专利名称：车载式矿区沉陷三维动态监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于矿区信息获取与处理技术领域，涉及一种基于激光三维测量技术的车载式矿区沉陷三维动态监测系统。该系统以越野车为平台，综合利用光机电信息技术， 高效集成LiDAR、激光线测量传感器、激光点测距传感器，在车辆行驶过程中，通过集成的加速度计对车辆颠簸进行误差补偿，实现多角度、多分辨率、高效、高精度、大范围、快速机动的矿区沉陷自动监测。
背景技术：
矿产资源的大规模开发和利用，给人类带来巨大的社会效益和经济效益的同时， 也给人类的生产和生活造成一系列的环境问题和开采损害。矿区开采沉陷是由于矿物开采后形成采空区，其上部岩层在重力等作用下发生冒落、断裂、挤压、弯曲、移动等变形，传播到地面形成的，是主要的人工地质灾害之一。矿区开采引起的地面沉陷是一个复杂的过程，要认识这一复杂过程中包含的规律，必须对开采沉陷的野外数据进行大范围、高分辨率、高效的采集、整理和分析，在精确的实测资料基础上，研究并建立各种预测计算模型。因此，沉陷监测是开采沉陷研究至关重要的课题。高效、快速的沉陷监测数据可为地面沉陷灾害预测、损失评估提供可靠的依据，进而为地面沉陷提供合理的治理措施，从而有效地控制沉陷，降低地面沉陷造成的损失。研究现状早在19世纪中叶，矿区开采沉陷问题就已受到人们关注。1860年德国铁路部门为验证地下开采对铁路的影响，在鲁尔矿区对铁路进行了下沉测量；19世纪末期开始，前苏联、波兰、德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本和美国等国家，对开采引起的地表沉陷变形规律进行了深入的研究。我国地表沉陷变形规律的研究工作始于20世纪50年代，开溧“黑鸭子”观测站的建立标志着我国开采沉陷变形观测及其研究的开始；其后，开溧、抚顺、阜新、 大同、峰峰、焦作、淮南、平顶山、芙蓉等矿区先后制定了地表移动观测规划，并建立了一批岩层与地表移动观测站。目前，矿区开采沉陷的监测技术手段已由传统的经纬仪测坐标、钢尺测边长、水准仪测高程发展到使用全站仪、测量机器人进行岩移测量。GPS监测方法较好地解决了地表某点连续动态变化监测的问题，但仍存在空间分辨率较低、布设和维护大量监测点需投入大量人财物、基准点的稳定性差、野外观测作业周期长、垂直向精度较低、构建沉陷面必须经过数值内插等问题，难以保证结果的精度。SAR(Synthetic Aperture Radar, SAR)技术从长时间尺度上求解整个区域场的沉降趋势，适合用于城市地表沉降观测，但是对于沉陷速度较快的矿区开采(沉陷速度可达20 30mm/d)，存在干涉相位混叠现象，无法有效地进行观测。LiDAR(LightDetection And Ranging)技术比较适合矿区大范围区域的测绘工作，测量精度为分米级，不能满足地表沉陷监测毫米级的精度要求，而且飞行成本较高；地面激光扫描测量精度较高，但是测量范围相对较小，无法满足矿区大范围区域沉陷监测工作需要。发明内容本实用新型是车载式矿区沉陷三维动态监测系统(MSMS，In-vehicle Mining SubsidenceMonitoring System)，将快速机动的车载式高分辨率LiDAR技术、激光线测量技术、高精度激光测距技术进行高效集成，不受时间和空间限制，多角度、多分辨率、高效、快速机动地获取地表沉陷信息，为矿区地质环境的监测及恢复治理提供决策依据。本实用新型由越野车、控制系统、定位系统、激光三维测量系统构成，包括LiDAR 扫描测量单元(1)、激光点测距单元O)、激光线测量单元(3)、IMU单元0)、差分GPS单元及主天线( 、GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、控制计算机(8)、数据采集计算机(9)、发电机(10)、越野车(11)以及控制电路、供电线路和网络通信线路等设备通过系统集成方式构建。其中，定位系统的IMU单元(4)安装在越野车车顶，差分GPS单元及主天线(5)安装在IMU单元之上，GPS第二天线(6)安装在车头；车轮编码器(7)以联轴方式安装在越野车左后轮上。控制系统中发电机(10)安装在后备箱右侧；控制计算机(8)安装在后备箱左侧，通过电路与LiDAR扫描测量单元(1)、激光点测距单元O)、激光线测量单元(3)、IMU 单元G)、差分GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、数据采集计算机以及发电机(10)相连，负责监测系统上所有传感器和设备的同步控制。激光三维测量系统中，集成了加速度计的LiDAR扫描测量单元(1)安装在车顶前部，激光线方向与越野车前进方向一致，激光线的扫描范围角为90°，测程80m，角分辨率达到0.25°，精度1cm，每秒采集50万个地表三维空间点，集成的加速度计的敏感轴方向与激光线方向垂直。两套集成了加速度计的激光测距单元O)，测量速度50kHz，精度优于 0. 15mm,再现性0. 2 μ m，测距lm，分别安装在越野车左右两侧，激光头垂直向下，集成的加速度计敏感轴方向与激光线方向一致。集成了加速度计的激光线测量系统(3)安装在车底盘前部，激光线测量范围与车底盘宽度一致，越野车行驶过程中，基于激光三角测量原理， 激光线扫描车底地表区域，两台CCD相机从左右方向拍摄激光线轮廓，根据激光线轮廓变化并结合加速度值，解算出地表沉陷数值。数据采集计算机(9)安装在车内中部，通过加速度采集卡连接加速度计，通过激光数据采集卡连接LiDAR扫描测量单元(1)、激光点测距单元(2)以及激光线测量单元 (3)，通过电路连接到控制计算机(8)，采集并存储IMU单元(4)提供的姿态信息，DGPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)提供的定位信息，以及车轮编码器(7)提供的里程信息。沉陷数据的定位通过双天线差分GPS(DGPS)定位信息、IMU姿态信息与车轮编码器提供的里程信息实现，由车载DGPS与里程信息共同确定越野车绝对位置，并通过统一的时刻标签与LiDAR扫描数据、激光线测量数据、激光点测距数据进行关联，保证所有测量数据由DGPS单元和IMU单元提供绝对定位，由车轮编码器获取的里程信息实现辅助的相对定位。
图1为本实用新型实施例的安装示意图主视图，图2为俯视图。其中包括=LiDAR 扫描测量单元(1)、激光点测距单元O)、激光线测量单元(3)、IMU单元0)、差分GPS单元及主天线( 、GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、控制计算机(8)、数据采集计算机(9)、发电机(10)、越野车(11)以及控制电路、供电线路和网络通信线路等。图3为本实用新型实施例的逻辑关系图。
具体实施方式
本实用新型通过安装在控制计算机(8)上的控制系统进行协调工作。具体操作为开启系统电源(10)，给所有传感器和计算机等设备供电，使各设备开始运行；在越野车快速行驶的过程中，定位系统实时获取IMU单元(4)提供的姿态信息，差分GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)提供的定位数据，以及车轮编码器(7)提供的车轮计数，并向 LiDAR扫描测量单元(1)、激光测距单元( 、激光线测量C3)以及其上集成的加速度计发出同步测量信号，数据采集计算机(9)实时采集、分析并保存三维点云数据、测距数据、空间定位数据；测量完成后，通过将所有数据都保存在数据采集计算机(9)上，在室内进行数据的内业处理和沉陷分析。系统供电方案由发电机(10)、48V铅蓄电池、后备式UPS、DC_DC电源构成，负责向系统的各传感器、计算机以及电器设备提供合适的供电。直流可充电电源供电，汽车对电源充电，电源经直流模块转化成5/7. 5/12/14V直流给所有传感器、计算机及其它设备供电。有益效果本实用新型通过对LiDAR扫描点云数据、激光测距值、激光线测量值、GPS单元提供的定位信息、IMU单元提供的姿态信息、车轮编码器获取的里程信息与加速度值进行有效融合和误差校正，克服了原有系统在测量过程中时空分辨率低、精度差的问题。利用本实用新型对矿区沉陷区域地表点高程信息的两次测量结果进行求差，可精确解算出沉陷量，实现多角度(激光点测距、激光线测量以及LiDAR三维扫描)、高效(速度0 60Km/h)、高分辨率(沉陷数据采样间隔小于lm，沉陷数据的空间定位精度优于5m)、大范围(LiDAR扫描可覆盖行驶路线周围80m范围)、高精度(沉陷监测精度达到1cm)的矿区沉陷自动监测。性能1)监测车速0 60Km/h ；2)监测覆盖范围沿行驶路线周围80m ；3)沉陷数据采样间隔小于lm，沉陷数据的空间定位精度优于5m ；4)沉陷监测高程精度为1cm。
权利要求1.车载式矿区沉陷三维动态监测系统，其特征在于，系统包括=LiDAR扫描测量单元 (1)、激光点测距单元(2)、激光线测量单元(3)、IMU单元(4)、差分GPS单元及主天线(5)、 GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、控制计算机(8)、数据采集计算机(9)、发电机(10)、越野车(11)以及控制电路、供电线路和网络通信线路等设备通过系统集成方式构建。
2.根据权利要求1所述的车载式矿区沉陷三维动态监测系统，其特征在于定位系统的IMU单元(4)安装在越野车车顶，差分GPS单元及主天线( 安装在IMU单元之上，GPS 第二天线(6)安装在车头；车轮编码器(7)以联轴方式安装在越野车左后轮上。
3.根据权利要求1所述的车载式矿区沉陷三维动态监测系统，其特征在于控制系统由发电机(10)和控制计算机(8)等设备组成，发电机(10)安装在后备箱右侧；控制计算机⑶安装在后备箱左侧，通过电路与LiDAR扫描测量单元(1)、激光点测距单元O)、激光线测量单元(3)、IMU单元G)、差分GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)、车轮编码器 (7)、数据采集计算机(9)，以及发电机(10)相连，负责监测车上所有传感器和设备的同步控制。
4.根据权利要求1所述的车载式矿区沉陷三维动态监测系统，其特征在于激光三维测量系统中，集成了加速度计的LiDAR扫描测量单元(1)安装在车顶前部，激光线方向与越野车前进方向一致，激光线的扫描范围角为90°，测程80m，角分辨率达到0.25°，精度 lcm，每秒采集50万个地表三维空间点，集成的加速度计的敏感轴方向与激光线方向垂直。
5.根据权利要求1所述的车载式矿区沉陷三维动态监测系统，其特征在于激光三维测量系统中，两套集成了加速度计的激光点测距单元O)，测量速度50kHz，精度优于 0. 15mm，再现性0.2 μ m，测距lm，分别安装在越野车左右两侧，激光头垂直向下，集成的加速度计敏感轴方向与激光线方向一致。
6.根据权利要求1所述的车载式矿区沉陷三维动态监测系统，其特征在于激光三维测量系统中，集成了加速度计的激光线测量系统(3)安装在车底盘前部，激光线测量范围与车底盘宽度一致。
7.根据权利要求1所述的车载式矿区沉陷三维动态监测系统，其特征在于数据采集计算机(9)安装在车内中部，通过加速度采集卡连接加速度计，通过激光数据采集卡连接 LiDAR扫描测量单元⑴、激光点测距单元(2)以及激光线测量单元(3)，通过电路连接到控制计算机(7)，采集并存储IMU单元(4)提供的姿态信息，GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)提供的定位信息，车轮编码器(7)提供的里程信息。
专利摘要车载式矿区沉陷三维动态监测系统(MSMS，In-vehicle Mining Subsidence Monitoring System)综合利用光机电信息技术，高效集成LiDAR扫描测量单元(1)、激光点测距单元(2)、激光线测量单元(3)、IMU单元(4)、差分GPS单元及主天线(5)、GPS第二天线(6)、车轮编码器(7)、控制计算机(8)、数据采集计算机(9)、发电机(10)、越野车(11)以及控制电路、供电线路和网络通信线路等设备，实现不受时间和空间限制，多角度、多分辨率、高效、高精度、大范围、快速机动的矿区沉陷三维动态监测，为矿区地质环境的监测及恢复治理提供决策依据。
文档编号G01C5/00GK202033028SQ201120023630
公开日2011年11月9日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者吴立新, 王植 申请人:吴立新, 王植