CN1667357A - 面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统 - Google Patents

Abstract

一种面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统，包括四个模块：激光信号采集与处理模块采集沉箱内地貌信息，并对采集的信号进行处理，然后送给串行通信缓冲器，供信号传输模块传送；信号传输模块完成激光信号采集与处理模块输出的信号由沉箱内处理器到中央控制室内处理器之间的远程传输；运动控制模块控制激光传感器沿其扫描的平面一条垂直轴旋转，从而辅助系统得到三维信息；三维地貌建模与显示模块对信号传输模块送来的信息以及运动控制模块传来的角度信息进行建模、还原，在显示器上准确地显示出沉箱内的地貌三维形状。本发明实现沉箱内三维地貌在地表遥控室的显示，为气压沉箱无人化精确施工提供了依据。

Description

面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统

技术领域

本发明涉及的是一种用于检测技术领域的实时显示系统，特别是一种面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统。

背景技术

气压沉箱工法是在地面下部设置一个气密性高的钢筋混凝土结构工作室，向工作室内注入压力与刃口处地下水压力相等的压缩空气，使设备在无水的环境下进行挖土、排土，箱体在本身自重以及上部荷载的作用下下沉到指定深度，最后在沉箱结构面底部浇筑混凝土底板的一种工法。该施工方法具有施工量少、结构强度大、可以充分利用狭小的施工空间资源、施工安全可靠、对周围建筑物无影响等优点。但是，当挖掘深度较深，对应的作业气压较大时，作业人员呼吸困难，同时可在作业室内作业的时间也相应缩短，作业效率下降。此外，随着气压的加大，作业室内湿度加大，温度也升高，作业人员倍感难受，患沉箱病的概率增大。无人工法是针对克服有人工法的上述缺点，而开发的一种彻底避免有人操作的全部自动化机械的工法，最大的特点是无人进箱，所有作业全部使用遥控机械完成，故作业人员得到彻底解放；作业时间不受限制，故挖掘效率大大提高，进而促使成本降低，施工安全可靠。当气压沉箱采用无人化、自动化、信息化和人工呼吸保护系统等高新技术后，将使得地下空间的开发利用，可以向大深度、大面积的方向发展，可较好的适应经济建设和社会发展的需求。地表遥控的无人工法是利用安装在沉箱挖掘铲上的摄像机和设置于箱内天顶上的监视摄像机拍摄到的沉箱内的土质状况、沉箱挖掘铲及排土系统工作状况的图像信息，经电缆传送给地表中央控制室(与沉箱工作室有100米距离)内的监视器。操作人员可以从监视器上可以清晰地观察到箱内的土质状况、沉箱挖掘铲和排土装置的工作状况图像。进而通过操作盘、电缆向箱内的挖掘机、排土装置发工作控制命令。

沉箱内的地貌形状，是地表遥控的无人工法必须关注的重点，它不仅涉及沉箱挖掘铲的挖掘方向与效率，还对沉箱的姿态有重大影响，另外对于沉箱的密闭性也至关重要，可以认为，挖掘形状的三维还原与显示，直接决定工作的效率和沉箱的质量。

经对现有技术文献的检索发现，日本发明专利(专利号JP1165827)公布了一种利用工业摄像机组成的沉箱内地质监视系统，这种方法无法显示沉箱内三维地貌。日本发明专利(专利号JP3221617)提出了一种利用超声波传感对沉箱内状况进行采集、处理，并在地表控制室显示的系统，这种方法存在信息损失、精确度低等缺点。因此研究一种面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统，对沉箱内地貌形状进行三维显示，为操作人员提供挖掘依据，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统，使其能实时地采集沉箱内挖掘铲下的地貌状况，实时远距离传输，对采集的信息进行建模还原，显示沉箱内较为准确的三维地貌图象，提供给在地表控制室内操作人员进行精确遥控挖掘的依据，提高沉箱无人化施工的精确性和可靠性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括四个模块：激光信号采集与处理模块、信号传输模块、运动控制模块和三维地貌建模与显示模块。激光信号采集与处理模块采集设置在沉箱顶板上的激光传感器的信号，对采集的信号进行放大处理、模数转换，然后送给串行通信缓冲器，供信号传输模块传送；信号传输模块完成激光信号采集与处理模块输出的信号由沉箱内处理器到中央控制室内处理器之间的远程传输；运动控制模块控制激光传感器沿其扫描的平面一条垂直轴旋转，从而辅助系统得到三维信息；三维地貌建模与显示模块对信号传输模块送来的信息以及运动控制模块传来的角度信息进行建模、还原，在显示器上准确地显示出沉箱内的地貌三维形状。

所述的激光信号采集与处理模块，负责采集安装在沉箱顶板上的激光传感器的信号，对采集的信号进行放大处理、模数转换，然后送给串行通信缓冲器，供信号传输模块传送信号。激光信号采集与处理模块硬件由施工现场的激光传感器和处理器组成，监控对象为沉箱内地貌状况，可根据沉箱平面形状来安置激光传感器位置，一般在沉箱顶板的几何中心，高度适宜。信号的采集与处理集成一起，由一个处理器处理，其输出信号经信号传输模块传送到地面控制室内处理器处理。

所述的信号传输模块负责将激光信号采集与处理模块的输出信号传送到地表控制室内的处理器。信号传输模块硬件主要由UART(通用异步接收器发送器)构成。串行通信可提供高达10Mb/s的传输速率，加快信号传输，缩短了传输时间。通过串行通信可以实现远距离传输，在工业领域内数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。串行通信为激光三维地貌显示带来的好处有：传输速率高、传输距离远、接线少、费用低廉。

所述的运动控制模块负责控制激光传感器沿其扫描的平面一条垂直轴旋转，从而辅助系统得到三维信息。激光传感器扫描是一个平面，运动控制系统则控制激光传感器沿其扫描平面的垂直轴方向旋转，从而地表控制室内主处理器得到三维信息。运动控制模块主要由云台电机和角度传感器构成。云台电机驱动激光传感器沿其扫描平面的垂直轴旋转，角度传感器则可以得到激光传感器精确的旋转角度。

所述的三维地貌建模与显示模块对信号传输模块送来的特征信息以及运动控制模块传来的角度信息进行建模、还原，在显示器上准确地显示出沉箱内的地貌三维形状。地表控制室内主处理器(PC)主要通过软件拟合实现对传输来的数据进行三维建模与显示。它利用各种传感器对沉箱内施工现场进行实时扫描，获得离散点的三维信息，通过软件用拟合算法将离散的点转换成三维曲面，并在显示屏上实时显示出沉箱内三维地貌图像。

本发明的系统可以通过对沉箱内三维地貌的实时、准确显示，实现精细施工作业，通过串行通讯技术，实现沉箱施工现场与地表控制室之间互联。工作人员可以对沉箱地貌的三维状况、挖掘机的位置、姿势及自动装土等设备之间的相互关系可以较为准确的把握，并参考该部分信息作出判断，完成施工。总体上来说实现了地表遥控气压沉箱无人化施工时对沉箱内地貌的三维显示，保障了气压沉箱的施工准确、安全，降低了施工费用，提高了生产效率，从而降低了生产成本，提高了企业竞争力。

附图说明

图1本发明面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统示意图。

图2激光扫描仪与云台电机工作示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的系统作进一步描述。

本发明系统组成如图1所示，包括四个模块：激光信号采集与处理模块、信号传输模块、运动控制模块和三维地貌建模与显示模块。其中硬件主要包括激光扫描仪LMS200(包括激光传感器和信号采集与处理部分)、云台电机与角度传感器和地表控制室内主处理器PC机。

激光信号采集与处理模块通过安装在沉箱顶板上的激光传感器采集沉箱内地层状况信息。本发明中激光传感器采用德国Sick公司生产的型号为LMS200的LaserScanner，其扫描范围为一个0-180度，分辨率为0.5度，它以75Hz的速率扫描沉箱内一个平面信息，获得地层离散点的角度和半径信息，其输出信号经过放大、A/D转换处理，送至处理器，处理器进行临时性存储，送到串口发送缓存，利用信号传输模块将信息传送到地表控制室内主处理器。

因为激光传感器扫描是一个平面，要得到三维信息，需要另一个方向的信息。运动控制模块利用云台电机用来驱动激光传感器沿其扫描的平面内一条垂直轴旋转，如图2所示，利用角度传感器采集激光传感器的旋转角度，将采集的角度信息经过处理后送至地表控制室内主处理器，从而得到三维信息数据。

信号传输模块将激光传感器采集的地层各离散点的信息以串行通信方式，送至地表控制室主处理器，可供随时浏览、检查和三维建模还原、显示。对于串行通讯，我们可以选择不同的标准。RS-485标准，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率为1Mb/s。这对于沉箱内地层平面深度信息的传输而言，已经能满足通讯要求。

三维地貌建模与显示模块由地表控制室内主处理器PC机负责接收沉箱现场各传感器采集的信息，进行存储，可供以后浏览、检查；同时PC机通过软件拟合实现沉箱内地貌三维形状的还原与显示。PC机首先读取激光传感器实时扫描的地层离散点的二维信息，再结合角度传感器传送的一维角度信息，用拟合算法将离散的点转换成三维曲面，并在显示屏上实时显示出沉箱内三维地貌图像。

Claims (5)

1、一种面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统，其特征在于，包括四个模块：

激光信号采集与处理模块采集沉箱内地貌信息，并对采集的信号进行处理，然后送给串行通信缓冲器，供信号传输模块传送；

信号传输模块完成激光信号采集与处理模块输出的信号由沉箱内处理器到中央控制室内处理器之间的远程传输；

运动控制模块控制激光传感器沿其扫描的平面一条垂直轴旋转，从而辅助系统得到三维信息；

三维地貌建模与显示模块对信号传输模块送来的信息以及运动控制模块传来的角度信息进行建模、还原，在显示器上准确地显示出沉箱内的地貌三维形状。

2、根据权利要求1所述的面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统，其特征是，所述的激光信号采集与处理模块，负责采集安装在沉箱顶板上的激光传感器的信号，对采集的信号进行放大处理、模数转换，然后送给串行通信缓冲器，供信号传输模块传送信号。

3、根据权利要求1或者2所述的面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统，其特征是，所述的激光信号采集与处理模块，其监控对象为沉箱内地貌状况，可根据沉箱平面形状来安置激光传感器位置，在沉箱顶板的几何中心，信号的采集与处理集成一起，由一个处理器处理，其输出信号经信号传输模块传送到地面控制室内处理器处理。

4、根据权利要求1所述的面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统，其特征是，所述的信号传输模块，负责将激光信号采集与处理模块的输出信号传送到地表控制室内的处理器，其串行通信可提供高达10Mb/s的传输速率。

5、根据权利要求1所述的面向气压沉箱激光三维地貌实时显示系统，其特征是，所述的运动控制模块，其运动控制系统则控制激光传感器沿其扫描平面的垂直轴方向旋转，从而地表控制室内主处理器得到三维信息。

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