一種隧道三維線形測量系統及其測量方法
2023-07-23 12:12:51 1
一種隧道三維線形測量系統及其測量方法
【專利摘要】本發明屬於隧道線形檢測【技術領域】，公開了一種隧道三維線形測量系統及其測量方法。該隧道三維線形測量系統，包括單片機、工控機、用於沿隧道車道中心線行駛的測量車；所述測量車的質心處固定安裝有三軸電子羅盤，在三軸電子羅盤的正前方、正左方和正上方對應固定有第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀；在所述測量車的一個後輪的轉軸上固定有一個增量式旋轉編碼器；所述單片機的輸入端分別電連接三軸電子羅盤、第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀、第三單軸光纖陀螺儀和增量式旋轉編碼器，所述單片機的輸出端電連接所述工控機的輸入端。
【專利說明】一種隧道三維線形測量系統及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於隧道線形檢測【技術領域】，特別涉及一種隧道三維線形測量系統及其測
量方法。
【背景技術】
[0002]在隧道工程竣工時，為了檢驗隧道的施工是否符合設計要求，同時為了便於向下一步的設備安裝和運營管理提供基礎信息，通常需要對隧道的縱斷面和橫斷面進行測量。通過對隧道縱斷面的測量，主要是獲取隧道的縱斷面上的線形數據，從而可以了解隧道斜率的變化情況，也可以對隧道的實際線形與設計線形之間的差異性進行比較。
[0003]以往在對隧道縱斷面的測量過程中，通常採用水準儀測量方法或全站儀三角高程測量方法來實現。另外在對縱斷面進行測量時，往往需要在隧道縱斷面的投影線上，採用直線段每隔6m，曲線段每隔5m的方法來測量一個縱斷面點。但是上述這些測量方法存在一定的局限性，例如水準儀測量方法或全站儀三角高程測量方法均為人工測量方法，其測量效率低下；在隧道空間狹小且高程變化較大的情況下，測量的難度變大；縱斷面點的數量有限，容易影響隧道線形的精確性等。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提出一種隧道三維線形測量系統及其測量方法。本發明具有自動化高、測量精度高的特點。
[0005]為實現上述技術目的，本發明採用如下技術方案予以實現。
[0006]技術方案一:
[0007]一種隧道三維線形測量系統，包括單片機、工控機、用於沿隧道車道中心線行駛的測量車；所述測量車的質心處固定安裝有三軸電子羅盤，在三軸電子羅盤的正前方、正左方和正上方對應固定有第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀；在所述測量車的一個後輪的轉軸上固定有一個增量式旋轉編碼器；所述三軸電子羅盤的第一感應軸與測量車縱軸方向平行，並指向測量車的前方；所述三軸電子羅盤的第二感應軸與測量車橫軸方向平行，並指向測量車的左方；所述三軸電子羅盤的第三感應軸垂直於第一感應軸，垂直於第二感應軸，並指向測量車的上方；所述第一單軸光纖陀螺儀的感應軸與測量車縱軸方向平行，並指向測量車的前方；所述第二單軸光纖陀螺儀的感應軸與測量車橫軸方向平行，並指向測量車的左方；所述第三單軸光纖陀螺儀的感應軸垂直於第一單軸光纖陀螺儀的感應軸，垂直於第二單軸光纖陀螺儀的感應軸，並指向測量車的上方；
[0008]所述單片機的輸入端分別電連接三軸電子羅盤、第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀、第三單軸光纖陀螺儀和增量式旋轉編碼器，所述單片機的輸出端電連接所述工控機的輸入端。
[0009]所述三軸電子羅盤用於在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車的方向感應數據，並用於將所述測量車的方向感應數據發送至單片機，所述測量車的方向感應數據為測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向(立軸方向垂直於橫軸方向，且垂直於縱軸方向)的磁感應強度和加速度；
[0010]所述第一單軸光纖陀螺儀用於在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車縱軸方向對應的旋轉角速度，並用於將所述測量車縱軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機；所述第二單軸光纖陀螺儀用於在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車橫軸方向對應的旋轉角速度，並用於將所述測量車橫軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機；所述第三單軸光纖陀螺儀用於在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車立軸方向對應的旋轉角速度，並用於將所述測量車立軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機；
[0011]所述增量式旋轉編碼器用於在測量車行駛時實時採集測量車的行駛速度，並用於實時將所述測量車的行駛速度發送至單片機；
[0012]所述單片機用於對接收的數據進行對應的格式轉換，並用於將格式轉換後的數據發送至工控機；
[0013]所述工控機用於根據在每個採樣點採集的測量車的方向感應數據、測量車縱軸方向對應的旋轉角速度、測量車橫軸方向對應的旋轉角速度、測量車立軸方向對應的旋轉角速度，得出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據，所述測量車的傾斜角度數據指測量車橫軸方向對應的傾斜角度、測量車縱軸方向對應的傾斜角度、測量車立軸方向對應的傾斜角度；
[0014]所述工控機用於根據三軸電子羅盤的採樣頻率，計算得出採樣間隔時間；所述工控機用於根據每個採樣點對應的測量車的實時行駛速度和採樣間隔時間，得出每兩個相鄰採樣點之間測量車的行駛距離；所述工控機用於根據每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據和每兩個相鄰採樣點之間測量車的行駛距離，得出隧道的三維線形。
[0015]本技術方案的特點和進一步改進在於:
[0016]所述三軸電子羅盤、第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀具有相同的採樣頻率。
[0017]所述三軸電子羅盤為LSM303DLH電子羅盤，所述第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀均為VG949P光纖陀螺儀。
[0018]技術方案二:
[0019]一種隧道三維線形測量方法，基於上述一種隧道三維線形測量系統，包括以下步驟:
[0020]S1:測量車沿隧道車道中心線，從隧道的入口向隧道的出口行駛；三軸電子羅盤在測量車行駛時，在第I個採樣點至第N個採樣點(按時間順序將採樣點依次標記為第I個採樣點至第N個採樣點)依次採集測量車的方向感應數據，N為採樣點的總數，測量車的方向感應數據為測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的磁感應強度和加速度；然後將所述測量車的方向感應數據發送至單片機；立軸方向垂直於橫軸方向，且垂直於縱軸方向。
[0021]第一單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車縱軸方向對應的旋轉角速度，並將所述測量車縱軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機；第二單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車橫軸方向對應的旋轉角速度，並將所述測量車橫軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機；第三單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車立軸方向對應的旋轉角速度，並將所述測量車立軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機；
[0022]增量式旋轉編碼器在測量車行駛時實時採集測量車的行駛速度，並實時將所述測量車的行駛速度發送至單片機；
[0023]S2:單片機對接收的數據進行對應的格式轉換，並將格式轉換後的數據發送至工控機；
[0024]S3:工控機根據在每個採樣點採集的測量車的方向感應數據、測量車縱軸方向對應的旋轉角速度、測量車橫軸方向對應的旋轉角速度、測量車立軸方向對應的旋轉角速度，得出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據，所述測量車的傾斜角度數據指測量車的俯仰角、測量車的側傾角和測量車的航向角；
[0025]工控機根據三軸電子羅盤的採樣頻率，計算得出採樣間隔時間；根據每個採樣點對應的測量車的實時行駛速度和採樣間隔時間，得出每兩個相鄰採樣點之間測量車的行駛距離；
[0026]隧道三維線形由第I矢量線段至第N-1矢量線段依次首尾相接而成，在三維直角坐標系中，隧道三維線形的第I矢量線段的起點為原點，根據第j個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據確定隧道三維線形的第j矢量線段的方向，j取I至N-1，第j個採樣點和第j+Ι個採樣點之間測量車的行駛距離為隧道三維線形的第j矢量線段的長度。
[0027]本技術方案的特點和進一步改進在於:
[0028]在步驟S3中，所述工控機根據在每個採樣點採集的測量車的方向感應數據，通過反三角函數公式計算出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第一初始值；所述工控機根據在每個採樣點採集的測量車縱軸方向對應的旋轉角速度、測量車橫軸方向對應的旋轉角速度、測量車立軸方向對應的旋轉角速度，計算得出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第二初始值；
[0029]將第I個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第一初始值作為第I個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據；然後工控機按照以下步驟依次計算第2個採樣點至第N個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據:工控機將第m個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第一初始值和第二初始值作比較，m取2至N，工控機將比較之後的差值進行比例放大，將經比例放大後的數據與第m-Ι個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據進行疊加，從而得到第m個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據。
[0030]本發明的有益效果為:本發明的一種隧道三維線形測量系統，主要採用三軸電子羅盤、單軸光纖陀螺儀、增量式旋轉編碼器和工控機，投資費用少，設計簡單，可靠性高；本發明的一種隧道三維線形測量方法，具有自動化高、測量精度高的特點，並且使隧道三維線形直觀地呈現出來。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明的一種隧道三維線形測量系統結構示意圖；
[0032]圖2為本發明的一種隧道三維線形測量系統的電氣連接示意圖；
[0033]圖3為本發明的一種隧道三維線形測量方法的流程圖；
[0034]圖4為測量車的傾斜角度的數據融合示意圖。
[0035]附圖標記:1-三軸電子羅盤，2-第一單軸光纖陀螺儀，3-第二單軸光纖陀螺儀，4-第三單軸光纖陀螺儀，5-增量式旋轉編碼器，6-測量車，7-單片機，8-工控機。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本發明作進一步說明:
[0037]在隧道工程竣工時，為了檢驗隧道的施工是否符合設計要求，同時為了便於向下一步的設備安裝和運營管理提供基礎信息，通常需要對隧道的縱斷面和橫斷面進行測量。通過對隧道縱斷面的測量，主要是獲取隧道的縱斷面上的線形數據，從而可以了解隧道斜率的變化情況，也可以對隧道的實際線形與設計線形之間的差異性進行比較。
[0038]以往在對隧道縱斷面的測量過程中，通常採用水準儀測量方法或全站儀三角高程測量方法來實現。另外在對縱斷面進行測量時，往往需要在隧道縱斷面的投影線上，採用直線段每隔6m，曲線段每隔5m的方法來測量一個縱斷面點。但是上述這些測量方法存在一定的局限性，例如水準儀測量方法或全站儀三角高程測量方法均為人工測量方法，其測量效率低下；在隧道空間狹小且高程變化較大的情況下，測量的難度變大；縱斷面點的數量有限，容易影響隧道線形的精確性等。因此，需要一種操作簡單、自動化程度高且測量準確度高的裝置和方法對隧道的三維線形進行測量。
[0039]參照圖1，為本發明的一種隧道三維線形測量系統結構示意圖，參照圖2，為本發明的一種隧道三維線形測量系統的電氣連接示意圖。在本發明實施例中，採用測量車6作為該隧道三維線形測量系統的安裝平臺。三軸電子羅盤I固定在測量車6的質心處。在三軸電子羅盤I的正前方、正左方和正上方對應固定有第一單軸光纖陀螺儀2、第二單軸光纖陀螺儀3和第三單軸光纖陀螺儀4。其中，三軸電子羅盤的第一感應軸與測量車縱軸方向平行，並指向測量車的前方；三軸電子羅盤的第二感應軸與測量車橫軸方向平行，並指向測量車的左方；三軸電子羅盤的第三感應軸垂直於第一感應軸，垂直於第二感應軸，並指向測量車的上方；第一單軸光纖陀螺儀的感應軸與測量車縱軸方向平行，並指向測量車的前方；第二單軸光纖陀螺儀的感應軸與測量車橫軸方向平行，並指向測量車的左方；第三單軸光纖陀螺儀的感應軸垂直於第一單軸光纖陀螺儀的感應軸，垂直於第二單軸光纖陀螺儀的感應軸，並指向測量車的上方。測量車6的行駛速度採用增量式旋轉編碼器5進行實時採集，增量式旋轉編碼器5同軸套接在測量車6後輪的轉軸上。單片機7採用Freescale公司的MC9S12XS128單片機，在測量車行駛的過程中，單片機7和工控機8均放置在測量車6的後座上。單片機7通過SPI接口電連接三軸電子羅盤I，通過A/D接口電連接第一單軸光纖陀螺儀2、第二單軸光纖陀螺儀3以及第三單軸光纖陀螺儀4，通過脈衝累加器接口(即PT7接口)連接增量式旋轉編碼器5。工控機8通過串口與單片機7的串口相連接。
[0040]在本發明實施例中，三軸電子羅盤I採用STMicroelectronics公司的LSM303DLH電子羅盤，該LSM303DLH電子羅盤具有SPI數字通信接口和O?IOOHz的採樣頻率，採用16位數字輸出方式和標準IIC通訊協議。
[0041]該LSM303DLH電子羅盤包括一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個檢測加速度的三軸加速度傳感器。三個單軸光纖陀螺儀均採用FIZ0PTIKA公司的VG949P光纖陀螺儀，它具有O?IOOOHz的採樣頻率，測量範圍為±300deg/sec，它的輸出信號為與角速度成正比的模擬電壓信號或數字RS232信號。本發明實施例中，三軸電子羅盤1、第一單軸光纖陀螺儀2、第二單軸光纖陀螺儀3和第三單軸光纖陀螺儀4具有相同的採樣頻率，將該採樣頻率設為100Hz。增量式旋轉編碼器採用OMRON公司的E6C2-CWZ6C增量式旋轉編碼器，它採用雙相測速方式，其解析度為1024P/R，即每旋轉一圈輸出1024個脈衝。增量式旋轉編碼器5實時採集的脈衝數據通過單片機7發送至工控機8。
[0042]在安裝完成本發明的一種隧道三維線形測量系統之後，首先要設定測量車的行駛速度。其具體過程如下:考慮到隧道三維線形測量的精確性，兩個採樣點之間測量車行駛過的距離應該儘可能的小，因此需要對測量車的行駛速度作初步的設定。在實際測量過程中，測量車可以在設定的行駛速度的一定範圍內變動。例如，設定兩個採樣時刻點間測量車的行駛裡程D為10cm，三軸電子羅盤、第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀的採樣頻率均設為100Hz。因此設定測量車的行駛速度V為:v=D*f=0.l*100=10ms。
[0043]參照圖3，為本發明的一種隧道三維線形測量方法的流程圖，該隧道三維線形測量方法包括以下步驟:
[0044]I)數據採集與傳輸:測量車沿隧道車道中心線，從隧道的入口向隧道的出口行駛；其行駛的初始速度為上述設定的行駛速度lOm/s。由於測量車是由駕駛員人工駕駛的，因此測量車的行駛速度無法時刻保持勻速，行駛速度會在10m/S左右變化。增量式旋轉編碼器啟動對測量車行駛速度的實時採集，即實時採集單位時間內所記錄的脈衝數，並將該脈衝數發送至單片機，單片機對該脈衝數進行對應的格式轉換，然後將格式轉換後的數據發送至工控機。
[0045]三軸電子羅盤在測量車行駛時，在第I個採樣點至第N個採樣點採集測量車的方向感應數據，並將測量車的方向感應數據通過標準Iic通訊協議發送至單片機；N為採樣點的總數，測量車的方向感應數據為測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的磁感應強度和加速度。立軸方向垂直於橫軸方向，且垂直於縱軸方向。
[0046]第一單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車縱軸方向對應的旋轉角速度，並將所述測量車縱軸方向對應的旋轉角速度以模擬電壓信號的形式發送至單片機；第二單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車橫軸方向對應的旋轉角速度，並將所述測量車橫軸方向對應的旋轉角速度以模擬電壓信號的形式發送至單片機；第三單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車立軸方向對應的旋轉角速度，並將測量車立軸方向對應的旋轉角速度以模擬電壓信號的形式發送至單片機。
[0047]單片機對接收的測量車的方向感應數據、測量車縱軸方向對應的旋轉角速度、測量車橫軸方向對應的旋轉角速度、測量車立軸方向對應的旋轉角速度進行對應的格式轉換，然後將格式轉換後的數據發送至工控機。
[0048]2)測量車實時行駛速度計算:高性能的工控機根據實時接收到的單位時間內所記錄的脈衝數，精確的計算得到測量車的實時行駛速度。
[0049]3)計算測量車的傾斜角度數據的初始值:根據三軸電子羅盤在每個採樣點所採集的測量車的方向感應數據，就可以得出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第一初始值；測量車的傾斜角度數據指測量車橫軸方向對應的傾斜角度、測量車縱軸方向對應的傾斜角度、測量車立軸方向對應的傾斜角度。根據三個單軸光纖陀螺儀在每個採樣點所採集的測量車縱軸方向、測量車橫軸方向以及測量車立軸方向對應的旋轉角速度，就可以得出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第二初始值。[0050]具體過程如下:在本發明實施例中，共有N個採樣點，即第I個採樣點至第N個採樣點，N為大於I的自然數，在第i個採樣點測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的磁感應強度為(mix，miy，miz)，i取I至N，在第i個採樣點測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的加速度為(aix，aiy, aiz)，則可以通過以下反三角函數公式計算出第i個採樣點測
量車的俯仰角的第一初始值Ψ 側傾角的第一初始值θ η和航向角的第一初始值:
[0051]
【權利要求】
1.一種隧道三維線形測量系統，其特徵在於，包括單片機(7)、工控機(8)、用於沿隧道車道中心線行駛的測量車(6);所述測量車的質心處固定安裝有三軸電子羅盤(1)，在三軸電子羅盤(I)的正前方、正左方和正上方對應固定有第一單軸光纖陀螺儀(2)、第二單軸光纖陀螺儀(3)和第三單軸光纖陀螺儀(4);在所述測量車(6)的一個後輪的轉軸上固定有一個增量式旋轉編碼器(5); 所述單片機(7)的輸入端分別電連接三軸電子羅盤(I)、第一單軸光纖陀螺儀(2)、第二單軸光纖陀螺儀(3)、第三單軸光纖陀螺儀(4)和增量式旋轉編碼器(5)，所述單片機(7)的輸出端電連接所述工控機(8)的輸入端。
2.如權利要求1所述的一種隧道三維線形測量系統，其特徵在於，所述三軸電子羅盤(I)、第一單軸光纖陀螺儀(2)、第二單軸光纖陀螺儀(3)和第三單軸光纖陀螺儀(4)具有相同的採樣頻率。
3.如權利要求1所述的一種隧道三維線形測量系統，其特徵在於，所述三軸電子羅盤(I)為LSM303DLH電子羅盤；所述第一單軸光纖陀螺儀(2)、第二單軸光纖陀螺儀(3)和第三單軸光纖陀螺儀(4)均為VG949P光纖陀螺儀。
4.一種隧道三維線形測量方法，基於權利要求1所述的一種隧道三維線形測量系統，其特徵在於，包括以下步驟: 51:測量車沿隧道車道中心線，從隧道的入口向隧道的出口行駛；三軸電子羅盤在測量車行駛時，在第I個採樣點至第N個採樣點依次採集測量車的方向感應數據，N為採樣點的總數，測量車的方向感應數據為測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的磁感應強度和加速度；然後將所述測量車的方向感應數據發送至單片機； 第一單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車縱軸方向對應的旋轉角速度，並將所述測量車縱軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機；第二單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個 採樣點採集測量車橫軸方向對應的旋轉角速度，並將所述測量車橫軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機；第三單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個採樣點採集測量車立軸方向對應的旋轉角速度，並將所述測量車立軸方向對應的旋轉角速度發送至單片機； 增量式旋轉編碼器在測量車行駛時實時採集測量車的行駛速度，並實時將所述測量車的行駛速度發送至單片機； 52:單片機對接收的數據進行對應的格式轉換，並將格式轉換後的數據發送至工控機； 53:工控機根據在每個採樣點採集的測量車的方向感應數據、測量車縱軸方向對應的旋轉角速度、測量車橫軸方向對應的旋轉角速度、測量車立軸方向對應的旋轉角速度，得出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據，所述測量車的傾斜角度數據指測量車的俯仰角、測量車的側傾角和測量車的航向角； 工控機根據三軸電子羅盤的採樣頻率，計算得出採樣間隔時間；根據每個採樣點對應的測量車的實時行駛速度和採樣間隔時間，得出每兩個相鄰採樣點之間測量車的行駛距離； 隧道三維線形由第I矢量線段至第N-1矢量線段依次首尾相接而成，在三維直角坐標系中，隧道三維線形的第I矢量線段的起點為原點，根據第j個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據確定隧道三維線形的第j矢量線段的方向，j取I至N-1，第j個採樣點和第j+1個採樣點之間測量車的行駛距離為隧道三維線形的第j矢量線段的長度。
5.如權利要求4所述的一種隧道三維線形測量方法，其特徵在於，在步驟S3中，所述工控機根據在每個採樣點採集的測量車的方向感應數據，通過反三角函數公式計算出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第一初始值；所述工控機根據在每個採樣點採集的測量車縱軸方向對應的旋轉角速度、測量車橫軸方向對應的旋轉角速度、測量車立軸方向對應的旋轉角速度，計算得出每個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第二初始值； 將第1個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第一初始值作為第I個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據；然後工控機按照以下步驟依次計算第2個採樣點至第N個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據:工控機將第m個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據的第一初始值和第二初始值作比較，m取2至N，工控機將比較之後的差值進行比例放大，將經比例放大後的數據與第m-Ι個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據進行疊加，從而得到第m個採樣點對應的測量車的傾斜角度數據。
【文檔編號】G01C7/06GK103673983SQ201310652764
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】陳生客, 韓毅, 毛鵬, 寧蘭 申請人:上海嘉珏實業有限公司