用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置及扫描方法

1.本发明涉及隧道围岩扫描技术领域，尤其涉及一种用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置及扫描方法。


背景技术：

2.高原隧道的修建是目前西南地区研究的重要工程。高原隧道的修建有利于优化西南地区的产业结构，实现地区经济的协调发展；也有利于降低高原地区的运输成本，提高经济效益，有利于高原地区的对外开放，能够加强高原偏远地区与其他地区的交流互动。
3.围岩分级与围岩变形的监测是隧道施工的关键指标。围岩分级是后续隧道施工的基础，而进行围岩变形监测是保证施工质量稳定性的重要环节。基于这样的背景，目前已有如下传统技术。方法1：申请公布号cn112734640a提供了一种隧道围岩图像采集装置、处理系统及全景图像拼接方法，能够实时拍摄钻爆洞围岩图像并进行存储,通过球面投影模型结合线性畸变矫正模型对鱼眼相机采集的图像进行畸变矫正，然后利用配准算法、融合算法、球面展开算法等实现钻爆洞围岩全景图拼接。方法2：授权公布号cn112173103b是一种用于钻爆法施工隧道的工作面检测装置及方法。所述工作面检测装置包括:控制系统、存储与传输系统、信息采集系统、照明与供电系统以及无人机，采用本发明所提供的工作面检测装置及方法能够提高检查效率以及安全性。
4.但目前行业传统方法都不够完备，在某方面优势突出的同时，短板也依旧突出。如上述方法1人工测量、现场绘制误差大，使用高性能摄像系统价格昂贵，现场设备需要不断安装、拆除，工作量大；方法2使用无人机成本较高，容易损坏，并且无人机实时定位精准不高，难以准确给出扫描出的各图像的准确位置，影响围岩全方位三维形貌的高质量重建。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置及扫描方法，以解决上述技术问题。
6.本发明采用的技术方案是：提供一种用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置，包括：行走装置，行走于隧道路边上；第三旋转电机，安装在所述行走装置上；支撑平台，安装在所述第三旋转电机上；伺服电动缸，底部通过第一铰接组件与第三旋转电机或支撑平台铰接；所述第三旋转电机驱动第一铰接组件或支撑平台在水平面旋转；第二旋转电机，安装在所述第一铰接组件处，以驱动伺服电动缸在竖直面上进行摆动；第二铰接组件，安装在所述伺服电动缸顶部；相机组件，安装在所述第二铰接组件顶部；
第一旋转电机，安装在所述第二铰接组件处，以驱动相机组件摆动，且摆动面与伺服电动缸的摆动面共面；控制器，分别与第三旋转电机、伺服电动缸、第二旋转电机、相机组件、第一旋转电机电连接；所述行走装置行走到被爆破的围岩下方，驱动第三旋转电机、第二旋转电机、伺服电动缸、第一旋转电机以及相机组件，使相机组件始终正对围岩表面且距离保持不变进行拍摄，直至将围岩拍摄完毕。
7.进一步的，所述行走装置为履带底盘。
8.进一步的，所述第三旋转电机具有一旋转平台，所述支撑平台安装在所述第三旋转电机的壳体上，且支撑平台中部具有容置旋转平台的通孔。
9.进一步的，所述第一铰接组件包括凵型底座和第一凵型铰接架，所述凵型底座安装在第三旋转电机的旋转平台上，所述凵型底座和第一凵型铰接架开口相对扣合在一起；所述凵型底座和第一凵型铰接架的一侧壁通过第一转轴铰接，所述凵型底座和第一凵型铰接架另一侧壁通过第二旋转电机铰接；或者，所述凵型底座和第一凵型铰接架的两个侧壁分别通过一个第二旋转电机铰接。
10.进一步的，所述第二铰接组件包括第二凵型铰接架和第三凵型铰接架，所述第二凵型铰接架与伺服电动缸顶部固定连接，所述相机组件安装在第三凵型铰接架上；所述第二凵型铰接架和第三凵型铰接架开口相对扣合在一起；所述第二凵型铰接架和第三凵型铰接架的一侧壁通过第二转轴铰接，第二凵型铰接架和第三凵型铰接架另一侧壁通过第一旋转电机铰接；或者，所述第二凵型铰接架和第三凵型铰接架的两个侧壁分别通过一个第一旋转电机铰接。
11.进一步的，所述相机组件包括相机、保护罩、对正机构、雨水传感器、灰尘传感器、雨水清扫机构、灰尘清扫机构、led灯带；所述相机安装在第二铰接组件顶部，所述保护罩罩住相机形成封闭腔体，所述led灯带位于封闭腔体内，且周向布置于相机四周。
12.进一步的，所述灰尘传感器安装在保护罩上，所述灰尘清扫机构包括滤气型气泵和扁口吹气嘴，所述扁口吹气嘴安装在保护罩的盖板上，当灰尘传感器检测到灰尘达到预设值时，扁口吹气嘴对盖板表面进行清扫；所述雨水清扫机构包括雨刷和雨刷驱动电机，所述雨刷安装在盖板上，当雨水传感器检测到盖板上的雨水达到预设值时，雨刷驱动电机驱动雨刷对盖板进行清扫。
13.进一步的，所述对正机构为安装在保护罩四周的四个距离传感器，当至少三个距离传感器所测距离在预设范围内时判定为对正。
14.进一步的，还包括定位机构，所述定位机构包括第一倾角传感器、第二倾角传感器，所述第一倾角传感器安装在第三凵型铰接架上，所述第二倾角传感器安装在第二凵型铰接架上；通过第一倾角传感器、第二倾角传感器、伺服电动缸行程、保护罩的高度、对正机构对正时距离传感器所测距离、第一旋转电机旋转中心第三凵型铰接架的底板距离、第一旋转电机旋转中心第二凵型铰接架的底板距离测得围岩坐标。
15.本发明还提供一种用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描方法，所述扫描方法基于上述的扫描装置实现，所述扫描方法包括：在隧道内进行爆破并完成一部分渣石的清除后，将调试完毕的扫描装置驶入定位点坐标，所述定位点坐标位于围岩下方；
驱动第三旋转电机，使伺服电动缸的摆动面与掌子面平行；驱动第二旋转电机，使相机组件指向欲扫描的围岩方向；驱动伺服电动缸，使相机组件移动至围岩附近；驱动第一旋转电机，使相机组件正对围岩，通过相机组件拍摄围岩，拍摄时通过定位机构对围岩进行坐标定位；旋转伺服电动缸对围岩所在剖面的各个位置进行拍摄；将围岩的各点坐标以及图像输入至模拟软件中，得到此围岩剖面的二维轮廓坐标和整个围岩成像图。
16.本发明的有益效果是：（1）、通过伺服电动缸将扫描镜头贴近围岩表面，根据对正机构使扫描相机始终正对围岩表面且距离基本保持不变，增加扫描成像质量。辅助以照明光源，提高成像清晰度。
17.（2）、整个扫描装置所需要利用的部件采用模块化设计，拆装和维护方便。
18.（3）、扫描装置是贴近围岩进行扫描，可获取围岩细节且图片畸变较小。
19.（4）、可在进行爆破并清理完一部分石渣后立即进行扫描，可以不考虑爆破灰尘的影响，因扫描镜头始终贴近围岩表面，粉尘对清晰度基本不影响。独特的设计包括镜头清洁装置，能够在围岩渗水、涌滴水、粉尘弥漫时使用，设置有污渍（水滴、粉尘）检测传感器，原位自动开启或手动开启清洁动作，无需返回地面后再清洁，提高工作效率，且能更好的保护相机。
20.（5）、扫描图像的实时传输，可利用电脑终端实时观察成像质量或镜头污渍等；配合扫描镜头的远程控制，对需要更清晰展示部位可随时返回和重点长时间扫描。
附图说明
21.图1为本发明公开的用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置的结构示意图。
22.图2为本发明公开的用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置的右视图。
23.图3为本发明公开的用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置的正视图。
24.图4为本发明公开的用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置的俯视图。
25.图5为本发明公开的用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置进行围岩扫描时的示意图。
26.图6为本发明公开的用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置的进行围岩扫描时的另一示意图。
27.附图标记：1-履带底盘，2-电池组，3-软管，4-滤气型气泵，5-扁口吹气嘴，6-保护罩，7-第一转轴，8-雨水传感器，9-第一倾角传感器，10-第二凵型铰接架，11-第二倾角传感器，12-灰尘传感器，13-伺服电动缸，14-第一凵型铰接架，15-支撑平台，16-控制器，17-距离传感器，18-led灯带，19-相机，20-雨刷，21-雨刷驱动电机，22-第一旋转电机，23-第二旋转电机，24-第三旋转电机，25-第三凵型铰接架，26-凵型底座，27-第一铰接组件，28-第二铰接组件。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1：
29.围岩分级与围岩变形的监测是隧道施工的关键指标。根据岩体完整程度和岩石强度等指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别，即将稳定性相似的一些围岩划归为一类，将全部的围岩划分为若干类。在围岩分类的基础上再依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。因此围岩分级是后续隧道施工的基础，而进行围岩变形监测是保证施工质量稳定性的重要环节。
30.为了在隧道爆破完成后尽快获得围岩形貌进行围岩分级，本实施例提供一种用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描装置，参见图1至图4，该扫描装置包括：行走装置，行走于隧道路边上；第三旋转电机24，安装在行走装置上；支撑平台15，安装在第三旋转电机24上；伺服电动缸13，底部通过第一铰接组件27与第三旋转电机24或支撑平台15铰接；第三旋转电机24驱动第一铰接组件27或支撑平台15在水平面旋转；第二旋转电机23，安装在第一铰接组件27处，以驱动伺服电动缸13在竖直面上进行摆动；第二铰接组件28，安装在伺服电动缸13顶部；相机组件，安装在第二铰接组件28顶部；第一旋转电机22，安装在第二铰接组件28处，以驱动相机组件摆动，且摆动面与伺服电动缸13的摆动面共面；控制器16，分别与第三旋转电机24、伺服电动缸13、第二旋转电机23、相机组件、第一旋转电机22电连接；行走装置行走到被爆破的围岩下方，驱动第三旋转电机24、第二旋转电机23、伺服电动缸13、第一旋转电机22以及相机组件，使相机组件始终正对围岩表面且距离保持不变进行拍摄，直至将围岩拍摄完毕。
31.具体的，行走装置可以采用带轮子的车架，但是隧道内的地面情况较为复杂，不够平坦，为了保证扫描装置行走的稳定性，本实施例采用履带底盘1，能够适应刚刚开挖的隧道断面凹凸不平的路面。
32.参见图1，本实施例中第三旋转电机24具有一旋转平台，支撑平台15安装在第三旋转电机24的壳体上，且支撑平台15中部具有容置旋转平台的通孔，第一铰接组件27与第三旋转电机24的旋转平台连接，从而第三旋转电机24带动第一铰接组件27及以上部分进行旋转。在另一些实施例中，第三旋转电机24还可以直接与支撑平台15连接，从而第三旋转电机24带动支撑平台15进行旋转。第三旋转电机24的作用主要是驱动第一铰接组件27进行旋转，从而使得伺服电动缸13的摆动面与掌子面平行。
33.参见图1至图3，第一铰接组件27包括凵型底座26和第一凵型铰接架14，凵型底座26安装在第三旋转电机24的旋转平台上，凵型底座26和第一凵型铰接架14开口相对扣合在一起；凵型底座26和第一凵型铰接架14的一侧壁通过第一转轴7铰接，凵型底座26和第一凵型铰接架14另一侧壁通过第二旋转电机23铰接。第二旋转电机23的安装方式与第三旋转电机24的安装方式类似，第二旋转电机23也具有一个旋转平台，凵型底座26的一个侧壁与第二旋转电机23的壳体连接，凵型底座26上设置有供第二旋转电机23的旋转平台穿过的通孔，第一凵型铰接架14与第二旋转电机23的旋转平台固定连接，从而实现铰接。图1中采用一个第二旋转电机23和一个第一转轴7实现第一铰接组件27的铰接，容易理解的是，还可以使凵型底座26和第一凵型铰接架14的两个侧壁分别通过一个第二旋转电机23铰接（图中未
示出）。
34.参见图1至图3，第二铰接组件28包括第二凵型铰接架10和第三凵型铰接架25，第二凵型铰接架10与伺服电动缸13顶部固定连接，相机组件安装在第三凵型铰接架25上；第二凵型铰接架10和第三凵型铰接架25开口相对扣合在一起。第二凵型铰接架10和第三凵型铰接架25的两个侧壁分别通过一个第一旋转电机22铰接。容易理解的是，还可以通过如下方式实现第二铰接组件28的铰接：第二凵型铰接架10和第三凵型铰接架25的一侧壁通过第二转轴铰接，第二凵型铰接架10和第三凵型铰接架25另一侧壁通过第一旋转电机22铰接（图中未示出）。
35.参见图4，相机组件包括相机19、保护罩6、对正机构、雨水传感器8、灰尘传感器12、雨水清扫机构、灰尘清扫机构、led灯带18；相机19安装在第二铰接组件28顶部，保护罩6罩住相机19形成封闭腔体，led灯带18位于封闭腔体内，且周向布置于相机19四周。封闭腔体内设置反光材质或反光层，从而提升光照亮度。
36.具体的，灰尘传感器12安装在保护罩6上，灰尘清扫机构包括滤气型气泵4和扁口吹气嘴5，扁口吹气嘴5安装在保护罩6的盖板上，当灰尘传感器12检测到灰尘达到预设值时，扁口吹气嘴5对盖板表面进行清扫；雨水清扫机构包括雨刷20和雨刷驱动电机21，雨刷20安装在盖板上，当雨水传感器8检测到盖板上的雨水达到预设值时，雨刷驱动电机21驱动雨刷20对盖板进行清扫。雨刷驱动电机21可以通过电池组2来供电，如图2电池组可以安装在支撑平台上，电线通过软管3进行保护。相机组件能够在围岩渗水、涌滴水、粉尘弥漫时使用，设置有污渍（水滴、粉尘等）识别系统，原位自动开启或手动开启清洁动作，无需返回地面后再清洁，提高工作效率，且能更好的保护相机19。
37.对正机构为安装在保护罩6四周的四个距离传感器17，当至少三个距离传感器17所测距离在预设范围内时判定为对正。所测距离在预设范围可根据围岩表面平整性以及图片清晰度调整。四个距离传感器17的数值可以对正对状态进行核验、矫正。四个小型距离传感器在伸缩过程中实时传输数据至微型控制器16，若距离小于阈值则将以信息预警的方式反馈给操作者，并紧急暂停伸缩。阈值可根据设定的初始参数确定，防止相机19与围岩发生碰撞导致损坏。
38.具体的，相机组件中距离传感器17、雨水传感器8、灰尘传感器12、雨刷驱动电机21、滤气型气泵4、led灯带18分别与控制器16连接。
39.进一步的，本实施例的扫描装置还包括定位机构，所述定位机构包括第一倾角传感器9、第二倾角传感器11，所述第一倾角传感器9安装在第三凵型铰接架25上，所述第二倾角传感器11安装在第二凵型铰接架10上；通过第一倾角传感器9、第二倾角传感器11、伺服电动缸13行程、保护罩6的高度、对正机构对正时距离传感器17所测距离、第一旋转电机22旋转中心第三凵型铰接架25的底板距离、第一旋转电机22旋转中心第二凵型铰接架10的底板距离测得围岩坐标。
40.具体的，参见图5至图6，定位系统根据下述公式能够计算出扫描围岩的坐标。围岩的坐标如下：x=x`+( l1‑ꢀ
l2)/2=（l+ d1）*cosα+(d1+d2+d3)*cosβ+( l1‑ꢀ
l2)/2y=y`= （l+ d1）*sinα+(d1+d2+d3)*sinβ公示推导过程如下：
1、扫描装置位于定位点时所扫描围岩的坐标在定位点所在剖面进行定位，且定位点位于围岩下方。此时以第二旋转电机轴心为原点，水平方向为x轴，铅直方向为y轴，建立坐标系，该坐标系与掌子面平行；扫描装置位于定位点时所扫描围岩的坐标（x`，y`）为：x`=（l+ d1）*cosα+(d1+d2+d3)*cosβy`= （l+ d1）*sinα+(d1+d2+d3)*sinβ2、坐标转换由于围岩坐标需要输入模拟软件中，因此需要将上述建立的坐标系与模拟软件中的坐标系保持一致，需将扫描装置位于定位点时的坐标原点平移至隧道洞轴线上。
41.x=x`+( l1‑ꢀ
l2)/2=（ l+d1）*cosα+(d1+d2+d3)*cosβ+( l1‑ꢀ
l2)/2y= y`= （l+ d1）*sinα+(d1+d2+d3)*sinβ注：l：伺服电动缸原长度+伺服电动缸行程+第二旋转电机到第一凵型铰接架的底板距离l1：扫描装置与剖面在x轴负方向最大距离处的距离l2：扫描装置与剖面在x轴正方向最大距离处的距离d
1 ：表示从第一旋转电机旋转中心到第二凵型铰接架的底板距离（本实施例中第一旋转电机旋转中心第三凵型铰接架的底板距离=第一旋转电机旋转中心第二凵型铰接架的底板距离）d
2 ：相机保护罩高度d
3 ：相机保护罩顶部平面到围岩的距离（相机组件对正时距离传感器所测距离）α ：第二倾角传感器所测倾角（表示在xoy平面上伺服电动缸与x轴正方向夹角，范围0～180度）β ：第一倾角传感器所测倾角（表示在xoy平面上相机直射方向与x轴正方向夹角，范围0～180度）参见图4至图5，爆破完成后需要铲车将渣石清除，本扫描装置可以放置在任意一个已经清完渣石的地方进行扫描，中轴线位置实际具体位置较难定位，本扫描装置置于隧道中轴线的一侧能够避让中轴线处来往施工车辆，且扫描速度较快，能在最大限度内不影响后续清渣以及后续隧道工作，即围岩扫描和渣石清除可以同时进行。
42.本扫描装置可以实现如下功能：1、将相机19贴近围岩近距离拍摄，且通过对正机构使得相机19正对围岩，获得清晰、畸变小的图像。
43.2、定位机构通过多个构件协同工作，准确定位相机19扫描时围岩的坐标，且坐标与围岩图像一一对应，不存在误差，模拟软件建模时更加准确。
44.3、清理围岩渣石与围岩扫描可同时进行，极大的提高了工作效率。
45.4、污渍检测，雨水传感器8和灰尘传感器12实时监测雨水和粉尘含量，高于设定阈值时自动开启清扫模式，无需返回清洗。
46.5、环形led灯带18补光，加之反光层的设置能显著提升光照亮度。
47.6、由手持端进行控制和接收测量的坐标数值和拍摄的图片。
实施例2：
48.本实施例公开一种用于围岩智能分级的围岩形貌自动化扫描方法，该扫描方法基于实施例1所述的扫描装置实现，所述扫描方法包括：在隧道内进行爆破并完成一部分渣石的清除后，将调试完毕的扫描装置驶入定位点坐标，所述定位点坐标位于围岩下方；驱动第三旋转电机24，使伺服电动缸13的摆动面与掌子面平行；驱动第二旋转电机23，使相机组件指向欲扫描的围岩方向；驱动伺服电动缸13，使相机组件移动至围岩附近；驱动第一旋转电机22，使相机组件正对围岩，通过相机组件拍摄围岩，拍摄时通过定位机构对围岩进行坐标定位；旋转伺服电动缸13对围岩所在剖面的各个位置进行拍摄；将围岩的各点坐标以及图像输入至模拟软件中，得到此围岩剖面的二维轮廓坐标和整个围岩成像图。
49.具体的，扫描方法详细过程如下：前期准备：在隧道内进行爆破并完成一部分渣石的清除后，对定位点坐标进行再次确认。在此之后，工作人员对要使用扫描装置进行调试和检测：选择合适的相机19焦距、判断需要的照片大小、检查水管是否有漏水现象等。调试完成后，根据定位点处在围岩剖面的具体位置，输入合适的初始参数，参数包括：相机19距离传感器误差范围、粉尘浓度允许范围等。必要时，工作人员操作扫描装置进行模拟操作，确保扫描装置的调试以及各项初始参数设置无误后，将扫描装置驶入至定位点附近位置，并确保此处不会影响清渣的进程。
50.扫描流程：工作人员驱动第三旋转电机24，使伺服电动缸13的摆动面与掌子面平行。驱动第二旋转电机23，使相机组件指向欲扫描的围岩方向。驱动伺服电动缸13，使相机组件移动至围岩附近。驱动第一旋转电机22，使相机组件正对围岩，通过相机组件拍摄围岩，拍摄时通过定位机构对围岩进行坐标定位，然后将数据通过无线通讯模块传输至工作人员手持端。然后旋转伺服电动缸13实现对围岩这一剖面各个位置的扫描，旋转伺服电动缸13过程中正对机构同时工作，从而实现整个围岩表面的成像扫描和轮廓扫描，数据传回处理器和存储单元，同时也可传输到外接设备上。通过以上操作，将在各个点测得的定位点准确坐标输入至模拟软件中，即可得到此围岩剖面的二维轮廓图和此扫描剖面上的整个围岩成像图。
51.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。