一种隧道超欠开挖检测系统、方法、设备及存储介质与流程

本发明涉及隧道挖掘，具体涉及一种隧道超欠开挖检测系统、方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、在钻爆法施工的隧道工程中，隧道断面可能出现超或欠开挖(以下简称超欠开挖)的情况。隧道超欠开挖不仅直接影响施工进度、安全质量，还会增加开挖费用和混凝土超填费用，从而提高工程成本，降低利润。在实际施工中，由于对超欠开挖的重视不够或控制方法不当，往往会造成不必要的浪费。一般来说，超开挖对隧道成本的影响大于欠开挖。但这并不意味着欠开挖可以忽略不计，在某些情况下，如果没有其他辅助设施消除欠开挖，而是采用钻孔补炮的方法，则欠开挖可能导致更大的超开挖。因为钻孔补炮往往会爆破出比欠开挖量多几倍的岩石，从而造成人工、材料的超额消耗。

2、目前常用测量放线控制方法对隧道超欠开挖进行检测，测量放线控制是一种通过测量放置轮廓线或周边孔线来保证开挖轮廓的精度的方法，其主要是要保证中线和标高的准确性，以及采用正确的方法来确定轮廓线的以进行隧道开挖。

3、然而，测量放线容易受到人为因素和环境因素的影响，容易引起放线误差，且测量点位有限，很难准确反映整个断面的变形状态，会造成超欠开挖检测精度低的缺陷。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术存在的超欠开挖检测精度低的缺陷，提出如下技术方案：

2、第一个方面，本发明提出一种隧道超欠开挖检测系统，包括：

3、云台，用于控制激光扫描仪对隧道面进行转动扫描，并根据工控机检测出的欠挖块或超挖块的中心坐标带动激光笔进行照射。

4、激光扫描仪，设置在云台上，用于扫描隧道面，并输出隧道面的极坐标数据和能量反馈值。

5、激光笔，设置在云台上，用于照射欠挖块或超挖块。

6、工控机，用于根据激光扫描仪输出的极坐标数据和能量反馈值识别出隧道面中的欠挖块或超挖块，以及计算欠挖块或超挖块的中心点坐标。

7、作为优选的技术方案，所述云台设置转台和步进电机控制系统；所述激光扫描仪和所述激光笔设置在所述转台上；所述步进电机控制系统包括步进电机驱动器和步进电机；所述步进电机的输出轴与所述转台连接；所述工控机根据欠挖块或超挖块的中心点坐标，计算步进电机驱动器控制脉冲值输出至所述步进电机驱动器；所述步进电机驱动器根据输入的控制脉冲值控制步进电机进行转动从而带动所述转台转动，并进一步带动所述激光扫描仪和激光笔进行转动。

8、在本技术方案中，可以实现对云台的精确控制，使激光扫描仪和激光笔能够快速、准确地对准欠挖块或超挖块的位置，从而提高了隧道超欠开挖检测的效率和精度，且避免了人工操作云台的误差和疲劳，提高了隧道超欠开挖检测的稳定性和安全性。

9、第二个方面，本发明提出一种应用第一个方面所述的隧道超欠开挖检测系统的隧道超欠开挖检测方法，包括：

10、s1：利用激光扫描仪对隧道面进行扫描，输出隧道面的极坐标数据和能量反馈值。

11、s2：工控机根据激光扫描仪输出的极坐标数据和能量反馈值识别出隧道面中的欠挖块或超挖块，以及计算欠挖块或超挖块的中心点坐标。

12、s3：云台根据欠挖块或超挖块的中心点坐标，控制激光笔向欠挖块或超挖块进行照射。

13、作为优选的技术方案，所述根据激光扫描仪输出的极坐标数据和能量反馈值识别出隧道面中的欠挖块或超挖块，具体包括：

14、s21：根据所述极坐标数据和能量反馈值，生成3d云图像。

15、s22：在所述3d云图像上加载预设的拱模型，并利用所述拱模型的x轴坐标值切割所述3d云图像，得到拱形点云。

16、s23：以拱模型的中心为起点，向拱模型的各个顶点发出射线，并计算起点与顶点之间的第一距离。

17、s24：当所述射线与所述拱形点云存在交点时，计算该交点与起点的第二距离。

18、s25：若所述第二距离小于所述第一距离，则将该交点设为欠挖点。若所述第二距离大于所述第一距离，则将该交点设为超挖点。

19、s26：将相邻距离小于预设值的不同欠挖点/超挖点进行聚合，得到欠挖块/超挖块。

20、在本技术方案中，可以实现对隧道面中的超欠开挖情况的自动化识别和定位，避免人为的误差和主观判断，提高隧道面的识别精度和效率。

21、作为优选的技术方案，所述根据所述极坐标数据和能量反馈值，生成3d云图像，具体包括：

22、将极坐标数据转换为直角坐标数据，并从直角坐标数据中筛选出能量反馈值满足阈值的直角坐标点。

23、利用云台转动时输出的旋转矩阵对能量反馈值满足阈值的直角坐标点进行变换，生成3d云图像。

24、在本技术方案中，可以有效地获取隧道面的三维形貌信息，而不是仅仅依靠人眼观察或者传统的测量仪器。这样可以提高隧道面的扫描精度和速度，为后续的识别和照射提供准确的数据基础。

25、作为优选的技术方案，所述隧道面上设置有若干个用于对3d云图像进行校准的反光标签。

26、在本技术方案中，可以利用反光标签在3d云图像中的位置，消除扫描过程中产生的误差和偏差，提高3d云图像与拱模型之间的匹配度和一致性。

27、作为优选的技术方案，所述反光标签为钻石级反光贴，且所述反光标签为边长为7cm的正方形块。

28、在本技术方案中，可以提高反光标签在3d云图像中的识别率和清晰度，避免反光标签被其他物体遮挡或混淆，保证反光标签的位置准确和稳定。同时，可以根据反光标签的边长和形状，计算出反光标签在3d云图像中的实际尺寸和方向，为校准操作提供更多的参考信息。

29、作为优选的技术方案，在所述3d云图像上加载预设的拱模型之后，所述方法包括：

30、检测反光标签在3d云图像中的，并计算反光标签绕x、y和z轴的旋转角度和平移量。

31、根据所述旋转角度和平移量，对3d云图像进行旋转和平移操作，使3d云图像沿z轴对称。

32、在本技术方案中，可以利用反光标签在3d云图像中的位置，计算出3d云图像与预设拱模型之间的旋转角度和平移量，并对3d云图像进行旋转和平移操作，使3d云图像沿z轴对称。这样可以消除扫描过程中产生的误差和偏差，提高3d云图像与拱模型之间的匹配度和一致性。

33、作为优选的技术方案，s3中，云台将欠挖块或超挖块的中心点坐标转换为水平角度和俯仰角度，并根据所述水平角度和俯仰角度进行转动，控制激光笔照射欠挖块或超挖块。

34、在本技术方案中，可以实现对隧道面中的超欠开挖情况的直观显示和提示，方便施工人员及时发现和处理超欠开挖问题，提高隧道面的照射精度和效果。

35、第三个方面，本发明还提出一种电子设备，所述电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现如第一个方面中所述的隧道超欠开挖检测方法所执行的操作。

36、第四个方面，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有程序，所述程序被处理器执行如第一个方面中所述的隧道超欠开挖检测方法所执行的操作。

37、本发明的有益效果至少包括：

38、首先，利用激光扫描仪对隧道面进行扫描，输出隧道面的极坐标数据和能量反馈值，可以有效地获取隧道面的三维形貌信息，而不是仅仅依靠人眼观察或者传统的测量仪器。这样可以提高隧道面的扫描精度和速度，为后续的识别和照射提供准确的数据基础。其次，工控机根据激光扫描仪输出的极坐标数据和能量反馈值识别出隧道面中的欠挖块或超挖块，以及计算欠挖块或超挖块的中心点坐标，可以实现对隧道面中的超欠开挖情况的自动化识别和定位。这样可以避免人为的误差和主观判断，提高隧道面的识别精度和效率。最后，云台根据欠挖块或超挖块的中心点坐标，控制激光笔向欠挖块或超挖块进行照射，可以实现对隧道面中的超欠开挖情况的直观显示和提示。这样可以方便施工人员及时发现和处理超欠开挖问题，提高隧道面的照射精度和效果。