CN209639708U - 一种隧道断面及限界扫描检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种隧道断面及限界扫描检测装置，包括：三维激光扫描仪，用于实时获取线路的断面轮廓数据；惯性导航***，与所述三维激光扫描仪固定连接，用于实时测量运动状态下三维激光扫描仪在空间直角坐标系中的俯仰、横滚及航向角；GPS天线；编码器；数据采集模块，实时对三维激光扫描仪、惯性导航***、GPS天线和编码器进行数据采集并存储；数据处理器，用于获取所述数据采集模块采集的数据，并对其进行处理，生成三维点云模型，分析隧道轮廓变形及限界是否满足设计要求。本申请实现了高速运动状态下的隧道断面及限界的高精度检测，有效地满足了运营高速铁路对隧道进行普查性检测的需求。

Description

一种隧道断面及限界扫描检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种隧道检测设备，具体涉及一种隧道断面及限界扫描检测装置。

背景技术

隧道建筑物是铁路线路的重要组成部分，造价较高、构造相对复杂，由于受地质结构和地面建筑物活动的影响，隧道建筑物经常会发生结构变化、线路发生偏移等导致隧道限界和轮廓不符合规定的情况，危及行车安全。当前我国高速铁路正迅速发展，运营里程不断增长，与之相适应的则是线路封闭运营及天窗修养护作业模式。由于运营的繁忙，留给工务的天窗时间较短，使得传统上采用“吊绳”、“触杆”、“皮尺”等手段的隧道轮廓及限界检测方法，由于效率低、费时费力、准确度不高、覆盖面有限等缺点，已经不能适应当前形势，不能对隧道限界进行全面分析管理，不利于及时发现隧道限界和轮廓的异常情况。

隧道断面及限界检测技术之一：将CCD相机安装在轨道车上，当轨道车行驶通过隧道时，CCD相机拍照获取数据，通过数据后处理得到成果。这种技术需要安装多台CCD相机，采集数据时易受外界光照影响，控制关系及数据处理复杂，也不能建立隧道三维模型。

隧道断面及限界检测技术之二：采用地面三维激光扫描仪获取隧道的扫描点云数据，并基于三维点云提取隧道的断面，进而分析隧道限界。作业时首先建立测量控制网，并在控制点上设置扫描专用靶标，然后将三维激光扫描仪架设在三脚架上进行本站的扫描作业，一站扫描测量完成后搬站进行下一站的扫描作业。站与站之间至少有4个靶标被重叠扫描，便于两站之间的点云数据配准。该方法能够建立统一坐标系下的隧道三维点云模型，测量精度高，但完全靠人工进行搬站架站，作业效率低，且需要建立控制网来进行点云配准，整体流程较为复杂，一般用于城市轨道交通建设期盾构隧道的检测作业。

隧道断面及限界检测技术之三：为了提高隧道断面检测及限界分析的效率，将三维激光扫描仪安装在手推式轨道小车上，由人推着轨道小车在轨道上前进，在此过程中三维激光扫描仪通过螺旋式扫描获取隧道表面数据，在数据后处理时以钢轨为分析基准，提取隧道断面并开展限界分析。该方法检测效率与人的步行速度相当，不用事先建立控制网，多用于城市轨道交通运营隧道的检测作业。由于检测效率的限制，该方法不适用于大规模的隧道普查检测作业。

隧道断面及限界检测技术之四：中国专利CN201110228278.0公布了一种基于车载三维激光扫描的铁路限界检测方法。该方法采用360度旋转激光扫描隧道断面轮廓，以两股钢轨为基准对每一个断面轮廓建立相适应的坐标系并进行限界分析，能够以较高的效率对铁路限界进行普查检测。然而该技术方案中没有姿态修正模块及GPS测量模块，因此机车在轨道上行驶时的震动等影响测量精度的因素不能有效消除，也不能对全线扫描数据建立统一坐标系下的三维点云模型，不利于扫描数据的进一步挖掘应用。

综上，针对运营高速铁路隧道断面及限界的普查性检测，现有的检测技术或者不适用、或者效率偏低、或者数据应用过于单一，不能很好地适应当前运营高速铁路对隧道断面及限界普查检测、且建立三维点云模型的需求，因此，有必要发展新的检测技术来满足这种需求。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种隧道断面及限界扫描检测装置，通过高精度时间基准来实现各数据之间的数据配准，在数据处理后可得到统一坐标系下的全线三维激光点云数据，可方便地建立隧道甚至全线的点云模型。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种隧道断面及限界扫描检测装置，包括：

三维激光扫描仪，固定安装于巡检车车头，用于实时获取线路的断面轮廓数据；

惯性导航***，与所述三维激光扫描仪固定连接，用于实时测量运动状态下三维激光扫描仪在空间直角坐标系中的俯仰、横滚及航向角；

GPS天线，固定安装于巡检车车顶，用于获取WGS84坐标系下的坐标及GPS时间；

编码器，安装于巡检车的一个车轮转轴上，用于测量车轮的转动圈数；

数据采集模块，位于巡检车内，实时对三维激光扫描仪、惯性导航***、GPS天线和编码器进行数据采集并存储；

数据处理器，用于获取所述数据采集模块采集的数据，并对其进行处理，生成三维点云模型，分析隧道轮廓变形及限界是否满足设计要求。

进一步地，所述三维激光扫描仪固定安装于安装平台上，所述安装平台通过焊接固定于巡检车车头。

进一步地，所述惯性导航***通过连接法兰板与三维激光扫描仪固定连接。

进一步地，所述数据采集模块内设有一计时器，所述计时器对数据采集模块所采集的每一个数据都赋以时间。

进一步地，所述计时器采用GPS时间实时校准。

一种隧道断面及限界扫描检测方法，包括如下步骤：

步骤1：根据上述隧道断面及限界扫描检测装置，将三维激光扫描仪、惯性导航***、GPS天线、编码器和数据采集模块在巡检车上安装就位；

步骤2：给三维激光扫描仪、惯性导航***、GPS天线、编码器和数据采集模块通电，启动数据处理器，检测三维激光扫描仪、惯性导航***、GPS天线、编码器和数据采集模块的信号是否正常；

步骤3：对惯性导航***进行静态对准，并设置三维激光扫描仪的点频率及线频率；

步骤4：在惯性导航***静态对准完成后，开始数据采集，巡检车开始行驶；

步骤5：当巡检车行驶到终点后，通过数据处理器对采集的数据进行处理，生成三维点云模型，并分析隧道轮廓变形及限界是否满足设计要求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型融合三维激光扫描仪、惯性导航***、GPS天线、编码器等多种传感器，通过高精度时间基准来实现多传感器之间的数据配准，在数据处理后可得到统一坐标系下的全线三维激光点云数据，可方便地建立隧道甚至全线的点云模型。在点云模型的基础上进一步提取隧道断面数据，并叠加隧道设计断面及设计限界，分析隧道轮廓变形及限界是否存在超限情况，检测精度高。

附图说明

图1为本实用新型一具体实施例所涉及的隧道断面及限界扫描检测装置的结构框图；

图2为本实用新型一具体实施例所涉及的隧道断面及限界扫描检测装置的安装结构的正视图；

图3为本实用新型一具体实施例所涉及的隧道断面及限界扫描检测装置的安装结构的侧视图；

图4为本实用新型一具体实施例所涉及的隧道断面及限界扫描检测装置的检测结果示意图。

图中：

1-钢轨；2-巡检车；3-安装平台；4-三维激光扫描仪；5-惯性导航***；6-GPS天线；7-编码器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1-3，本实施例提供一种隧道断面及限界扫描检测装置，包括：

三维激光扫描仪4，固定安装于巡检车2车头，用于实时获取线路的断面轮廓数据；

惯性导航***5，与所述三维激光扫描仪4固定连接，用于实时测量运动状态下三维激光扫描仪4在空间直角坐标系中的俯仰、横滚及航向角；

GPS天线6，固定安装于巡检车车顶，用于获取WGS84坐标系下的坐标及GPS时间；

编码器7，安装于巡检车2的一个车轮转轴上，用于测量车轮的转动圈数；

数据采集模块，位于巡检车2内，实时对三维激光扫描仪4、惯性导航***5、GPS天线6和编码器7进行数据采集并存储；

数据处理器，用于获取所述数据采集模块采集的数据，并对其进行处理，生成三维点云模型，分析隧道轮廓变形及限界是否满足设计要求。

本实施例中，编码器7测量车轮转动的圈数，再结合车轮周长，可通过数据处理器计算车轮滚动的距离，当给定起始里程时及里程增减方向时，则可计算巡检车当前在铁路线路上所处的里程。

在本技术方案中，数据处理器将GPS数据与惯性导航数据结合，采用精密星历或广播星历以紧组合或松组合的方式解算航迹，得到三维激光扫描仪4在世界大地测量***WGS84(World geodetic system，简称WGS)坐标系下的空间坐标，然后将航迹成果与三维激光扫描数据结合，将全线的激光扫描数据归算到WGS84坐标系下，得到统一坐标系下的激光点云数据，生成三维点云模型；并在三维点云模型的基础上，提取隧道断面，以时间为基准将编码器采集的线路里程赋予提取断面；然后在断面数据上识别钢轨1中心，并以钢轨1中心为基准建立隧道断面分析坐标系，将设计断面及设计限界叠加到断面上，分析隧道轮廓变形及限界是否满足设计要求。

参照图4，图4本实用新型一具体实施例所涉及的隧道断面及限界扫描检测装置的检测结果示意图；图中外侧构成隧道轮廓的黑点为提取的隧道轮廓检测点，内侧的实线为设计限界，本实施例以钢轨1为基准，将设计限界叠加到轮廓检测点上，则可以分析设计限界内是否存在轮廓检测点，如存在则表明有侵限情况发生，此时可对侵限点标红显示并发出警报，从而完成限界分析。

另外，较佳的，在本实用新型的一具体实施例中，可通过数据处理器对三维激光扫描仪4的线频率和点频率进行设置；优选的，所述三维激光扫描仪4的线频率为50-200Hz，点频率为每秒60-120万点。

另外，较佳的，在本实用新型的一具体实施例中，所述三维激光扫描仪4固定安装于安装平台3上，所述安装平台3通过焊接固定于巡检车2车头。优选的，所述安装平台3下方设置有加强钢板。

本实施例中所述三维激光扫描仪4的扫描头应露出安装平台3，使扫描激光能够沿线路垂向进行扫描；且安装平台3在巡检车2上的安装位置应具有一定的高度，以便三维激光扫描仪4的扫描视线能够避开车钩，扫描到钢轨1。

另外，较佳的，在本实用新型的一具体实施例中，所述惯性导航***5通过连接法兰板与三维激光扫描仪5固定连接。

另外，较佳的，在本实用新型的一具体实施例中，所述数据采集模块分别与三维激光扫描仪4、惯性导航***5、编码器7和GPS天线6通过数据线连接；所述数据处理器通过数据线与数据采集模块相连。

另外，较佳的，在本实用新型的一具体实施例中，所述数据采集模块内设有一计时器，所述计时器对数据采集模块所采集的每一个数据都赋以时间。

本实施例通过对数据采集模块所采集的每一个数据都赋以时间，以便后期数据处理时多传感器之间的数据配准。优选的，每一个数据也均可以被赋予一个里程值，则在隧道断面提取时可以根据线路里程来查询，便于后期数据使用。

另外，较佳的，在本实用新型的一具体实施例中，所述计时器采用GPS时间实时校准。

本实用新型所述技术方案将惯性导航数据与GPS数据相结合，辅以GPS天线6、惯性导航***5及三维激光扫描仪4三者之间的相互位置关系参数，则可以准确解算出在WGS84坐标系下三维激光扫描仪4的扫描中心的航迹及姿态(即空间直角坐标系中的俯仰、横滚及航向角)；当隧道中GPS信号缺失时，则采用纯惯导推算得到扫描中心的航迹及姿态。然后将扫描中心航迹及姿态与扫描点云数据进行配准，并最终得到在WGS84坐标系下的三维点云坐标。实现了高速运动状态下的隧道断面及限界的高精度检测，有效地满足了运营高速铁路对隧道进行普查性检测的需求，同时***对隧道外的数据也可进行采集，并能够建立全线统一坐标系下的三维点云模型，进一步拓展了数据应用范围。

本实施例还涉及一种隧道断面及限界扫描检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1：根据以上任意实施例所述的隧道断面及限界扫描检测装置，将三维激光扫描仪4、惯性导航***5、GPS天线6、编码器7和数据采集模块在巡检车2上安装就位；

步骤2：给三维激光扫描仪4、惯性导航***5、GPS天线6、编码器7和数据采集模块通电，启动数据处理器，检测三维激光扫描仪4、惯性导航***5、GPS天线6、编码器7和数据采集模块的信号是否正常；

步骤3：对惯性导航***5进行静态对准，并设置三维激光扫描仪4的点频率及线频率；

步骤4：在惯性导航***静态对准完成后，开始数据采集，巡检车2开始行驶；

步骤5：当巡检车2行驶到终点后，通过数据处理器对采集的数据进行处理，生成三维点云模型，并分析隧道轮廓变形及限界是否满足设计要求。

优选的，数据处理分析完成后，数据处理器可将处理分析成果以报表的形式导出，同时对隧道轮廓变形较大或存在限界超限的地段发出警报，为铁路工务部门的日常运营养护维修服务。

本实用新型在巡检车2最高运行时速160km的情况下，检测精度为0～-40mm，达到了规范要求，实现了高速运动状态下的隧道断面及限界的高精度检测，有效地满足了运营高速铁路对隧道进行普查性检测的需求。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种隧道断面及限界扫描检测装置，其特征在于，包括：

三维激光扫描仪，固定安装于巡检车车头，用于实时获取线路的断面轮廓数据；

惯性导航***，与所述三维激光扫描仪固定连接，用于实时测量运动状态下三维激光扫描仪在空间直角坐标系中的俯仰、横滚及航向角；

GPS天线，固定安装于巡检车车顶，用于获取WGS84坐标系下的坐标及GPS时间；

编码器，安装于巡检车的一个车轮转轴上，用于测量车轮的转动圈数；

数据采集模块，位于巡检车内，实时对三维激光扫描仪、惯性导航***、GPS天线和编码器进行数据采集并存储；

数据处理器，用于获取所述数据采集模块采集的数据，并对其进行处理，生成三维点云模型，分析隧道轮廓变形及限界是否满足设计要求。

2.根据权利要求1所述的一种隧道断面及限界扫描检测装置，其特征在于，所述三维激光扫描仪固定安装于安装平台上，所述安装平台通过焊接固定于巡检车车头。

3.根据权利要求1所述的一种隧道断面及限界扫描检测装置，其特征在于，所述惯性导航***通过连接法兰板与三维激光扫描仪固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种隧道断面及限界扫描检测装置，其特征在于，所述数据采集模块内设有一计时器，所述计时器对数据采集模块所采集的每一个数据都赋以时间。

5.根据权利要求4所述的一种隧道断面及限界扫描检测装置，其特征在于，所述计时器采用GPS时间实时校准。