[發(fā)明專利]一種隧道超欠挖檢測系統(tǒng)及其檢測方法

在審

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• 申請日: 2020-05-14
• 公開（公告）號: CN111536940A
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設計）人: 汪俊;王洲濤;龔小溪;李大偉
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C7/06
• 分類號: G01C7/06;G01C22/00;G01C9/00
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 劉林峰

1.一種隧道超欠挖檢測系統(tǒng)，其特征在于：包括小車底盤(4)，小車底盤(4)上設有工控機(6)；

所述工控機(6)分別連通于里程計(10)、傾斜傳感器(3)、掃描儀(1)，用于采集并傳輸里程計(10)、傾斜傳感器(3)、掃描儀(1)的數(shù)據(jù)；

所述掃描儀(1)在行進過程中檢測當前位置的隧道斷面輪廓，并且與設計斷面輪廓進行對比，檢測超欠挖狀態(tài)；

所述里程計(10)用于記錄小車底盤(4)的行駛距離，根據(jù)行駛距離計算掃描儀(1)的行駛里程和運行時間的關(guān)系；

所述傾斜傳感器(3)用于獲取小車前進過程中任意時刻的姿態(tài)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道超欠挖檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述小車底盤(4)包括用于支撐小車整體結(jié)構(gòu)的T型橫梁，T型橫梁包括沿其行進方向設置的豎向部位以及垂直于行進方向的橫向部位；橫向部位一端與豎向部位固定連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種隧道超欠挖檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述豎向部位兩端各連接有行駛輪(7)；橫向部位遠離豎向部位一端連接有一行駛輪(7)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種隧道超欠挖檢測系統(tǒng)，其特征在于：小車底盤(4)上連接有可滑移的側(cè)邊輪以及驅(qū)動側(cè)邊輪向鐵軌側(cè)邊方向滑移的彈簧。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種隧道超欠挖檢測系統(tǒng)，其特征在于：掃描儀(1)為二維線激光掃描儀(1)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道超欠挖檢測系統(tǒng)，其特征在于：傾斜傳感器(3)包括兩個，分別用于測量小車的俯仰角和橫滾角。

7.一種如權(quán)利要求1所述的隧道超欠挖檢測系統(tǒng)的超欠挖檢測方法，其特征在于，掃描儀(1)數(shù)據(jù)處理包括如下步驟：

首先，掃描儀(1)對隧道進行掃描，獲取隧道的點云數(shù)據(jù)，并通過工控機(6)對所述點云數(shù)據(jù)進行預處理；其具體預處理包括：通過工控機(6)對所述點云數(shù)據(jù)進行配準、去噪、坐標系歸一化、壓縮以及三維重構(gòu)處理；

然后，根據(jù)掃描儀(1)的位置和姿態(tài)，將掃描得到的點云與真實隧道對應起來，通過工控機(6)將預處理數(shù)據(jù)和隧道設計值進行對比，以計算當前數(shù)據(jù)的超欠挖狀態(tài)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種隧道超欠挖檢測方法，其特征在于，通過里程計(10)來獲取掃描儀(1)的位置數(shù)據(jù)，其處理過程包括：

小車的行進帶動里程計(10)的滾軸轉(zhuǎn)動，從而記錄行駛距離；

而后，把行駛輪(7)沿軌道前進的距離換算成小車沿軌道中線前進的距離，從而掃描小車的里程和運行時間的關(guān)系；

最后，根據(jù)掃描儀(1)與小車的相對位置關(guān)系得到掃描儀(1)的里程和運行時間的關(guān)系。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種隧道超欠挖檢測方法，其特征在于，通過傾斜傳感器(3)來獲取小車的姿態(tài)，并計算掃描點的絕對坐標，其計算過程包括：

先依據(jù)掃描儀(1)和掃描小車的相對位置關(guān)系計算得到掃描點在檢測小車坐標系中的坐標值；

再依據(jù)測量到的傾角計算測量時小車的姿態(tài)，從而得到掃描點的絕對坐標。

10.根據(jù)權(quán)利要求7或9所述的一種隧道超欠挖檢測方法，其特征在于，基于工控機(6)處理后的數(shù)據(jù)，計算超欠挖狀態(tài)，其中超欠挖方量的計算過程包括：

S1：首先使用RANSAC算法將工控機(6)處理后的數(shù)據(jù)進行擬合，然后使用擬合后的圓心將二維平面按圓周劃分為多個區(qū)間，各區(qū)間內(nèi)點到圓心距離取平均值計為擬合半徑；

S2：統(tǒng)計各個區(qū)間的擬合半徑，按逆/順時針方向統(tǒng)計形成直方圖；

S3：通過直方圖計算出隧道超欠挖的體積微元，進而通過求和得到總的超欠挖方量，計算方法的公式為：

ΔV＝ΔS×l

v＝∑ΔV

其中，α為點云沿著圓周方向劃分的單位區(qū)間角度；R₁為劃分區(qū)間對應點云擬合半徑；R₂為對應開挖面區(qū)間擬合半徑；l為軸向劃分單位長度；ΔS為單位區(qū)間面積微元；ΔV為計算所得單位區(qū)間超欠挖體積；V為計算所得隧道開挖面超欠挖總的方量。