专利名称：隧道无线激光放样装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地下工程开挖激光放样装置，更具体涉及一种隧道无线激光放样装置，尤其是钻爆法隧道施工中开挖断面轮廓线和炮孔定位放样的激光放样装置。
背景技术：
目前在地下洞库隧道网络的钻爆法施工中，开挖工作面的定位放样普遍处于人工仪器中线测量、钢尺定位炮孔的状态，费时费力，工作效率低，不能满足庞大的工程任务在时间上的紧迫要求，而且定位放样精度差，容易造成超欠挖，影响施工质量、进度和造价。
利用激光投射进行放样施工是一种很好的解决方式。目前的激光投射放样技术中，激光指向仪是简单实用的一种，利用安置在隧道顶部和边墙上的激光器，发射和隧道中线重合或者平行的激光光束，从而定位隧道的中线位置。该技术具有价格低廉、结构简单、发射可见光，不占用隧道交通空间影响施工等特点，能指示隧道掘进的方向和坡度、标定隧道中线位置，但是该仪器仅能指示中线，不能定位轮廓线和炮孔，难以处理弯曲的隧道，使用中尚需人工来确定丈量每一个炮孔，工作量很大，且不够精确。
近来出现了一种能灵活地进行隧道断面激光放样的技术——激光透镜扫描投射放样技术，例如中国发明专利公开号CN1262378A于2000年8月9日公开的激光隧道断面放样仪。该技术是通过步进电机带动物镜平移，改变仪器内固定激光器的激光束出射方向进行扫描，实现激光点投射指示出断面轮廓和开挖断面上定位轮廓线和多个炮眼点的功能。这一类技术及相应的仪器在实际应用中存在一些不足之处自身定位较为困难，需要测量仪器配合，难以自由设站，比如只能放在中桩点上，占用了隧道交通空间，影响隧道施工；处理曲线隧道不方便；由于物镜的相对口径有限，扫描范围和距离受一定限制，例如需要放样的隧道断面若较大，则放样仪必须远离开挖工作面。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种隧道无线隧道激光放样装置，该仪能实现在隧道和其它地下工程施工中快速地激光定位放样；在使用中可以让仪器自身简便地定位，且激光扫描放样范围不受放样位置和距离限制，不影响隧道施工交通，定位放样精度高，可以简便自动地处理任意的曲线隧道、任意断面形态及钻爆方案。
为达到上述目的，本发明采用以下技术措施该放样装置由计算机、伺服型电子全站仪、半导体激光器、串口无线通信器组成。计算机内装有控制软件，计算机的串行口和伺服型电子全站仪的串行口分别连接上串口无线通信器，两个串口无线通信器之间进行数据和控制信号的连接传输；半导体激光器安装在全站仪测量转动部件的内部，激光光束从全站仪测量转动部件上开孔投射出来。在计算机软件控制下，放样装置通过无线通信控制全站仪的测量进行自身定位，通过控制全站仪转动使得激光投射到隧道开挖工作面上，达到放样目的。计算机软件已进行软件著作权登记，软件名称为“隧道掘进自动定位系统”，软件著作权登记号2007SR01366。其工作流程如下(1)系统初始化，即开启计算机、无线通信器、激光器和全站仪，使它们处于工作状态，并确定无线通信器和全站仪正常工作；(2)用全站仪观测已知的后视点，系统自动计算自身位置(北、东和高程)和方位(北方向)；(3)在图形化界面下输入整个隧道的轴线几何数据，断面的形态数据以及钻爆方案(断面炮孔设计方案)，包括直线和圆弧曲线型的任意多段隧道，任意形状的开挖断面和炮孔位置；(4)控制全站仪旋转、测量当前开挖工作断面的距离和测量点的角度，对比已经输入的隧道轴线三维数据，计算开挖断面轮廓的特征点(起拱点，顶点和边墙正负零点等)以及炮孔的三维坐标；(5)根据放样装置自身定位的数据，计算开挖断面轮廓的特征点及炮孔对应的全站仪旋转水平H角和垂直V角；控制全站仪旋转，使激光束投射到需要定位的轮廓线点和炮孔位置，指导操作人员标记、钻孔。
(6)放样全部完成后，输出放样的结果图形和记录。
本发明具有以下的优点和效果①放样系统自身定位简便；由于采用了计算机软件分析，利用全站仪高精度测量已知点，可以快速地确定系统本身的三维坐标，操作简便，对曲线复杂的隧道放样十分有利；因此系统可以自由设站，在施工中可以将放样系统安装在边墙高处或顶部，不影响隧道内的施工车辆交通，节约施工时间。②采用的无线通信方案使放样系统可以安装在任意位置，降低了对隧道内交通的影响；同时使得工作人员可以远离危险区域进行操作，更为安全。③放样精度高，由于采用了全站仪作为系统测量和转动定位的机械主体，测角精度可以达到1秒及以上，由此计算，在400米处断面放样精度约可达1mm。④内置的激光器，不影响电子全站仪的功能，使得全站仪这一施工和测绘单位原有的设备可以照常使用，从这一角度讲激光放样系统的成本很低；同时可以360度大范围旋转，放样适应性强。⑤系统适应于复杂钻爆方案，放样速度快。在室内计算机软件上事先处理、存储隧道断面的钻爆方案，现场施工时以图形界面操作，简明、快捷，节约了施工时间。
图1为一种隧道无线激光放样装置示意图。
图2为一种隧道无线激光放样装置软件功能流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明如图1所示，系统由计算机1、全站仪2、半导体激光器3和无线通信器4和5组成。计算机1内装有控制软件，计算机1与无线通信器4通过串行口7连接，全站仪2与无线通信器5通过串行口8连接，无线通信器4和5为配套双向传送通信器，计算机1的控制信号和全站仪2的数据信号通过无线通信器4和5译码、传送。具体实施时，计算机采用具备串行口的便携机或台式机；全站仪采用伺服型电子全站仪，可选用的型号有Topcon 800系列、光谱FOCUS 10系列、Trimble 5600系列等；无线通信器采用串口无线数传单元，可选用的型号有Intech便携端口HPS-120、捷易无线数据传输终端和力创LQ9200等；半导体激光器3安装在全站仪2的测距转动头6内部，激光器3光轴与全站仪2测量光轴平行，安装位置使得激光光束可以从全站仪2原有孔或者另行开孔投射出来，激光器3光轴调整到与全站仪2的测量光轴平行。半导体激光器采用红光(波长在650nm左右)或者绿光激光器(波长在532nm左右)、发散角小，体积适合于全站仪内置即可，激光器的功率根据使用的隧道空气透明程度进行选择，20～50mw一般可满足钻爆法开挖现场500米投射需求，可选用型号有GP461激光定靶器，HqL04激光镭射瞄准器等。
激光放样系统是在计算机1控制下工作的，其具体过程根据图2说明如下，其步骤是(1)系统初始化9，即开启计算机1、无线通信器4与5、激光器3和全站仪2，使之处于工作状态，然后计算机向全站仪2发送无线应答请求10，以确定无线通信器4与5和全站仪2是否正常工作；软件判断全站仪是否正常应答11，如果正常应答，执行了旋转操作，则可进入下一步骤；如果软件没有接收到正常应答，则进入出错处理12，提示排除无线通信器或者全站仪的不正常工作状态；(2)用全站仪观测已知的后视点(北、东和高程数据已知)，系统自动计算自身位置(北、东和高程)和方位(北方向)系统自身定位13；具体操作为，输入两个已知的后视点三维坐标(北、东和高程)，将全站仪依次旋转对准两点，测量其角度，软件自动计算系统自身位置，即测量光心的坐标(北、东和高程)，并得到相对坐标系的北方向，然后自动将方位角数据清零，转向北方向，完成放样装置的自身定位。
(3)在图形化界面下输入隧道轴线数据14，输入断面数据与钻爆方案15(断面炮孔设计方案)；具体操作为，以表格填写的方式输入隧道的起始点坐标、类型(包括直线和圆弧型)、坡度和长度参数，圆弧型隧道还要输入圆心、半径参数，表格可输入任意多段隧道；然后以图形操作方式绘制断面的二维形状，输入特征点和炮孔位置(X、Y)，以及隧道轴线与开挖断面交点的相对坐标X0、Y0；(4)测量断面距离、角度16，测量当前开挖工作断面的距离和测量点角度。控制全站仪旋转、指向当前开挖工作断面，配合棱镜测量距离和测量点角度；软件自动基于已经输入的隧道轴线三维数据，计算得到开挖断面轮廓的特征点(起拱点，顶点和边墙正负零点等)以及炮孔的三维坐标；(5)计算轮廓线特征点和炮孔的全站仪旋转角17。软件根据系统自身定位的数据，计算开挖断面轮廓的特征点及炮孔对应的全站仪旋转水平H角和垂直V角；在图形界面鼠标控制下根据放样点顺序依次向全站仪发送全站仪旋转请求18，判断全站仪是否旋转正常并应答19，如果全站仪没有正常应答，则进入出错处理，提示排除硬件故障或者更改软件设置，如放样的时间间隔等；在无线通信和全站仪工作正常情况下，激光束即可正确指示需要定位的轮廓线点和炮孔位置，开挖操作人员可据此进行标记、钻孔，然后判断是否所有点都已放样完毕21，如果尚有放样点待处理，则返回步骤17，计算相关数据，否则进入放样完成输出图形记录22。
(6)放样完成输出图形记录22，放样全部完成，软件自动输出放样的结果，以图形形式输出放样的轮廓线和炮孔，可打印存档，提供数据文件记录。
上面描述的是完整的放样装置操作流程，当隧道开挖断面不断向前推进时，放样装置本身没有移动的情况下，在操作上则可以跳过步骤13、14、15，确定放样装置正常工作后，直接测量新的开挖断面16，进行新一轮放样操作。
权利要求
1.一种隧道激光放样装置，包括计算机(1)、全站仪(2)、半导体激光器(3)和无线通信器(4)，其特征在于，计算机(1)内部装有控制软件，计算机(1)与无线通信器(4)通过串行口(7)连接，全站仪(2)与无线通信器(5)通过串行口(8)连接，半导体激光器(3)安装在全站仪(2)的测距转动头(6)内部。
2.根据权利要求1所述的一种隧道激光放样装置，其特征在于激光器(3)光轴与全站仪(2)测量光轴平行。
全文摘要
本发明公开了一种隧道无线激光放样装置，该激光放样装置由计算机、伺服型电子全站仪、半导体激光器和无线通信器组成。计算机串行口与无线通信器连接，全站仪与无线通信器通过串行口连接，半导体激光器安装在全站仪的测距转动部分内部。系统在计算机软件控制下完成系统自身定位，隧道轴线数据、开挖断面和钻爆方案数据输入，断面测量，断面轮廓及炮孔定位放样的工作流程。该仪可自动地处理任意的曲线隧道、任意断面形态及钻爆方案，快速准确地利用激光束指示开挖，适用于包括隧道开挖在内的各类地下工程施工。
文档编号G01C15/00GK101067375SQ20071005234
公开日2007年11月7日 申请日期2007年5月31日 优先权日2007年5月31日
发明者刘泉声, 张程远, 刘小燕 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所