CN210321636U - 一种电缆隧道三维激光扫描装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种电缆隧道三维激光扫描装置，该电缆隧道三维激光扫描装置包括激光扫描定位装置、电缆隧道智能机器人、手持终端和若干个超宽带定位基站，激光扫描定位装置安置在电缆隧道智能机器人上并随着电缆隧道智能机器人的移动而移动，激光扫描定位装置用于对电缆隧道进行三维扫描和扫描处理得到扫描数据的可移动采集点云数据并对该激光扫描定位装置进行定位；手持终端与激光扫描定位装置通过网络连接，用于处理激光扫描定位装置在移动过程中实时的点云数据和接收服务器发送的坐标数据并显示定位数据；超宽带定位基站固定安装在所述电缆隧道内，超宽带定位基站用于接收激光扫描定位装置的信号并将接收到的信号传输给服务器。

Description

一种电缆隧道三维激光扫描装置

技术领域

本实用新型涉及电缆隧道轮廓工程领域，特别涉及一种电缆隧道轮廓定位扫描设备、外部定位装置。

背景技术

广东电网所在区域的大中城市经济发达，人口密度大，建设强度高，基本实现了新建城区和中心城区电缆全覆盖，电缆化建设水平居于走在了世界前列，甚至超过了一些发达国家重点城市的水平。随着通道投运里程的增加，在运行维护实践中发现了新的亟待解决的问题，其中在高压电缆通道空间数据高精度测量与定位方面，由于缺乏相关的技术标准和仪器设备，问题较为突出。鉴于以上的突出问题，急需对地下高压电缆隧道空间数据进行高精度测量研究及相关设备的研制，满足复杂环境下工作。探索高压电缆隧道的高精度空间测量，快速实现高压电缆隧道信息化建设。同时构建高压电缆三维空间可视化平台，实现基于高精度坐标的电缆运行管理模式及电缆通道快速可视化定位，在输电电缆规模较大的地区具有较好的推广价值。

获取高压电缆三维空间信息主要包括两部分内容：定位和三维扫描。其中，三维激光扫描得到的电缆隧道信息为扫描仪坐标系下的信息，而实际应用中需要使用到大地坐标系下的地下隧道信息，因此通过电缆隧道内部定位实现将扫描仪坐标系下的电缆隧道信息转换为大地坐标系。

目前进行三维扫描常见的技术设备有两大类:一类是静态扫描仪，这些设备在城市地下空间扫描时需要事先进行导线布设，然后在布设的已知点上进行一站一站的扫描，处理数据时需要拼接点云，效率特别低，不适合在海量的城市地下空间扫描中应用。另一类是三维移动扫描设备。首先大多数的技术设备配备有高精度的惯性导航系统，设备成本和使用成本高，不利于进行海量城市地下空间数据采集；其次设备在使用的过程中需要在已知点上严格对中整平，每次采集之前所花费的时间很长，工作效率非常低。基于实时定位与制图(SLAM)的城市地下空间三维数据采集技术将激光扫描技术与移动测量技术的优势相结合，形成一项全新的三维移动测量技术。该技术通过激光点云扫描所在环境的特征点，通过特征点来反算扫描机器所在的位置，实现在没有GPS信号和复杂惯性导航系统的环境下，仅依靠设备自身配置的简单惯性测量装置，使用SLAM算法来实现同步定位与制图的目的，但这类方法由于没有参考外部信息，在长时间的漫游后误差的积累会比较大。

传统的红外、蓝牙、Wi-Fi、RFID、Zigbee等室内定位技术也都有各自的适用场景，但无法实现电缆隧道内实时高精度定位。相比之下，基于脉冲超宽带(IR-UWB)的定位技术具有厘米级的定位精度和功耗优势。

因此，如何提高电缆隧道三维激光定位扫描的效果是本领域技术人员所关注的重点问题；有必要开发一种电缆隧道三维激光扫描装置及其移动定位方法，通过使用超宽带定位基站进行扫描仪的绝对定位，提高电缆隧道定位扫描时定位精度。

实用新型内容

本实用新型提出了一种电缆隧道三维激光扫描装置，通过使用超宽带定位基站进行扫描仪的绝对定位，提高电缆隧道定位扫描时定位精度。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是这样实现的：该电缆隧道三维激光扫描装置包括激光扫描定位装置、电缆隧道智能机器人、手持终端和若干个超宽带定位基站，所述激光扫描定位装置安置在所述电缆隧道智能机器人上并随着所述电缆隧道智能机器人的移动而移动，所述激光扫描定位装置用于对电缆隧道进行三维扫描和扫描处理得到扫描数据的可移动采集点云数据并对该激光扫描定位装置进行定位；所述手持终端与所述激光扫描定位装置通过网络连接，用于处理所述激光扫描定位装置在移动过程中实时的点云数据和接收服务器发送的坐标数据并显示定位数据；所述超宽带定位基站固定安装在所述电缆隧道内，所述超宽带定位基站用于接收所述激光扫描定位装置的信号并将接收到的信号传输给所述服务器。通过在激光扫描定位装置中设置由超宽带定位技术对扫描仪进行定位，同时又结合了激光扫描定位装置内部传感器估计自身运动，通过超宽带定位技术获得激光扫描定位装置的绝对位置坐标对设备进行了自身位置的校正，同时实现点云数据的坐标转换。从而避免了因使用环境和人工操作对定位精度的影响，可以更加精确的以大地坐标系对参考设备进行定位，提高了定位的精度和准确度。

作为本实用新型的优选的技术方案，所述激光扫描定位装置包括三维激光扫描仪和超宽带定位标签，所述超宽带定位标签设置于所述三维激光扫描仪的外壳内；所述三维激光扫描仪用于对所述电缆隧道进行三维扫描和扫描处理得到扫描数据的可移动采集点云数据；所述超宽带定位标签用于对所述三维激光扫描仪进行定位并将定位数据信号发送给所述超宽带定位基站。

采用上述技术方案，激光扫描定位装置在移动扫描过程中，超宽带定位标签发送定位数据信号被超宽带定位基站接收，通过手持终端内的数据预处理软件中输入已获得的扫描仪绝对坐标值实现点云数据的坐标转换，将局部坐标系下的点云数据转换到世界坐标系下，进而实现不同测点的点云数据间的精准拼接；在依靠扫描仪内部传感器估计自身运动的同时，使用超宽带定位系统感知外部环境，对获得的信息进行分析提取环境特征并保存，在下一步通过对环境特征的比较对自身位置进行校正。有效解决了地下电缆隧道难以直接使用导航信号辅助测量的难题，实现城市地下空间数据的快速、便捷、低成本的采集目前在电缆隧道工程领域很多仪器都会包含隧道轮廓扫描中所用到的功能，但在扫描测试过程中，相关设备连接和数量较多且实现复杂。同时，一个点或者一个标识实现扫描仪的快速绝对位置设站和定向而使得传统的控制测量原理无法快速易行的在扫描仪上实现，因此导致三维激光扫描仪在做需要绝对定位坐标系统的传统测量作业中，无法在不损耗精度和作业效率的情况下，快速实现绝对定位。

作为本实用新型的优选的技术方案，所述三维激光扫描仪的外壳上设有所述超宽带定位标签的充电接口。内设的电池的电量可以维持一个月，通过充电接口每隔一个月进行一次充电。

作为本实用新型的优选的技术方案，相邻两个所述超宽带定位基站之间的距离为120～150米，所述超宽带定位基站固定在所述电缆隧道的顶部或边缘墙上；架设超宽带定位基站完成后在每个所述超宽带定位基站的一侧加布PA无线设备，保证超宽带定位基站进行无线传输。

作为本实用新型的优选的技术方案，所述手持终端为基于windows系统的三维激光扫描仪平板，内置三维激光点云处理软件。

作为本实用新型的优选的技术方案，所述服务器内置有数据处理软件，包括Arena4D处理软件和超宽带定位结算引擎。

作为本实用新型的优选的技术方案，所述Arena4D处理软件是专门针对三维点云和GIS数据信息挖掘、可视化操作、内容浏览、视频输出、网络发布的应用而研发的具有超强数据承载力的多功能软件；所述超宽带定位结算引擎是利用事先写入的定位算法对超宽带定位基站发送的定位数据进行解算，得到目标的定位结果；该超宽带定位结算引擎可以接收超宽带定位基站发回的定位数据，对定位目标的位置解算同时输出绝对的坐标信息。

作为本实用新型的优选的技术方案，所述手持终端与所述激光扫描定位装置通过有线网络或无线网络连接，且所述手持终端与所述服务器通过无线网络相连接。

本实用新型提出了一种电缆隧道三维激光扫描装置的移动定位方法，通过使用超宽带定位基站进行扫描仪的绝对定位，提高电缆隧道定位扫描时定位精度。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是这样实现的：该电缆隧道三维激光扫描装置的移动定位方法，具体包括以下步骤：

(1)将若干个超宽带定位基站固定在需要采集三维数据的电缆隧道内；

(2)激光扫描定位装置随着在电缆隧道智能机器人上移动通过三维激光扫描仪采集电缆隧道内部的三维点云数据，同时通过所述三维激光扫描仪内置的超宽带定位标签发送定位数据信号给超宽带定位基站；

(3)所述超宽带定位基站将接收到的定位数据信号传输给服务器，通过服务器内安装的定位结算引擎进行坐标计算，获取相对坐标后再通过转换成依靠大地坐标系的绝对定位坐标；

(4)将所述步骤(2)采集到的三维点云数据与所述步骤(3)转换后的绝对定位坐标传输给服务器；通过在所述服务器中内置的数据处理软件中输入已获得的绝对定位坐标实现点云数据的坐标转换，将局部坐标系下的点云数据转换到世界坐标系下，进而实现不同测点的点云数据间的精准拼接；

(5)通过数据处理软件处理后输出定位好的具有与地上大地坐标系统一致的三维激光点云数据结果。

作为本实用新型的优选的技术方案，所述步骤(3)中通过服务器内安装的定位结算引擎进行坐标计算的方法为：假设距离最近的两个值为d₁、d₂，与之对应的两个超宽带定位基站坐标分别为(x₁,y₀)、(x₂,y₀)，该定位系统的坐标设为(x,y)，则可得到如下公式(1)的方程组：

在一维定位算法中认为该定位系统在两个超宽带定位基站连线上运动，即y＝y₀，代入公式(1)解算得到x值，即得到扫描仪在电缆隧道内的定位数据。

与现有技术相比，本实用新型的具有以下有益效果：通过超宽带定位技术，可以提高隧道内点云扫描精度；本实用新型能够在保证扫描仪的实时位置和方向精度的前提下，降低绝对定位数据采集工作的复杂度，方便软件进行快速数据自动匹配和计算，并且使得三维激光扫描仪获得的海量点云数据的拼接和绝对定位不再受计算机性能的局限，本实用新型还能够直接获得具有与用户工程坐标系一致的三维激光点云数据，从而使用更加方便，定位更加准确和快速。

附图说明

图1为本实用新型的地下电缆隧道轮廓定位扫描设备的结构示意图；

图2为本实用新型的电缆隧道三维激光扫描装置的移动定位方法的流程图；

图3为本实用新型的电缆隧道三维激光扫描装置的移动定位方法的一维空间定位方法示意图；

其中，1-激光扫描定位装置；2-三维激光扫描仪；3-超宽带定位标签；4-电缆隧道智能机器人；5-手持终端；6-超宽带定位基站。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的实施例图中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例：如图1所示，该电缆隧道三维激光扫描装置包括激光扫描定位装置1、电缆隧道智能机器人4、手持终端5和若干个超宽带定位基站6(简称基站)，所述激光扫描定位装置1安置在所述电缆隧道智能机器人4上并随着所述电缆隧道智能机器人4的移动而移动，所述激光扫描定位装置1用于对电缆隧道进行三维扫描和扫描处理得到扫描数据的可移动采集点云数据并对该激光扫描定位装置1进行定位；所述手持终端5与所述激光扫描定位装置1通过有线网络连接，用于处理所述激光扫描定位装置1在移动过程中实时的点云数据和接收服务器发送的坐标数据并显示定位数据；所述超宽带定位基站6固定安装在所述电缆隧道内，所述超宽带定位基站6用于接收所述激光扫描定位装置1的信号并将接收到的信号传输给所述服务器；所述激光扫描定位装置1包括三维激光扫描仪2(简称扫描仪)和超宽带定位标签3(简称标签)，所述超宽带定位标签3设置于所述三维激光扫描仪2的外壳内；所述三维激光扫描仪2用于对所述电缆隧道进行三维扫描和扫描处理得到扫描数据的可移动采集点云数据；所述超宽带定位标签3用于对所述三维激光扫描仪2进行定位并将定位数据信号发送给所述超宽带定位基站6；所述三维激光扫描仪2的外壳上设有所述超宽带定位标签3的充电接口；内设的电池的电量可以维持一个月，通过充电接口每隔一个月进行一次充电；相邻两个所述超宽带定位基站6之间的距离为120～150米，所述超宽带定位基站6固定在所述电缆隧道的顶部；所述手持终端5为基于windows系统的三维激光扫描仪平板，内置三维激光点云处理软件；所述数据处理软件包括Arena4D处理软件和超宽带定位结算引擎；所述Arena4D处理软件是专门针对三维点云和GIS数据信息挖掘、可视化操作、内容浏览、视频输出、网络发布的应用而研发的具有超强数据承载力的多功能软件；所述超宽带定位结算引擎是利用事先写入的定位算法对超宽带定位基站发送的定位数据进行解算，得到目标的定位结果；该超宽带定位结算引擎可以接收超宽带定位基站发回的定位数据，对定位目标的位置解算同时输出绝对的坐标信息；所述手持终端5与所述激光扫描定位装置1通过有线网络或无线网络连接，且所述手持终端5与所述服务器通过无线网络相连接。

如图2所示，该电缆隧道三维激光扫描装置的移动定位方法，具体包括以下步骤：

(1)将若干个超宽带定位基站6固定在需要采集三维数据的电缆隧道内；架设超宽带定位基站，在电缆隧道内部每隔120到150米布设一个超宽带定位基站6，超宽带定位基站6布设在隧道顶部或边缘墙上；这个固定距离可以保证三维激光扫描仪2的一维定位精度，三维激光扫描仪2在移动获取点云数据过程中可以固定在电力隧道智能巡检机器人4上，确定其高度；然后，采用全站仪从地上设置参考点并引入到地下，确定地下超宽带定位基站6的坐标系为直接坐标系；通过超宽带定位结算引擎，将获取的超宽带定位标签3的坐标进行实时转换输出依靠大地坐标系的绝对坐标；架设超宽带定位基站6完成后在每个基站附近加布PA无线设备，保证超宽带定位基站进行无线传输；

(2)激光扫描定位装置1随着在电缆隧道智能机器人4上移动通过三维激光扫描仪2采集电缆隧道内部的三维点云数据，同时通过所述三维激光扫描仪2内置的超宽带定位标签3发送定位数据信号给超宽带定位基站6；其中手持终端5通过三维激光扫描仪2，在三维激光扫描仪2移动过程中实时处理点云数据，同时，手持终端5通过无线wifi接收服务器发送的绝对坐标数据；

(3)所述超宽带定位基站6将接收到的定位数据信号通过有线或无线网络传输给路由器并上传给服务器，服务器内安装的定位结算引擎，通过服务器定位结算引擎的一维定位算法输出超宽带定位标签的精确定位坐标，进行坐标计算，获取相对坐标后再通过转换成依靠大地坐标系的绝对定位坐标，确定超宽带定位系统安装成功；

服务器内安装的定位结算引擎通过一维定位算法进行定位坐标计算的方法为：考虑到地下高压电缆通道的狭长特性，基于超宽带定位基站一维线型方式布设，采用无线信号的双向飞行时间模型获取所述定位系统与超宽带定位基站6的距离，然后选取距离最近的两个超宽带定位基站进行一维高精度定位算法解算。具体的计算方法如下：

假设距离最近的两个值为d₁、d₂，与之对应的两个超宽带定位基站坐标分别为(x₁,y₀)、(x₂,y₀)，该定位系统的坐标设为(x,y)，则可得到如下公式(1)的方程组：

在一维定位算法中认为该定位系统在两个超宽带定位基站连线上运动，即y＝y₀，代入公式(1)解算得到x值，即得到扫描仪在电缆隧道内的地下定位数据；

(4)将所述步骤(2)采集到的三维点云数据与所述步骤(3)转换后的绝对定位坐标传输给服务器；将点云数据及绝对坐标数据导入到Arena4D软件中；通过在服务器中内置的Arena4D软件实现点云数据的坐标转换，将局部坐标系下的点云数据转换到世界坐标系下，进而实现不同测点的点云数据间的精准拼接；Arena4D软件根据被测隧道的三维点云数据和扫描仪的绝对坐标点进行处理，具体方法为：根据三维激光扫描仪2的原始数据所在的临时任意空间坐标系与超宽带定位技术获取的高精度定位坐标点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数，将三维激光扫描仪2的原始数据中的每一个点的相对任意空间坐标系坐标，转换到与超宽带定位技术获取的绝对位置坐标系中的坐标，进而实现不同测点的点云数据间的精准拼接，并作为中间成果输出到软件输出模块；

(5)手持终端5的输出模块输出定位好的具有与超宽带定位测量坐标系统一致的三维激光点云数据结果。

本实用新型与现有地下通道中采用全站仪、安装标靶方式等坐标定位方法相比，设备搬运组装和拆卸简便，省去了大量的中间准备环节，极大地提高了采空区的扫描效率。同时在电缆隧道通道内结合电力隧道智能机器人极大地提高了三维激光扫描仪的扫描精度，适用于高压电缆隧道的运维管理。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电缆隧道三维激光扫描装置，其特征在于，该电缆隧道三维激光扫描装置包括激光扫描定位装置、电缆隧道智能机器人、手持终端和若干个超宽带定位基站，所述激光扫描定位装置安置在所述电缆隧道智能机器人上并随着所述电缆隧道智能机器人的移动而移动，所述激光扫描定位装置用于对电缆隧道进行三维扫描和扫描处理得到扫描数据的可移动采集点云数据并对该激光扫描定位装置进行定位；所述手持终端与所述激光扫描定位装置通过网络连接，用于处理所述激光扫描定位装置在移动过程中实时的点云数据和接收服务器发送的坐标数据并显示定位数据；所述超宽带定位基站固定安装在所述电缆隧道内，所述超宽带定位基站用于接收所述激光扫描定位装置的信号并将接收到的信号传输给所述服务器。

2.根据权利要求1所述的电缆隧道三维激光扫描装置，其特征在于，所述激光扫描定位装置包括三维激光扫描仪和超宽带定位标签，所述超宽带定位标签设置于所述三维激光扫描仪的外壳内；所述三维激光扫描仪用于对所述电缆隧道进行三维扫描和扫描处理得到扫描数据的可移动采集点云数据；所述超宽带定位标签用于对所述三维激光扫描仪进行定位并将定位数据信号发送给所述超宽带定位基站。

3.根据权利要求2所述的电缆隧道三维激光扫描装置，其特征在于，所述三维激光扫描仪的外壳上设有所述超宽带定位标签的充电接口。

4.根据权利要求2所述的电缆隧道三维激光扫描装置，其特征在于，相邻两个所述超宽带定位基站之间的距离为120～150米，所述超宽带定位基站固定在所述电缆隧道的顶部或边缘墙上；架设超宽带定位基站完成后在每个所述超宽带定位基站的一侧加布PA无线设备，保证超宽带定位基站进行无线传输。

5.根据权利要求2所述的电缆隧道三维激光扫描装置，其特征在于，所述手持终端为基于windows系统的三维激光扫描仪平板，内置三维激光点云处理软件。

6.根据权利要求5所述的电缆隧道三维激光扫描装置，其特征在于，所述服务器内置有数据处理软件，包括Arena4D处理软件和超宽带定位结算引擎。

7.根据权利要求2所述的电缆隧道三维激光扫描装置，其特征在于，所述手持终端与所述激光扫描定位装置通过有线网络或无线网络连接，且所述手持终端与所述服务器通过无线网络相连接。

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