复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统，其克服了传统巷道围岩变形测量的不足之处。其包括防爆机壳、数据测量系统、中央控制系统、测量定位系统、数据传输系统、数据分析处理系统及显示系统，数据测量系统安装在防爆机壳的右侧，数据测量系统包括二级垂直传动机构、二级水平传动机构、激光测距仪及自动转向舵机，激光测距仪与自动转向舵机固定连接在一起。该系统工作时预先设置自动转向舵机参数后利用传动结构调整激光测距仪空间位置，由中央控制系统发出指令通过传动机构的舵机带动激光测量仪进行360°周向转动，同时向测点射出一序列短暂的脉冲激光束进而实现不规则巷道围岩表面非均匀变形的高精度测量。

Observation System of Displacement Field on Complex Shape Lane/Tunnel Surface

The utility model discloses an observation system for the displacement field on the surface of a complex shape roadway/tunnel, which overcomes the shortcomings of the traditional measurement of the deformation of the surrounding rock of a roadway. It includes explosion-proof chassis, data measurement system, central control system, measurement and positioning system, data transmission system, data analysis and processing system and display system. The data measurement system is installed on the right side of the explosion-proof chassis. The data measurement system includes two-level vertical transmission mechanism, two-level horizontal transmission mechanism, laser rangefinder and automatic steering steering steering steering gear, laser rangefinder and automatic steering gear. The steering gear is fixed and connected together. After setting the parameters of the automatic steering steering steering steering gear in advance, the spatial position of the laser rangefinder is adjusted by the transmission structure. The central control system sends out instructions to drive the laser rangefinder to rotate 360 degrees circumferentially through the steering gear of the transmission mechanism. At the same time, a series of short pulsed laser beams are emitted to the measuring points to realize the high-precision measurement of the non-uniform deformation of the surrounding rock surface of the irregular roadway.

【技术实现步骤摘要】
复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统
本技术涉及一种复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统。
技术介绍
巷/隧道表面变形是最基本的工程监测参数内容，主要包括巷/隧道顶、底板和帮壁移近量等，根据监测结果可以计算巷/隧道表面位移速度、巷/隧道断面收敛率，并建立绘制位移量、位移速度和巷/隧道开挖位置与时间的关系曲线，进而分析巷/隧道围岩变形规律、围岩稳定性以及巷/隧道支护效果。目前巷/隧道表面变形的监测方法普遍采用十字测量法，即在巷/隧道顶、底板中部垂直方向和两帮水平方向钻孔，安装木桩、短锚杆、测钉等测量基点，由工作人员进行手工的测量和记录。考虑到工程中的巷/隧道受地应力、岩性、流变、或爆破冲击的影响，通常情况下初始断面形状、不平整度差异较大，且围岩表面为非均匀变形。传统方法受限于测点位置的影响，主要适用于规则巷道围岩表面的均匀变形；人工记录时局限于巷道某一断面，不能实现整体测量；容易出现工人记录数据不及时和精度不高而导致数据分析不准确等。上述问题给巷道表面变形的测量带来了诸多困难，由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。光学测量工具结构简单、测量精度高、在恶劣环境中的适用性较强，利用激光测距仪等脉冲式测量装置可以实现巷道围岩变形的实时测量、一次性精确地测出长距离巷道任意方向上的变形量并借此确定变形后的围岩形状。经检索查询，现有技术有关研究报道有：“巷道围岩表面变形激光测量装置及方法”(公告号：CN103510985A)利用计算机软件单元对巷道表面变形数据进行处理，绘制巷道图形并分析巷道各个测量点的围岩变形并预测巷道的危险性，适用于巷道围岩变形的精确测量。但该装置主要适用于测量较为规则的巷道围岩表面的均匀变形，而且完成整个巷道断面变形测量工作的难度较高。“一种巷道围岩变形动态测量装置”(公告号：CN201680823U)利用间隔设在巷道侧帮和顶部的多个激光测距传感器，实现巷道变形的自动、实时、多断面和连续长期测量，适用于巷道围岩变形的实时测量、数据存储、图像显示和数据通信。但所选用的激光测距仪未加装旋转装置而不能实现巷道全断面的测量，完成一次测量需要使用大量的激光测距仪。“一种全巷全过程全断面表面变形监测装置及方法”(公告号：CN106401651A)利用锚索布置测站，利用锚索尾部的螺纹套管连接支撑架和旋转激光测量装置，通过旋转激光测量装置实现全巷全过程全断面的数字成像。该装置安装和线路布置较为繁琐，测量采样间隔的随机性较大，而且作为安装载体的锚索容易受外界环境的扰动。因此，如何突破现有巷道围岩表面变形激光测量装置存在的上述问题，即在精确获取巷道断面各方向变形量的基础上，实现自动调整测量采样的空间距离、不规则巷道围岩表面非均匀变形的实时监测等功能，同时减小外界环境对测量装置的影响、降低测量成本等，对于岩体工程支护及施工安全等都具有极其重要的研究和工程意义。
技术实现思路
本技术的目的在于克服传统巷道围岩变形测量的不足之处，提供一种复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统，该系统工作时预先设置自动转向舵机参数后利用传动结构调整激光测距仪空间位置，由中央控制系统发出指令通过传动机构的舵机带动激光测量仪进行360°周向转动，同时向测点射出一序列短暂的脉冲激光束进而实现不规则巷道围岩表面非均匀变形的高精度测量。为实现上述目的，所需克服的主要技术难题有：(1)不规则巷/隧道表面非均匀位移的360°周向自动测量；(2)巷/隧道表面位移的时空高精度标定及校准；(3)位移数据向3D数字图像的匹配与转化。为解决上述技术难题，采用了如下技术方案：一种复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统，其包括防爆机壳、数据测量系统、中央控制系统、测量定位系统、数据传输系统、数据分析处理系统及显示系统，所述数据测量系统安装在所述防爆机壳的右侧，所述数据测量系统包括二级垂直传动机构、二级水平传动机构、激光测距仪及自动转向舵机，所述激光测距仪与所述自动转向舵机固定连接在一起，所述自动转向舵机可带动所述激光测距仪进行360°周向转动，所述二级垂直传动机构、二级水平传动机构带动所述自动转向舵机运动；所述测量定位系统用于控制所述二级垂直传动机构、二级水平传动机构的运动；所述数据传输系统用于接收数据测量系统获取的数据，同时传递至数据存储系统；所述数据分析处理系统包括通过分析空间坐标信息获取三维点云阵列的电子记录仪、通过提取多平面特征确定变形标准的电子分析仪、通过图像匹配和系统标定时空配合而成的电子配准仪及通过RGB图像处理合成的3D模型机；所述数据分析处理系统用于对数据存储系统中的数据进行分析；所述的中央控制系统用于对所述数据测量系统、测量定位系统、数据传输系统及数据分析处理系统进行信号控制。作为本技术的一个优选方案，所述的数据存储系统包括控制芯片与SD卡集成系统，激光测距仪将采集到的巷道表面变形数据经过数字化处理后通过电子记录仪、电子分析仪和电子配准仪后，结合相关软件计算并传输至3D模型机，存储到所述控制芯片与SD卡集成系统。作为本技术的另一个优选方案，所述的中央控制系统内设置有控制芯片，通过所述控制芯片对所述数据测量系统、测量定位系统、数据传输系统及数据分析处理系统进行信号控制。进一步的，所述测量定位系统包括一级传动机构和电子罗盘，用于控制所述二级垂直传动机构、二级水平传动机构的运动。进一步的，所述数据传输系统包括数据传输线、USB数据传输接口及RJ45网络接口，所述的数据传输线设置在所述防爆机壳内，所述的USB数据传输接口和RJ45网络接口设置在所述的防爆机壳的左侧。进一步的，在所述的防爆机壳的前侧安装有用于照明的LED防爆灯和电源插座，在所述防爆机壳内还设置有电源，所述电源采用防爆型锂离子电池和安全防护型锂电池充电板。进一步的，所述电子记录仪、电子分析仪、电子配准仪均安装在所述防爆机壳内。进一步的，所述显示系统包括液晶数字显示屏、激光测距仪水平移动控制按钮、激光测距仪垂直移动控制按钮、防爆外壳垂直移动控制按钮、开始按钮、结束按钮、记录按钮、保存按钮、导出按钮及充电指示灯。进一步的，所述的防爆机壳下部设置有承重钢架和可伸缩的立架，其底部设置有滚轮。进一步的，所述激光测距仪包括激光发射器和激光接收器。与现有技术相比，本技术带来了以下有益技术效果：(1)本技术综合激光测量技术、计算机图像处理、3D立体视觉、巷道围岩监测方法等多种技术为一体，通过在井下测量巷道围岩表面变形数据，导入相关软件进行处理，得到巷道围岩表面变形3D模型，解决了巷道围岩变形监测过程中操作繁琐、精确度较低的问题；(2)本技术采用控制芯片控制和发出指令，脉冲式激光测距仪工作时向测点射出一序列短暂的脉冲激光束，由光电元件接收被测围岩反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离进而实现高精度测量；(3)同时传动机构的舵机带动激光测量仪进行360°周向转动，可以测量巷道整个断面的变形情况，监测范围广，通过激光测距仪监测巷道围岩的变形，实现了对围岩变形无损、非接触监测，解决了以往监测人为主观性较强的问题；(4)利用传动结构调整激光测距仪空间位置，预先设置转动参数后自动转向舵机实现高效无人化监测，避免了在围岩上多处安装传感器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统，其包括防爆机壳、数据测量系统、中央控制系统、测量定位系统、数据传输系统、数据分析处理系统及显示系统，其特征在于：所述数据测量系统安装在所述防爆机壳的右侧，所述数据测量系统包括二级垂直传动机构、二级水平传动机构、激光测距仪及自动转向舵机，所述激光测距仪与所述自动转向舵机固定连接在一起，所述自动转向舵机可带动所述激光测距仪进行360°周向转动，所述二级垂直传动机构、二级水平传动机构带动所述自动转向舵机运动；所述测量定位系统用于控制所述二级垂直传动机构、二级水平传动机构的运动；所述数据传输系统用于接收数据测量系统获取的数据，同时传递至数据存储系统；所述数据分析处理系统包括通过分析空间坐标信息获取三维点云阵列的电子记录仪、通过提取多平面特征确定变形标准的电子分析仪、通过图像匹配和系统标定时空配合而成的电子配准仪及通过RGB图像处理合成的3D模型机；所述数据分析处理系统用于对数据存储系统中的数据进行分析；所述的中央控制系统用于对所述数据测量系统、测量定位系统、数据传输系统及数据分析处理系统进行信号控制。

【技术特征摘要】
1.一种复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统，其包括防爆机壳、数据测量系统、中央控制系统、测量定位系统、数据传输系统、数据分析处理系统及显示系统，其特征在于：所述数据测量系统安装在所述防爆机壳的右侧，所述数据测量系统包括二级垂直传动机构、二级水平传动机构、激光测距仪及自动转向舵机，所述激光测距仪与所述自动转向舵机固定连接在一起，所述自动转向舵机可带动所述激光测距仪进行360°周向转动，所述二级垂直传动机构、二级水平传动机构带动所述自动转向舵机运动；所述测量定位系统用于控制所述二级垂直传动机构、二级水平传动机构的运动；所述数据传输系统用于接收数据测量系统获取的数据，同时传递至数据存储系统；所述数据分析处理系统包括通过分析空间坐标信息获取三维点云阵列的电子记录仪、通过提取多平面特征确定变形标准的电子分析仪、通过图像匹配和系统标定时空配合而成的电子配准仪及通过RGB图像处理合成的3D模型机；所述数据分析处理系统用于对数据存储系统中的数据进行分析；所述的中央控制系统用于对所述数据测量系统、测量定位系统、数据传输系统及数据分析处理系统进行信号控制。2.根据权利要求1所述的一种复杂形状巷/隧道表面位移场的观测系统，其特征在于：所述的数据存储系统包括控制芯片与SD卡集成系统，激光测距仪将采集到的巷道表面变形数据经过数字化处理后通过电子记录仪、电子分析仪和电子配准仪后，结合相关软件计算并传输至3D模型机，存储到所述控制芯片与SD卡集成系统。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张巍，高学鹏，邢明录，赵同彬，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：新型
国别省市：山东,37