阅读说明：本技术 隧道断面的激光扫描测量装置及方法 (The laser scanner and method of tunnel cross-section ) 是由 王耀东 朱力强 余祖俊 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种隧道断面的激光扫描测量装置及方法,包括：4个激光扫描传感器和数据采集存储器；4个激光扫描传感器安装于检测车上,两个激光扫描传感器作为第一对激光扫描传感器背向安装,分别用于从垂直于隧道方向横向扫描隧道两侧至顶部的轮廓；另外两个激光扫描传感器作为第二对激光扫描传感器背向安装,分别用于倾斜扫描隧道两侧至顶部的轮廓；数据采集存储器与激光扫描传感器通过数据线连接,用于存储所述激光扫描传感器的激光扫描结果。本装置可以增加小截面物体的断面检测概率,从而解决了高速检测中的漏检现象。(The present invention provides a kind of laser scanner of tunnel cross-section and methods, comprising: 4 scanning laser sensors and data acquisition memory；4 scanning laser sensors are installed on detection vehicle, and two scanning laser sensors, backwards to installing, are respectively used to from the profile perpendicular to tunnel direction transversal scanning tunnel two sides to top as first pair of scanning laser sensor；Other two scanning laser sensor, backwards to installing, is respectively used to the profile at dip sweeping tunnel two sides to top as second pair of scanning laser sensor；Data acquisition memory is connect with scanning laser sensor by data line, for storing the laser scanning result of the scanning laser sensor.The present apparatus can increase the section detection probability of small bore object, to solve the detection leakage phenomenon in high speed detection.)

隧道断面的激光扫描测量装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道检测技术领域，尤其涉及一种隧道断面的激光扫描测量装置及方法。

背景技术

地铁隧道在服役过程中会出现形变、裂缝、渗漏水等病害状况，是影响行车安全的重要因素，如果没有对隧道的安全状态进行及时检测、预警和维护，一旦发生事故，会引起严重的后果。目前，隧道轮廓检测主要采用激光扫描传感器测量隧道轮廓尺寸，生成二维或三维点云，进行参数检测与形变检测；隧道表面病害检测利用相机等视觉传感器，组成隧道影像采集系统，采集隧道表面图像，并研究图像处理与目标识别算法，自动检测病害区域。

当前隧道轮廓的三维测量与隧道表面图像全景采集，一般都是独立工作的系统。在大型车载式检测系统中，隧道轮廓三维点云测量一般装到车头或者车厢尾部，垂直扫描隧道表面；隧道表面图像采集系统，一般装到车厢周围，利用多个相机拼接，采集表面图像。在小型检测车中，一般是隧道轮廓三维点云测量安装于小车的中间，形成专用的检测系统；隧道表面图像采集系统，按照圆形或方形结构，围成一圈采集图像。隧道三维检测与图像采集系统，相对独立，不具有相互关系。

北京交通大学机电学院朱力强等设计的“地铁隧道断面限界检测系统”，采用了基于激光测距原理的非接触式检测方案，系统使用高速数据采集卡，完成高速激光数据的采集和时钟的同步。同时针对车体振动带来的测量误差设计基于位移计的振动补偿算法。利用VC++6.0开发环境，开发数据采集软件，利用多线程及数据库技术实现数据的采集、存储、查询和分析功能。最大测量距离30米，可实现180°扫描，将激光测距传感器成夹角70°安装，可以实现对线路断面垂直的完整扫描，但是其缺点为：在高速动态检测中，断面间隔增大，隧道断面的点云数据稀疏化，导致对于细长形状的物体和横截面尺寸小的物体存在漏检的情况；激光扫描传感器垂直扫描隧道轮廓，只能测量到此断面位置，距离激光最近的物体轮廓，对于隧道表面的尺寸，由于前面物体的遮挡，无法测量隧道表面的尺寸参数。发明专利(CN201610347483.1)公开了一种基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置，利用激光摄影测量法，激光光源投射到隧道表面，形成隧道激光轮廓线，利用多个相机组成的视觉采集系统，对隧道进行局部范围的全景图像采集，拍摄到激光轮廓线。通过用激光摄影测量法的理论算法，计算出隧道轮廓像素点对应的几何尺寸参数，从而形成隧道轮廓的三维点云。同时可以利用断面扫描的三维点云，拟合断面曲线并形成模拟圆柱面，从而三维显示隧道三维尺寸参数，用于检测隧道位移和形变。但是其缺点是：此技术仅利用全景视觉传感器和激光扫描，成本较高；视觉传感器采集隧道表面的激光轮廓信息时，会受到光线的影响，导致测量精度的下降；同时对于隧道表面的深色物体，其激光扫描的光斑轮廓强度不够，会导致局部的漏检测情况；同样由于垂直扫描隧道表面，只能测量到此断面位置，距离激光最近的物体轮廓，对于隧道表面的尺寸，由于前方物体的遮挡，无法测量隧道表面的尺寸参数。

在实际隧道断面测量与限界检测中，由于二维快速激光扫描点呈螺旋线分布，对于车速运行较快的情况下，断面间隔变大，点云密度变小，导致对于截面细长的物体，发生漏检现象，严重影响隧道轮廓测量和限界检测，检测车速度越快，则漏检可能性越大。

发明内容

本发明提供了一种隧道断面的激光扫描测量装置及方法，以解决现有技术中的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明的一方面提供了一种隧道断面的激光扫描测量装置，其特征在于，包括：4个激光扫描传感器和数据采集存储器；

所述的4个激光扫描传感器安装于检测车上，两个激光扫描传感器作为第一对激光扫描传感器背向安装，分别用于从垂直于隧道方向横向扫描隧道两侧至顶部的轮廓；另外两个激光扫描传感器作为第二对激光扫描传感器背向安装，分别用于倾斜扫描隧道两侧至顶部的轮廓；

所述存数据采集存储器与激光扫描传感器通过数据线连接，用于存储所述激光扫描传感器的激光扫描结果。

优选地，倾斜扫描隧道两侧至顶部的轮廓包括第二对激光扫描传感器与隧道的夹角为30°-60°。

优选地，该装置还包括底座，所述的底座包括竖直面和水平面，所述的竖直面和水平面一体，竖直面用于将底座固定于检测车的前方或尾部，水平面用于固定安装所述的4个激光扫描传感器。

优选地，该装置还包括传感器支架，所述的传感器支架通过螺栓固定于所述底座上，所述的4个激光扫描传感器通过螺栓固定于所述传感器支架上。

优选地，第二对激光扫描传感器与隧道的夹角为45°。

优选地，激光扫描传感器与底座设置有夹角，用于使激光扫描传感器扫描到钢轨，并且在扫描至隧道顶部时每一对激光扫描传感器中的两束激光有至少5度的重合。

优选地，4个激光扫描传感器的扫描光路互不干涉。

本发明的另一方面提供了一种根据上述隧道断面的激光扫描测量装置进行隧道断面扫描测量方法，其特征在于，包括：

步骤1、将安装有所述隧道断面的激光扫描测量装置的检测车以预定速度在隧道内行驶，并开启所述隧道断面的激光扫描测量装置的4个激光扫描传感器；

步骤2、通过所述的4个激光扫描传感器中的第一对激光扫描传感器分别从垂直于隧道方向横向扫描隧道的两侧至顶部的轮廓；通过所述第二对激光扫描传感器倾斜扫描隧道两侧至顶部的轮廓；

步骤3、通过所述的数据采集存储器记录各个激光扫描传感器的扫描数据以及当前传感器的位置信息；

步骤4、根据所述扫描数据和当前传感器的位置信息进行坐标变换，得到两组激光扫描的隧道断面尺寸。

优选地，第二对激光扫描传感器分别与隧道夹角45°的方向扫描隧道两侧至顶部的轮廓。

优选地，步骤2中的4个激光扫描传感器的扫描光路互不干涉。

由上述本发明的隧道断面的激光扫描测量装置及方法提供的技术方案可以看出，本发明通过在装置中两个激光扫描传感器与隧道交叉的方向扫描隧道两侧至顶部的轮廓，对隧道两侧进行补充扫描，可以增加小截面物体的断面检测概率，小截面物体在沿着断面方向的截面比较小，激光直射扫描的点也比较少，造成漏检现象。但是在垂直于断面方向，这种物体可能是板状或者条状或者其他形状，激光倾斜扫描，扫描到物体的点比较多，可以避免漏检现象，从而解决了高速检测中的漏检现象，提高隧道中物体扫描测量的准确性，对于侵入隧道限界尺寸的物体，有较高的预警准确性，确保隧道中电客车的安全运行。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例的一种隧道断面的激光扫描测量装置示意图；

图2为底座示意图；

图3为传感器支架示意图；

图4为第一对激光扫描传感器的扫描状态示意图；

图5为实施例提供的隧道断面扫描测量方法示意图；

图6为通过实施例的装置进行仿真实验的场景示意图；

图7为通过传统的垂直扫描的装置得到的扫描结果示意图；

图8为通过实施例装置得到的扫描结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图做进一步的解释说明。

实施例

图1为本实施例提供的一种隧道断面的激光扫描测量装置示意图，参照图1，该装置包括：4个激光扫描传感器和数据采集存储器。

4个激光扫描传感器安装于检测车上，两个激光扫描传感器作为第一对激光扫描传感器背向安装，分别用于从垂直于隧道方向横向扫描隧道两侧至顶部的轮廓；另外两个激光扫描传感器作为第二对激光扫描传感器背向安装，分别用于倾斜扫描隧道两侧至顶部的轮廓。

存数据采集存储器与激光扫描传感器通过数据线连接，用于存储所述激光扫描传感器的激光扫描结果。

其中，激光扫描传感器为二维激光扫描传感器。扫描角度是180度的一个扇面。激光扫描传感器每秒在180°的扫描范围内扫描50-150次，具体根据传感器指标确定。

第二对激光扫描传感器与隧道的夹角为45°，该夹角范围可以为30°-60°。

参照图1，该装置还包括底座，图2为底座示意图，参照图2，底座包括竖直面和水平面，竖直面和水平面一体，竖直面用于将底座固定于检测车的前方或尾部，水平面用于固定安装所述的4个激光扫描传感器。

该装置还包括传感器支架，图3为传感器支架示意图，参照图1和3，传感器支架通过螺栓固定于底座上，4个激光扫描传感器通过螺栓固定于传感器支架上。

激光扫描传感器与底座设置有夹角，用于使激光扫描传感器扫描到钢轨，并且在扫描至隧道顶部时每一对激光扫描传感器中的两束激光有至少5°的重合，从而可以确保隧道顶部区域扫描时没有漏检。激光扫描传感器与底座的夹角可以为0-10°，图4为第一对激光扫描传感器的扫描状态示意图，参照图4，传感器支架与底座的夹角为85°，使传感器与底座的夹角为5°，两个激光传感器可以扫描到钢轨，同时扫描至隧道顶部时两个激光束有10°的重合。

需要说明的是，4个激光扫描传感器的扫描光路互不干涉。第二对激光扫描传感器不能遮挡第二对激光扫描传感器的激光出束位置，所以第一对激光扫描传感器与第二对延伸激光扫描传感器的保持前后间距放置，第二对激光扫描传感器在一对激光扫描传感器的侧后方。

图5为本实施例提供的根据上述隧道断面的激光扫描测量装置进行隧道断面扫描测量方法示意图，参照图5，该方法具体包括：

步骤1、将安装有所述隧道断面的激光扫描测量装置的检测车以预定速度在隧道内行驶，并开启所述隧道断面的激光扫描测量装置的4个激光扫描传感器；

步骤2、通过所述的4个激光扫描传感器中的第一对激光扫描传感器分别从垂直于隧道方向横向扫描隧道的两侧至顶部的轮廓；通过所述第二对激光扫描传感器倾斜扫描隧道两侧至顶部的轮廓；

步骤3、通过数据采集存储器记录各个激光扫描传感器的扫描数据以及当前传感器的位置信息；

步骤4、根据所述扫描数据和当前传感器的位置信息进行坐标变换，把激光器扫描的隧道点云数据，通过计算机从激光器扫描传感器自身坐标系转换到以轨道中心为0点的世界坐标系，进而得到两组激光扫描的隧道断面尺寸。

其中，第二对激光扫描传感器分别与隧道夹角45°的方向扫描隧道两侧至顶部的轮廓。

需要说明的是，步骤2中的4个激光扫描传感器的扫描光路互不干涉。

图6为通过本实施例的装置进行仿真实验的场景示意图，参照图6，该场景隧道左侧放置有一个垂直于隧道横截面板状物体，图7为通过传统的垂直扫描的装置得到的扫描结果示意图，图8为通过本实施例装置得到的扫描结果示意图，通过对比可以看出，图7中通过传统的垂直扫描的装置，两个垂直激光器只能扫描这个板子的侧面一点或者截面，或者干脆扫不到这个板子，因为截面尺寸非常小，如图7中的圆形框所示，没有扫描到这个板子，或者只有一点板子侧面的点。而通过图8中本实施例的装置进行仿真实验可以看出，当检测车通过这个板子时，整个板面都扫到了，在隧道断面的半径方向，多扫描了物体的深度数据，避免了隧道中细小截面物体的漏检现象。如图8中圆形框所示所示，扫描到了这个测试的板子，并且图像非常清楚。

综上所述，通过使用本发明的装置可以避免了隧道中细小截面物体的漏检现象，提高隧道中物体扫描测量的准确性。

本领域技术人员应能理解上述输的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

在实际应用中，上述激光扫描传感器也可以设置在检测车的其它位置，进行激光传感器的倾斜扫描。本发明实施例并不局限上述激光扫描传感器的具体放置位置，上述激光扫描传感器在检测车中的任何放置只要符合本发明的扫描方式都在本发明实施例的保护范围中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的实施例均采用递进的方式描述，实施例中相同相似的部分互相参见即可，尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。