隧道限界檢測快速測量裝置的製作方法
2023-05-15 10:26:56
專利名稱：隧道限界檢測快速測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種大地測量裝置，特別是一種隧道限界檢測快速測量裝置。
背景技術：
在隧道等限界檢測中，為了詳細、客觀地描繪測量對象以便科學地指導施工，往往要加大測量點密度，通常每個斷面要求測量上百個點甚至更多，同時，為了提高測量效率和保證安全，又要求每個斷面的測量時間越短越好。
現有技術測量控制裝置一般採用二種實施方案間歇測量和連續測量。間歇測量是指雷射測距儀測頭每轉到一個測量點就停止轉動，在靜止狀態下測量該位置對應測量目標的距離，測距完畢後再驅動測頭轉動到下一測量點。該測量方式可以保證測量精度，但由於每次必須停下來測量，測量速度很慢，效率低，不適合高密度點測量情況。連續測量是指雷射測距儀測頭邊旋轉邊測量，該測量方式雖然提高了測量效率，但測量誤差較大。這是因為雷射測距儀的測距時間是不確定的，受距離和目標環境影響，有時測量一個點的時間較長。當測距時間較長時，由於雷射測距儀測頭一直在轉動，雷射將在目標上掃過很長距離，這時所測到的距離已不是某個點，因此導致較大的測量誤差。一種測量速度高、能保證測量精度且成本低的隧道限界檢測控制裝置一直是人們追求的目標。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種隧道限界檢測快速測量裝置，通過將間歇測量和連續測量有機結合起來，有效解決現有技術單一測量方式存在的技術問題，在保證測量精度前提下，對高密度點的測量速度明顯高於同檔次的測量儀器，同時還具有低成本等特點。
為了實現上述目的，本實用新型提供了一種隧道限界檢測快速測量裝置，包括轉動機構、測量所述轉動機構轉動角度的角度編碼器和測量目標點距離的雷射測距儀，所述角度編碼器和雷射測距儀固定在所述轉動機構的最終轉動部分上，還包括控制所述轉動機構連續轉動或間歇轉動的計算機微處理器，所述計算機微處理器分別與所述角度編碼器、雷射測距儀和轉動機構連接。
所述計算機微處理器包括距離採集模塊、角度採集模塊、存儲模塊和控制模塊，所述距離採集模塊分別與雷射測距儀和控制模塊連接，所述角度採集模塊分別與角度編碼器和控制模塊連接，所述控制模塊還與所述轉動機構和存儲模塊連接。
所述控制模塊為單片機89C55WD，其TXD、RXD腳通過距離採集模塊連接所述雷射測距儀，其INT0、INT1腳通過角度採集模塊連接所述角度編碼器，其P1.0、P1.1腳通過電機驅動電路連接所述轉動機構。進一步地，所述角度採集模塊為正交編碼脈衝及細分電路。
本實用新型基於測量速度和精度兩方面考慮，在從事此類產品設計製造多年豐富經驗及專業知識基礎上，提出了一種新型的用於隧道等限界檢測的快速測量裝置，根據目標點測量時的反射信號強弱智能地調整測量速度，也就是說，在保證精度的前提下提高測量速度。
本實用新型技術方案的設計構思是根據隧道等限界檢測的特點，人們關心的是所測對象的整體輪廓，而不是某個點的細節，因此在較短的時間內，雷射在目標上掃過的地方到雷射測距儀測頭的距離不會有突變，這樣就可以用較短時間內雷射在目標上掃過的線來代替目標上某個點，這條線越短就越趨近於所測點，測量精度也就越高。根據所要求的測量精度，可以設定這條線的上限L0設雷射測距儀旋轉角度為θ，當θ很小時，有L＝R×θ，其中，L為雷射測距儀旋轉角度θ時雷射在目標上掃過的長度，R為雷射測距儀測頭到所測目標的距離。根據所要求的測量精度，雷射測距儀邊旋轉邊測量條件是L≤L0，也就是R×θ≤L0，即L0R]]>如果雷射測距儀旋轉的角速度(即轉動機構旋轉的角速度)為ω，則有θ＝ω×t，其中t為雷射測距儀旋轉角度θ所用的時間，這樣邊旋轉邊測量條件為tL0R]]>上式中的R為目標點的距離，根據隧道等限界檢測的特點，所測目標相鄰較近兩點的距離差異不大，因此在高密度點測量情況下，可以用上一個目標點的距離作為當前目標點的參考距離進行計算。實際上，雷射測距儀旋轉的角速度為ω在整個測量過程中不是恆定的，但在足夠短的時間內可以看成是定值。本實用新型採用在每個目標點測量之前，通過在短時間Δt內測量雷射測距儀的旋轉角度Δθ，可以計算出=t]]>從上述邊旋轉邊測量條件可以看出，如果所測量的目標反射信號較強，測量其距離的測距時間就較短，當測距時間小於或等於 時，就可以邊旋轉邊測量；反之，如果所測量的目標反射信號較弱，測距時間就較長，當測距時間大於 時，說明雷射測距儀不能在規定時間內完成測量，或邊旋轉邊測量方式的測量結果將導致較大的誤差，因此雷射測距儀應停下來測量。
本上述技術構思下，實用新型包括高精度雷射測距儀、高精度角度編碼器、轉動機構和計算機微處理器，通過精確地測量距離和角度，採用計算機微處理器實時控制方式實現了將間歇測量和連續測量有機結合起來，在保證測量精度前提下，利用低成本驅動轉動機構實現測量速度的智能調整。本實用新型在高密度點測量情況下，其測量速度明顯高於同檔次的利用傳統方法測量的儀器，且設計簡單、成本低。
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本實用新型結構示意圖；圖2為本實用新型計算機微處理器結構示意圖；圖3為本實用新型計算機微處理器電路圖。
附圖標記說明1-轉動機構； 2-角度編碼器； 3-雷射測距儀；4-計算機微處理器；41-距離採集模塊；42-角度採集模塊；43-存儲模塊； 44-控制模塊；11-直流電機。
具體實施方式
圖1為本實用新型結構示意圖。如圖1所示，本實用新型隧道限界檢測快速測量裝置包括轉動機構1、角度編碼器2、雷射測距儀3和計算機微處理器4。其中，轉動機構1是大地測量儀器的轉動部件，通過連續轉動或間歇轉動帶動大地測量儀器上的測量部件測量隧道斷面；角度編碼器2高精度地測量轉動機構1的轉動角度，並將角度數據發送給計算機微處理器4；為避免機械傳遞導致的定位誤差，本實用新型將角度編碼器2直接固定在轉動機構1的最終轉動部分上，採用四細分以獲得更高的精度；雷射測距儀3直接固定在轉動機構1的最終轉動部分上，由轉動機構1帶動轉動，依次測量隧道斷面上目標點的距離，並將距離數據發送給計算機微處理器4；計算機微處理器4是本實用新型的核心，根據預先設定的目標點位置數據鎖定目標點，記錄測量數據並通過控制轉動機構1連續轉動或間歇轉動來對上述整個測量過程進行控制。
本實用新型的工作過程為計算機微處理器4根據操作員輸入的測量範圍和測量點數，計算出目標點的角度位置數據，在轉動機構1帶動雷射測距儀3轉動時，角度編碼器2實時採集轉動機構1的轉動角度(也是雷射測距儀3的轉動角度)，並將角度數據發送給計算機微處理器4；當計算機微處理器4判斷轉動機構1已經轉動到目標點的角度位置時，計算機微處理器4控制雷射測距儀3測量目標點的距離，獲得該目標點的極坐標數據；重複上述過程，直到所有目標點的極坐標數據測量完成，這些極坐標數據所描繪的就是隧道的限界，後續利用圖象處理軟體就能迅速得到隧道斷面圖。
上述雷射測距儀3測量目標點距離過程中，現有技術一般採用單一的間歇測量或連續測量方式，本實用新型則通過計算機微處理器4的控制將間歇測量和連續測量有機結合起來，有效解決了現有技術單一測量方式存在的技術問題。具體地，當轉動機構1帶動雷射測距儀3轉動到接近目標點時，計算機微處理器4計算雷射測距儀3掃過目標點所需的轉動時間t，並控制雷射測距儀3開始測量目標點的距離，當雷射測距儀3在上述轉動時間t內完成距離測量時，計算機微處理器4則記錄測量數據，雷射測距儀3繼續轉動到下一目標點；當雷射測距儀3在上述轉動時間t內沒有完成距離測量時，計算機微處理器4則控制轉動機構1停止，雷射測距儀3則靜止進行目標點距離測量，測量完畢後計算機微處理器4再控制轉動機構1開始轉動，偏轉到下一目標點測量。本實用新型上述技術方案的核心是通過對距離和角度的精確測量，按照目標點測量時反射信號的強弱智能地選擇是邊旋轉邊測量還是停下來測量，因此其測量速度要高於傳統的每次必須停下來測量的方法，而測量精度又高於傳統的邊旋轉邊測量方式，從而達到了在保證精度的前提下快速測量的目的。
圖2為本實用新型計算機微處理器結構示意圖。如圖2所示，計算機微處理器4包括距離採集模塊41、角度採集模塊42、存儲模塊43和控制模塊44，其中距離採集模塊41分別與雷射測距儀3和控制模塊44連接，用於將雷射測距儀3採集的距離數據發送給控制模塊44；角度採集模塊42分別與角度編碼器2和控制模塊44連接，用於將角度編碼器2採集的角度數據發送給控制模塊44；控制模塊44分別與距離採集模塊41、角度採集模塊42、存儲模塊43和轉動機構1連接，用於將距離數據和角度數據存儲於存儲模塊43，計算雷射測距儀3的旋轉角速度ω和雷射測距儀3掃過目標點所需的轉動時間t，並判斷雷射測距儀3在轉動時間t內是否完成了距離測量，如果雷射測距儀3在轉動時間t內沒有完成距離測量，控制模塊44則控制轉動機構1停止，等待雷射測距儀3測量目標點距離，當距離測量完畢時，控制模塊44控制轉動機構1開始轉動，進行下一目標點測量。
上述技術方案中，轉動機構1、控制模塊44、角度採集模塊42、角度編碼器2和轉動機構1的連接構成一閉環控制迴路，實現角度位置實時跟蹤和定位，因此也可以稱之為位置定位系統。也可以說，本實用新型對角度位置的定位實際是由計算機微處理器控制角度編碼器來實現的。
下面通過隧道限界測量的具體過程詳細說明本實用新型的技術方案。
假設本實用新型的測量起始角度為θ1，測量終止角度為θN，並設置測量點數為N，則目標點的測量角度間隔為θ，且=N-1-1,]]>因此目標點對應的目標角度依次是θ1＝θ1、θ2＝θ1+θ、θ3＝θ2+θ、...、θN＝θN-1+θ，上述數據被輸入到計算機微處理器4中。假設測量開始時，轉動機構1正好停止在起始角度為θ1。實際上，測量起始狀態也可以是運動狀態。
步驟1、控制模塊44向雷射測距儀3發出控制信號，雷射測距儀3開始測量當前目標點的距離；測量完畢後，控制模塊44通過距離採集模塊41接收距離數據，並發送給存儲模塊43儲存；控制模塊44此時設置M＝2；步驟2、控制模塊44向轉動機構1發出開始轉動的控制信號，轉動機構1帶動雷射測距儀3向下一目標角度偏轉；步驟3、當轉動機構1轉到θM-Δ角度時，即轉到下一目標角度θM超前角度Δ時，控制模塊44通過角度編碼器2測量轉動機構1轉動一設定角度Δθ的時間Δt，然後控制模塊44計算轉動機構1的旋轉角速度ω，=t,]]>其中超前角度Δ和設定角度Δθ均為預先設定的角度，Δ＜Δθ；步驟4、控制模塊44進一步計算雷射測距儀3在經過目標角度θM時的轉動時間t，t=L0RM-1,]]>其中L0為根據測量精度要求預先設定的基準距離，RM-1為前一目標點測量的距離，轉動時間t實際上是雷射在目標角度θM對應目標點上掃過距離L0所需要的時間；步驟5、當轉動機構1轉到目標角度θM時，控制模塊44控制雷射測距儀3開始採集目標角度θM對應目標點的距離RM，如果雷射測距儀3在步驟4中的轉動時間t內完成了距離採集則執行步驟6，否則執行步驟7；步驟6、雷射測距儀3採集的距離數據通過距離採集模塊41發送給控制模塊44，存儲模塊43記錄目標角度θM和目標距離RM；控制模塊44判斷測量點完成情況，如果M＜N，令M＝M+1，執行步驟3；否則執行步驟8；步驟7、控制模塊44控制轉動機構1停止運動，等待雷射測距儀3採集距離數據；雷射測距儀3測量完畢後，其採集的距離數據通過距離採集模塊41發送給控制模塊44，存儲模塊43記錄目標角度θM和目標距離RM；控制模塊44判斷測量點完成情況，如果M＜N，令M＝M+1，執行步驟2；否則執行步驟8；步驟8、測量完畢。
上述測量過程中，超前角度Δ可以設置為0.1～0.3度，因為Δ很小，θM處和θM-Δθ處旋轉角速度ω可認為是一樣的；計算角速度ω時的設定角度Δθ可以設置為0.0 5～0.0 8度，基準距離L0可以設置為10～15釐米。
圖3為本實用新型計算機微處理器電路圖。控制模塊44採用單片機89C55WD，其中單片機89C55WD的TXD、RXD腳通過距離採集模塊41連接雷射測距儀3，INT0、INT1腳通過角度採集模塊42連接角度編碼器2，P1.0、P1.1腳通過電機驅動電路連接轉動機構1。具體地，距離採集模塊41採集雷射測距儀3的距離值並轉換為串行數據，通過TXD和RXD腳與單片機89C55WD進行數據交換；本實施例中，角度採集模塊42為正交編碼脈衝及細分電路，正交編碼脈衝及細分電路對增量式角度碼盤的正交編碼脈衝進行解碼並細分，產生較高解析度的角度變化脈衝及角度旋轉的方向信號，通過INT0和INT1腳與單片機89C55WD進行數據交換。該正交編碼脈衝及細分電路對角度變化進行四細分，本實施例採用2500線的碼盤四細分得到10000線解析度，轉換成角度解析度為0.036度。按照轉動機構以每3分鐘一轉的的速度計算，單片機89C55WD的角度採樣速度約為18毫秒/次。轉動機構1是在直流電機11帶動下旋轉的，單片機89C55WDP1.0、P1.1腳通過電機驅動電路控制直流電機11的正、反向運動。單片機89C55WD採用傳統的讀寫外部數據存儲器的方法來存取數據，存儲模塊43為一數據存儲器，用於記錄距離、角度測量參數和存放系統設置參數。另外，電機驅動電路、復位電路、鍵盤電路以及LCD顯示電路都採用傳統的方法來設計的，這裡不再一一介紹。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍。
權利要求1.一種隧道限界檢測快速測量裝置，包括轉動機構、測量所述轉動機構轉動角度的角度編碼器和測量目標點距離的雷射測距儀，所述角度編碼器和雷射測距儀固定在所述轉動機構的最終轉動部分上，其特徵在於，還包括控制所述轉動機構連續轉動或間歇轉動的計算機微處理器，所述計算機微處理器分別與所述角度編碼器、雷射測距儀和轉動機構連接。
2.如權利要求1所述的隧道限界檢測快速測量裝置，其特徵在於，所述計算機微處理器包括距離採集模塊、角度採集模塊、存儲模塊和控制模塊，所述距離採集模塊分別與雷射測距儀和控制模塊連接，所述角度採集模塊分別與角度編碼器和控制模塊連接，所述控制模塊還與所述轉動機構和存儲模塊連接。
3.如權利要求2所述的隧道限界檢測快速測量裝置，其特徵在於，所述控制模塊為單片機89C55WD。
4.如權利要求3所述的隧道限界檢測快速測量裝置，其特徵在於，所述單片機89C55WD的TXD、RXD腳通過距離採集模塊連接所述雷射測距儀。
5.如權利要求3所述的隧道限界檢測快速測量裝置，其特徵在於，所述單片機89C55WD的INT0、INT1腳通過角度採集模塊連接所述角度編碼器。
6.如權利要求3所述的隧道限界檢測快速測量裝置，其特徵在於，所述單片機89C55WD的P1.0、P1.1腳通過電機驅動電路連接所述轉動機構。
7.如權利要求2或5所述的隧道限界檢測快速測量裝置，其特徵在於，所述角度採集模塊為正交編碼脈衝及細分電路。
專利摘要本實用新型涉及一種隧道限界檢測快速測量裝置，包括轉動機構、測量所述轉動機構轉動角度的角度編碼器和測量目標點距離的雷射測距儀，所述角度編碼器和雷射測距儀固定在所述轉動機構的最終轉動部分上，還包括控制所述轉動機構連續轉動或間歇轉動的計算機微處理器，所述計算機微處理器分別與所述角度編碼器、雷射測距儀和轉動機構連接。本實用新型根據隧道等限界檢測的特點，採用計算機微處理器實時控制方式實現了將間歇測量和連續測量的有機結合，根據目標點測量時的反射信號強弱智能地調整測量速度，在保證精度的前提下提高了測量速度，使測量速度明顯高於同檔次的利用傳統方法測量的儀器，且設計簡單、成本低。
文檔編號G01C7/00GK2911606SQ20062011803
公開日2007年6月13日 申請日期2006年6月6日 優先權日2006年6月6日
發明者陳明培 申請人:北京光電技術研究所