隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械技术

本发明专利技术公开了一种隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械，该设备包括：扫描仪，安装于随转台转动的臂架上；以及控制装置，用于：控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及发射角度，并通过坐标变换，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标。通过上述技术方案，可将臂架与隧道轮廓曲面统一在同一三维空间坐标系内，为臂架轨迹规划提供空间参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工程机械领域，具体地，涉及一种隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械。
技术介绍
混凝土喷浆设备(诸如，混凝土泵车、混凝土喷射机等)利用自身的液压机械臂引导软管，并通过软管将混凝土输送至目标位置进行喷浆作业，因此，大型多关节液压机械臂的运动控制非常关键。臂架智能运动控制综合了先进的传感检测技术和机器人控制技术，因其操作简单，控制精度高，逐步取代了传统的臂架单关节手动控制方式，成为臂架运动控制的发展趋势。目前，臂架智能运动控制技术已在混凝土泵车上得到了广泛的应用，但混凝土喷射机的工作环境为在隧道等有限空间，其需要在该空间内进行开挖断面混凝土喷射衬砌作业，这一点与混凝土泵车不同，因此难以将现有的臂架智能运动控制技术直接应用在混凝土喷射机上。需要获取有关隧道的空间数据，以在在混凝土喷射机臂架运动控制时进行参考。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械，其可实现隧道轮廓扫描，且可将扫描得到的数据应用在喷射机臂架智能运动控制系统中。为了实现上述目的，本专利技术提供一种隧道轮廓扫描设备，该设备包括:扫描仪，安装于随转台转动的臂架上；以及控制装置，用于执行以下操作:控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。相应地，本专利技术还提供一种工程机械，该工程机械包含上述隧道轮廓扫描设备。相应地，本专利技术还提供一种隧道轮廓扫描方法，该方法包括:控制扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离，该扫描仪安装于随转台转动的臂架上；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。通过上述技术方案，可得隧道各断面上各点的坐标，从而可生成隧道曲面网格图；另外，还可将臂架与隧道轮廓曲面统一在同一三维空间坐标系内，得到臂架与所述隧道轮廓曲面的相对姿态，准确获取臂架在隧道内的三维空间的实际位置，以在进行臂架轨迹规划时进行参考，避开臂架运动过程中的某些姿态出现碰撞隧道壁的危险。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中:图1为一混凝土喷射机的臂架系统的结构示意图；图2为本专利技术提供的隧道轮廓扫描设备的结构示意图；图3为保护盒的结构示意 图4为保护盒的安装位置示意图；图5为隧道轮廓扫描设备执行隧道轮廓扫描时与隧道之间的位置关系示意图；图6为隧道轮廓扫描流程图；图7 (a)为极坐标系下的P点坐标的示意图；图7(b)为平面直角坐标系下的P点坐标的示意图；图7(c)为三维直角坐标系下的P点坐标的示意图；图7(d)为隧道轮廓曲面网格图的示意图；以及图8为隧道轮廓图像示意图。附图标记说明10 转台21 大臂22 第二节臂 23第三节臂30 伸缩关节 40喷射头50 扫描仪51 发射镜面60 控制装置70 保护盒71 盖板72 密封圈73 线缆进出口74、75 液压油管进出口731线缆 741 液压进油管751液压出油管具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。以下以混凝土喷射机为例对本专利技术的技术方案进行说明。图1为一混凝土喷射机的臂架系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括可绕竖直轴线以及水平轴线回转并可沿车身滑移的双回转转台10、“z”型的三关节液压机械臂(该机械臂包含大臂21、第二节臂22、第三节臂23)、以及位于第三节臂23末端的伸缩关节30和具有两个可控自由度的喷射头40。该混凝土喷射机的臂架运动控制系统可利用安装在臂架上的传感器以及先进的运动学算法实现了臂架的智能运动控制，操作机手通过无线遥控器的摇杆可以直接控制臂架末端在三维空间内沿X轴、y轴、z轴作直线运动。图2为本专利技术提供的隧道轮廓扫描设备的结构示意图。如图2所示，本专利技术提供了一种隧道轮廓扫描设备，该设备包括:扫描仪50，安装于随转台转动的臂架上，诸如图1所示的混凝土喷射机的臂架系统的臂架末端；以及控制装置60，用于执行以下操作:控制所述扫描仪50以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪50的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪50以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪50的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。通过该方案，可得隧道各断面上各点的坐标，从而可生成隧道曲面网格图；在施工完成后，利用本专利技术对隧道轮廓重新进行一次扫描，通过生成的隧道轮廓三维曲面图可以将本次施工的结果与施工技术要求进行对比，从而较为准确的评估本次的施工质量；另外，还可将臂架与隧道轮廓曲面统一在同一三维空间坐标系内，得到臂架与所述隧道轮廓曲面的相对姿态，准确获取臂架在隧道内的三维空间的实际位置，以在进行臂架轨迹规划时进行参考，避开臂架运动过程中的某些姿态出现碰撞隧道壁的危险。扫描仪50的工作原理是通过发射镜面51发射出一组处于同一平面的等夹角射线，对隧道轮廓进行扫描(可对隧道断面依次进行扫描，多个隧道断面构成隧道轮廓)，并将测得的每个扫描点与扫描仪的中心之间的距离以及射线的发射角度值传输给所述控制装置60。由于施工现场充斥着大量的粉尘、泥浆以及回弹的混凝土，将扫描仪50直接暴露在外极易对扫描仪50发射面的清洁度及透光度造成影响从而影响扫描仪50的工作性能，而且施工完成后操作机手需要用水枪对机身进行冲洗，也有可能造成扫描仪50内部进水损坏。因此，如图3所示，本专利技术为扫描仪配置了保护盒70，保护盒70上部装有密封圈72的盖板71，盖板71的开闭由安装在保护盒70内的驱动装置73(诸如，液压油缸)驱动，保护盒70的侧面有线缆的进出口 74及液压油管的进出口 75和76本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道轮廓扫描设备，其特征在于，该设备包括：扫描仪，安装于随转台转动的臂架上；以及控制装置，用于执行以下操作：控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。

【技术特征摘要】
1.一种隧道轮廓扫描设备，其特征在于，该设备包括: 扫描仪，安装于随转台转动的臂架上；以及 控制装置，用于执行以下操作: 控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离； 控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心 所处的隧道断面上各点之间的距离； 重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及 根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制装置还用于: 根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第二三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述扫描仪的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向；以及 根据所述各点在第二三维直角坐标系下的坐标，生成隧道曲面网格图。3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在所述扫描仪进行测量的过程中，所述扫描仪的中心与所述转台的中心等高。4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括保护盒及驱动该保护盒开闭的驱动装置， 所述扫描仪位于该保护盒内，所述控制装置还用于在控制所述扫描仪开始测量之前，控制所述驱动装置打开所述保护盒，并在测量完成之后，控制所述驱动装置关闭所述保护盒。5.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包含根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的隧道轮廓扫描设备。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶泽安，梁聪慧，涂佳玮，曾杨，
申请(专利权)人：中联重科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：