本发明属于隧巷道施工领域，具体涉及一种移动扫描隧巷道断面及体积测量装置及其测量方法。
背景技术：
公路隧道、矿山巷道及城市地铁隧道等地下巷道工程的设计、施工、验收等工作均需要对巷道的几何形状、喷涂量、开挖量等数据进行测量。通常对这些参数的处理方式为使用塔尺人工测量记录，然后计算，这种处理方式要求人工量多、过程长、误差大。移动扫描隧(巷)道断面及体积测量方法及装置利用激光、电子、计算机技术，实现断面的几何形状测量、断面面积计算、喷涂量计算，为工程技术人员、质量检测人员提供便捷快速工具。
文献“巷道断面自动测定方法及其装置”(余新明，石零，吴学军(CN101846507A))，对隧巷道断面面积测量采用的是把测距传感器固定在一转动轴上，通过轴转动带动激光测距传感器旋转测量行隧道断面相应点的距离，获得断面面积，这种方法存在的缺陷是一次测量只能获得断面面积(周长)而不能同时得到体积，由于使用旋转的方法，一次测量的时间比较长，也不能让仪器边运动边测量。文献“基于激光断面的隧道安全监测系统的研究”(李志鹏等，机电一体化，第1期，第70-73页，2008年)，采用的是云台轴转动带动激光测距传感器测量方法，不能同时获得隧巷道体积和面积，同样不能运动中测量。文献[CN2911606Y]公开的一种隧道界限检测快速测量装置，其采用的是电机转轴，带动激光测距仪转动测距，再配合相应软件算法实现。文献[CN2272568Y]公开的一种激光隧道断面测量仪，其采用了以隧道基桩为基准，测量仪关键部分仍采用步进电机转动带动激光测距传感器测距，再配合相应软件算法实现。
综上所述，现有的几种巷道断面测定仪存在的主要问题是：利用转轴带动激光测距传感器对隧巷道断面进行圆周扫描，这样单个断面的测量因转动导致测量耗时长；不能对断面测量的同时进行与隧巷道中心线方向上的距离测量；无法进行一次测量即获得断面面积(周长)又获得隧巷道的体积；无法进行运动中的断面和体积测量。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种移动扫描隧巷道断面及体积测量装置及其测量方法，一次性获得隧巷道断面面积(变断面)和体积。
本发明提供了一种移动扫描隧巷道断面及体积测量装置，其特征在于：它包括激光器传感器安装底座、用于测量隧巷道内径的圆周激光测距传感器、用于测量隧巷道长度的圆心激光测距传感器、多通道数据采集转换硬件；圆周激光测距传感器和圆心激光测距传感器设置于激光器传感器安装底座的同一表面，圆周激光测距传感器均匀分布于以圆心激光测距传感器为圆心所在圆的圆周上；圆周激光测距传感器所发出的激光光线处于同一平面同时该平面的法线与圆心激光测距传感器所发出的光线平行；所述的圆周激光测距传感器、圆心激光测距传感器均与多通道数据采集转换硬件电连接；圆周激光测距传感器均匀分层且错落设置；圆周激光测距传感器均匀分布于以圆心激光测距传感器为圆心所在圆面的多个圆周上；还包括用于测量测量装置运动速度的速度传感器，所述速度传感器设置于安装底座上，速度传感器与多通道数据采集转换硬件电连接。
所述相邻的两个圆周激光测距传感器发出的光线间夹角为1°～5°；所述夹角的顶点在圆心激光测距传感器的发光点。
所述多通道数据采集转换硬件接收来自圆周激光测距传感器、圆心激光测距传感器和速度传感器的数据信息的时间间隔在ms级。
基于移动扫描隧巷道断面及体积测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤:
a.圆周激光测距传感器测量隧巷道壁到圆周激光测距传感器的激光测距探头的距离；利用极坐标扇形积分原理，对测量得到的若干组中的每组的两个相邻的圆周激光测距传感器发出的激光光线间所夹的微分扇形面积Si进行积分求和，得到隧巷道断面面积S，
即
b.圆周激光测距传感器测量隧巷道壁到圆周激光测距传感器的激光测距探头的距离；利用极坐标扇形积分原理，对测量得到的若干组中的每组的两个相邻的圆周激光测距传感器发出的激光光线间所夹的扇形的微分弧长Li进行积分求和，得到隧巷道断面周长L，
即
其中，ri、ri+1为相邻两个圆周激光测距传感器所测的距离分别加上各自到圆心激光测距传感器激光器的距离，θ为相邻两个圆周激光测距传感器的夹角；
c.所述移动扫描隧巷道断面及体积测量装置运动时隧巷道体积V由公式V＝S×v×Δt计算得出，其中v为移动扫描隧巷道断面及体积测量装置运动速度，Δt为测量时间间隔；
或所述移动扫描隧巷道断面及体积测量装置静止时隧巷道体积V由公式V＝S×h计算得出，其中S为隧巷道断面面积，h为圆心激光测距传感器测量的距离；将移动扫描隧巷道断面及体积测量装置放置于隧巷道的端口，当测量一段隧巷道的断面面积周长和体积后，移动到上次圆心激光测距传感器测量的截止距离处，进行下一段隧巷道的断面面积周长和体积测量，如此往复完成整个隧巷道的测量。
上述技术方案中，步骤a中用中间插值方法对各微分面积的计算进行划分，把两个相邻圆周激光测距传感器发出的光线间的扇形分成2-5个扇形。
上述技术方案中，步骤b中用中间插值方法对各微分弧长的计算进行划分，把两个相邻圆周激光测距传感器发出的激光光线间的扇形分成2-5个扇形。
上述技术方案中，所述中间插值方法为
原第si个微分面积为并在此基础上进一步插值。
上述技术方案中，所述中间插值方法为
原第Li个微分弧长为并在此基础上进一步插值。
本发明利用圆周激光测距传感器、圆心激光测距传感器和多通道数据采集转换硬件，配合仪器软件实现隧巷道断面(面积和周长)的快速测量。本发明利用圆周激光测距传感器和速度传感器在运动状态对断面进行测量的同时进行运动距离的计(测)量，利用圆心激光测距传感器在静止时对断面测量的同时测量隧巷道中心线方向上的距离。本发明在安装底座上沿圆周均匀分布圆周激光测距传感器，无需利用转轴带动激光测距传感器对隧巷道断面进行圆周扫描，一次性对多个断面进行测量，有效节约测量时长。本发明通过获得的断面面积和测量装置运动速度实时利用仪器软件实现在运动状态进行隧巷道断面和体积的一次测量，和静止时对隧巷道断面和体积进行测量。本发明利用人机操作界面有效实现对测量装置的实时控制和测量信息的反馈。本发明在仪器软件的插值算法的支持下大大提高测量精度。
附图说明
图1是本发明结构示意图a；
图2是本发明结构示意图b；
图3是本发明结构示意图c；
其中，1-圆周激光测距传感器、2-圆心激光测距传感器、3-速度传感器、4-激光传感器安装底座、5-多通道数据采集转换硬件、6-人机操作界面，7-隧巷道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图所示，本发明一种移动扫描隧巷道断面及体积测量装置，它包括激光器传感器安装底座4、圆周激光测距传感器1、圆心激光测距传感器2、速度传感器3、多通道数据采集转换硬件5；圆周激光测距传感器1和圆心激光测距传感器2设置于激光器传感器安装底座4的同一表面，圆周激光测距传感器1均匀分布于以圆心激光测距传感器2为圆心所在圆的圆周上；且相邻圆周激光测距传感器1的夹角大于0°。所述圆周激光测距传感器1均匀分布于以圆心激光测距传感器2为圆心所在圆的1-3个圆周上。
圆周激光测距传感器1所发出的激光光线处于同一平面同时该平面的法线与圆心激光测距传感器2所发出的光线平行；所述圆周激光测距传感器1相邻两个的激光器发出的光线间夹角为1°～5°；所述夹角的顶点在圆心激光测距传感器2的发光点。
所述的圆周激光测距传感器1、圆心激光测距传感器2和速度传感器3均与多通道数据采集转换硬件5电连接；多通道数据采集转换硬件5将采集到的数据传递至用于计算断面面积的仪器软件。多通道数据采集硬件连接按仪器软件设定的时间间隔，扫描多通道数据采集转换硬件5的通道，获得每个测距传感器的数据和运动速度数据。所述多通道数据采集转换硬件5接收来自圆周激光测距传感器1、圆心激光测距传感器2和速度传感器3的数据信息的时间间隔在ms级。
所述人机操作界面6可为触摸显示屏，测量装置硬件内部设置有嵌入式仪器软件。本发明通过具有微分面积、微分弧长和数值插值算法仪器软件，在运动和静止状态时对隧巷道7断面的面积、周长和体积测量计算，并显示于人机操作界面6上。使用时，打开移动扫描隧巷道7测定装置的电源，测定装置各部件通电。通过人机操作界面6上的启动按钮，仪器软件启动，按毫秒级的时间间隔快速扫描多通道数据采集转换硬件5的每个通道，获得连接在通道上的圆周激光测距传感器1、圆心激光测距传感器2、速度传感器3的数据，于是静止或运动状态的隧巷道7的断面面积、周长和体积分别被测量。
本发明基于上述装置提供了一种移动扫描隧巷道断面及体积测量方法，包括以下步骤:
a.测量隧巷道断面面积S，所述隧巷道断面面积S为若干个两个相邻的圆周激光测距传感器发出的激光光线间所夹的微分扇形面积Si之和，即相邻激光光线间所夹的微分扇形面积Si用相邻两圆周测距激光传感器所测的距离ri、ri+1和相邻两圆周激光测距传感器间的夹角θ表示成
b.测量隧巷道断面周长L，所述的断面周长L为若干个两个相邻的圆周激光测距传感器发出的激光光线间所夹的扇形的微分弧长Li之和，即两个相邻激光光线间所夹的扇形的微分弧长用相邻两圆周测距激光传感器所测的距离ri和θ表示成
上述计算过程由仪器软件完成。为提高精度且使激光光线所划分的面积更小，在仪器软件上使用插值算法，划分多于两个的扇形，如两个相邻圆周激光传感器夹角的中间处，取则把原来的一个近似扇形又一次分成了两个，
于是
c.所述测量装置运动时隧巷道体积V由公式计算得出，其中v为测量装置运动速度，Δt为测量时间间隔；测定装置放置于运动的物体上(如巷道矿车、矿用机车或专门研制的运动小车)，运动物体不必保持匀速运动。
或所述测量装置静止时隧巷道体积V由公式V＝S×h计算得出，其中S为隧巷道断面面积，h为圆心激光测距传感器测量的距离；将测量装置放置于隧巷道的端口，当测量一段隧巷道的断面面积周长和体积后，移动到上次圆心激光测距传感器的截止距离处，进行下一段隧巷道的断面面积周长和体积测量，如此往复完成整个隧巷道的测量。
隧巷道断面变化较大的测量适宜使用测量装置运动的方法，以保证有效获取不同断面的数据，保证测量结果的准确性。隧巷道断面变化较较小的测量适宜使用测量装置静止的方法，分段式的测量，操作方便快速。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。