CN2911606Y - 隧道限界检测快速测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种隧道限界检测快速测量装置，包括转动机构、测量所述转动机构转动角度的角度编码器和测量目标点距离的激光测距仪，所述角度编码器和激光测距仪固定在所述转动机构的最终转动部分上，还包括控制所述转动机构连续转动或间歇转动的计算机微处理器，所述计算机微处理器分别与所述角度编码器、激光测距仪和转动机构连接。本实用新型根据隧道等限界检测的特点，采用计算机微处理器实时控制方式实现了将间歇测量和连续测量的有机结合，根据目标点测量时的反射信号强弱智能地调整测量速度，在保证精度的前提下提高了测量速度，使测量速度明显高于同档次的利用传统方法测量的仪器，且设计简单、成本低。

Description

隧道限界检测快速测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种大地测量装置，特别是一种隧道限界检测快速测量装置。

背景技术

在隧道等限界检测中，为了详细、客观地描绘测量对象以便科学地指导施工，往往要加大测量点密度，通常每个断面要求测量上百个点甚至更多，同时，为了提高测量效率和保证安全，又要求每个断面的测量时间越短越好。

现有技术测量控制装置一般采用二种实施方案：间歇测量和连续测量。间歇测量是指激光测距仪测头每转到一个测量点就停止转动，在静止状态下测量该位置对应测量目标的距离，测距完毕后再驱动测头转动到下一测量点。该测量方式可以保证测量精度，但由于每次必须停下来测量，测量速度很慢，效率低，不适合高密度点测量情况。连续测量是指激光测距仪测头边旋转边测量，该测量方式虽然提高了测量效率，但测量误差较大。这是因为激光测距仪的测距时间是不确定的，受距离和目标环境影响，有时测量一个点的时间较长。当测距时间较长时，由于激光测距仪测头一直在转动，激光将在目标上扫过很长距离，这时所测到的距离已不是某个点，因此导致较大的测量误差。一种测量速度高、能保证测量精度且成本低的隧道限界检测控制装置一直是人们追求的目标。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种隧道限界检测快速测量装置，通过将间歇测量和连续测量有机结合起来，有效解决现有技术单一测量方式存在的技术问题，在保证测量精度前提下，对高密度点的测量速度明显高于同档次的测量仪器，同时还具有低成本等特点。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种隧道限界检测快速测量装置，包括转动机构、测量所述转动机构转动角度的角度编码器和测量目标点距离的激光测距仪，所述角度编码器和激光测距仪固定在所述转动机构的最终转动部分上，还包括控制所述转动机构连续转动或间歇转动的计算机微处理器，所述计算机微处理器分别与所述角度编码器、激光测距仪和转动机构连接。

所述计算机微处理器包括距离采集模块、角度采集模块、存储模块和控制模块，所述距离采集模块分别与激光测距仪和控制模块连接，所述角度采集模块分别与角度编码器和控制模块连接，所述控制模块还与所述转动机构和存储模块连接。

所述控制模块为单片机89C55WD，其TXD、RXD脚通过距离采集模块连接所述激光测距仪，其INT0、INT1脚通过角度采集模块连接所述角度编码器，其P1.0、P1.1脚通过电机驱动电路连接所述转动机构。进一步地，所述角度采集模块为正交编码脉冲及细分电路。

本实用新型基于测量速度和精度两方面考虑，在从事此类产品设计制造多年丰富经验及专业知识基础上，提出了一种新型的用于隧道等限界检测的快速测量装置，根据目标点测量时的反射信号强弱智能地调整测量速度，也就是说，在保证精度的前提下提高测量速度。

本实用新型技术方案的设计构思是：根据隧道等限界检测的特点，人们关心的是所测对象的整体轮廓，而不是某个点的细节，因此在较短的时间内，激光在目标上扫过的地方到激光测距仪测头的距离不会有突变，这样就可以用较短时间内激光在目标上扫过的线来代替目标上某个点，这条线越短就越趋近于所测点，测量精度也就越高。根据所要求的测量精度，可以设定这条线的上限L₀设激光测距仪旋转角度为θ，当θ很小时，有L＝R×θ，其中，L为激光测距仪旋转角度θ时激光在目标上扫过的长度，R为激光测距仪测头到所测目标的距离。根据所要求的测量精度，激光测距仪边旋转边测量条件是L≤L₀，也就是R×θ≤L₀，即 $\mathrm{\θ}\≤\frac{L_0}{R}\·$ 如果激光测距仪旋转的角速度(即转动机构旋转的角速度)为ω，则有θ＝ω×t，其中t为激光测距仪旋转角度θ所用的时间，这样边旋转边测量条件为 $t\≤\frac{L_0}{\mathrm{\ω}\×R}\·$ 上式中的R为目标点的距离，根据隧道等限界检测的特点，所测目标相邻较近两点的距离差异不大，因此在高密度点测量情况下，可以用上一个目标点的距离作为当前目标点的参考距离进行计算。实际上，激光测距仪旋转的角速度为ω在整个测量过程中不是恒定的，但在足够短的时间内可以看成是定值。本实用新型采用在每个目标点测量之前，通过在短时间Δt内测量激光测距仪的旋转角度Δθ，可以计算出 $\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δt}}\·$

从上述边旋转边测量条件可以看出，如果所测量的目标反射信号较强，测量其距离的测距时间就较短，当测距时间小于或等于

时，就可以边旋转边测量；反之，如果所测量的目标反射信号较弱，测距时间就较长，当测距时间大于 时，说明激光测距仪不能在规定时间内完成测量，或边旋转边测量方式的测量结果将导致较大的误差，因此激光测距仪应停下来测量。

本上述技术构思下，实用新型包括高精度激光测距仪、高精度角度编码器、转动机构和计算机微处理器，通过精确地测量距离和角度，采用计算机微处理器实时控制方式实现了将间歇测量和连续测量有机结合起来，在保证测量精度前提下，利用低成本驱动转动机构实现测量速度的智能调整。本实用新型在高密度点测量情况下，其测量速度明显高于同档次的利用传统方法测量的仪器，且设计简单、成本低。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型计算机微处理器结构示意图；

图3为本实用新型计算机微处理器电路图。

附图标记说明：

1-转动机构；          2-角度编码器；       3-激光测距仪；

4-计算机微处理器；    41-距离采集模块；    42-角度采集模块；

43-存储模块；         44-控制模块；        11-直流电机。

具体实施方式

图1为本实用新型结构示意图。如图1所示，本实用新型隧道限界检测快速测量装置包括转动机构1、角度编码器2、激光测距仪3和计算机微处理器4。其中，转动机构1是大地测量仪器的转动部件，通过连续转动或间歇转动带动大地测量仪器上的测量部件测量隧道断面；角度编码器2高精度地测量转动机构1的转动角度，并将角度数据发送给计算机微处理器4；为避免机械传递导致的定位误差，本实用新型将角度编码器2直接固定在转动机构1的最终转动部分上，采用四细分以获得更高的精度；激光测距仪3直接固定在转动机构1的最终转动部分上，由转动机构1带动转动，依次测量隧道断面上目标点的距离，并将距离数据发送给计算机微处理器4；计算机微处理器4是本实用新型的核心，根据预先设定的目标点位置数据锁定目标点，记录测量数据并通过控制转动机构1连续转动或间歇转动来对上述整个测量过程进行控制。

本实用新型的工作过程为：计算机微处理器4根据操作员输入的测量范围和测量点数，计算出目标点的角度位置数据，在转动机构1带动激光测距仪3转动时，角度编码器2实时采集转动机构1的转动角度(也是激光测距仪3的转动角度)，并将角度数据发送给计算机微处理器4；当计算机微处理器4判断转动机构1已经转动到目标点的角度位置时，计算机微处理器4控制激光测距仪3测量目标点的距离，获得该目标点的极坐标数据；重复上述过程，直到所有目标点的极坐标数据测量完成，这些极坐标数据所描绘的就是隧道的限界，后续利用图象处理软件就能迅速得到隧道断面图。

上述激光测距仪3测量目标点距离过程中，现有技术一般采用单一的间歇测量或连续测量方式，本实用新型则通过计算机微处理器4的控制将间歇测量和连续测量有机结合起来，有效解决了现有技术单一测量方式存在的技术问题。具体地，当转动机构1带动激光测距仪3转动到接近目标点时，计算机微处理器4计算激光测距仪3扫过目标点所需的转动时间t，并控制激光测距仪3开始测量目标点的距离，当激光测距仪3在上述转动时间t内完成距离测量时，计算机微处理器4则记录测量数据，激光测距仪3继续转动到下一目标点；当激光测距仪3在上述转动时间t内没有完成距离测量时，计算机微处理器4则控制转动机构1停止，激光测距仪3则静止进行目标点距离测量，测量完毕后计算机微处理器4再控制转动机构1开始转动，偏转到下一目标点测量。本实用新型上述技术方案的核心是通过对距离和角度的精确测量，按照目标点测量时反射信号的强弱智能地选择是边旋转边测量还是停下来测量，因此其测量速度要高于传统的每次必须停下来测量的方法，而测量精度又高于传统的边旋转边测量方式，从而达到了在保证精度的前提下快速测量的目的。

图2为本实用新型计算机微处理器结构示意图。如图2所示，计算机微处理器4包括距离采集模块41、角度采集模块42、存储模块43和控制模块44，其中距离采集模块41分别与激光测距仪3和控制模块44连接，用于将激光测距仪3采集的距离数据发送给控制模块44；角度采集模块42分别与角度编码器2和控制模块44连接，用于将角度编码器2采集的角度数据发送给控制模块44；控制模块44分别与距离采集模块41、角度采集模块42、存储模块43和转动机构1连接，用于将距离数据和角度数据存储于存储模块43，计算激光测距仪3的旋转角速度ω和激光测距仪3扫过目标点所需的转动时间t，并判断激光测距仪3在转动时间t内是否完成了距离测量，如果激光测距仪3在转动时间t内没有完成距离测量，控制模块44则控制转动机构1停止，等待激光测距仪3测量目标点距离，当距离测量完毕时，控制模块44控制转动机构1开始转动，进行下一目标点测量。

上述技术方案中，转动机构1、控制模块44、角度采集模块42、角度编码器2和转动机构1的连接构成一闭环控制回路，实现角度位置实时跟踪和定位，因此也可以称之为位置定位系统。也可以说，本实用新型对角度位置的定位实际是由计算机微处理器控制角度编码器来实现的。

下面通过隧道限界测量的具体过程详细说明本实用新型的技术方案。

假设本实用新型的测量起始角度为θ₁，测量终止角度为θ_N，并设置测量点数为N，则目标点的测量角度间隔为θ，且 $\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_N-{\mathrm{\θ}}_1}{-1},$ 因此目标点对应的目标角度依次是θ₁＝θ₁、θ₂＝θ₁+θ、θ₃＝θ₂+θ、...、θ_N＝θ_N-1+θ，上述数据被输入到计算机微处理器4中。假设测量开始时，转动机构1正好停止在起始角度为θ₁。实际上，测量起始状态也可以是运动状态。

步骤1、控制模块44向激光测距仪3发出控制信号，激光测距仪3开始测量当前目标点的距离；测量完毕后，控制模块44通过距离采集模块41接收距离数据，并发送给存储模块43储存；控制模块44此时设置M＝2；

步骤2、控制模块44向转动机构1发出开始转动的控制信号，转动机构1带动激光测距仪3向下一目标角度偏转；

步骤3、当转动机构1转到θ_M-Δ角度时，即转到下一目标角度θ_M超前角度Δ时，控制模块44通过角度编码器2测量转动机构1转动一设定角度Δθ的时间Δt，然后控制模块44计算转动机构1的旋转角速度ω， $\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δt}},$ 其中超前角度Δ和设定角度Δθ均为预先设定的角度，Δ＜Δθ；步骤4、控制模块44进一步计算激光测距仪3在经过目标角度θ_M时的转动时间t， $t=\frac{L_0}{\mathrm{\ω}\×R_{M-1}},$ 其中L₀为根据测量精度要求预先设定的基准距离，R_M-1为前一目标点测量的距离，转动时间t实际上是激光在目标角度θ_M对应目标点上扫过距离L₀所需要的时间；

步骤5、当转动机构1转到目标角度θ_M时，控制模块44控制激光测距仪3开始采集目标角度θ_M对应目标点的距离R_M，如果激光测距仪3在步骤4中的转动时间t内完成了距离采集则执行步骤6，否则执行步骤7；

步骤6、激光测距仪3采集的距离数据通过距离采集模块41发送给控制模块44，存储模块43记录目标角度θ_M和目标距离R_M；控制模块44判断测量点完成情况，如果M＜N，令M＝M+1，执行步骤3；否则执行步骤8；

步骤7、控制模块44控制转动机构1停止运动，等待激光测距仪3采集距离数据；激光测距仪3测量完毕后，其采集的距离数据通过距离采集模块41发送给控制模块44，存储模块43记录目标角度θ_M和目标距离R_M；控制模块44判断测量点完成情况，如果M＜N，令M＝M+1，执行步骤2；否则执行步骤8；

步骤8、测量完毕。

上述测量过程中，超前角度Δ可以设置为0.1～0.3度，因为Δ很小，θ_M处和θ_M-Δθ处旋转角速度ω可认为是一样的；计算角速度ω时的设定角度Δθ可以设置为0.0 5～0.0 8度，基准距离L₀可以设置为10～15厘米。

图3为本实用新型计算机微处理器电路图。控制模块44采用单片机89C55WD，其中单片机89C55WD的TXD、RXD脚通过距离采集模块41连接激光测距仪3，INT0、INT1脚通过角度采集模块42连接角度编码器2，P1.0、P1.1脚通过电机驱动电路连接转动机构1。具体地，距离采集模块41采集激光测距仪3的距离值并转换为串行数据，通过TXD和RXD脚与单片机89C55WD进行数据交换；本实施例中，角度采集模块42为正交编码脉冲及细分电路，正交编码脉冲及细分电路对增量式角度码盘的正交编码脉冲进行解码并细分，产生较高分辨率的角度变化脉冲及角度旋转的方向信号，通过INT0和INT1脚与单片机89C55WD进行数据交换。该正交编码脉冲及细分电路对角度变化进行四细分，本实施例采用2500线的码盘四细分得到10000线分辨率，转换成角度分辨率为0.036度。按照转动机构以每3分钟一转的的速度计算，单片机89C55WD的角度采样速度约为18毫秒/次。转动机构1是在直流电机11带动下旋转的，单片机89C55WDP1.0、P1.1脚通过电机驱动电路控制直流电机11的正、反向运动。单片机89C55WD采用传统的读写外部数据存储器的方法来存取数据，存储模块43为一数据存储器，用于记录距离、角度测量参数和存放系统设置参数。另外，电机驱动电路、复位电路、键盘电路以及LCD显示电路都采用传统的方法来设计的，这里不再一一介绍。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种隧道限界检测快速测量装置，包括转动机构、测量所述转动机构转动角度的角度编码器和测量目标点距离的激光测距仪，所述角度编码器和激光测距仪固定在所述转动机构的最终转动部分上，其特征在于，还包括控制所述转动机构连续转动或间歇转动的计算机微处理器，所述计算机微处理器分别与所述角度编码器、激光测距仪和转动机构连接。

2.如权利要求1所述的隧道限界检测快速测量装置，其特征在于，所述计算机微处理器包括距离采集模块、角度采集模块、存储模块和控制模块，所述距离采集模块分别与激光测距仪和控制模块连接，所述角度采集模块分别与角度编码器和控制模块连接，所述控制模块还与所述转动机构和存储模块连接。

3.如权利要求2所述的隧道限界检测快速测量装置，其特征在于，所述控制模块为单片机89C55WD。

4.如权利要求3所述的隧道限界检测快速测量装置，其特征在于，所述单片机89C55WD的TXD、RXD脚通过距离采集模块连接所述激光测距仪。

5.如权利要求3所述的隧道限界检测快速测量装置，其特征在于，所述单片机89C55WD的INT0、INT1脚通过角度采集模块连接所述角度编码器。

6.如权利要求3所述的隧道限界检测快速测量装置，其特征在于，所述单片机89C55WD的P1.0、P1.1脚通过电机驱动电路连接所述转动机构。

7.如权利要求2或5所述的隧道限界检测快速测量装置，其特征在于，所述角度采集模块为正交编码脉冲及细分电路。

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