一種基於襯砌斷面幾何特徵移動掃描數據裡程定位方法與流程

2023-05-05 13:26:46 1

本發明屬於建築施工領域，具體涉及一種基於襯砌斷面幾何特徵移動掃描數據裡程定位方法。

背景技術：

掃描儀在進行移動掃描時，為了獲取掃描儀的實時位置信息，常在移動三維雷射掃描平臺中安裝GPS實時定位系統，但在隧道中，GPS信號無法到達，因此無法通過GPS進行定位。

鑑於隧道掃描測量目的在於獲取管壁影像和隧道橫斷面數據，一般地，隧道移動掃描只需要確定掃描儀沿中軸線方向的裡程信息。因此常規方法是在軌道車上增加裡程傳感器來確定掃描儀的裡程信息。但經實際應用中發現，裡程傳感器的精度受隧道曲率等因素影響，其精度無法滿足要求。

技術實現要素：

本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種基於襯砌斷面幾何特徵移動掃描數據裡程定位方法，該方法通過利用掃描裝置所獲取的襯砌斷面上的幾何特徵數據進而計算掃描裝置的裡程數據。

本發明目的實現由以下技術方案完成：

一種基於襯砌斷面幾何特徵移動掃描數據裡程定位方法，其包括以下步驟：

1)掃描裝置沿隧道軸線的方向移動，在移動的過程中所述掃描裝置間隔預定時間對所述隧道的橫斷面進行掃描；

2)使用多個所述隧道橫斷面的掃描數據估算所述掃描裝置在預定時間內的移動距離；

3)在所述掃描裝置每次完成所述隧道橫斷面的掃描後，將移動距離累加至所述掃描裝置的裡程數據。

估算所述掃描裝置在預定時間內的移動距離的方法包括以下步驟：

1)根據所述隧道橫斷面的掃描數據識別所述隧道襯砌內表面上的螺絲孔的位置，選取其中任意兩個沿所述隧道軸線方向相鄰分布的所述螺絲孔，同時統計兩個相鄰分布的所述螺絲孔之間已掃描的橫斷面的數目；

2)根據兩個相鄰分布的所述螺絲孔之間的距離以及已掃描的橫斷面的數目計算移動距離，計算公式如下：

。

所述掃描裝置對所述隧道的橫斷面進行掃描過程中，沿所述隧道橫斷面在所述隧道內表面選取若干測量點，並逐個測量所述測量點在所述橫斷面上的坐標；所述隧道的橫斷面為類圓形。

相鄰所述測量點之間的距離小於所述隧道內表面上所述螺絲孔的直徑。

識別隧道襯砌內表面上的螺絲孔的位置，具體包括以下步驟：

1)在每個所述橫斷面上選取一段起點和終點均相同的圓弧，該圓弧和所述螺絲孔位於同一高度；

2)位於第個橫斷面上被選取的圓弧中的所述測量點構成點集；

3)對點集採用穩健估計的最小二乘圓弧擬合方法進行擬合得到圓弧；

4)求點集中每個點到圓弧的距離集合，的計算公式為：

其中， 和是點集中第個點的坐標；，，分別是圓弧的圓心坐標和半徑；

5)計算每個距離集合中正數的百分比，將按照橫截面的掃描順序繪製成曲線，曲線的波峰處為螺絲孔的位置。

在繪製成的曲線中，相鄰的波峰之間點的數量等于波峰對應的螺絲孔之間的橫截面的數量。

本發明的優點是，根據掃描裝置的掃描結果可以精確的獲取掃描裝置的裡程數據，解決了現有技術中裡程傳感器的精度受隧道曲率等因素影響精度不足的問題。

附圖說明

圖1為本發明中基於襯砌斷面幾何特徵移動掃描數據裡程定位方法中掃描裝置在工作過程中的示意圖；

圖2為本發明中基於襯砌斷面幾何特徵移動掃描數據裡程定位方法中隧道橫截面的示意圖；

圖3為本發明中基於襯砌斷面幾何特徵移動掃描數據裡程定位方法中將按照橫截面的掃描順序繪製成的曲線圖。

具體實施方式

以下結合附圖通過實施例對本發明的特徵及其它相關特徵作進一步詳細說明，以便於同行業技術人員的理解：

如圖1-3，圖中標記1-5分別為：掃描裝置1、隧道2、軌道3、螺絲孔4、第二段圓弧5。

實施例：如圖1所示，本實施例具體涉及一種基於襯砌斷面幾何特徵移動掃描數據裡程定位方法，該方法用於隧道2內掃描裝置1的裡程定位。隧道2內的掃描裝置1架設於隧道2內部的軌道3上，軌道3沿隧道2的軸線方向設置。運行過程中，掃描裝置1在軌道上沿隧道2的軸線方向移動。掃描裝置1在移動過程中間隔預定時間對隧道2的橫斷面進行掃描，掃描裝置1掃描的隧道2的橫斷面和隧道2的軸線垂直。

隧道2是由多節預製環片拼裝而成的，隧道2的環片之間通過螺栓連接，環片的內表面設置有螺栓孔；由於環片是預製構件，環片上的螺絲孔4位置固定，且尺寸有統一標準，即同一環片上同一高度的螺絲孔4間距固定。

掃描裝置1在隧道2內部移動過程中速度波動較小，在隧道2任意一節環片的內部，掃描裝置1的運動速度近似勻速；由於掃描裝置1間隔預定時間對隧道2的橫斷面進行掃描，因此可以近似認為在隧道2任意一節環片的內部，任意兩個相鄰的橫斷面之間的距離是相等的。

綜上所述，根據兩個相鄰螺絲孔4之間的距離以及兩個相鄰螺絲孔4之間掃描過的橫斷面的數目可以計算出兩個相鄰橫斷面之間的距離，橫斷面的距離結合橫斷面的數目可以推算出掃描裝置1的裡程數據。

如圖1和圖2所示，掃描裝置1間隔預定時間對隧道2的橫斷面進行掃描。在本實施例中，隧道2的橫斷面為類圓形；在掃描橫斷面的過程中，掃描裝置1沿隧道2的橫斷面在隧道2內表面選取多個測量點，並逐個測量所述測量點在所述橫斷面上的坐標，同時保存掃描得到的數據；為了保證掃描裝置1在掃描過程中能夠檢測到隧道2內表面的螺絲孔4，相鄰測量點之間的距離小於隧道2內表面上的螺絲孔4的直徑。

如圖1和圖2所示，掃描裝置1在每次完成隧道2橫斷面的掃描後，掃描裝置1使用多個隧道2橫斷面的掃描數據判斷是否檢測到了新的螺絲孔4，螺絲孔4的識別包括以下步驟：

1)在每個橫斷面上選取一段起點和終點均相同的圓弧，該圓弧和螺絲孔4位於同一高度，在本實施例中，在每個橫斷面上選取如圖2中所示的第二段圓弧5；

2)位於第個橫斷面上被選取的圓弧中的所述測量點構成點集；

3)對點集採用穩健估計的最小二乘圓弧擬合方法進行擬合得到圓弧；

4)求點集中每個點到圓弧的距離集合，的計算公式為：

其中，和是點集中第個點的坐標，，，分別是圓弧的圓心坐標和半徑；

5)計算每個距離集合中正數的百分比，將按照橫斷面的掃描順序繪製成如圖3所示的曲線，曲線的波峰處為螺絲孔4的位置。

如圖3所示，為了估算掃描裝置1在預定時間內的移動距離，根據隧道2斷面的掃描數據識別隧道襯砌內表面上螺絲孔4的位置，選取兩個沿隧道2軸線方向相鄰分布的螺絲孔4；同時統計兩個相鄰分布的螺絲孔4之間已掃描的橫斷面的數目；具體的，在本實施例中，選取繪製成的曲線中最近識別出的兩個波峰對應的螺絲孔4；兩個相鄰分布的所述螺絲孔4之間的距離為，相鄰的波峰之間點的數量等于波峰對應的螺絲孔4之間的橫截面的數量，掃描裝置1在預定時間內的移動距離的計算公式為：

在掃描裝置1每次完成隧道2橫斷面的掃描後，將移動距離累加至掃描裝置1的裡程數據，通過不斷重複將移動距離累加至掃描裝置1的裡程數據可以獲取準確的裡程數據。

本實施例的優點是，根據掃描裝置的掃描結果可以精確的獲取掃描裝置的裡程數據，解決了現有技術中裡程傳感器的精度受隧道曲率等因素影響精度不足的問題。