一种适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法及系统与流程

1.本发明涉及工程隧洞施工技术领域，具体涉及一种适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法及系统。


背景技术：

2.当前随着隧洞施工的信息化、数字化发展，三维激光扫描技术在隧洞工程中已得到广泛应用，如基于移动平台的三维激光扫描设备能够实现非接触的隧洞三维建模、施工量估算、变形监测、超欠挖分析等功能，并具有高效率、高精度、自动化等多种优势。由于隧洞工程洞线长，三维激光扫描设备在隧洞中需行进移动从而实现针对洞室的扫描，而扫描设备的移动定位数据及精度则直接影响其功能的实现效果及精度。因此，当前隧洞施工存在如何解决三维激光扫描设备或车辆高精度移动定位的现实问题。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中难以解决三维激光扫描设备或车辆高精度移动定位的现实问题的缺陷，从而提供一种适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法及系统。
4.本发明提出的技术方案如下：第一方面，本发明实施例提供一种适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，所述扫描设备配置slam处理器及ins处理器，所述适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，包括：测定扫描设备初始移动位置坐标参数，扫描初始位置的环境特征，获取扫描设备距离其最大扫描范围内各人工地标的第一信息集，所述第一信息集用于slam解算；获取扫描设备行进过程中的移动轨迹，通过ins处理器分析所述移动轨迹预估扫描设备停止时的坐标参数；当扫描设备行进停止后，获取扫描设备当前位置的环境特征，根据扫描设备的预估停止坐标参数及扫描设备当前位置的环境特征，计算扫描设备的精炼slam解算范围；基于所述精炼slam解算范围，分析得到扫描设备距离目标解算地标的第二信息集，所述第二信息集用于slam解算，所述目标解算地标为扫描设备有效移动扫描重叠区范围内的人工地标；根据所述第一信息集、所述第二信息集及所述目标解算地标的坐标参数，利用slam处理器计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合；基于slam处理器及ins处理器的定位精度，对ins预估的三维坐标移动变化量集合及slam解算的三维坐标移动变化量集合进行加权分析计算得到扫描设备移动后的定位坐标参数。
5.可选地，所述获取扫描设备行进过程中的移动轨迹，通过ins处理器分析所述移动轨迹预估扫描设备停止时的坐标参数，包括：
通过ins处理器分析移动轨迹，计算扫描设备移动后较初始位置的三维坐标移动变化量集合；根据所述三维坐标移动变化量集合及初始移动位置坐标参数，利用第一预设公式计算扫描设备停止时的预估位置坐标参数。
6.可选地，所述当扫描设备行进停止后，获取扫描设备当前位置的环境特征，根据扫描设备的预估停止坐标参数及扫描设备当前位置的环境特征，计算扫描设备的精炼slam解算范围，包括：根据扫描设备的预估停止坐标参数计算扫描设备移动前后的有效移动扫描重叠区，并依据人工地标的坐标参数确定有效移动扫描重叠区范围内的人工地标为目标解算地标；根据扫描设备的预估停止坐标参数及目标解算地标的坐标参数，精炼slam解算范围。
7.可选地，适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，还包括：当所述精炼slam解算范围未包含目标解算地标时，逐渐扩大解算范围直至包含目标解算地标。
8.可选地，适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，还包括：利用如下公式对ins预估的三维坐标移动变化量集合及slam解算的三维坐标移动变化量集合进行加权分析计算得到扫描设备移动后的定位坐标参数：其中，（dx1, dy1, dz1）为扫描设备移动后的定位坐标参数，为ins分析计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合，（dsx1, dsy1, dsz1）为slam分析计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合，m为ins处理器的精度系数，n为slam处理器的精度系数，（dx0, dy0, dz0）为扫描设备初始移动位置坐标参数。
9.可选地，适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，还包括：获取预先布设在隧洞中的人工地标坐标参数。
10.可选地，所述获取预先布设在隧洞中的人工地标坐标参数，包括：在隧洞中按预设布设规则沿洞线布设人工地标；以扫描设备初始位置为基点，以扫描设备沿洞线的行进方向为y坐标轴建立工程坐标；通过测量确定各人工地标在所述工程坐标下的三维位置参数，并将各人工地标与所述三维位置参数绑定，确定各人工地标坐标参数。
11.第二方面，本发明实施例提供一种适用于隧洞施工的扫描设备移动定位系统，包括：第一获取模块，用于测定扫描设备初始移动位置坐标参数，扫描初始位置的环境
特征，获取扫描设备距离其最大扫描范围内各人工地标的第一信息集，所述第一信息集用于slam解算；坐标预估模块，用于获取扫描设备行进过程中的移动轨迹，通过ins处理器分析所述移动轨迹预估扫描设备停止时的坐标参数；范围精炼模块，用于当扫描设备行进停止后，获取扫描设备当前位置的环境特征，根据扫描设备的预估停止坐标参数及扫描设备当前位置的环境特征，计算扫描设备的精炼slam解算范围；分析处理模块，用于基于所述精炼slam解算范围，分析得到扫描设备距离目标解算地标的第二信息集，所述第二信息集用于slam解算，所述目标解算地标为扫描设备有效移动扫描重叠区范围内的人工地标；坐标计算模块，用于根据所述第一信息集、所述第二信息集及所述目标解算地标的坐标参数，利用slam处理器计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合；定位坐标模块，用于基于slam处理器及ins处理器的定位精度，对ins预估的三维坐标移动变化量集合及slam解算的三维坐标移动变化量集合进行加权分析计算得到扫描设备移动后的定位坐标参数。
12.第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法。
13.第四方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明实施例第一方面所述的适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法。
14.本发明技术方案，具有如下优点：本发明提供的适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，包括：测定扫描设备初始移动位置坐标参数，扫描初始位置的环境特征，获取扫描设备距离其最大扫描范围内各人工地标的第一信息集；获取扫描设备行进过程中的移动轨迹，通过ins处理器分析移动轨迹预估扫描设备停止时的坐标参数；当扫描设备行进停止后，获取扫描设备当前位置的环境特征，根据扫描设备的预估停止坐标参数及扫描设备当前位置的环境特征，计算扫描设备的精炼slam解算范围；基于精炼slam解算范围，分析得到扫描设备距离目标解算地标的第二信息集，目标解算地标为扫描设备有效移动扫描重叠区范围内的人工地标；根据第一信息集、第二信息集及目标解算地标的坐标参数，利用slam处理器计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合；基于slam处理器及ins处理器的定位精度，对ins预估的三维坐标移动变化量集合及slam解算的三维坐标移动变化量集合进行加权分析计算得到扫描设备移动后的定位坐标参数。针对隧洞施工环境，基于slam处理器及ins处理器的定位精度，通过加权分析计算得到扫描设备在隧洞中移动定位结果，有助于提升扫描设备的移动定位精度。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例中适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法的一个具体示例的流程图；图2为本发明实施例中人工地标布设规则示意图；图3为本发明实施例中工程坐标示意图；图4为本发明实施例中解算范围示意图；图5为本发明实施例中适用于隧洞施工的扫描设备移动定位系统的一个具体示例的原理框图；图6为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
17.下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
18.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
21.本发明实施例提供一种适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，扫描设备配置slam处理器及ins处理器。如图1所示，该适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，包括如下步骤：步骤s1：获取预先布设在隧洞中的人工地标坐标参数。
22.在一具体实施例中，通过如下方式获取预先布设在隧洞中的人工地标坐标参数：步骤s11：在隧洞中按预设布设规则沿洞线布设人工地标。
23.在本发明实施例中，如图2所示，人工地标布设规则如下：1）人工地标可为三个通用球标靶的组合。采用三个通用球标靶的组合可获得较高的三维激光扫描定位精度。2）人工地标布设范围依据三维激光扫描设备在隧洞内的预估工作移动范围确定，扫描设备的移动工作完成后，人工地标可回收并重复使用。3）人工地标布设间距应满足在三维激光扫描设备的有效移动扫描重叠区ae内存在至少两个以上人工地
标。4）扫描设备的有效移动扫描重叠区ae指：扫描设备在任意一次行进移动开始前及行进移动停止后各执行一次三维激光环境特征扫描，设备移动前后两次有效激光扫描范围的最大重叠区为ae。
24.步骤s12：以扫描设备初始位置为基点，以扫描设备沿洞线的行进方向为y坐标轴建立工程坐标。
25.在本发明实施例中，人工地标布设完成后，以三维激光扫描设备初始位置为基点，以扫描设备沿洞线的行进方向为y坐标轴建立工程坐标系统（x, y, z），如图3所示。设定该工程坐标系统下e内容的第i个位置的三维坐标数据形式为（exi, eyi, ezi）。
26.步骤s13：通过测量确定各人工地标在工程坐标下的三维位置参数，并将各人工地标与三维位置参数绑定，确定各人工地标坐标参数。
27.在本发明实施例中，1）通过测量确定各人工地标在前述工程坐标下的三维位置参数，并将各人工地标与其位置参数绑定，如第i个人工地标的三维位置参数经测量后确定为（cxi, cyi, czi），则将该人工地标与位置参数（cxi, cyi, czi）绑定，绑定方式可通过计算机系统或人工台账记录等多种手段。2）各人工地标以其y坐标参数命名，如第i个人工地标命名为cyi。3）设定距离扫描设备初始位置最近的人工地标为cy1。
28.通过设置人工环境特征地标，解决了slam方法在隧洞施工环境下的不适用问题，且人工环境特征地标设置简便，无需额外供电等辅助配置，不易受环境干扰。
29.步骤s2：测定扫描设备初始移动位置坐标参数，扫描初始位置的环境特征，获取扫描设备距离其最大扫描范围内各人工地标的第一信息集，第一信息集用于slam解算。
30.在一具体实施例中，测定三维激光扫描设备在工程坐标下的移动起始位置三维坐标（dx0, dy0, dz0），设备激光扫描初始位置的环境特征，并解算分析得到扫描设备距离其最大扫描范围内各人工地标（cy1, ...）的三维激光扫描距离、方位角度等相关slam处理参数信息集（a0），slam处理器记录信息集（a0）。其中，信息集（a0）即为第一信息集。
31.步骤s3：获取扫描设备行进过程中的移动轨迹，通过ins处理器分析移动轨迹预估扫描设备停止时的坐标参数。
32.在一具体实施例中，获取扫描设备行进过程中的移动轨迹，通过ins处理器分析移动轨迹预估扫描设备停止时的坐标参数，包括如下步骤：步骤s31：通过ins处理器分析移动轨迹，计算扫描设备移动后较初始位置的三维坐标移动变化量集合。
33.步骤s32：根据三维坐标移动变化量集合及初始移动位置坐标参数，利用第一预设公式计算扫描设备停止时的预估位置坐标参数。
34.在本发明实施例中，三维激光扫描设备依据工作需求行进移动直至停止，在移动过程中通过ins处理器分析移动轨迹并预估扫描设备停止时的位置，具体步骤如下：步骤一：通过ins处理器分析移动轨迹，计算扫描设备移动后较初始位置的三维坐标移动变化量集合。
35.步骤二：基于ins分析结果，据式（1）计算设备停止时的预估位置坐标参数。
36.（1）步骤s4：当扫描设备行进停止后，获取扫描设备当前位置的环境特征，根据扫描设备的预估停止坐标参数及扫描设备当前位置的环境特征，计算扫描设备的精炼slam解算范围。
37.在一具体实施例中，步骤s4包括：步骤s41：根据扫描设备的预估停止坐标参数计算扫描设备移动前后的有效移动扫描重叠区，并依据人工地标的坐标参数确定有效移动扫描重叠区范围内的人工地标为目标解算地标。
38.步骤s42：根据扫描设备的预估停止坐标参数及目标解算地标的坐标参数，精炼slam解算范围。
39.步骤s43：当精炼slam解算范围未包含目标解算地标时，逐渐扩大解算范围直至包含目标解算地标。
40.在本发明实施例中，三维激光扫描设备移动停止后，设备激光扫描当前位置的环境特征，并借助前步ins分析得到的预估位置坐标参数，确定扫描设备的精炼slam解算范围，如图4所示。由于解算范围越小slam方法的效率越高，则此步骤可以提高slam解算效率及速度。具体步骤如下：步骤三：根据设备移动后的预估位置分析其当前移动前后的有效移动扫描重叠区ae，并依据人工地标的三维位置参数确定有效移动扫描重叠区ae范围内的人工地标为目标解算地标。
41.步骤四：根据扫描设备移动后的预估位置及目标解算地标（cy1, ...cy
t
）的坐标参数，精炼slam解算范围。以人工地标cy1为例，精炼slam解算范围指以设备预估位置距离地标cy1的连线为中线，距离为半径，角度为30
°
的扇形区域。
42.步骤五：由于预估设备位置存在误差，若首次确定的精炼slam解算范围未包含目标解算地标（即未找到目标地标的扫描数据），则可以扇形半径增加0.1m，角度增加10
°
为单次增加值，逐渐扩大解算范围直至包含目标解算地标（找到目标地标的扫描数据）。
43.通过ins方案辅助slam方案精炼解算范围，提高了slam定位的解算效率及计算速度。
44.步骤s5：基于精炼slam解算范围，分析得到扫描设备距离目标解算地标的第二信息集，第二信息集用于slam解算，目标解算地标为扫描设备有效移动扫描重叠区范围内的人工地标。
45.在一具体实施例中，基于上步的精炼解算范围，快速分析得到设备距离目标解算地标的三维激光扫描距离及方位角度等相关slam处理参数信息集（a1），slam处理器记录信息集（a1）。其中，信息集（a1）即为第二信息集。
46.步骤s6：根据第一信息集、第二信息集及目标解算地标的坐标参数，利用slam处理器计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合。
47.在一具体实施例中，slam处理器依据信息集（a0）、信息集（a1）及目标解算地标（cy1, ...cy
t
）的坐标参数，分析计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合（dsx1, dsy1, dsz1）。
48.步骤s7：基于slam处理器及ins处理器的定位精度，对ins预估的三维坐标移动变化量集合及slam解算的三维坐标移动变化量集合进行加权分析计算得到扫描设备移动后的定位坐标参数。
49.在一具体实施例中，综合slam及ins方案计算的扫描设备三维坐标移动变化量，基于slam处理器及ins处理器的定位精度，通过加权分析依据下式（2）计算得到扫描设备移动后的精确定位结果，并以三维坐标（dx1, dy1, dz1）形式呈现。
50.（2）其中，（dx1, dy1, dz1）为扫描设备移动后的定位坐标参数；为ins分析计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合；（dsx1, dsy1, dsz1）为slam分析计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合；m为ins处理器的精度系数，其值可取ins处理器定位精度的倒数（如定位精度为0.1m，则m可取值10）；n为slam处理器的精度系数，其值可取slam处理器定位精度的倒数（如定位精度为0.01m，则m可取值100），（dx0, dy0, dz0）为扫描设备初始移动位置坐标参数。
51.基于slam处理器及ins处理器的定位精度，通过加权分析计算得到扫描设备在隧洞中移动定位结果，有助于提升扫描设备的移动定位精度。
52.在一实施例中，适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法，还包括：步骤s8：三维激光扫描设备依据工作需求进行下一步行进移动直至停止，期间重复前述s2至s7步骤，得到扫描设备的下一步位置坐标（dx2, dy2, dz2）。
53.在一具体实施例中，通过ins处理器分析移动轨迹并计算扫描设备移动后的预估位置坐标参数，然后依据有效移动扫描重叠区确定解算地标，继而精炼slam解算范围。扫描设备移动停止后激光扫描当前位置的环境特征，并基于精炼slam解算范围快速分析得到设备距离解算地标的三维激光扫描距离及方位角度等相关slam处理参数信息集（a2），slam处理器依据信息集（a1）及信息集（a2），分析计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合，综合slam方案及ins方案计算的扫描设备三维坐标移动变化量依据式（2）计算得到扫描设备移动后的精确定位结果，即位置坐标（dx2, dy2, dz2）。
54.重复s8直至三维激光扫描设备完成行进任务的第i步移动，得到扫描设备最终位置坐标（dxi, dyi, dzi），收集设备各步移动位置的坐标信息最终得到数据集（dx0, dx1,..., dxi, dy0, dy1,..., dyi, dz0, dz1,..., dzi），可实现较精确的激光扫描设备移
动定位。
55.本发明实施例还提供一种适用于隧洞施工的扫描设备移动定位系统，如图5所示，包括：第一获取模块1，用于测定扫描设备初始移动位置坐标参数，扫描初始位置的环境特征，获取扫描设备距离其最大扫描范围内各人工地标的第一信息集，第一信息集用于slam解算。详细内容参见上述实施例中步骤s2的相关描述，在此不再赘述。
56.坐标预估模块2，用于获取扫描设备行进过程中的移动轨迹，通过ins处理器分析移动轨迹预估扫描设备停止时的坐标参数。详细内容参见上述实施例中步骤s3的相关描述，在此不再赘述。
57.范围精炼模块3，用于当扫描设备行进停止后，获取扫描设备当前位置的环境特征，根据扫描设备的预估停止坐标参数及扫描设备当前位置的环境特征，计算扫描设备的精炼slam解算范围。详细内容参见上述实施例中步骤s4的相关描述，在此不再赘述。
58.分析处理模块4，用于基于精炼slam解算范围，分析得到扫描设备距离目标解算地标的第二信息集，第二信息集用于slam解算，目标解算地标为扫描设备有效移动扫描重叠区范围内的人工地标。详细内容参见上述实施例中步骤s5的相关描述，在此不再赘述。
59.坐标计算模块5，用于根据第一信息集、第二信息集及目标解算地标的坐标参数，利用slam处理器计算扫描设备较初始位置的三维坐标移动变化量集合。详细内容参见上述实施例中步骤s6的相关描述，在此不再赘述。
60.定位坐标模块6，用于基于slam处理器及ins处理器的定位精度，对ins预估的三维坐标移动变化量集合及slam解算的三维坐标移动变化量集合进行加权分析计算得到扫描设备移动后的定位坐标参数。详细内容参见上述实施例中步骤s7的相关描述，在此不再赘述。
61.本发明实施例还提供了一种计算机设备，如图6所示，该设备终端可以包括处理器61和存储器62，其中处理器61和存储器62可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。
62.处理器61可以为中央处理器（central processing unit，cpu）。处理器61还可以为其他通用处理器、数字信号处理器（digital signal processor，dsp）、专用集成电路（application specific integrated circuit，asic）、现场可编程门阵列（field-programmable gate array，fpga）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
63.存储器62作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器61通过运行存储在存储器62中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法。
64.存储器62可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器61所创建的数据等。此外，存储器62可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器62可选包括相对于处
理器61远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器61。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
65.一个或者多个模块存储在存储器62中，当被处理器61执行时，执行实施例中的适用于隧洞施工的扫描设备移动定位方法。
66.上述计算机设备具体细节可以对应参阅实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
67.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（read-only memory，rom）、随机存储记忆体（random access memory，ram）、快闪存储器（flash memory）、硬盘（hard disk drive，缩写：hdd）或固态硬盘（solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
68.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。