[發(fā)明專利]一種基于激光掃描儀的鐵路隧道變形檢測方法及其裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010359056.1
• 申請日: 2020-04-29
• 公開（公告）號: CN111442736B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設計）人: 程騰;谷先廣;程海生
• 申請（專利權）人: 安徽國鉅工程機械科技有限公司
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G06T7/60;G06T7/187;G06T5/00
• 代理公司: 合肥市澤信專利代理事務所(普通合伙) 34144
• 代理人: 方榮肖

1.一種基于激光掃描儀的鐵路隧道變形檢測方法，其特征在于，其包括以下步驟：

通過激光掃描儀掃描鐵路隧道，并計算所述激光掃描儀的行進距離；

先對所述激光掃描儀的局部坐標系與所述鐵路隧道的隧道坐標系進行轉換，以確定激光掃描儀的掃描點在所述隧道坐標系中的坐標，再將所述坐標與所述行進距離組合并生成三維坐標組成點云；

先確定所述三維坐標組成點云的邊界特征點的輪廓曲線，再在所述輪廓曲線上選取一個預設點為圓心并畫圓以與所述輪廓曲線相較于兩個交點，最后將所述預設點與兩個交點所構成的區(qū)域作為支撐區(qū)域；

先分別計算所述預設點與兩個交點所構成的兩個向量的方向角，再計算兩個方向角在所述支撐區(qū)域內的曲率角，最后判斷所述曲率角是否位于一個預設的閾值范圍內；

在所述曲率角位于所述閾值范圍內時，先將構成對應的支撐區(qū)域的點作為非隧道面數(shù)據(jù)點，再刪除所有非隧道面數(shù)據(jù)點，并獲得隧道面數(shù)據(jù)；

通過預設的高斯濾波器對所述三維坐標組成點云的點云數(shù)據(jù)進行平滑處理以剔除所述隧道面數(shù)據(jù)中的凸出非隧道面數(shù)據(jù)，并獲得隧道斷面數(shù)據(jù)；

將所述隧道斷面數(shù)據(jù)代入至一個預設的橢圓轉換矩陣中以獲得預設橢圓的五個橢圓方程參數(shù)，并根據(jù)五個橢圓方程參數(shù)，確定所述預設橢圓的幾何中心、長短半軸以及長軸傾角；

計算出所述預設橢圓的橢圓度，并根據(jù)長短半軸的變化情況判斷所述鐵路隧道的收斂擴張情況，還根據(jù)所述橢圓度評估所述鐵路隧道的變形狀況。

2.如權利要求1所述的基于激光掃描儀的鐵路隧道變形檢測方法，其特征在于，所述激光掃描儀搭載在能夠在所述鐵路隧道上行走的動態(tài)檢測軌道車上，所述動態(tài)檢測軌道車還搭載有里程計；所述行進距離的計算方法包括以下步驟：

校準所述激光掃描儀和所述里程計采集數(shù)據(jù)的時間，使里程計時間和掃描時間同步；

計算所述動態(tài)檢測軌道車的車輪轉動圈數(shù)N，且計算公式為：

式中，a₁為所述里程計的前進計數(shù)，a₂為所述里程計的后退計數(shù)，n為所述里程計測量輪轉動一圈得到的計數(shù)個數(shù)；

計算所述行進距離s，且計算公式為：

s＝2πr₁N

式中，r₁為所述動態(tài)檢測軌道車的車輪半徑。

3.如權利要求1所述的基于激光掃描儀的鐵路隧道變形檢測方法，其特征在于，所述局部坐標系的x軸與所述隧道坐標系的z軸平行設置；所述局部坐標系與所述隧道坐標系的轉換方法包括以下步驟：

對所述激光掃描儀的相對位置進行標定；

計算所述掃描點與所述隧道坐標系的x軸之間的距離c1；

計算所述掃描點與所述鐵路隧道的中軸線之間的距離d1；

計算所述激光掃描儀相對所述隧道坐標系的傾斜角β；

先將所述局部坐標系OXZ旋轉變換，再經(jīng)過平移變換到所述隧道坐標系OX’Z’，且變換公式為：

4.如權利要求3所述的基于激光掃描儀的鐵路隧道變形檢測方法，其特征在于，定義所述預設點為點P，P^f、P^b分別為兩個交點；兩個方向角的計算公式分別為：

式中，θ^f、θ^b分別為兩個方向角；

所述曲率角的計算公式為：

θ_(i)＝θ^b-θ^f

式中，θ_(i)為所述曲率角，(z，x)為點p坐標，(z^f，x^f)為點P^f坐標，(z^b，x^b)為點P^b坐標。

5.如權利要求1所述的基于激光掃描儀的鐵路隧道變形檢測方法，其特征在于，通過將對所述點云數(shù)據(jù)與所述高斯濾波器進行分段卷積計算以實現(xiàn)分段平滑處理；所述高斯濾波器的表達式為：

式中，σ²為方差。