CN203479269U - 一种隧道横断面形状测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于隧道横断面测量领域，公开了一种隧道横断面形状测量装置。该隧道横断面形状测量装置，包括：交换机、数据采集卡、工控机、车辆、第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达、第三激光扫描雷达、第四激光扫描雷达、增量式旋转编码器；第一激光扫描雷达、第四激光扫描雷达对应垂直朝向隧道的上顶面和下底面，第二激光扫描雷达、第三激光扫描雷达对应水平朝向隧道的左侧面和右侧面；第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达位于同一竖直平面内；第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达、第三激光扫描雷达、第四激光扫描雷达均通过交换机电连接工控机，增量式旋转编码器通过数据采集卡电连接工控机。
Description
一种隧道横断面形状测量装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及隧道横断面测量领域，尤其涉及一种隧道横断面形状测量装置。背景技术
[0002] 在隧道工程竣工时，为了检验隧道的施工是否符合设计要求，同时也为下一步的设备安装和运营管理提供基础信息，通常需要对隧道的横断面形状进行测量。另外在对既有隧道进行改造时，需要检测隧道衬砌内轮廓是否满足目前的技术要求，因此也需要对隧道的横断面形状进行测量。
[0003] 以往在对隧道横断面形状的测量过程中，通常人工测量方法，例如使用钓鱼法或倒尺法。但是这两种测量方法都存在一定的局限性，例如采用人工测量，效率低下；需要保持垂球静止或水准尺垂直，从而导致很难找到准确的断面点；横断面采集点的数量有限，影响隧道横断面形状测量的精确性等。
实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于提出一种隧道横断面形状测量装置。该隧道横断面形状测量装置具有控制准确、响应迅速的特点，适合在隧道检测上使用。
[0005] 为实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案予以实现。
[0006] 一种隧道横断面形状测量装置，包括:交换机、数据采集卡、工控机、用于沿隧道车道中心线行驶的车辆、安装在车辆尾部的上表面的第一激光扫描雷达、安装在车辆尾部的左侧面的第二激光扫描雷达、安装在车辆尾部的右侧面的第三激光扫描雷达、安装在车辆的后表面的第四激光扫描雷达、固定在车辆的一个后轮的转轴上的增量式旋转编码器；其中，第一激光扫描雷达、第四激光扫描雷达对应垂直朝向隧道的上顶面和下底面，第二激光扫描雷达、第三激光扫描雷达对应水平朝向隧道的左侧面和右侧面；第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达位于同一竖直平面内；
[0007] 所述第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达、第三激光扫描雷达、第四激光扫描雷达分别电连接交换机的输入端，所述交换机的输出端电连接所述工控机；所述增量式旋转编码器通过数据采集卡电连接所述工控机。
[0008] 本实用新型的特点和进一步改进在于:
[0009] 所述第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达、第三激光扫描雷达和第四激光扫描雷达具有相同的采样频率。
[0010] 所述第一激光扫描雷达位于车辆的上表面的横向中心线上，所述第二激光扫描雷达位于车辆的左侧面的横向中心线上，第三激光扫描雷达位于车辆的右侧面的横向中心线上，所述第四激光扫描雷达位于车辆的后表面的纵向中心线上。
[0011] 所述隧道横断面形状测量装置还包括固定在车辆内部的机柜，所述交换机、数据采集卡和工控机均固定安装在机柜内部。
[0012] 本实用新型的有益效果为:该隧道横断面形状测量装置具有控制准确、响应迅速的特点，适合在隧道检测上使用。
附图说明
[0013] 图1为本实用新型的一种隧道横断面形状测量装置的电气连接示意图；
[0014] 图2为本实用新型的一种隧道横断面形状测量装置的右视示意图；
[0015] 图3为本实用新型的一种隧道横断面形状测量装置的局部后视示意图；
[0016] 图4为本实用新型的一种隧道横断面形状测量装置的工作过程示意图。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0018] 本实用新型实施例提出了一种隧道横断面形状测量装置。该隧道横断面形状测量能够实时准确的对隧道的横断面的形状进行测量，从而为隧道的验收以及改建提供必要的技术支持。
[0019] 参照图1，为本实用新型的一种隧道横断面形状测量装置的电气连接示意图；参照图2，为本实用新型的一种隧道横断面形状测量装置的右视示意图；参照图3，为本实用新型的一种隧道横断面形状测量装置的局部后视示意图。本实用新型实施例中，采用车辆1作为隧道横断面形状的测量平台，并在箱式车辆1安装四个激光扫描雷达以及一个增量式旋转编码器7。例如，车辆1为箱式车辆。采用四个具有相同采样频率的激光扫描雷达对应采集隧道上顶面、左侧面、右侧面和下底面的轮廓信息，并将该信息以点云数据的形式实时传送给高性能的工控机9 ;同时增量式旋转编码器7实时地采集车辆1的行驶速度信息，并将该信息通过串口实时传送给高性能的工控机9。工控机9接收完所有数据后，根据接收的点云数据计算得出隧道所有采样点的横断面形状，根据所接收的行驶速度计算得出所有的采样距离。然后根据计算得到的隧道横断面形状以及与之相对应的采样距离，在三维直角坐标系中将其描绘出来后，便可以直观的显示出隧道横断面的形状。这种隧道横断面形状测量装置具有控制准确、响应迅速的特点，适合在隧道检测上使用。
[0020] 参照图2和图3，本实用新型实施例中，车辆1用于沿着隧道中心线从隧道入口向隧道出口行驶。四个激光扫描雷达分别为第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3、第三激光扫描雷达4和第四激光扫描雷达5，这四个激光扫描雷达用于对应采集隧道上顶面、左侧面、右侧面和下底面的轮廓曲线点云数据。第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3、第三激光扫描雷达4和第四激光扫描雷达5的型号相同，从而保证这四个激光扫描雷达具有相同的采样频率，这样四个激光扫描雷达可以在采样点同时工作，从而可以得到每个采样点对应的横断面的轮廓曲线点云数据。例如，第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3、第三激光扫描雷达4和第四激光扫描雷达5均为H0KUY0公司的UXM-30LX-EW激光扫描雷达，四个激光扫描雷达的采样频率为20Hz。在这四个激光扫描雷达中，第一激光扫描雷达2固定安装在车辆1尾部的上表面的横向中心线上，第二激光扫描雷达3固定安装在车辆1尾部的左侧面的横向中心线上，第三激光扫描雷达4固定安装在车辆1尾部的右侧面的横向中心线上，第四激光扫描雷达5固定安装在车辆1的后表面的纵向中心线上。当车辆1位于隧道入口处的车道中心线时，第四激光扫描雷达5距离隧道下底面的垂直高度与第一激光扫描雷达2距离隧道上顶面的垂直高度相等。第一激光扫描雷达2、第四激光扫描雷达5对应垂直朝向隧道的上顶面和下底面，第二激光扫描雷达3、第三激光扫描雷达4对应水平朝向隧道的左侧面和右侧面。四个激光扫描雷达通过发射激光来采集隧道横断面的轮廓曲线点云数据。第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4位于同一竖直平面内，第四激光扫描雷达5与该竖直平面的距离小于20cm，可以近似认为第四激光扫描雷达5与其余三个激光扫描雷达位于同一竖直平面内。第四激光扫描雷达5与该竖直平面的距离小于20cm，通过在后续的数据处理时进行平移修正，使得第四激光扫描雷达5所采集的数据与其余三个激光扫描雷达所采集的数据位于同一竖直平面内。工控机在接收到这些数据后，将第四激光扫描雷达5的点云数据进行平移后，再采用图像拼接方法就可以得出对应的隧道横断面的形状。这样在每个采样点，四个激光扫描雷达就可以采集对应的横断面(即上述竖直平面)的轮廓曲线点云数据，工控机在接收到这些数据后，采用图像拼接方法就可以得出对应的横断面的形状。
[0021] 参照图1，本实用新型实施例中，还设置有交换机6，在进行电气连接时，将上述四个激光扫描雷达的输出端与交换机6相连接，将交换机6通过网线与工控机9的网口相连接。交换机用于实现四个激光扫描雷达与工控机之间的数据传输。本实用新型实施例中，四个相同的激光扫描雷达和交换机6构成了横断面数据采集单元。
[0022] 参照图1和图2，本实用新型实施例中，在车辆1的一个后轮的转轴上固定有增量式旋转编码器7，具体地说，增量式旋转编码器7以同轴套接的方式固定在后轮的转轴上。该增量式旋转编码器7实时采集车辆1的行驶速度，具体地说，增量式旋转编码器7实时的将测量车的行驶车速转换成周期性的脉冲信号，然后通过对单位时间内的脉冲信号进行计数，即可反向计算出车辆1的行驶速度。本实用新型实施例中，还设置有数据采集卡8，在进行电气连接时，将增量式旋转编码器7的输出端与数据采集卡相连接，将数据采集卡8通过串口线与工控机9计算单元的串口相连接。在车辆1向前行驶的过程中，增量式旋转编码器7将脉冲信号发送至数据采集卡8，数据采集卡8通过记录单位时间内增量式旋转编码器7所发送的脉冲信号数，计算得到车辆1的实时行驶速度，并将该实时行驶速度发送至工控机9。本实用新型实施例中，增量式旋转编码器7和数据采集卡8构成车速采集单元。
[0023] 本实用新型实施例中，工控机9用于存储交换机6和数据采集卡8所传送过来的数据，然后根据上述数据计算得到隧道横断面的三维形状并将其在三维直角坐标系中描绘出来。工控机9工作的具体过程如下:当车辆1行驶完隧道全程后，工控机9接收交换机6所传送过来的轮廓曲线点云数据，对第四激光扫描雷达5的点云数据进行平移，对每个采样点的四组轮廓曲线点云数据(分别为隧道上顶面、左侧面、右侧面和下底面的轮廓曲线点云数据)进行图像拼接，从而得到隧道所有采样点对应的横断面的形状。工控机9接收数据采集卡8传送过来的车辆1的实时行驶速度，根据实时行驶速度计算得出采样点对应的采样距离。例如，在某个采样点车辆1的实时行驶速度为V，四个激光扫描雷达的采样频率为f,则该采样点对应的采样距离为V/f。最后，工控机9将每个采样点对应的采样距离以及每个采样点对应的横断面的形状在三维直角坐标系中描述出来，从而可以直观的展现出隧道横断面的三维形状。例如，在三维直角坐标系中，每个采样点对应的横断面垂直于X轴，将第1个采样点对应的横断面的X轴坐标值设为0。然后根据每个采样点对应的采样距离依次在对应的X轴坐标处描绘对应的横断面的形状。
[0024] 本实用新型实施例中，还设置有机柜10，机柜10固定在车辆1内部。交换机6、数据采集卡8和工控机9均固定安装在机柜10内部。这样在车辆1行驶时，交换机6、数据采集卡8和工控机9均不会因为晃动而造成数据传输失败，提高了该隧道横断面形状测量装置的可靠性。
[0025] 参照图4，为本实用新型的一种隧道横断面形状测量装置的工作过程示意图。该隧道横断面形状测量装置的工作过程如下:车辆1沿着隧道车道中心线从隧道入口处向隧道出口处行驶；四个激光扫描雷达依次对第1采样点至第N采样点的横截面轮廓曲线点云数据进行采集，在每个采样点，第一激光扫描雷达2采集对应的横截面的上轮廓曲线点云数据，第二激光扫描雷达3采集对应的横截面的左轮廓曲线点云数据，第三激光扫描雷达4采集对应的横截面的右轮廓曲线点云数据，第四激光扫描雷达5采集对应的横截面的下轮廓曲线点云数据。四个激光扫描雷达将采集到的点云数据通过交换机实时传输至工控机。增量式旋转编码器7实时的将车辆的行驶车速转换成周期性的脉冲信号，增量式旋转编码器7将脉冲信号发送至数据采集卡8，数据采集卡8通过记录单位时间内增量式旋转编码器7所发送的脉冲信号数，计算得到车辆1的实时行驶速度(包括每个采样点对应的车辆的行驶速度)，并将该实时行驶速度发送至工控机9。当车辆1行驶完隧道全程后，数据采集工作即告结束。这时，工控机9对第四激光扫描雷达5的采样数据进行相应的数据平移后，然后对每个采样点对应的横截面的上轮廓曲线点云数据、左轮廓曲线点云数据、右轮廓曲线点云数据、下轮廓曲线点云数据进行图像拼接，从而得到隧道每个采样点对应的横断面的形状。同时，工控机9根据每个采样点对应的车辆1的行驶速度，计算得出采样点对应的采样距离。例如，在某个采样点车辆1的实时行驶速度为V，四个激光扫描雷达的采样频率为f，则该采样点对应的采样距离为V/f。最后，工控机9将每个采样点对应的采样距离以及每个采样点对应的横断面的形状在三维直角坐标系中描述出来，从而可以直观的展现出隧道横断面的三维形状。例如，在三维直角坐标系中，每个采样点对应的横断面垂直于X轴，将第1个采样点对应的横断面的X轴坐标值设为0。然后根据每个采样点对应的采样距离依次在对应的X轴坐标处描绘对应的横断面的形状。
[0026] 显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种隧道横断面形状测量装置，其特征在于，包括:交换机(6)、数据采集卡(8)、工控机(10)、用于沿隧道车道中心线行驶的车辆(I)、安装在车辆(I)尾部的上表面的第一激光扫描雷达(2 )、安装在车辆(I)尾部的左侧面的第二激光扫描雷达(3 )、安装在车辆(I)尾部的右侧面的第三激光扫描雷达(4)、安装在车辆(I)的后表面的第四激光扫描雷达(5)、固定在车辆(I)的一个后轮的转轴上的增量式旋转编码器(7);其中，第一激光扫描雷达(2)、第四激光扫描雷达(5)对应垂直朝向隧道的上顶面和下底面，第二激光扫描雷达(3)、第三激光扫描雷达(4)对应水平朝向隧道的左侧面和右侧面；第一激光扫描雷达(2)、第二激光扫描雷达(3)和第三激光扫描雷达(4)位于同一竖直平面内； 所述第一激光扫描雷达(2)、第二激光扫描雷达(3)、第三激光扫描雷达(4)、第四激光扫描雷达(5 )分别电连接交换机(6 )的输入端,所述交换机(6 )的输出端电连接所述工控机(9);所述增量式旋转编码器(7)通过数据采集卡(8)电连接所述工控机(9)。
2.如权利要求1所述的一种隧道横断面形状测量装置，其特征在于，所述第一激光扫描雷达(2)、第二激光扫描雷达(3)、第三激光扫描雷达(4)和第四激光扫描雷达(5)具有相同的采样频率。
3.如权利要求1所述的一种隧道横断面形状测量装置，其特征在于，所述第一激光扫描雷达(2)位于车辆(I)的上表面的横向中心线上，所述第二激光扫描雷达(3)位于车辆(I)的左侧面的横向中心线上，第三激光扫描雷达(4)位于车辆(I)的右侧面的横向中心线上，所述第四激光扫描雷达(5)位于车辆(I)的后表面的纵向中心线上。
4.如权利要求1所述的一种隧道横断面形状测量装置，其特征在于，还包括固定在车辆(I)内部的机柜(10)，所述交换机(6)、数据采集卡(8)和工控机(9)均固定安装在机柜(10)内部。
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