【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道监测，具体为一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备和使用方法。
技术介绍
1、隧道工程是一项重要而复杂的工程，涉及到地下空间的建设与管理。在隧道建设和运营的过程中，对隧道内壁轮廓获取以及隧道沉降监测的需求逐渐凸显。这两方面的技术和监测手段对于确保隧道结构的安全性和运行的可靠性至关重要。
2、在隧道施工和维护过程中，准确获取隧道内壁的轮廓信息对于设计、施工和维护都至关重要。传统的方法包括人工测量和使用光学仪器，但这些方法效率低、成本高、且受到环境条件的限制。近年来，随着激光扫描仪、三维激光雷达等现代化技术的发展，壁轮廓获取进入了一个新的阶段。然而，目前仍然存在一些问题，比如对于复杂形状的隧道内壁，激光扫描仪的覆盖可能存在不足，需要继续研究改进。
3、隧道沉降是由于地下工程施工、地下水位变化或其他原因引起的隧道结构下沉的现象。沉降监测是确保隧道结构安全运行的重要手段。传统的沉降监测方法主要包括基准点测量和应变测量，但这些方法存在监测周期长、覆盖范围有限的问题。
4、由于智能化隧道监测技术尚未完善，检测仪器精度无法满足要求等影响，目前大部分隧道监测工程仍采用传统人为监测方法和技术，考虑到智能化隧道监测技术对隧道施工的积极影响，针对隧道内壁轮廓获取与隧道沉降监测的技术研究，对未来隧道监测技术提供指导参考价值，因此需要对以上问题提出一种新的解决方案。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备和使
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备和使用方法，包括主体结构、隧道监测结构、控制与数据后处理结构、装置行进结构和供电结构，主体结构的外侧依次设置有隧道监测结构、控制与数据后处理结构、装置行进结构和供电结构；
3、主体结构包括第一层承台和第二层承台，第一层承台和第二层承台之间通过支撑柱连接；
4、隧道监测结构包括激光雷达传感器和高精度激光测距传感器；
5、装置行进结构包括带编码器的电机；
6、控制与数据后处理结构包括二维舵机云台和嵌入式平板电脑；
7、供电结构包括供电器和电源适配器，供电器放置在装置的第一层承台的顶端，且处于第一层承台中部位置；
8、第一层承台处的顶端还设置有第一核心板，第一核心板用于控制带编码器的电机。
9、第一层承台的底端对称设置有四个带编码器的电机，带编码器的电机的一端设置有橡胶轮胎，带编码器的电机所带编码器可获取轮胎所转动圈数；
10、第二层承台的顶端设置有辅助载架和竖向板，辅助载架位于第二层承台顶部的一端，竖向板位于辅助载架的一端；
11、优选的，辅助载架的顶端设置有嵌入式平板电脑，竖向板远离辅助载架的一端设置有二维舵机云台，二维舵机云台与竖向板水平倒置连接；
12、优选的，激光雷达传感器位于第二层承台的顶端，且位于在第二层承台远离辅助载架的一端的位置，二维舵机云台远离竖向板的一端设置有高精度激光测距传感器，激光雷达传感器为多线激光雷达传感器，由隧道规模大小确定其扫描角与扫描距离限值；
13、优选的，二维舵机云台与高精度激光测距传感器水平固定连接，从而控制高精度激光测距传感器各方向转动，嵌入式平板电脑通过各通信接口控制其他设备运行和数据收集传输，并进行数据处理，高精度激光测距传感器为毫米级高精度激光测距传感器，由监测隧道所需监测距离确定其高精度激光测距传感器的测量范围，高精度激光测距传感器的质量和所需转动的角度范围确定相对应二维舵机云台的扭矩值和转动角度的范围值；
14、优选的，供电器为多接口的供电装置，由设备各结构仪器所用电压确定供电器的电源适配器的种类与供电器的接口类型，并由各设备时用电量确定供电器的供电器电容量大小；
15、优选的，嵌入式平板电脑的下端安装连接有超声波传感器，第二层承台的上表面还设置有用于控制二维舵机云台和超声波传感器的第二核心板，第二核心板位于激光雷达传感器与嵌入式平板电脑之间，超声波传感器由所需与隧道壁定距行进距离确定其测量距离范围，嵌入式平板电脑为迷你多接口的触控平板电脑，嵌入式平板电脑由多个通信接口分别与第一核心板、第二核心板、激光雷达传感器和高精度激光测距传感器相连；
16、优选的，嵌入式平板电脑通过上位机软件实时控制二维舵机云台的转动与电机的转动，并通过勾股定理、等分法、离群值监测处理点云数据与通过超声波传感器的距离值控制电机差速转动实现沿隧道壁的定距离行进，并通过计算脉冲数确定电机位置与所转圈数，从而通过轮轴周长*圈数得到总行进距离。
17、优选的，激光雷达传感器通过在起测点获取隧道一定距离内壁轮廓的点云数据，通过等分法得到舵机所需转动角度，高精度激光测距传感器通过所测的距离值结合舵机所预设的角度值通过勾股定理算法得到所测点的三维坐标值，从而拟合激光雷达传感器在该位置的点云数据，并通过离群值检测方法过滤掉未在测距仪连续两截面对应点连线附近规定范围内的点，从而达到隧道内壁轮廓和沉降监测高精度要求。
18、一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备的使用方法：
19、s1：针对隧道所需监测路径，在嵌入式平板电脑中编写相应指令；
20、s2：在隧道监测起点放置该专利技术装置，打开供电结构；
21、s3：激光雷达传感器在起测点获取隧道一定距离内壁轮廓的点云数据，再将所测点云坐标传输到嵌入式平板电脑中，嵌入式平板电脑选取x=m值的点云数据并将各点云坐标依次连线，从而得到隧道截面二维图形，将起测点作为原点，通过等分法依次等分隧道壁长度，并获得依次的划分角度，最后将所划分的角度通过二维舵机云台的上位机软件传输给二维舵机云台，从而使二维舵机云台带动高精度激光测距传感器对隧道壁均匀测量；
22、s4：高精度激光测距传感器将所测的距离值结合二维舵机云台所预设的角度值通过勾股定理算法得到所测点的三维坐标值，从而拟合激光雷达在该位置的点云数据，并通过离群值检测方法过滤掉未在高精度激光测距传感器连续两截面对应点连线附近规定范围内的点，从而达到隧道内壁轮廓和沉降监测高精度要求；
23、s5：该截面监测完成后，超声波传感器通过探测装置与隧道壁的距离实现装置相对隧道壁的定距前进，对于直线型隧道，将带编码器的电机中编码器所获脉冲数转化为行进距离，从而实现实时定位功能；
24、s6：装置行进一定距离后，高精度激光测距传感器进行下一轮监测，其中激光雷达的传感器会在m后扫描一次，重复以上操作直到监测完毕；
25、s7：监测完毕后，装置回到起始位置，准备第二次监测，并将所测结果上传至云端。
26、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
27、1、本专利技术通过激光雷达传感器在起测点获取隧道一定距离内壁轮廓的点云数据，再将所测点云坐本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：包括主体结构、隧道监测结构、控制与数据后处理结构、装置行进结构和供电结构，所述主体结构的外侧依次设置有隧道监测结构、控制与数据后处理结构、装置行进结构和供电结构；
2.根据权利要求1所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述第一层承台的底端对称设置有四个编码器的电机（3），所述带编码器的电机（3）的一端设置有橡胶轮胎，所述编码器的电机（3）所带编码器可获取轮胎所转动圈数。
3.根据权利要求1所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述第二层承台的顶端设置有辅助载架和竖向板，所述辅助载架位于第二层承台顶部的一端，所述竖向板位于辅助载架的一端。
4.根据权利要求3所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述辅助载架的顶端设置有嵌入式平板电脑（4），所述竖向板远离辅助载架的一端设置有二维舵机云台（6），所述二维舵机云台（6）与竖向板水平倒置连接。
5.根据权利要求4所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在
6.根据权利要求5所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述二维舵机云台（6）与高精度激光测距传感器（8）水平固定连接，从而控制高精度激光测距传感器（8）各方向转动，所述嵌入式平板电脑（4）通过各通信接口控制其他设备运行和数据收集传输，并进行数据处理，所述高精度激光测距传感器（8）为毫米级高精度激光测距传感器，由监测隧道所需监测距离确定其高精度激光测距传感器（8）的测量范围，所述高精度激光测距传感器（8）的质量和所需转动的角度范围确定相对应二维舵机云台（6）的扭矩值和转动角度的范围值。
7.根据权利要求1所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述供电器（1）为多接口的供电装置，由设备各结构仪器所用电压确定供电器（1）的电源适配器的种类与供电器（1）的接口类型，并由各设备时用电量确定供电器（1）的供电器（1）电容量大小。
8.根据权利要求7所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述嵌入式平板电脑（4）的下端安装连接有超声波传感器（5），所述第二层承台的上表面还设置有用于控制二维舵机云台（6）和超声波传感器（5）的第二核心板（7），所述第二核心板（7）位于激光雷达传感器（9）与嵌入式平板电脑（4）之间，所述超声波传感器（5）由所需与隧道壁定距行进距离确定其测量距离范围，所述嵌入式平板电脑（4）为迷你多接口的触控平板电脑，所述嵌入式平板电脑（4）由多个通信接口分别与第一核心板（2）、第二核心板（7）、激光雷达传感器（9）和高精度激光测距传感器（8）相连。
9.根据权利要求8所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述嵌入式平板电脑（4）通过上位机软件实时控制二维舵机云台（6）的转动与电机的转动。
10.一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备的使用方法，用于上述权利要求1-9任意一项所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：包括主体结构、隧道监测结构、控制与数据后处理结构、装置行进结构和供电结构，所述主体结构的外侧依次设置有隧道监测结构、控制与数据后处理结构、装置行进结构和供电结构；
2.根据权利要求1所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述第一层承台的底端对称设置有四个编码器的电机（3），所述带编码器的电机（3）的一端设置有橡胶轮胎，所述编码器的电机（3）所带编码器可获取轮胎所转动圈数。
3.根据权利要求1所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述第二层承台的顶端设置有辅助载架和竖向板，所述辅助载架位于第二层承台顶部的一端，所述竖向板位于辅助载架的一端。
4.根据权利要求3所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述辅助载架的顶端设置有嵌入式平板电脑（4），所述竖向板远离辅助载架的一端设置有二维舵机云台（6），所述二维舵机云台（6）与竖向板水平倒置连接。
5.根据权利要求4所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述激光雷达传感器（9）位于第二层承台的顶端，且位于在第二层承台远离辅助载架的一端的位置，所述二维舵机云台（6）远离竖向板的一端设置有高精度激光测距传感器（8），所述激光雷达传感器（9）为多线激光雷达传感器，由隧道规模大小确定其扫描角与扫描距离限值。
6.根据权利要求5所述的一种获取隧道内壁轮廓与沉降量的自动化装备，其特征在于：所述二维舵机云台（6）与高精度激光测距传感器（8）水平固定连接，从而控制高精度激光测距传感器（8）各方向转动，所述嵌入式平板电脑（4）通过各...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄博，陈鹏，马参考，原山山，王邵锐，朱明泽，陈华，荆松，陈超，刘伟，崔晓璐，黄诗渊，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：
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