基于振镜的自动隧道断面仪及施工方法与流程

1.本发明涉及光源测量设备，特别是一种基于振镜的自动隧道断面仪及施工方法。


背景技术：

2.在隧道施工过程中，按照设计图纸在掌子面上打炮孔和初期支护时格栅钢架的定位均采用人工操作。存在的问题是由于掌子面的轮廓和表面均不规整，人工操作精度不足。若定位不准确容易出现安全事故，且施工效率较低。中国专利文献cn105716576a记载了一种远程投射式光源断面仪及其方法，能够在扫描隧道断面的基础上，将设计数据叠加投影到隧道断面上，使施工人员能够准确打炮眼，准确安装格栅钢架。但是该方案中光源测距仪和振镜系统是两个设备，即采集隧道断面的发射中心点与投射图像的发射中心点之间具有一个间距，从而出现数据误差。通过x/y扫描振镜与光源测距仪的匹配工作是确定扫描振镜发散角θ，不能在隧道中心线以外的位置安放设备，增加了实际使用限制，同时在该方案中默认隧道断面为理想平面，无表面凹凸情况，无法修正因断面不平整导致的误差。cn 110455260 a记载了一种隧道断面轮廓确定方法、装置及电子设备，该方法和装置是通过光源图像定位仪确定中心点坐标后，再对当前隧道断面对应的轮廓图像数据进行变换处理，也存在相同的误差问题。在cn 108844522 a记载了一种基于三维光源扫描的盾构隧道断面中心提取方法，提出基于绝对坐标下直接截取断面、以及在绝对坐标系下对断面点云进行空间圆拟合的方法。该方法即是为了配合前述的技术方案，整体实施较为复杂，限制条件较大。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于振镜的自动隧道断面仪，能够克服现有技术中采集设备与投影设备之间误差的问题，提高叠加投影精度，且使用限制小，无需确定隧道断面中心线。
4.本发明所要解决的另一技术问题是提供一种基于振镜的自动隧道断面仪的施工方法，能够在确保施工精度的前提下，提高施工效率，且能够修正隧道断面凸凹不平表面所造成的误差。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于振镜的自动隧道断面仪，隧道断面仪包括x/y振镜组件、探测光源、显示光源、驱动电路、光探测及测距模块和信号处理及控制组件，探测光源和显示光源与信号处理及控制组件电连接；信号处理及控制组件与驱动电路电连接，驱动电路与x/y振镜组件电连接，用于驱动x/y振镜组件反射光源至预设位置；光探测及测距模块与信号处理及控制组件电连接，用于将接收的光源点云信息发送至信号处理及控制组件；还设有光合束器，探测光源指向光合束器的第一输入口，显示光源指向光合束器的第二输入口，光合束器的输出口指向x/y振镜组件，输出口输出的探测光源和显示光源的
光线处于同轴位置，以使探测光源和显示光源均从光合束器向x/y振镜组件提供光源。
6.优选的方案中，所述的光合束器的结构为，五菱晶体与三棱晶体连接，在五菱晶体与三棱晶体连接的面形成界面。
7.优选的方案中，在光探测及测距模块内不设探测光源。
8.优选的方案中，所述的隧道断面仪位于对齐中点或偏离隧道中点的位置。
9.一种采用上述的一种基于振镜的自动隧道断面仪的施工方法，包括以下步骤：s1、选定隧道断面仪的工作位置，信号处理及控制组件控制探测光源依次经过光合束器和x/y振镜组件向隧道断面投射，信号处理及控制组件控制驱动电路对x/y振镜组件进行扫描动作，光探测及测距模块采集光源光点信号输送至信号处理及控制组件，获得隧道断面处的隧道轮廓信息；s2、信号处理及控制组件将隧道轮廓信息与辅助标注图形匹配，获得需要在隧道断面处投影的坐标信息；s3、信号处理及控制组件控制显示光源依次经过光合束器和x/y振镜组件向隧道断面投射，信号处理及控制组件根据坐标信息，控制驱动电路对x/y振镜组件进行进行投影；通过以上步骤，在隧道断面精确投影所需标注信息。
10.优选的方案中，所述的隧道断面仪位于对齐中点或偏离隧道中点的位置。
11.优选的方案中，步骤s1中，从隧道断面仪投射最佳显示区域，放置时以最佳显示区域完全覆盖待标注隧道断面；所述的最佳显示区域，是指能够修正畸变的区域。
12.优选的方案中，隧道断面仪布置在三脚架或运载工具上。
13.优选的方案中，步骤s2中，信号处理及控制组件将获得的光源光点信号转换成三维矩阵数据，对隧道断面凸凹不平的位置进行数据的数值计算，通过计算得到隧道断面的平面化数据，并将数据储存，将辅助标注图形的数据与平面化的隧道断面数据叠加得到待投影的坐标信息，对凹凸断面影响投影精度的投影点，取出修正数据对其投影的坐标信息进行修正运算，最后将修正后的三维矩阵数据，投影至隧道断面。
14.优选的方案中，信号处理及控制组件与输入装置连接，以对标注信息的局部位置进行人工微调、校正或确认。
15.本发明提供了一种基于振镜的自动隧道断面仪及施工方法，与现有技术相比，具有以下的有益效果：1、本发明的隧道断面仪以同一个x/y振镜组件完成数据采集和图形投影的操作，使隧道断面的轮廓信息与辅助标注图形信息进行了统一，即发射中心点与投射图像的发射中心点之间的误差消除，提高了标注精度。
16.2、本发明的隧道断面仪以节省了一个x/y振镜组件，降低了系统成本。
17.3、本发明的方法以通过采用以最佳显示区域全覆盖隧道断面后，自动对隧道断面处的轮廓进行扫描，并将辅助标注图形的标注信息与隧道断面处的轮廓信息进行融合后，自动显示在断面上，整个过程系统自动进行，无需再次确定隧道中点所在的隧道中线，提高施工效率。
18.4、本发明的方法能够降低隧道断面因施工导致的凸凹规则平面进行修正投影坐
标，进一步提高施工精度。
附图说明
19.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的布置示意图。
20.图2为本发明的结构示意图。
21.图3为本发明的光合束器的结构示意图。
22.图中：隧道断面仪1，隧道断面2，隧道中点3，隧道轮廓4，x/y振镜组件5，光合束器6，五菱晶体61，三棱晶体62，界面63，第一输入口64，第二输入口65，输出口66，光探测及测距模块7，驱动电路8，探测光源9，显示光源10，信号处理及控制组件11，辅助标注图形12。
具体实施方式
23.实施例1：如图1~2中，一种基于振镜的自动隧道断面仪，隧道断面仪1包括x/y振镜组件5、探测光源9、显示光源10、驱动电路8、光探测及测距模块7和信号处理及控制组件11，探测光源9和显示光源10与信号处理及控制组件11电连接；信号处理及控制组件11与驱动电路8电连接，驱动电路8与x/y振镜组件5电连接，用于驱动x/y振镜组件5反射光源至预设位置；优选的方案中，所述的x/y振镜组件（5）上设有多个可变倾角的反射镜，以将光源反射至预设位置。优选的，光源采用激光光源。
24.光探测及测距模块7与信号处理及控制组件11电连接，用于将接收的光源点云信息发送至信号处理及控制组件11；还设有光合束器6，探测光源9指向光合束器6的第一输入口64，显示光源10指向光合束器6的第二输入口，光合束器6的输出口66指向x/y振镜组件5，输出口66输出的探测光源9和显示光源10的光线处于同轴位置，以使探测光源9和显示光源10均从光合束器6向x/y振镜组件5提供光源。由此结构，以一个x/y振镜组件5同时实现光源光点数据的发射和图形投影，使采集的隧道轮廓4信息与图形投影信息之间的坐标位置误差消除，大幅提高了投影精度，从而能够无需设置在隧道中点3的位置，也便于隧道断面仪1的布设，并且能够避免投影光源被操作人员遮挡。本发明的方案，还能够节省一套x/y振镜组件5、驱动电路8和控制组件，降低了设备的使用成本。
25.优选的方案如图3中，所述的光合束器6的结构为，五菱晶体61与三棱晶体62连接，在五菱晶体61与三棱晶体62连接的面形成界面63。由此结构，能够实现不同光源的合束。
26.优选的方案如图2中，光探测及测距模块7与其他功能组件集成组装成一个设备系统，在光探测及测距模块7内不设有探测光源9。由此结构，简化了系统的整体结构，同时提高了探测坐标与投影坐标的重合度。
27.优选的方案中，所述的隧道断面仪1位于对齐中点3或偏离隧道中点3的位置。优选的，隧道断面仪1位于偏离隧道中点3的位置，进一步提高布设的便利性。而且在掌子面施工的人员不易遮挡投影光线。
28.实施例2：一种采用上述的一种基于振镜的自动隧道断面仪的施工方法，包括以下步骤：
s1、选定隧道断面仪1的工作位置，信号处理及控制组件11控制探测光源9依次经过光合束器6和x/y振镜组件5向隧道断面2投射，信号处理及控制组件11控制驱动电路8对x/y振镜组件5进行扫描动作，光探测及测距模块7采集光源光点信号输送至信号处理及控制组件11，获得隧道断面2处的隧道轮廓4信息；s2、信号处理及控制组件11将隧道轮廓信息与辅助标注图形12匹配，获得需要在隧道断面2处投影的坐标信息；s3、信号处理及控制组件11控制显示光源10依次经过光合束器6和x/y振镜组件5向隧道断面2投射，信号处理及控制组件11根据坐标信息，控制驱动电路8对x/y振镜组件5进行进行投影；通过以上步骤，在隧道断面2精确投影所需标注信息。
29.优选的方案中，所述的隧道断面仪1位于对齐中点3或偏离隧道中点3的位置。
30.优选的方案中，步骤s1中，从隧道断面仪1投射最佳显示区域，放置时以最佳显示区域完全覆盖待标注隧道断面2；所述的最佳显示区域，是指能够修正畸变的区域。
31.优选的方案中，隧道断面仪1布置在三脚架或运载工具上。
32.优选的方案中，步骤s2中，信号处理及控制组件11将获得的光源光点信号转换成三维矩阵数据，对隧道断面2凸凹不平的位置进行数据的数值计算，通过计算得到隧道断面2的平面化数据，并将数据储存，将辅助标注图形12的数据与平面化的隧道断面数据叠加得到待投影的坐标信息，对凹凸断面影响投影精度的投影点，取出修正数据对其投影的坐标信息进行修正运算，最后将修正后的三维矩阵数据，投影至隧道断面2。优选的方案中，信号处理及控制组件（11）将获得的光源光点信号转换成三维矩阵数据，对隧道断面（2）凸凹不平的位置进行数据整平，即使隧道断面（2）位于同一平面上，得到整平后的隧道断面数据，将整平过程中的修正数据储存，此处的修正数据是指隧道断面（2）整平后的坐标与凸凹不平位置坐标的矢量差值，将辅助标注图形（12）的数据与整平后的隧道断面数据叠加得到待投影的坐标信息，再取出修正数据对待投影的坐标信息进行运算，即将隧道断面（2）整平后的坐标与凸凹不平位置坐标的矢量差值与待投影的坐标信息进行矢量求和运算，以还原至原始凸凹不平的三维矩阵数据，然后再投影至隧道断面（2）。
33.优选的方案中，信号处理及控制组件11与输入装置连接，以对标注信息的局部位置进行人工微调、校正或确认。
34.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。