用于勘探溶洞内部结构的探测装置、探测系统及探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置、探测系统及探测方法，涉及溶洞检测技术领域，该探测装置包括：外壳体，外壳体上设有360°环视窗；激光测距装置，激光测距装置安装于外壳体内，激光测距装置的激光束发出端与环视窗相对；旋转编码器，旋转编码器安装于外壳体内；方位测量装置，方位测量装置安装于外壳体内；控制器，控制器安装于外壳体内，激光测距装置、旋转编码器和方位测量装置分别与控制器相连。本发明能够实时勘探溶洞内部形象，合成溶洞内部3D效果图，具有体积小、效率高的优点。
【专利说明】
用于勘探溶洞内部结构的探测装置、探测系统及探测方法
技术领域
[0001] 本发明设及溶桐探测技术领域，具体设及用于勘探溶桐内部结构的探测装置、探 测系统及探测方法。
【背景技术】
[0002] 在修建公路桥梁和铁路的过程中，溶岩地区修建的公路桥梁越来越多。溶岩为石 灰岩、白云岩、石膏、岩盐等可溶性岩层经常年水流侵蚀作用，逐渐溶蚀形成的溶槽、溶沟或 溶桐，其分布无规律可循。石灰溶岩地区桥梁粧基的持力层为石灰岩，岩质一般较坚硬，岩 层中裂隙、溶桐、溶槽、石算发育，岩面倾角大且不规则，给施工带来很大的困难，若处理不 当，往往会造成掉钻、卡钻、埋键、梅花孔、漏浆、塌孔等事故发生，甚至威胁桥梁运营安全。 因此通常需要预先勘探钻孔之处是否存在溶桐，并且需要探测溶桐的内部结构，现阶段通 常使用的勘探方法包括超前钻探、地球物理勘探、电磁波层析CT探测、=高测量技术等。现 有技术的勘探方法大多只能判断出溶桐的存在与否，并不能确定溶桐的内部结构和大小。 但是现有技术的勘探方法并不能充分了解桥梁粧位所处地区溶桐的发育规律、基本形态、 规模大小、溶穴顶板岩层厚度、完整性、桐内充填物性状等，无法评价岩溶地基的稳定性，无 法在施工过程中采取稳妥地防治措施，不能保证施工顺利进行、桥梁运营安全。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于勘探溶桐内部结构 的探测装置、探测系统及探测方法，能够实时勘探溶桐内部形象，合成溶桐内部3D效果图， 具有体积小、效率高的优点。
[0004] 为达到W上目的，本发明采取的技术方案是：
[0005] -种用于勘探溶桐内部结构的探测装置，包括：
[0006] 外壳体，所述外壳体上设有360°环视窗；
[0007] 激光测距装置，所述激光测距装置安装于所述外壳体内，所述激光测距装置的激 光束发出端与所述环视窗相对；
[000引旋转编码器，所述旋转编码器安装于所述外壳体内；
[0009] 方位测量装置，所述方位测量装置安装于所述外壳体内；
[0010] 控制器，所述控制器安装于所述外壳体内，所述激光测距装置、旋转编码器和方位 测量装置分别与所述控制器相连。
[0011] 在上述技术方案的基础上，所述激光测距装置，包括：
[0012] 驱动部，所述驱动部安装于所述外壳体内，所述驱动部与所述控制器信号连接；
[0013] 激光测距模块，所述激光测距模块与所述驱动部相连，所述驱动部驱动所述激光 测距模块360°旋转，且所述激光测距模块与所述控制器相连。
[0014] 在上述技术方案的基础上，所述激光测距装置还包括摄像头和Lm)环灯，所述激光 测距模块远离所述驱动部的一端设有摄像固定件，所述摄像头固定于所述摄像固定件上， 所述摄像头靠近所述摄像固定件的一侧外围周向设置所述L邸环灯。
[0015] 在上述技术方案的基础上，所述外壳体内设置有安装板和旋转支撑座，所述安装 板上安装所述驱动部和所述旋转编码器，所述旋转支撑座朝向所述安装板的一侧面上设有 齿轮副，所述驱动部的输出端连接所述齿轮副，所述旋转支撑座上设有转轴，所述转轴靠近 所述旋转支撑座的一端连接所述齿轮副，所述转轴的另一端连接所述激光测距模块。
[0016] 在上述技术方案的基础上，所述外壳体包括依次相连的上壳体、中间壳体和下壳 体，所述上壳体远离所述中间壳体的一端设有后座，所述后座上设置有插头套装，所述下壳 体远离所述中间壳体的一端有遮光前盖，所述环视窗设置于所述下壳体上。
[0017] 在上述技术方案的基础上，所述上壳体、所述中间壳体和所述下壳体均呈圆筒状， 所述上壳体、所述中间壳体和所述下壳体同轴设置，且所述下壳体为光学玻璃管。
[0018] 在上述技术方案的基础上，用于勘探溶桐内部结构的探测装置的探测系统，包括：
[0019] 激光测距装置，所述激光测距装置用于测量激光测距装置与溶桐内壁之间的距 离；
[0020] 旋转编码器，所述旋转编码器用于测量所述激光测距装置的旋转角度；
[0021] 方位测量装置，所述方位测量装置用于测量探测装置在地球磁场中的旋转角度；
[0022] 控制器，所述激光测距装置、所述旋转编码器、所述方位测量装置分别与所述控制 器相连；
[0023] 上位机，所述上位机与所述控制器通讯连接。
[0024] 在上述技术方案的基础上，所述方位测量装置为十轴忍片。
[0025] 在上述技术方案的基础上，用于勘探溶桐内部结构的探测系统的探测方法，将测 试电缆连接探测装置放入待测溶桐内，测试电缆逐层下放探测装置，测试电缆的伸入长度 计算出探测装置位于溶桐内的深度Hm;
[0026] 探测装置在每一深度Hm下，激光测距装置360°周向旋转测量其与溶桐内壁之间的 距离Lmn,同时旋转编码器测量激光测距装置的旋转角度即相对旋转角度a\n，同时方位测 量装置测量激光测距装置在相对旋转角度a\n下时，探测装置在地球磁场中的旋转角度即 磁场旋转角度9mn，且探测装置在同一深度和同一相对旋转角度a\n下，激光测距装置多次 测量其与溶桐内壁之间的距离Lmn ;
[0027] 根据校正公式进行相对旋转角度a\n校正，校正公式如下Qmn = Q/mn-0mn-e± 360°， 其中Qmn为激光测距装置在地球磁场中的旋转角度，0为旋转编码器与方位测量装置之间的 固设夹角，且360° >0^0%
[0028] 校正后的激光测距装置在地球磁场中的旋转角度Qmn与激光测距装置与溶桐内壁 之间的距离Lmn进行数据整合，整合后的集合点为(Lmn，amn，Hm)，对同一深度Hm和同一旋转角 度曰mn下的若干集合点进行数据筛选，筛选后得到同一深度Hm和同一旋转角度Qmn下的唯一集 合点为f。,,，度。j，其中写。为数据筛选后，若干激光测距装置与溶桐内壁之间的距离Lmn 的平均值；
[0029] 根据筛选后的唯一集合点好。;)生成溶桐内壁的实际S维坐标集合点 Sin ?。/。。，//。；)，将同一深度的所有S维坐标集合点连接生成S维物体模型的 断层，将每一深度的断层结合生成溶桐内部的=维物体模型图。
[0030] 在上述技术方案的基础上，其中，数据筛选的步骤如下，
[0031] SI,将每一深度所在平面内的集合点（Lmn，amn，Hm)按照旋转角度Omn大小从小到大 排列；
[0032] S2,对同一旋转角度Qmn下的若干激光测距装置与溶桐内壁之间的距离Lmn求平均 值ZI，其中写。为数据筛选前的若干测量激光测距装置与溶桐内壁之间的距离Lmn的平均 值，若> 21；^,，该集合点为异常点，则剔除该异常点；
[0033] S3,将S2剔除异常点后的同一旋转角度a皿下的若干测量光巧鹏装置与溶桐内测量目标 之间的距离U求平均值心，得到同一平面上同一旋转角度^^上的唯一集合点^,。。，A&，，i/,。)。
[0034] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0035] (1)本发明的用于勘探溶桐内部结构的探测装置包括外壳体和设置于外壳体内部 激光测距装置、旋转编码器和方位测量模块，该装置的体积小巧，可W沿钻孔下方到溶桐内 的采空区中，且外壳体的密封防水性能较高，适用范围广、使用寿命长。外壳体内设置有摄 像头，摄像头可W实时观察孔内景象，且激光测距模块可W360°旋转，实现全方位扫描，在 同一层面上多次扫描，确保测量无死角，测距范围大，测量精度高。
[0036] (2)本发明的用于勘探溶桐内部结构的探测系统包括激光测距装置、旋转编码器、 方位测量模块、控制器和上位机，且激光测距装置、旋转编码器和方位测量模块均与控制器 相连，该系统能够对激光扫描的溶桐层析内部形状及大小进行实时测量，准确勘探融通的 深度和内部形状，有效降低清理成本。
[0037] (3)本发明的用于勘探溶桐内部结构的探测方法经数据采集、数据存储、数据换算 和数据成型，最终通过调用MeshGeometry3D类，合成S维物体，本发明通过方位测量模块测 得的磁场旋转角度对旋转编码器测得的相对旋转角度进行校正，进一步提高测量数据的精 度和准确度。
【附图说明】
[003引图1为本发明实施例中探测装置的结构示意图。
[0039] 图2为本发明实施例中控制系统的结构框图。
[0040] 图3为本发明实施例中控制方法的流程图
[0041 ]图中：10-外壳体，11-上壳体，12-中间壳体，13-下壳体，14-前盖，15-后座，16-电 缆连接头，17-插头套装，20-激光测距装置，21-电机，22-转轴，23-安装板，24-旋转支撑座， 25-齿轮副，26-集电环，27-激光测距模块，28-L抓环灯，29-摄像头，30-旋转编码器，40-方 位测量装置，50-控制器，60-上位机。
【具体实施方式】
[0042] W下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0043] 参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种用于勘探溶桐内部结构的探测装置， 包括：
[0044] 外壳体10,外壳体10包括依次螺纹密封连接的上壳体11、中间壳体12和下壳体13， 上壳体11、中间壳体12和下壳体13均呈圆筒状，上壳体11、中间壳体12和下壳体13同轴设 置。上壳体11远离中间壳体12的一端设有后座15,后座15上设置有插头套装17,后座15远离 上壳体11的一端设有螺纹连接的电缆连接头16。下壳体13远离中间壳体12的一端有遮光前 盖14,且下壳体13为光学玻璃管。外壳体10的光学玻璃管形成360°环视窗。
[0045] 激光测距装置20,其包括:电机21，上壳体11靠近中间壳体12的一侧内部设设有安 装板23,电机21安装于安装板23朝向后座15的一侧面上，电机21与控制器50信号连接，控制 器50控制电机21的转动速度。中间壳体12中设有旋转支撑座24,旋转支撑座24与安装板23 均与外壳体10同轴设置，旋转支撑座24与安装板23相对的一侧面设置有齿轮副25,电机21 的输出端连接齿轮副25,电机21带动齿轮副25转动。齿轮副25连接有转轴22,转轴22沿外壳 体10的轴线布置，且转轴22的一端与安装板23通过推力球轴承相连，转轴22的另一端位于 下壳体13中。
[0046] 激光测距模块27,激光测距模块27安装于下壳体13内，且激光测距模块27与转轴 22固接，转轴22带动激光测距模块27沿外壳体10的轴线360°旋转，且激光测距模块27与旋 转支撑座24之间设置有集电环26,集电环26与外壳体10同轴。
[0047] 激光测距模块27远离电机21的一端设有摄像固定件，摄像头29固定于摄像固定件 上，摄像头29靠近摄像固定件的一侧外围周向设置L邸环灯28。其中，摄像头29为鱼眼镜头。 [004引旋转编码器30,旋转编码器30安装于安装板23朝向底座15的一面，旋转编码器30 与电机21并列设置。
[0049] 方位测量装置40,方位测量装置40安装于旋转支撑座24朝向激光测距模块27的一 侧面;方位测量装置40为十轴忍片。
[0050] 控制器50,控制器50安装于旋转支撑座24朝向激光测距模块27的一侧面，激光测 距装置20、旋转编码器30和方位测量装置40分别与控制器50相连。
[0051] 参见图2所示，用于勘探溶桐内部结构的探测装置的探测系统，包括：
[0化2] 激光测距装置20,激光测距装置20用于环向360°测量激光测距装置20与溶桐内壁 之间的距离；
[0053] 旋转编码器30,旋转编码器30用于测量激光测距装置20的相对旋转角度；
[0054] 方位测量装置40,方位测量装置40用于测量探测装置在地球磁场中的磁场旋转角 度；
[0055] 控制器50,激光测距装置20、旋转编码器30、方位测量装置40分别与控制器50相 连；
[0化6] 上位机60,上位机60与控制器50相连。
[0057] 参见图3所示，用于勘探溶桐内部结构的探测系统的探测方法，包括如下步骤：
[0058] 步骤1，将测试电缆连接探测装置放入待测溶桐内，测试电缆逐层下方探测装置， 测试电缆的伸入长度计算得到探测装置位于溶桐内的深度Hm;
[0059] 步骤2,数据采集:探测装置在每一深度Hm下，激光测距装置20 360°周向旋转测量 其与溶桐内壁之间的距离Lm:,同时旋转编码器30测量激光测距装置20的旋转角度即相对旋 转角度同时方位测量装置40测量激光测距装置20在相对旋转角度a\n下时，探测装置 在地球磁场中的旋转角度即磁场旋转角度0mn，且探测装置在同一深度和同一相对旋转角度 曰，激光测距装置20多次测量其与溶桐内壁之间的距离Lmn;
[0060] 步骤3，相对旋转角度校正:根据校正公式进行相对旋转角度〇/ mn校正，校正公式如 下Qmn = Q'mn-目mn-0± 360°，其中Qmn为激光测距装置20在地球磁场中的旋转角度，0为旋转编 码器30与方位测量装置40之间的固设夹角，且360° >0^0%
[0061] 步骤4,数据筛选:校正后的激光测距装置20在地球磁场中的旋转角度Qmn与激光测 距装置20与溶桐内壁之间的距离Lmn进行数据整合，整合后的集合点为(Lmn，amn，Hm)，对同一 深度Hm和同一旋转角度Omn下的若干集合点进行数据筛选；
[0062] 其中，数据筛选的步骤如下，
[00创 SI,将每一深度平面内的所有集合点（Lmn，amn，Hm)按照旋转角度Qmn大小从小到大 排列；
[0064] S2,对同一旋转角度Qmn下的若干激光测距装置20与溶桐内壁之间的距离Lmn求平 均值耳。，其中&。为数据筛选若干激光测距装置(20)与溶桐内壁之间的距离Lmn的平均值， 若与2写。，该集合点为异常点，则剔除该异常点；
[0065] S3,将S2剔除异常点后的同一旋转角度(^下的若干测量光测距装置与溶桐内测量目 标之间的距离U求平均值L，得到同一平面上同一旋转角度日m上的唯一集合点反。，a。,,，分。)：
[0066] S4,重复步骤S2和S3得到同一深度平面内的每一旋转角度Qmn上的唯一集合点；
[0067] S5，重复步骤S4得到溶桐内所有深度平面的集合点。
[0068] 步骤5,数据成型，根据步骤4筛选后的各深度平面内的每一旋转角度对应的唯一 集合点狂。，成)，生成溶桐内壁的实际；维坐标集合点(cos ^,。乌。，sin ?0。马。，:馬)，并 调用MeshGeomet巧3D类，根据深度Hm筛选，分布不同平面的集合点，将相邻两层的集合点按 照方向顺序，使用=角网格分布将所有的同一深度的所有=维坐标集合点连接起来形成一 个=维物体模型的断层，将所有深度的断层结合生成溶桐内部的=维物体模型图。
[0069] 本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离 本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也视为本发明的保护 范围之内。本说明书中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。
【主权项】
1. 一种用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于，包括： 外壳体（10)，所述外壳体（10)上设有360°环视窗； 激光测距装置（20)，所述激光测距装置（20)安装于所述外壳体（10)内，所述激光测距 装置(20)的激光束发出端与所述环视窗相对； 旋转编码器(30)，所述旋转编码器(30)安装于所述外壳体(10)内； 方位测量装置(40)，所述方位测量装置(40)安装于所述外壳体(10)内； 控制器(50)，所述控制器(50)安装于所述外壳体（10)内，所述激光测距装置(20)、旋转 编码器(30)和方位测量装置(40)分别与所述控制器(50)相连。2. 如权利要求1所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于，所述激光测距 装置(20)，包括： 驱动部，所述驱动部安装于所述外壳体（10)内，所述驱动部与所述控制器(50)信号连 接； 激光测距模块(27)，所述激光测距模块(27)与所述驱动部相连，所述驱动部驱动所述 激光测距模块(27)360°旋转，且所述激光测距模块(27)与所述控制器(50)相连。3. 如权利要求2所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于:所述激光测距 装置(20)还包括摄像头（29)和LED环灯(28)，所述激光测距模块(27)远离所述驱动部的一 端设有摄像固定件，所述摄像头(29)固定于所述摄像固定件上，所述摄像头(29)靠近所述 摄像固定件的一侧外围周向设置所述LED环灯(28)。4. 如权利要求2所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述外壳体 (10)内设置有安装板(23)和旋转支撑座(24)，所述安装板(23)上安装所述驱动部和所述旋 转编码器(30)，所述旋转支撑座(24)朝向所述安装板(23)的一侧面上设有齿轮副（25)，所 述驱动部的输出端连接所述齿轮副（25 )，所述旋转支撑座(24)上设有转轴(22 )，所述转轴 (22)靠近所述旋转支撑座(24)的一端连接所述齿轮副(25 )，所述转轴(22)的另一端连接所 述激光测距t旲块(27)。5. 如权利要求1所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述外壳体 (10) 包括依次相连的上壳体（11)、中间壳体（12)和下壳体（13)，所述上壳体（11)远离所述 中间壳体（12)的一端设有后座（15)，所述后座（15)上设置有插头套装（17)，所述下壳体 (13)远离所述中间壳体（12)的一端有遮光前盖（14)，所述环视窗设置于所述下壳体（13) 上。6. 如权利要求5所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置，其特征在于：所述上壳体 (11) 、所述中间壳体（12)和所述下壳体（13)均呈圆筒状，所述上壳体（11)、所述中间壳体 (12) 和所述下壳体(13)同轴设置，且所述下壳体(13)为光学玻璃管。7. 如权利要求1至6任一项所述的用于勘探溶洞内部结构的探测装置的探测系统，其特 征在于，包括： 激光测距装置(20)，所述激光测距装置(20)用于测量激光测距装置(20)与溶洞内壁之 间的距离； 旋转编码器(30)，所述旋转编码器(30)用于测量所述激光测距装置(20)的旋转角度； 方位测量装置(40)，所述方位测量装置(40)用于测量探测装置在地球磁场中的旋转角 度； 控制器(50)，所述激光测距装置(20)、所述旋转编码器(30)、所述方位测量装置(40)分 别与所述控制器(50)相连； 上位机(60 )，所述上位机(60)与所述控制器(50)通讯连接。8. 如权利要求7所述的用于勘探溶洞内部结构的探测系统的探测方法，其特征在于:所 述方位测量装置(40)为十轴芯片。9. 如权利要求7所述的用于勘探溶洞内部结构的探测系统的探测方法，其特征在于： 将测试电缆连接探测装置放入待测溶洞内，测试电缆逐层下放探测装置，测试电缆的 伸入长度计算出探测装置位于溶洞内的深度Hm; 探测装置在每一深度仏下，激光测距装置(20)360°周向旋转测量其与溶洞内壁之间的 距离Lmn，同时旋转编码器(30)测量激光测距装置(20)的旋转角度即相对旋转角度Vmn，同 时方位测量装置(40)测量激光测距装置(20)在相对旋转角度V mn下时，探测装置在地球磁 场中的旋转角度即磁场旋转角度9mn，且探测装置在同一深度和同一相对旋转角度V mn下， 激光测距装置(20)多次测量其与溶洞内壁之间的距离Lmn; 根据校正公式进行相对旋转角度Vmn校正，校正公式如下Ctmn = Vωη-θΜη-β±360°，其中 amn为激光测距装置(20)在地球磁场中的旋转角度，β为旋转编码器(30)与方位测量装置 (40)之间的固设夹角，且360°>β>0° ; 校正后的激光测距装置(20)在地球磁场中的旋转角度amn与激光测距装置(20)与溶洞 内壁之间的距离Lmn进行数据整合，整合后的集合点为(1^，<^具），对同一深度仏和同一旋 转角度<^"下的若干集合点进行数据筛选，筛选后得到同一深度仏和同一旋转角度Ct mn下的唯 一集合点为其中为数据筛选后，若干激光测距装置(20)与溶洞内壁之间 的距离Lmn的平均值； 根据筛选后的唯一集合点生成溶洞内壁的实际三维坐标集合点，将同一深度的所有三维坐标集合点连接生成三维物体模型的 断层，将每一深度的断层结合生成溶洞内部的三维物体模型图。10. 如权利要求9所述的用于勘探溶洞内部结构的探测系统的探测方法，其特征在于： 其中，数据筛选的步骤如下， Sl，将每一深度所在平面内的集合点(Lmn，amn，Hm)按照旋转角度amn大小从小到大排列； 52, 对同一旋转角度amn下的若干激光测距装置(20)与溶洞内壁之间的距离Lmn求平均值 ，其中为数据筛选前的若干测量激光测距装置(20)与溶洞内壁之间的距离L mn的平均 值，若2 2。，该集合点为异常点，则剔除该异常点； 53, 将S2剔除异常点后的同一旋转角度Ctmn下的若干测量光测距装置与溶洞内测量目标之 间的距离1^求平均值Z； ra，得到同一平面上同一旋转角度amn上的唯一集合Λ
【文档编号】G01B11/24GK106019398SQ201610361295
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】许新国
【申请人】武汉固德超前高新科技研发有限公司