CN218443780U - 一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于大坝监测研究的技术领域，具体属于一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备；保留了手持式三维激光扫描仪的特性，通过伸入检测坑内部实现了对检测坑点云数据的高质量采集；扫描过程中，实时观察扫描软件界面，根据扫描点云质量情况调整扫描方式，进一步保证了检测坑点云质量；仅需要扫描一次即可完成对检测坑完整扫描，减少了工作量、提高了压实度检测效率。同时，通过控制伸缩杆的长度改变扫描距离，从而适应不同大小类型的检测坑；通过电动推杆控制扫描设备的扫描角度，有效应对了检测坑坑壁凹凸不平的问题，增加了检测坑点云完整性，提高了压实度检测的准确度。

Description

一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备

技术领域

本实用新型属于大坝监测研究的技术领域，具体属于一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备。

背景技术

堆石坝填筑碾压时，特别是大型堆石坝，每层坝料需压实再取样严格检测，质量合格后，方可继续填筑。在压实度检测方法中，灌水法是目前最常用的检测手段，但灌水法存在人力消耗大、检测精度差和效率慢等问题，跟不上现代智能化和机械化的施工要求。

随着三维激光扫描技术的快速发展，利用三维激光扫描仪为检测压实度提供了新的方法和思路，关键是如何高效高质量扫描检测坑以采集其点云数据。目前能较好适用于检测坑扫描的三维激光扫描仪主要包括手持式和固定式两种。然而在这两种扫描仪因为设备本身的限制，在采集检测坑点云时都具有一定的问题。

具体如下：

1)手持式三维激光扫描仪扫描距离短(35～65cm)，堆石坝中不同坝料的检测坑直径约在30cm～200cm，深度约在30cm～150cm之间，对于体积较小的检测坑，通过人手伸入检测坑内部采集检测坑点云数据，可实现对坑壁处点云的高质量采集，然而对于堆石料等填筑后开挖的大型检测坑(直径为100～200cm，深度为100～150cm)，手持仪器无法扫描检测坑靠近底部区域，不能采集全部检测坑点云数据。

2)固定式三维激光扫描仪通过放置在检测坑外部采集检测坑点云数据，但堆石料检测坑坑壁凹凸程度严重(检测坑开挖时，因为部分填筑料粒径较大，检测坑坑壁呈现大面积凹陷或者凸出等特点)，因此采集点云时会留有大量扫描盲区，致使点云孔洞多、点云质量差，最终压实度检测精度降低。并且固定式扫描仪无法一次性扫描完整检测坑，需要多位置放置后逐次扫描，最后把各位置扫描点云拼接在一起形成完整的检测坑点云，还增大了工作量。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的当前手持式三维激光扫描仪因扫描距离短而无法完整采集大型检测坑点云数据、固定式三维激光扫描仪因存有大量扫描盲区导致检测压实度准确性和精度不足等问题，本实用新型提供一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，其目的在于：通过设计一种可变扫描距离、可变扫描角度的检测坑点云采集辅助设备，以手持式三维激光扫描仪为基础，在保留了其采集点云数据的灵活特性的基础上，以伸缩式的手段改变扫描距离以适应不同大小的检测坑，以电动推杆的形式改变扫描角度以应对坑壁不规则形状的问题，从而实现对不同大小(特别是大型检测坑)点云数据的全方位、高质量、高效率采集。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，包括手持杆以及固定安装在手持杆端部的三维激光扫描仪，所述手持杆为可伸缩杆，三维激光扫描仪与手持杆的端部转动连接，且手持杆的端部还设置有用于调节三维激光扫描仪旋转角度的调节组件。

采用上述技术方案，本实用新型保留了手持式三维激光扫描仪的特性，通过伸入检测坑内部实现了对检测坑点云数据的高质量采集；扫描过程中，实时观察扫描软件界面，根据扫描点云质量情况调整扫描方式，进一步保证了检测坑点云质量；仅需要扫描一次即可完成对检测坑完整扫描，减少了工作量、提高了压实度检测效率。同时，通过控制伸缩杆的长度改变扫描距离，从而适应不同大小类型的检测坑；通过电动推杆控制扫描设备的扫描角度，有效应对了检测坑坑壁凹凸不平的问题，增加了检测坑点云完整性，提高了压实度检测的准确度。简而言之，通过本发明，解决了常规扫描仪因自身具有局限性而不适用于大型检测坑扫描的问题，实现了高效的采集高质量、完整的检测坑点云数据。

优选的技术方案，所述可伸缩杆为电动式伸缩杆或手调式伸缩杆。

进一步的，所述手调式伸缩杆包括内杆和外杆，外杆套设于内杆上，且通过紧固件进行长度固定。

进一步的，所述紧固件为贯穿设置在外杆侧壁上的螺纹杆，螺纹杆与外杆侧壁上的通孔螺纹配合，螺纹杆端部设置有旋转盘。

优选的技术方案，所述调节组件包括一端与内杆铰接，另一端与三维激光扫描仪铰接的电动推杆，且电动推杆与内杆位于同一平面上。

优选的技术方案，所述外杆远离三维激光扫描仪的一端固设有电动推杆控制器以及电源，电动推杆控制器以及电源与电动推杆通过埋设在手持杆内部的导线连接。

优选的技术方案，所述三维激光扫描仪通过导线还连接有上位机以及移动电源。

优选的技术方案，还包括用于固定手持杆的支架

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

以手持式三维激光扫描仪为基础，将手持式三维激光扫描仪安装固定在可伸缩杆上，可实现保留其采集点云数据的灵活特性，改变可伸缩杆的长度，改变扫描距离以适应不同大小的检测坑，并通过在手持杆的端部还设置有用于调节三维激光扫描仪旋转角度的调节组件，以电动推杆的形式改变扫描角度以应对坑壁不规则形状的问题，从而实现一次性采集完整的检测坑点云，可伸入检测坑内部实现对检测坑点云的高质量采集，可实现实时观察和调整扫描进度的目的；以及对不同大小(特别是大型检测坑)点云数据的全方位、高质量、高效率采集。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本装置使用时扫描距离改变示意图；

图3是本装置使用时扫描角度改变示意图；

图4是本装置扫描检测坑边壁(近侧)的状态示意图；

图5是本装置扫描检测边壁(远侧)的状态示意图；

图6是本装置扫描检测坑底部的状态示意图；

图7是本装置坑壁大面积凹凸处的状态示意图。

附图标记：三维激光扫描仪-1；手持杆-2；电动推杆-3；内杆-201；外杆-202；紧固件-203；电动推杆控制器-4；以及电源-5；上位机-6；移动电源-7；支架-8；电源线+扫描数据传输线-9；移动工作站电源线-10；安装座-11。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1-图7对本实用新型作详细说明。

现有的手持式三维激光扫描仪1，由于其手持杆2的长度固定，导致其扫描距离短，对于堆石料碾压后开挖的大型检测坑，往往无法采集检测坑靠近底部区域的点云；且使用固定式三维激光扫描仪1扫描检测坑时出现大量扫描盲区，点云数据处理时需要对大量孔洞进行填充，导致检测坑模型与实际检测坑出现较大偏差，严重影响体积精度；且无法一次性扫描完整的检测坑，需要在多位置放置后从不同的方向逐次扫描，最后把各位置扫描点云拼接在一起形成完整的检测坑点云，增大了工作量。

为了解决上述固定式手持式三维激光扫描仪1存在的缺陷，针对工程实际，开展适用于各类检测坑体积测量的三维激光扫描仪1设备的应用研究，发明了一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，该装置包括手持杆2以及固定安装在手持杆2端部的三维激光扫描仪1，所述手持杆2为可伸缩杆，三维激光扫描仪1与手持杆2的端部转动连接，且手持杆2的端部还设置有用于调节三维激光扫描仪1旋转角度的调节组件。

具体的连接结构为：三维激光扫描仪1采用嵌入的方法卡死在安装座11上，安装座11与可伸缩的手持杆2的端部通过铰链的方式转动连接，调节组件包括一端与手持杆2铰接，另一端与三维激光扫描仪1铰接的电动推杆3，且电动推杆3与手持杆2位于同一平面上，通过上述结构，参阅图2，其通过改变手持杆2的长度，从而改变三维激光扫描仪1的扫描距离；参阅图3，通过改变电动推杆3的长度，从而改变扫描角度。

具体的，所述可伸缩杆为电动式伸缩杆或手调式伸缩杆，本实施例中，为了减轻装置整体重量，优选为结构简单的手调式伸缩杆，所述手调式伸缩杆包括内杆201和外杆202，外杆202套设于内杆201上，且通过紧固件203进行长度固定。所述紧固件203为贯穿设置在外杆202侧壁上的螺纹杆，螺纹杆与外杆202侧壁上的通孔螺纹配合，螺纹杆端部设置有旋转盘。

使用时，参阅图2，其中a为扫描距离改变前的状态示意图，b为扫描距离改变后的状态示意图；通过控制旋转盘，使可伸缩杆处于可拉伸状态；再根据实际情况，手动拉长或者缩短伸缩杆至合适长度，反向旋转旋转盘，使螺纹杆抵紧内杆201，使可伸缩杆处于锁死状态，从而改变可伸缩杆的长度。

具体的，所述安装座11设置有两个凸出的连接板，连接板分别与电动推杆3和内杆201的端部通过铰链转动连接，电动推杆3的固定端通过铰链的方式与内杆201的外表面连接，电动推杆3、内杆201以及三维激光扫描仪1处于同一平面上；外杆202远离三维激光扫描仪1的一端固设有电动推杆控制器4以及电源5，电动推杆控制器4以及电源5与电动推杆3通过埋设在手持杆2内部的导线连接；所述三维激光扫描仪1通过导线还连接有外部的上位机6以及移动电源7，具体的，上位机为移动工作站，其内置有扫描用的软件，手持式三维激光扫描仪的电源线+扫描数据传输线9顺着伸缩杆连接到移动电源7和移动工作站上；移动工作站电源线10连接移动工作站和移动电源7。

使用时，参阅图3，其中a为扫描角度改变前的状态示意图，b为扫描角度改变后的状态示意图；按下电动推杆控制器4，其中，第一个按钮是向前出力，使三维激光扫描仪1向上抬头，第二个按钮是向后出力，使三维激光扫描仪1向下低头；再根据实际情况，进行合适的抬头或者低头，从而改变三维激光扫描仪1的面向。

针对检测坑底部的扫描时，为了节省人力，可把扫描设备安置在支架8上以节省人力。

操作步骤和工作过程如下：

前期准备工作：各硬件按照设计依次连接，并确保移动电源7电量充足；打开扫描软件，根据检测坑的大小设置好扫描模式、扫描间距等参数；激活三维激光扫描仪1，进入预扫描阶段，观察扫描效果，效果合适即可进行点云采集。

一般情况下，由于反滤料、砾石土料处开挖的检测坑较小，软件参数设置时，选择蓝光精细扫描、点间距控制在0.5mm左右；由于过渡料、堆石料处开挖的检测坑较大，软件参数设置时，选择红光快速扫描、点间距控制在1mm左右。

扫描步骤：关闭扫描仪并再次激活即开始正式扫描，首先扫描检测坑坑壁靠上的部分点云；扫描一圈后，通过控制器增加伸缩杆长度，扫描检测坑坑壁中部的部分点云(图4)；扫描一圈后，继续增加伸缩杆长度，扫描检测坑坑壁靠下部分的点云(图5)。完成坑壁处的扫描后，控制电动推杆调整扫描角度，使扫描仪朝向检测坑底部(图6)。在对检测坑底部进行扫描时，继续增加伸缩杆长度直至完成对对整个检测坑底部的扫描。

使用时的注意事项：

扫描过程中，实时观察笔记本电脑上的扫描软件，在点云质量差的地方来回、变角度多次扫描。

扫描过程中，保持扫描设备与坑壁距离35～65cm，以确保最好的扫描效果。

扫描过程中，当坑壁处有大面积凹陷或凸出时，控制电动推杆3调整扫描角度实现对该处点云的高质量采集(图7)。

部分硬件参数：

IREAL 2S：(1).彩色三维扫描系统；(2).蓝光精细扫描、红外不可见光快速扫描；(3).蓝光模式点精度最高0.1mm；红外光模式点精度最高0.15mm；(4).蓝光扫描模式点间距0.2-3mm，红外光扫描模式点间距0.5-3mm；(5).扫描速度最大为1500000点/秒；(6).搭配配套的扫描软件可实现实时拼接，无须布设标记点，即可对各部分点云实时拼接，且可暂停扫描，继续扫描后仍能同步暂停前的点云数据。

电动推杆3IP60：长100mm；转速8mm/s；额定电压12V；力70N。

移动工作站：配置不低于以下参数：(1)Cpu：i7十代标压；(2).硬盘：256固态，1T机械硬盘；(3).显卡：P620，显存4G；(4).内存：32G。

移动电源7：(1).功能：既可给扫描仪供电也可同时给移动工作站供电；(2).第一路电源5输出：19.5V/12.3A；(3).第二路电源5输出：24V/6.67A；(4).输入：16.8V/5A；(5).总输出功率：最大400W；(6)电池容量158Wh。

上位机6中的扫描软件RealViewer：(1).根据物品表面特性，软件可以调整数据采集点间距、曝光度和光源形式，保证获取最佳的数据模型；(2).支持点云选取、删除及自动删除杂点，自动形成封闭的三角面片；(3).具备三角面片处理功能，包括：网格优化、自动选取并删除非连接项、删除钉状物、滤波平滑、补洞等功能；(4).红外光和蓝光模式随时切换，支持撤回帧功能。(5).搭配IREAL 2S扫描仪可实时观察扫描状态。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，包括手持杆(2)以及固定安装在手持杆(2)端部的三维激光扫描仪(1)，其特征在于，所述手持杆(2)为可伸缩杆，三维激光扫描仪(1)与手持杆(2)的端部转动连接，且手持杆(2)的端部还设置有用于调节三维激光扫描仪(1)旋转角度的调节组件。

2.根据权利要求1所述的一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，其特征在于，所述可伸缩杆为电动式伸缩杆或手调式伸缩杆。

3.根据权利要求2所述的一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，其特征在于，所述手调式伸缩杆包括内杆(201)和外杆(202)，外杆(202)套设于内杆(201)上，且通过紧固件(203)进行长度固定。

4.根据权利要求3所述的一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，其特征在于，所述紧固件(203)为贯穿设置在外杆(202)侧壁上的螺纹杆，螺纹杆与外杆(202)侧壁上的通孔螺纹配合，螺纹杆端部设置有旋转盘。

5.根据权利要求3所述的一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，其特征在于，所述调节组件包括一端与内杆(201)铰接，另一端与三维激光扫描仪(1)铰接的电动推杆(3)，且电动推杆(3)与内杆(201)位于同一平面上。

6.根据权利要求3所述的一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，其特征在于，所述外杆(202)远离三维激光扫描仪(1)的一端固设有电动推杆控制器(4)以及电源(5)，电动推杆控制器(4)以及电源(5)与电动推杆(3)通过埋设在手持杆(2)内部的导线连接。

7.根据权利要求1所述的一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，其特征在于，所述三维激光扫描仪(1)通过导线还连接有上位机(6)以及移动电源(7)。

8.根据权利要求1所述的一种可变距离及角度的堆石坝检测坑点云采集辅助设备，其特征在于，还包括用于固定手持杆(2)的支架(8)。

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