联网的具有清洁功能的安防监控摄像头

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
单目视觉与倾角仪组合优化的位姿测量系统;何斐彦;林嘉睿;高扬;任永杰;邾继贵;;光学学报;20161231(第12期);全文 *
基于CDEM的隧道卸压爆破及岩爆抑制效应模拟;陈柯竹;李天斌;马春驰;张航;高美奔;;工程地质学报;20201231(第03期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116105692A (zh) 2023-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11946882B2 (en) Systems and methods for inspecting pipelines using a pipeline inspection robot
CN103253314B (zh) 一种用于检测桥梁裂缝的负压吸附攀爬式机器人
CN111291658B (zh) Tbm搭载式隧道围岩结构虚拟再现系统与方法
CN108303426B (zh) 一种电缆隧道缺陷无损快速检测装置及其检测方法
CN113358070B (zh) 一种汽车刹车片平整度及销钉高度检测系统及其检测方法
KR101194413B1 (ko) 무인 점검기를 이용한 교량 점검장치
CN115808131B (zh) 用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置及扫描方法
CN1712893A (zh) 位置测量系统
CN109356614B (zh) 隧道喷射机控制设备、方法及隧道喷射机
CN211571314U (zh) 一种沥青道路裂缝检测装置
CN214090044U (zh) 一种挖掘机和挖掘机远程显示系统
CN210514100U (zh) 一种路桥裂缝检测与修复一体化机器人
CN111536955B (zh) 基于v型激光标靶图像识别的掘进机位姿检测系统及方法
CN112577447B (zh) 一种三维全自动扫描系统及方法
JP7429379B1 (ja) 切羽面液圧支保架台群状態検知記述方法
CN116105692B (zh) 用于围岩分级和变形预测的隧道围岩形貌采集装置及方法
CN114604334A (zh) 一种用于高桥墩及梁体病害检测的爬壁机器人及方法
CN112958957B (zh) 一种大型钢筋骨架焊接的自动校准方法和系统
KR101234350B1 (ko) 지피에스 위치좌표에 대한 지형구조 변화 확인용 측지 측량 데이터 업데이트 처리시스템
JP7088591B1 (ja) 外壁補修装置及び外壁補修方法
KR101813202B1 (ko) 지형변화에 따른 정위치의 세부정보를 보정처리하는 수치지도 편집시스템
CN1609548A (zh) 用于三维测量机床的激光扫描头行程自动制定系统
CN114476065A (zh) 一种测绘工程测量用无人机遥感装置
CN109653500B (zh) 一种建筑工地三维扫描质量巡检装置
JPH08278186A (ja) 液面検出方法及び液面検出装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant