本申请涉及隧道轮廓工程领域，特别涉及一种隧道轮廓定位扫描设备、隧道工程车以及隧道轮廓定位扫描方法。
背景技术
随着基础建设的相关技术的不断发展，在隧道钻探领域不断有新技术应用在实际建设中，提高隧道钻探的质量和效率。其中，主要是对隧道建设的机械化、数字化和信息化的相关技术的不断改进，关系与这三者的技术，隧道的轮廓信息在隧道建设的施工的各阶段都发挥者重要的作用。
获取隧道轮廓信息主要包括两部分内容：定位和扫描。其中，扫描得到的轮廓信息为扫描仪坐标系下的信息，而实际应用中需要使用到大地坐标系下的轮廓信息，因此通过定位实现将扫描仪坐标系下的隧道轮廓信息转换为大地坐标系。
在现有技术中，通常采用商用三维扫描仪或由二维旋转平台和一维激光测距仪搭建的三维激光扫描仪。其中，商用三维扫描仪防护等级低，常用于野外或室内环境，无法用于隧道隧道工程车车载工况。由二维旋转平台和一维激光测距仪搭建的三维激光扫描仪，可以实现对隧道轮廓的定位和扫描，但是由于是通过一维激光测距仪进行扫描，扫描速度和扫描精度无法兼得，导致扫描效果达不到预期。并且以上现有技术方案均通过三维扫描仪自身的定位装置进行大坐标系的定位，定位精度较低，同样也达不到实际的轮廓信息获取的标准。
因此，如何提高隧道轮廓定位扫描的效果是本领域技术人员所关注的重点问题。
技术实现要素：
本申请的目的是提供一种隧道轮廓定位扫描设备、隧道工程车以及隧道轮廓定位扫描方法，通过使用全站仪进行定位，可以提高隧道轮廓定位扫描时的定位精度。
为解决上述技术问题，本申请提供一种隧道轮廓定位扫描设备，包括：
用于对参考设备进行测量得到第一位置姿态数据和进行扫描处理得到扫描数据的三维激光扫描仪；
用于对所述参考设备进行定位得到第二位置姿态数据的全站仪；
与所述三维激光扫描仪和所述全站仪均连接，用于对工程设备进行控制并将所述第一位置姿态数据、所述第二位置姿态数据以及所述扫描数据进行计算得到隧道轮廓信息的工控机；
其中，所述参考设备与所述三维激光扫描仪和所述工控机连接，用于承载所述三维激光扫描仪和所述工控机。
可选的，所述工控机通过无线网与所述全站仪连接。
可选的，所述工控机通过rs232串口与所述三维激光扫描仪连接。
可选的，所述三维激光扫描仪包括：
用于进行激光测距的二维激光测距仪；
与所述二维激光测距仪连接，用于带动所述二维激光测距仪进行旋转的一维旋转平台。
可选的，所述三维激光扫描仪还用于根据所述参考设备对所述三维激光扫描仪进行校准得到所述三维激光扫描仪的校准位置姿态数据。
可选的，还包括与所述工控机连接，用于在校准中进行测距的激光测距仪。
可选的，所述参考设备为全电脑凿岩台车。
本申请还提供一种隧道工程车，所述隧道工程车包括权利要求1至7任一项所述的隧道轮廓定位扫描设备。
本申请还提供一种隧道轮廓定位扫描方法，包括：
工控机获取三维激光扫描仪进行校准处理得到的校准结果；
获取所述三维激光扫描仪对参考设备在参考设备坐标系中进行测量得到的第一位置姿态数据；
获取所述三维激光扫描仪进行扫描处理得到的扫描数据；
获取全站仪对所述参考设备在大地坐标系中进行定位得到的第二位置姿态数据；
根据所述校准结果、所述第一位置姿态数据、所述第二位置姿态数据以及所述扫描数据进行计算处理，得到大地坐标系中的隧道轮廓信息。
可选的，三维激光扫描仪对参考设备在参考设备坐标系中进行测量得到的第一位置姿态数据，包括：
三维激光扫描仪对参考设备的参考标识物在参考设备坐标系中进行测量得到所述参考标识物的第一位置姿态数据；
相应的，全站仪对所述参考设备在大地坐标系中进行定位得到的第二位置姿态数据，包括：
全站仪对所述参考标识物在大地坐标系中进行定位得到所述参考标识物的第二位置姿态数据。
本申请所提供的一种隧道轮廓定位扫描设备，包括：用于对参考设备进行测量得到第一位置姿态数据和进行扫描处理得到扫描数据的三维激光扫描仪；用于对参考设备进行定位得到第二位置姿态数据的全站仪；与三维激光扫描仪和全站仪均连接，用于对工程设备进行控制并将第一位置姿态数据、第二位置姿态数据以及扫描数据进行计算得到隧道轮廓信息的工控机；其中，参考设备与三维激光扫描仪和工控机连接，用于承载三维激光扫描仪和工控机。
由于在隧道工程领域每种测量仪器或多或少均会包含隧道轮廓扫描中所用到的功能，因此在隧道轮廓扫描实施中，为了设备连接和数量的精简会想用到一个设备去完成隧道轮廓扫描，这是现有技术所提供的技术方案，本申请的技术方案，通过在隧道轮廓定位扫描设备中设置由全站仪对参考设备进行定位，而不是通过设置在参考设备中的扫描仪进行定位，通过全站仪的自动对照功能进行定位数据获取过程中的对点过程，避免了因使用环境和人工操作对定位精度的影响，可以更加精确的以大地坐标系对参考设备进行定位，提高了定位的精度和准确度。
本申请还提供一种隧道工程车以及隧道轮廓定位扫描方法，具有以上有益效果，在此不做赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种隧道轮廓定位扫描设备的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的隧道轮廓定位扫描设备的网络拓扑图；
图3为本申请实施例所提供的另一种隧道轮廓定位扫描设备的结构示意图；
图4为本申请实施例所提供的一种隧道轮廓定位扫描方法的流程图。
图1至图3中：
10为三维激光扫描仪、11为全站仪、12为工控机、13为参考设备、14为标识物、15为路由器。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种隧道轮廓定位扫描设备、隧道工程车以及隧道轮廓定位扫描方法，通过使用全站仪进行定位，可以提高隧道轮廓定位扫描时的定位精度。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
由于现有技术中在对隧道轮廓信息进行定位扫描的过程中，不仅扫描数据的好坏会影响到轮廓信息获取的质量，并且进行定位的精度也会影响到轮廓信息获取的质量。目前常用的技术方案中通常使用扫描仪自身去实施定位操作，获取定位数据，但是扫描仪一般是通过图像识别的方式进行定位，而隧道中的环境会严重影响定位识别的精度；或者采用手动对点的方式获取定位数据，其中对点的误差较大，也无法获取到符合要求的定位数据。
请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种隧道轮廓定位扫描设备的结构示意图。
本实施例提供一种隧道轮廓定位操作设备，可以提高隧道轮廓扫描信息的效果，该设备可以包括：
用于对参考设备13进行测量得到第一位置姿态数据和进行扫描处理得到扫描数据的三维激光扫描仪10；
本实施例中所指的三维激光扫描仪可以采用由一维旋转平台和二维激光测距仪搭建的三维激光扫描仪。其主要目的，就是在工程实施中，对参考设备进行测量得到第一位置姿态数据，再进行扫描得到隧道轮廓的扫描数据。其中，第一位置姿态数据就是该三维激光扫描仪对于参考设备坐标系的坐标。
其中，进行测量的方式可以采用现有技术提供的任意一种测量方式，也可以采用本实施例提供的如下方式：
三维激光扫描仪对参考设备上的标识物14进行测量，得到该标识物14在参考设备坐标系中的位置姿态数据，作为第一位置姿态数据，并存储于工控机中。其中，位于参考设备上的标识物14可以是参考设备中被选定的一些零件，或设置于参考设备上特定的用于标识的点，进一步的，为了测量位置姿态数据的精度，该标识物14可以是相隔较远的两个标识物。
其中，标识物14可以是本实施例提供的设置在参考设备上两个固定点，该固定点具体可以放置用于放射光线的棱镜。
用于对所述参考设备13进行定位得到第二位置姿态数据的全站仪11；
其中，全站仪是对参考设备进行定位的设备，其定位所确定的参考系是大地坐标系，也就是脱离参考设备之外的以工程环境的地理特征为标准的坐标系。而在现有技术中，目前常用的技术方案中通常使用扫描仪自身去实施定位操作，获取定位数据，但是扫描仪一般是通过图像识别的方式进行定位，而隧道中的环境会严重影响定位识别的精度；或者采用手动对点的方式获取定位数据，其中对点的误差较大，也无法获取到符合要求的定位数据。
在全站仪对参考设备进行定位，得到第二位置姿态数据。其中，定位的方式可以采用现有技术提供的任意一种定位方式，也可以采用本实施例提供的如下方式：
全站仪对参考设备上的标识物进行定位，得到位置姿态数据，将该位置姿态数据作为第二位置姿态数据。具体的，该标识物可以是参考设备中被选定的一些零件，或设置于参考设备上特定的用于标识的点，进一步的，为了定位位置姿态数据的精度，该标识物可以是相隔较远的两个标识物。
其中，标识物可以是本实施例提供的设置在参考设备上两个固定点，该固定点具体可以放置用于放射光线的棱镜。
与所述三维激光扫描仪10和所述全站仪11均连接，用于对工程设备进行控制并将所述第一位置姿态数据、所述第二位置姿态数据以及所述扫描数据进行计算得到隧道轮廓信息的工控机12；
本实施例中的工控机主要用于对工程设备进行控制，具体的与本实施例中是对该三维激光扫描仪和全站仪进行控制，在将三维激光扫描仪和全站仪获取的数据进行计算得到隧道轮廓信息。其中，工控机与三维激光扫描仪和全站仪的连接方式可以通过串口进行有线连接，还可以通过无线网络进行无线连接。其中，工控机对采集的数据进行的计算是现有技术中提供的任意一种计算方式。
具体的，全站仪的具体型号可以是瑞士徕卡ts15测量机器人，其功能强大，具有测程远、精度高、可靠性强等特点，可适应恶劣的工作环境。通过全站仪实现远程定位，并且ts15测量机器人带有atr目标自动识别功能，用户可以通过自己编写的软件对全站仪进行自动测量和控制管理，设定搜索范围内自动寻找测量目标——标识物。此外，ts15测量机器人提供本地、无线网络、usb、蓝牙等多种数据交换方式。自动测量，远程定位，得出施工设备车身的两个固定点的大地坐标，并通过无线网将数据传输至工控机，由工控机完成定位计算，获取设备在大地坐标系中的位置和姿态。
进一步的，工控机对处理得到的扫描信息进行显示，有三维点云显示和切片显示两种方式，也就是现有技术可以提供的显示方式。进一步，扫描仪在扫描过程中的主要参数为：扫描距离、扫描角度、扫描频率、扫描精度等。扫描仪可以采用线扫描方式进行扫描，扫描数据可以通过rs232串口进行传输，扫描信息后处理方式可以采用三维重建的方式，显示信息包含隧道轮廓、超欠挖效果等。
其中，所述参考设备13与所述三维激光扫描仪10和所述工控机12连接，用于承载所述三维激光扫描仪10和所述工控机12。
其中，参考设备与三维激光扫描仪和工控机的连接方式均为固定连接。
具体的，参考设备一般是可以承载其他装置的设备，本实施例中三维激光扫描仪和工控机设置在参考设备上，也就是承载三维激光扫描仪和工控机。因此，通过全站仪自动对照功能提高在获取定位数据过程中的对点精度，从而提高定位数据的精度。
本实施例所使用的工控机，就是现有技术中所提供的任意一种工控机，可以完成定位信息和扫描信息的处理，并且将处理结果予以显示。
请参考图2，图2为本申请实施例所提供的隧道轮廓定位扫描设备的网络拓扑图。
本实施例中，具体的三维激光扫描仪10和全站仪11与工控机12的连接方式可以采用现有技术提供的任意一种连接方式，也可以采用如下的连接方式：
工控机12通过无线网络与全站仪11进行无线连接；
其中，通过无线网络进行的无线连接，可以通过工控机和全站仪中的无线通讯设备进行相互连接，具体该无线通讯设备的协议可以通过蓝牙进行连接，也可以通过wifi进行连接，具体的在此不做赘述。
工控机12通过rs232串口或以太网口与所述三维激光扫描仪10的rs232串口或以太网口进行有线连接；
进一步的，其中所述的参考设备可以是全电脑凿岩台车。并且，如果通过以太网口进行有线连接，当连接设备较多是在本结构中还包括用于网络数据传输的路由器15
由于全站仪并不设置在参考设备上，因此在具体实施例中有可能设置在距离工控机较远的位置，因此为了工程实施的方便程度，以及连接成本的考虑，将工控机通过无线网络与全站仪进行连接，提高全站仪在作业过程中的方便程度，并且可以降低连接成本。
因此，综上所述，本实施例通过在隧道轮廓定位扫描设备中设置有全站仪对参考设备进行定位，而不是通过设置在参考设备中的扫描仪进行定位，通过全站仪自动对照功能提高在获取定位数据过程中的对点精度，可以更加精确的以大地坐标系对参考设备进行定位，提高了定位的精度和准确度。同时，全站仪拥有较高的防护性能，可以适应恶劣的隧道工作环境。
请参考图3，图3为本申请实施例所提供的另一种隧道轮廓定位扫描设备的结构示意图。
本实施例所提供的另一种隧道轮廓定位扫描设备，主要是针对上一实施例中的三维激光扫描仪的扫描速度和扫描精度无法兼得的问题，提供一种隧道轮廓定位扫描设备，其他部分与上一实施例大体相同，相同部分可以参考上一实施例，在此不做赘述。
该设备的三维激光扫描仪10可以包括：
用于进行激光测距的二维激光测距仪；
与所述二维激光测距仪连接，用于带动所述二维激光测距仪进行旋转的一维旋转平台。
在现有技术中通常通过一维激光测距仪进行测距，得到扫描得到隧道的轮廓情况，但是由于一维激光测距每次只测得一个点，在满足扫描精度的情况下，扫描速度较低，在满足扫描速度的情况下，扫描精度较低，因此在现有技术中对于由一维激光测距仪组成的三维激光测距仪中，扫描速度与扫描精度是相互矛盾的技术问题。
本实施例提供的三维激光测距仪由二维激光测距仪组成，二维激光测距仪每次测距可以测出两个点，可以在扫描的时候降低测点之间的间隔，从而以相同的速度提高扫描精度。
其中，一维旋转平台可以带动二维激光测距仪进行活动，因此二维激光测距仪固定连接在一维选装平台的活动部件上，具体的，该活动部件具有卡口，通过卡口连接所述二维激光测距仪。
所述三维激光扫描仪10还用于根据所述参考设备13对所述三维激光扫描仪10进行校准得到所述三维激光扫描仪10的校准位置姿态数据。
还包括与所述工控机12连接，用于在校准中进行测距的激光测距仪。
其中，激光测距仪设置在所述参考设备上，并通过rs232串口或以太网口与该工控机进行连接。
在以上三维激光扫描仪的基础上，其中的三维激光扫描仪还可以用于根据参考设备对三维激光扫描仪进行校准，得到校准位置姿态数据。其中，在校准的过程中还可以通过与工控机连接的激光测距仪进行测距，以辅助校准过程。
其中，三维激光扫描仪进行校准过程中，所采用的校准方法是现有技术提供的任意一种校准方式，也可以采用本实施例提供的一种校准方式。该校准方式由三维激光扫描仪配合使用两个目标靶板实现，该目标靶板可以是参考设备上两个固定的标识物，也可以是参考设备上可以移动一个标识物，在此不做限定。据此，提供的校准方式如下：
使用与工控机连接的激光测距仪对三维激光扫描仪的校准结果进行验证，使用参考设备上的可移动的吊篮作为校准过程中的可移动标识物，也就是目标靶板。
首先工控机发出指令将吊篮缩回，移动吊篮臂使校准激光打在吊篮上，用激光测距仪测量校准激光出射点到光斑的距离，输入工控机，再将三维激光扫描仪的激光对准校准激光光斑，三维激光扫描仪通过rs232串口将数据传至工控机；接着将吊篮伸出，移动吊篮臂使校准激光打在吊篮上，移动三维激光扫描仪的激光使之与校准激光光斑重合，将数据传至工控机；工控机计算并存储三维激光扫描仪在设备基坐标系中的位置和姿态。其中，工控机就获取到了三维激光扫描仪在参考设备坐标系中的位置坐标数据，记录后就可以在计算处理中消除三维激光扫描仪摆放位置的带来的误差。
本申请实施例提供了一种隧道轮廓定位扫描设备，可以通过在隧道轮廓定位扫描设备中设置有全站仪对参考设备进行定位，而不是通过设置在参考设备中的扫描仪进行定位，相当于全站仪脱离了参考设备的影响，对参考设备进行定位避免了因参考设备的位置和姿态对定位精度的影响，可以更加精确的以大地坐标系对参考设备进行定位，提高了定位的精度和准确度。同时，全站仪拥有较高的防护性能，可以适应恶劣的隧道工作环境。
本申请实施例还提供了一种隧道工程车，该隧道工程车包括以上任一实施例所述的隧道轮廓定位扫描设备。
下面对本申请实施例提供的一种隧道轮廓定位扫描方法进行介绍，下文描述的一种隧道轮廓定位扫描方法与上文描述的一种隧道轮廓定位扫描设备可相互对应参照。
请参考图4，图4为本申请实施例所提供的一种隧道轮廓定位扫描方法的流程图。
本实施例提供一种隧道轮廓定位扫描方法，可以包括：
s101，工控机获取三维激光扫描仪进行校准处理得到的校准结果；
s102，获取所述三维激光扫描仪对参考设备在参考设备坐标系中进行测量得到的第一位置姿态数据；
s103，获取所述三维激光扫描仪进行扫描处理得到的扫描数据；
s104，获取全站仪对所述参考设备在大地坐标系中进行定位得到的第二位置姿态数据；
s105，根据所述校准结果、所述第一位置姿态数据、所述第二位置姿态数据以及所述扫描数据进行计算处理，得到大地坐标系中的隧道轮廓信息。
需要说明的是，本实施例中步骤s101至步骤s104没有执行的先后顺序。并且，步骤s101中的校准结果对应于上述实施例中的校准位置姿态数据。
可选的，三维激光扫描仪对参考设备在参考设备坐标系中进行测量得到的第一位置姿态数据，可以包括：
三维激光扫描仪对参考设备的参考标识物在参考设备坐标系中进行测量得到所述参考标识物的第一位置姿态数据；
可选的，全站仪对所述参考设备在大地坐标系中进行定位得到的第二位置姿态数据，可以包括：
全站仪对所述参考标识物在大地坐标系中进行定位得到所述参考标识物的第二位置姿态数据。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本申请所提供的一种隧道轮廓定位扫描设备、隧道工程车以及隧道轮廓定位扫描方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。