一种隧道三维线形测量系统及其测量方法
【专利摘要】本发明属于隧道线形检测【技术领域】，公开了一种隧道三维线形测量系统及其测量方法。该隧道三维线形测量系统，包括单片机、工控机、用于沿隧道车道中心线行驶的测量车；所述测量车的质心处固定安装有三轴电子罗盘，在三轴电子罗盘的正前方、正左方和正上方对应固定有第一单轴光纤陀螺仪、第二单轴光纤陀螺仪和第三单轴光纤陀螺仪；在所述测量车的一个后轮的转轴上固定有一个增量式旋转编码器；所述单片机的输入端分别电连接三轴电子罗盘、第一单轴光纤陀螺仪、第二单轴光纤陀螺仪、第三单轴光纤陀螺仪和增量式旋转编码器，所述单片机的输出端电连接所述工控机的输入端。
【专利说明】一种隧道三维线形测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于隧道线形检测【技术领域】，特别涉及一种隧道三维线形测量系统及其测
量方法。
【背景技术】
[0002]在隧道工程竣工时，为了检验隧道的施工是否符合设计要求，同时为了便于向下一步的设备安装和运营管理提供基础信息，通常需要对隧道的纵断面和横断面进行测量。通过对隧道纵断面的测量，主要是获取隧道的纵断面上的线形数据，从而可以了解隧道斜率的变化情况，也可以对隧道的实际线形与设计线形之间的差异性进行比较。
[0003]以往在对隧道纵断面的测量过程中，通常采用水准仪测量方法或全站仪三角高程测量方法来实现。另外在对纵断面进行测量时，往往需要在隧道纵断面的投影线上，采用直线段每隔6m，曲线段每隔5m的方法来测量一个纵断面点。但是上述这些测量方法存在一定的局限性，例如水准仪测量方法或全站仪三角高程测量方法均为人工测量方法，其测量效率低下；在隧道空间狭小且高程变化较大的情况下，测量的难度变大；纵断面点的数量有限，容易影响隧道线形的精确性等。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种隧道三维线形测量系统及其测量方法。本发明具有自动化高、测量精度高的特点。
[0005]为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0006]技术方案一:
[0007]一种隧道三维线形测量系统，包括单片机、工控机、用于沿隧道车道中心线行驶的测量车；所述测量车的质心处固定安装有三轴电子罗盘，在三轴电子罗盘的正前方、正左方和正上方对应固定有第一单轴光纤陀螺仪、第二单轴光纤陀螺仪和第三单轴光纤陀螺仪；在所述测量车的一个后轮的转轴上固定有一个增量式旋转编码器；所述三轴电子罗盘的第一感应轴与测量车纵轴方向平行，并指向测量车的前方；所述三轴电子罗盘的第二感应轴与测量车横轴方向平行，并指向测量车的左方；所述三轴电子罗盘的第三感应轴垂直于第一感应轴，垂直于第二感应轴，并指向测量车的上方；所述第一单轴光纤陀螺仪的感应轴与测量车纵轴方向平行，并指向测量车的前方；所述第二单轴光纤陀螺仪的感应轴与测量车横轴方向平行，并指向测量车的左方；所述第三单轴光纤陀螺仪的感应轴垂直于第一单轴光纤陀螺仪的感应轴，垂直于第二单轴光纤陀螺仪的感应轴，并指向测量车的上方；
[0008]所述单片机的输入端分别电连接三轴电子罗盘、第一单轴光纤陀螺仪、第二单轴光纤陀螺仪、第三单轴光纤陀螺仪和增量式旋转编码器，所述单片机的输出端电连接所述工控机的输入端。
[0009]所述三轴电子罗盘用于在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车的方向感应数据，并用于将所述测量车的方向感应数据发送至单片机，所述测量车的方向感应数据为测量车在横轴方向、纵轴方向以及立轴方向(立轴方向垂直于横轴方向，且垂直于纵轴方向)的磁感应强度和加速度；
[0010]所述第一单轴光纤陀螺仪用于在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车纵轴方向对应的旋转角速度，并用于将所述测量车纵轴方向对应的旋转角速度发送至单片机；所述第二单轴光纤陀螺仪用于在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车横轴方向对应的旋转角速度，并用于将所述测量车横轴方向对应的旋转角速度发送至单片机；所述第三单轴光纤陀螺仪用于在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车立轴方向对应的旋转角速度，并用于将所述测量车立轴方向对应的旋转角速度发送至单片机；
[0011]所述增量式旋转编码器用于在测量车行驶时实时采集测量车的行驶速度，并用于实时将所述测量车的行驶速度发送至单片机；
[0012]所述单片机用于对接收的数据进行对应的格式转换，并用于将格式转换后的数据发送至工控机；
[0013]所述工控机用于根据在每个采样点采集的测量车的方向感应数据、测量车纵轴方向对应的旋转角速度、测量车横轴方向对应的旋转角速度、测量车立轴方向对应的旋转角速度，得出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据，所述测量车的倾斜角度数据指测量车横轴方向对应的倾斜角度、测量车纵轴方向对应的倾斜角度、测量车立轴方向对应的倾斜角度；
[0014]所述工控机用于根据三轴电子罗盘的采样频率，计算得出采样间隔时间；所述工控机用于根据每个采样点对应的测量车的实时行驶速度和采样间隔时间，得出每两个相邻采样点之间测量车的行驶距离；所述工控机用于根据每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据和每两个相邻采样点之间测量车的行驶距离，得出隧道的三维线形。
[0015]本技术方案的特点和进一步改进在于:
[0016]所述三轴电子罗盘、第一单轴光纤陀螺仪、第二单轴光纤陀螺仪和第三单轴光纤陀螺仪具有相同的采样频率。
[0017]所述三轴电子罗盘为LSM303DLH电子罗盘，所述第一单轴光纤陀螺仪、第二单轴光纤陀螺仪和第三单轴光纤陀螺仪均为VG949P光纤陀螺仪。
[0018]技术方案二:
[0019]一种隧道三维线形测量方法，基于上述一种隧道三维线形测量系统，包括以下步骤:
[0020]S1:测量车沿隧道车道中心线，从隧道的入口向隧道的出口行驶；三轴电子罗盘在测量车行驶时，在第I个采样点至第N个采样点(按时间顺序将采样点依次标记为第I个采样点至第N个采样点)依次采集测量车的方向感应数据，N为采样点的总数，测量车的方向感应数据为测量车在横轴方向、纵轴方向以及立轴方向的磁感应强度和加速度；然后将所述测量车的方向感应数据发送至单片机；立轴方向垂直于横轴方向，且垂直于纵轴方向。
[0021]第一单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车纵轴方向对应的旋转角速度，并将所述测量车纵轴方向对应的旋转角速度发送至单片机；第二单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车横轴方向对应的旋转角速度，并将所述测量车横轴方向对应的旋转角速度发送至单片机；第三单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车立轴方向对应的旋转角速度，并将所述测量车立轴方向对应的旋转角速度发送至单片机；
[0022]增量式旋转编码器在测量车行驶时实时采集测量车的行驶速度，并实时将所述测量车的行驶速度发送至单片机；
[0023]S2:单片机对接收的数据进行对应的格式转换，并将格式转换后的数据发送至工控机；
[0024]S3:工控机根据在每个采样点采集的测量车的方向感应数据、测量车纵轴方向对应的旋转角速度、测量车横轴方向对应的旋转角速度、测量车立轴方向对应的旋转角速度，得出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据，所述测量车的倾斜角度数据指测量车的俯仰角、测量车的侧倾角和测量车的航向角；
[0025]工控机根据三轴电子罗盘的采样频率，计算得出采样间隔时间；根据每个采样点对应的测量车的实时行驶速度和采样间隔时间，得出每两个相邻采样点之间测量车的行驶距离；
[0026]隧道三维线形由第I矢量线段至第N-1矢量线段依次首尾相接而成，在三维直角坐标系中，隧道三维线形的第I矢量线段的起点为原点，根据第j个采样点对应的测量车的倾斜角度数据确定隧道三维线形的第j矢量线段的方向，j取I至N-1，第j个采样点和第j+Ι个采样点之间测量车的行驶距离为隧道三维线形的第j矢量线段的长度。
[0027]本技术方案的特点和进一步改进在于:
[0028]在步骤S3中，所述工控机根据在每个采样点采集的测量车的方向感应数据，通过反三角函数公式计算出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第一初始值；所述工控机根据在每个采样点采集的测量车纵轴方向对应的旋转角速度、测量车横轴方向对应的旋转角速度、测量车立轴方向对应的旋转角速度，计算得出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第二初始值；
[0029]将第I个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第一初始值作为第I个采样点对应的测量车的倾斜角度数据；然后工控机按照以下步骤依次计算第2个采样点至第N个采样点对应的测量车的倾斜角度数据:工控机将第m个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第一初始值和第二初始值作比较，m取2至N，工控机将比较之后的差值进行比例放大，将经比例放大后的数据与第m-Ι个采样点对应的测量车的倾斜角度数据进行叠加，从而得到第m个采样点对应的测量车的倾斜角度数据。
[0030]本发明的有益效果为:本发明的一种隧道三维线形测量系统，主要采用三轴电子罗盘、单轴光纤陀螺仪、增量式旋转编码器和工控机，投资费用少，设计简单，可靠性高；本发明的一种隧道三维线形测量方法，具有自动化高、测量精度高的特点，并且使隧道三维线形直观地呈现出来。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明的一种隧道三维线形测量系统结构示意图；
[0032]图2为本发明的一种隧道三维线形测量系统的电气连接示意图；
[0033]图3为本发明的一种隧道三维线形测量方法的流程图；
[0034]图4为测量车的倾斜角度的数据融合示意图。
[0035]附图标记:1-三轴电子罗盘，2-第一单轴光纤陀螺仪，3-第二单轴光纤陀螺仪，4-第三单轴光纤陀螺仪，5-增量式旋转编码器，6-测量车，7-单片机，8-工控机。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0037]在隧道工程竣工时，为了检验隧道的施工是否符合设计要求，同时为了便于向下一步的设备安装和运营管理提供基础信息，通常需要对隧道的纵断面和横断面进行测量。通过对隧道纵断面的测量，主要是获取隧道的纵断面上的线形数据，从而可以了解隧道斜率的变化情况，也可以对隧道的实际线形与设计线形之间的差异性进行比较。
[0038]以往在对隧道纵断面的测量过程中，通常采用水准仪测量方法或全站仪三角高程测量方法来实现。另外在对纵断面进行测量时，往往需要在隧道纵断面的投影线上，采用直线段每隔6m，曲线段每隔5m的方法来测量一个纵断面点。但是上述这些测量方法存在一定的局限性，例如水准仪测量方法或全站仪三角高程测量方法均为人工测量方法，其测量效率低下；在隧道空间狭小且高程变化较大的情况下，测量的难度变大；纵断面点的数量有限，容易影响隧道线形的精确性等。因此，需要一种操作简单、自动化程度高且测量准确度高的装置和方法对隧道的三维线形进行测量。
[0039]参照图1，为本发明的一种隧道三维线形测量系统结构示意图，参照图2，为本发明的一种隧道三维线形测量系统的电气连接示意图。在本发明实施例中，采用测量车6作为该隧道三维线形测量系统的安装平台。三轴电子罗盘I固定在测量车6的质心处。在三轴电子罗盘I的正前方、正左方和正上方对应固定有第一单轴光纤陀螺仪2、第二单轴光纤陀螺仪3和第三单轴光纤陀螺仪4。其中，三轴电子罗盘的第一感应轴与测量车纵轴方向平行，并指向测量车的前方；三轴电子罗盘的第二感应轴与测量车横轴方向平行，并指向测量车的左方；三轴电子罗盘的第三感应轴垂直于第一感应轴，垂直于第二感应轴，并指向测量车的上方；第一单轴光纤陀螺仪的感应轴与测量车纵轴方向平行，并指向测量车的前方；第二单轴光纤陀螺仪的感应轴与测量车横轴方向平行，并指向测量车的左方；第三单轴光纤陀螺仪的感应轴垂直于第一单轴光纤陀螺仪的感应轴，垂直于第二单轴光纤陀螺仪的感应轴，并指向测量车的上方。测量车6的行驶速度采用增量式旋转编码器5进行实时采集，增量式旋转编码器5同轴套接在测量车6后轮的转轴上。单片机7采用Freescale公司的MC9S12XS128单片机，在测量车行驶的过程中，单片机7和工控机8均放置在测量车6的后座上。单片机7通过SPI接口电连接三轴电子罗盘I，通过A/D接口电连接第一单轴光纤陀螺仪2、第二单轴光纤陀螺仪3以及第三单轴光纤陀螺仪4，通过脉冲累加器接口(即PT7接口)连接增量式旋转编码器5。工控机8通过串口与单片机7的串口相连接。
[0040]在本发明实施例中，三轴电子罗盘I采用STMicroelectronics公司的LSM303DLH电子罗盘，该LSM303DLH电子罗盘具有SPI数字通信接口和O?IOOHz的采样频率，采用16位数字输出方式和标准IIC通讯协议。
[0041]该LSM303DLH电子罗盘包括一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个检测加速度的三轴加速度传感器。三个单轴光纤陀螺仪均采用FIZ0PTIKA公司的VG949P光纤陀螺仪，它具有O?IOOOHz的采样频率，测量范围为±300deg/sec，它的输出信号为与角速度成正比的模拟电压信号或数字RS232信号。本发明实施例中，三轴电子罗盘1、第一单轴光纤陀螺仪2、第二单轴光纤陀螺仪3和第三单轴光纤陀螺仪4具有相同的采样频率，将该采样频率设为100Hz。增量式旋转编码器采用OMRON公司的E6C2-CWZ6C增量式旋转编码器，它采用双相测速方式，其分辨率为1024P/R，即每旋转一圈输出1024个脉冲。增量式旋转编码器5实时采集的脉冲数据通过单片机7发送至工控机8。
[0042]在安装完成本发明的一种隧道三维线形测量系统之后，首先要设定测量车的行驶速度。其具体过程如下:考虑到隧道三维线形测量的精确性，两个采样点之间测量车行驶过的距离应该尽可能的小，因此需要对测量车的行驶速度作初步的设定。在实际测量过程中，测量车可以在设定的行驶速度的一定范围内变动。例如，设定两个采样时刻点间测量车的行驶里程D为10cm，三轴电子罗盘、第一单轴光纤陀螺仪、第二单轴光纤陀螺仪和第三单轴光纤陀螺仪的采样频率均设为100Hz。因此设定测量车的行驶速度V为:v=D*f=0.l*100=10ms。
[0043]参照图3，为本发明的一种隧道三维线形测量方法的流程图，该隧道三维线形测量方法包括以下步骤:
[0044]I)数据采集与传输:测量车沿隧道车道中心线，从隧道的入口向隧道的出口行驶；其行驶的初始速度为上述设定的行驶速度lOm/s。由于测量车是由驾驶员人工驾驶的，因此测量车的行驶速度无法时刻保持匀速，行驶速度会在10m/S左右变化。增量式旋转编码器启动对测量车行驶速度的实时采集，即实时采集单位时间内所记录的脉冲数，并将该脉冲数发送至单片机，单片机对该脉冲数进行对应的格式转换，然后将格式转换后的数据发送至工控机。
[0045]三轴电子罗盘在测量车行驶时，在第I个采样点至第N个采样点采集测量车的方向感应数据，并将测量车的方向感应数据通过标准Iic通讯协议发送至单片机；N为采样点的总数，测量车的方向感应数据为测量车在横轴方向、纵轴方向以及立轴方向的磁感应强度和加速度。立轴方向垂直于横轴方向，且垂直于纵轴方向。
[0046]第一单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车纵轴方向对应的旋转角速度，并将所述测量车纵轴方向对应的旋转角速度以模拟电压信号的形式发送至单片机；第二单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车横轴方向对应的旋转角速度，并将所述测量车横轴方向对应的旋转角速度以模拟电压信号的形式发送至单片机；第三单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车立轴方向对应的旋转角速度，并将测量车立轴方向对应的旋转角速度以模拟电压信号的形式发送至单片机。
[0047]单片机对接收的测量车的方向感应数据、测量车纵轴方向对应的旋转角速度、测量车横轴方向对应的旋转角速度、测量车立轴方向对应的旋转角速度进行对应的格式转换，然后将格式转换后的数据发送至工控机。
[0048]2)测量车实时行驶速度计算:高性能的工控机根据实时接收到的单位时间内所记录的脉冲数，精确的计算得到测量车的实时行驶速度。
[0049]3)计算测量车的倾斜角度数据的初始值:根据三轴电子罗盘在每个采样点所采集的测量车的方向感应数据，就可以得出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第一初始值；测量车的倾斜角度数据指测量车横轴方向对应的倾斜角度、测量车纵轴方向对应的倾斜角度、测量车立轴方向对应的倾斜角度。根据三个单轴光纤陀螺仪在每个采样点所采集的测量车纵轴方向、测量车横轴方向以及测量车立轴方向对应的旋转角速度，就可以得出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第二初始值。[0050]具体过程如下:在本发明实施例中，共有N个采样点，即第I个采样点至第N个采样点，N为大于I的自然数，在第i个采样点测量车在横轴方向、纵轴方向以及立轴方向的磁感应强度为(mix，miy，miz)，i取I至N，在第i个采样点测量车在横轴方向、纵轴方向以及立轴方向的加速度为(aix，aiy, aiz)，则可以通过以下反三角函数公式计算出第i个采样点测
量车的俯仰角的第一初始值Ψ 侧倾角的第一初始值θ η和航向角的第一初始值:
[0051]
【权利要求】
1.一种隧道三维线形测量系统，其特征在于，包括单片机(7)、工控机(8)、用于沿隧道车道中心线行驶的测量车(6);所述测量车的质心处固定安装有三轴电子罗盘(1)，在三轴电子罗盘(I)的正前方、正左方和正上方对应固定有第一单轴光纤陀螺仪(2)、第二单轴光纤陀螺仪(3)和第三单轴光纤陀螺仪(4);在所述测量车(6)的一个后轮的转轴上固定有一个增量式旋转编码器(5); 所述单片机(7)的输入端分别电连接三轴电子罗盘(I)、第一单轴光纤陀螺仪(2)、第二单轴光纤陀螺仪(3)、第三单轴光纤陀螺仪(4)和增量式旋转编码器(5)，所述单片机(7)的输出端电连接所述工控机(8)的输入端。
2.如权利要求1所述的一种隧道三维线形测量系统，其特征在于，所述三轴电子罗盘(I)、第一单轴光纤陀螺仪(2)、第二单轴光纤陀螺仪(3)和第三单轴光纤陀螺仪(4)具有相同的采样频率。
3.如权利要求1所述的一种隧道三维线形测量系统，其特征在于，所述三轴电子罗盘(I)为LSM303DLH电子罗盘；所述第一单轴光纤陀螺仪(2)、第二单轴光纤陀螺仪(3)和第三单轴光纤陀螺仪(4)均为VG949P光纤陀螺仪。
4.一种隧道三维线形测量方法，基于权利要求1所述的一种隧道三维线形测量系统，其特征在于，包括以下步骤: 51:测量车沿隧道车道中心线，从隧道的入口向隧道的出口行驶；三轴电子罗盘在测量车行驶时，在第I个采样点至第N个采样点依次采集测量车的方向感应数据，N为采样点的总数，测量车的方向感应数据为测量车在横轴方向、纵轴方向以及立轴方向的磁感应强度和加速度；然后将所述测量车的方向感应数据发送至单片机； 第一单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车纵轴方向对应的旋转角速度，并将所述测量车纵轴方向对应的旋转角速度发送至单片机；第二单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个 采样点采集测量车横轴方向对应的旋转角速度，并将所述测量车横轴方向对应的旋转角速度发送至单片机；第三单轴光纤陀螺仪在测量车行驶时，在每个采样点采集测量车立轴方向对应的旋转角速度，并将所述测量车立轴方向对应的旋转角速度发送至单片机； 增量式旋转编码器在测量车行驶时实时采集测量车的行驶速度，并实时将所述测量车的行驶速度发送至单片机； 52:单片机对接收的数据进行对应的格式转换，并将格式转换后的数据发送至工控机； 53:工控机根据在每个采样点采集的测量车的方向感应数据、测量车纵轴方向对应的旋转角速度、测量车横轴方向对应的旋转角速度、测量车立轴方向对应的旋转角速度，得出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据，所述测量车的倾斜角度数据指测量车的俯仰角、测量车的侧倾角和测量车的航向角； 工控机根据三轴电子罗盘的采样频率，计算得出采样间隔时间；根据每个采样点对应的测量车的实时行驶速度和采样间隔时间，得出每两个相邻采样点之间测量车的行驶距离； 隧道三维线形由第I矢量线段至第N-1矢量线段依次首尾相接而成，在三维直角坐标系中，隧道三维线形的第I矢量线段的起点为原点，根据第j个采样点对应的测量车的倾斜角度数据确定隧道三维线形的第j矢量线段的方向，j取I至N-1，第j个采样点和第j+1个采样点之间测量车的行驶距离为隧道三维线形的第j矢量线段的长度。
5.如权利要求4所述的一种隧道三维线形测量方法，其特征在于，在步骤S3中，所述工控机根据在每个采样点采集的测量车的方向感应数据，通过反三角函数公式计算出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第一初始值；所述工控机根据在每个采样点采集的测量车纵轴方向对应的旋转角速度、测量车横轴方向对应的旋转角速度、测量车立轴方向对应的旋转角速度，计算得出每个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第二初始值； 将第1个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第一初始值作为第I个采样点对应的测量车的倾斜角度数据；然后工控机按照以下步骤依次计算第2个采样点至第N个采样点对应的测量车的倾斜角度数据:工控机将第m个采样点对应的测量车的倾斜角度数据的第一初始值和第二初始值作比较，m取2至N，工控机将比较之后的差值进行比例放大，将经比例放大后的数据与第m-Ι个采样点对应的测量车的倾斜角度数据进行叠加，从而得到第m个采样点对应的测量车的倾斜角度数据。
【文档编号】G01C7/06GK103673983SQ201310652764
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】陈生客, 韩毅, 毛鹏, 宁兰 申请人:上海嘉珏实业有限公司