專利名稱：隧道輪廓掃描設備、方法及包含該設備的工程機械的制作方法
技術領域：
本發明涉及工程機械領域，具體地，涉及一種隧道輪廓掃描設備、方法及包含該設備的工程機械。
背景技術：
混凝土噴漿設備(諸如，混凝土泵車、混凝土噴射機等)利用自身的液壓機械臂引導軟管，并通過軟管將混凝土輸送至目標位置進行噴漿作業，因此，大型多關節液壓機械臂的運動控制非常關鍵。臂架智能運動控制綜合了先進的傳感檢測技術和機器人控制技術，因其操作簡單，控制精度高，逐步取代了傳統的臂架單關節手動控制方式，成為臂架運動控制的發展趨勢。目前，臂架智能運動控制技術已在混凝土泵車上得到了廣泛的應用，但混凝土噴射機的工作環境為在隧道等有限空間，其需要在該空間內進行開挖斷面混凝土噴射襯砌作業，這一點與混凝土泵車不同，因此難以將現有的臂架智能運動控制技術直接應用在混凝土噴射機上。需要獲取有關隧道的空間數據，以在在混凝土噴射機臂架運動控制時進行參考。
發明內容
本發明的目的是提供一種隧道輪廓掃描設備、方法及包含該設備的工程機械，其可實現隧道輪廓掃描，且可將掃描得到的數據應用在噴射機臂架智能運動控制系統中。為了實現上述目的，本發明提供一種隧道輪廓掃描設備，該設備包括:掃描儀，安裝于隨轉臺轉動的臂架上；以及控制裝置，用于執行以下操作:控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離；控制所述臂架移動一預定距離，控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離；重復上述步驟，直至完成所需輪廓的掃描；以及根據所測量的距離及測量該距離所發出射線的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述轉臺的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向。相應地，本發明還提供一種工程機械，該工程機械包含上述隧道輪廓掃描設備。相應地，本發明還提供一種隧道輪廓掃描方法，該方法包括:控制掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離，該掃描儀安裝于隨轉臺轉動的臂架上；控制所述臂架移動一預定距離，控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離；重復上述步驟，直至完成所需輪廓的掃描；以及根據所測量的距離及測量該距離所發出射線的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述轉臺的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向。通過上述技術方案，可得隧道各斷面上各點的坐標，從而可生成隧道曲面網格圖；另外，還可將臂架與隧道輪廓曲面統一在同一三維空間坐標系內，得到臂架與所述隧道輪廓曲面的相對姿態，準確獲取臂架在隧道內的三維空間的實際位置，以在進行臂架軌跡規劃時進行參考，避開臂架運動過程中的某些姿態出現碰撞隧道壁的危險。本發明的其他特征和優點將在隨后的具體實施方式
部分予以詳細說明。
附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式
一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中:圖1為一混凝土噴射機的臂架系統的結構示意圖；圖2為本發明提供的隧道輪廓掃描設備的結構示意圖；圖3為保護盒的結構示意
圖4為保護盒的安裝位置示意圖；圖5為隧道輪廓掃描設備執行隧道輪廓掃描時與隧道之間的位置關系示意圖；圖6為隧道輪廓掃描流程圖；圖7 (a)為極坐標系下的P點坐標的示意圖；圖7(b)為平面直角坐標系下的P點坐標的示意圖；圖7(c)為三維直角坐標系下的P點坐標的示意圖；圖7(d)為隧道輪廓曲面網格圖的示意圖；以及圖8為隧道輪廓圖像示意圖。附圖標記說明10 轉臺21 大臂22 第二節臂 23第三節臂30 伸縮關節 40噴射頭50 掃描儀51 發射鏡面60 控制裝置70 保護盒71 蓋板72 密封圈73 線纜進出口74、75 液壓油管進出口731線纜 741 液壓進油管751液壓出油管
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式
僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。以下以混凝土噴射機為例對本發明的技術方案進行說明。圖1為一混凝土噴射機的臂架系統的結構示意圖。如圖1所示，該系統包括可繞豎直軸線以及水平軸線回轉并可沿車身滑移的雙回轉轉臺10、“z”型的三關節液壓機械臂(該機械臂包含大臂21、第二節臂22、第三節臂23)、以及位于第三節臂23末端的伸縮關節30和具有兩個可控自由度的噴射頭40。該混凝土噴射機的臂架運動控制系統可利用安裝在臂架上的傳感器以及先進的運動學算法實現了臂架的智能運動控制，操作機手通過無線遙控器的搖桿可以直接控制臂架末端在三維空間內沿X軸、y軸、z軸作直線運動。圖2為本發明提供的隧道輪廓掃描設備的結構示意圖。如圖2所示，本發明提供了一種隧道輪廓掃描設備，該設備包括:掃描儀50，安裝于隨轉臺轉動的臂架上，諸如圖1所示的混凝土噴射機的臂架系統的臂架末端；以及控制裝置60，用于執行以下操作:控制所述掃描儀50以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀50的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離；控制所述臂架移動一預定距離，控制所述掃描儀50以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀50的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離；重復上述步驟，直至完成所需輪廓的掃描；以及根據所測量的距離及測量該距離所發出射線的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述轉臺的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向。通過該方案，可得隧道各斷面上各點的坐標，從而可生成隧道曲面網格圖；在施工完成后，利用本發明對隧道輪廓重新進行一次掃描，通過生成的隧道輪廓三維曲面圖可以將本次施工的結果與施工技術要求進行對比，從而較為準確的評估本次的施工質量；另外，還可將臂架與隧道輪廓曲面統一在同一三維空間坐標系內，得到臂架與所述隧道輪廓曲面的相對姿態，準確獲取臂架在隧道內的三維空間的實際位置，以在進行臂架軌跡規劃時進行參考，避開臂架運動過程中的某些姿態出現碰撞隧道壁的危險。掃描儀50的工作原理是通過發射鏡面51發射出一組處于同一平面的等夾角射線，對隧道輪廓進行掃描(可對隧道斷面依次進行掃描，多個隧道斷面構成隧道輪廓)，并將測得的每個掃描點與掃描儀的中心之間的距離以及射線的發射角度值傳輸給所述控制裝置60。由于施工現場充斥著大量的粉塵、泥漿以及回彈的混凝土，將掃描儀50直接暴露在外極易對掃描儀50發射面的清潔度及透光度造成影響從而影響掃描儀50的工作性能，而且施工完成后操作機手需要用水槍對機身進行沖洗，也有可能造成掃描儀50內部進水損壞。因此，如圖3所示，本發明為掃描儀配置了保護盒70，保護盒70上部裝有密封圈72的蓋板71，蓋板71的開閉由安裝在保護盒70內的驅動裝置73(諸如，液壓油缸)驅動，保護盒70的側面有線纜的進出口 74及液壓油管的進出口 75和76。所述控制裝置60可在控制所述掃描儀50開始測量之前，控制所述驅動裝置73打開所述保護盒70，并在測量完成之后，控制所述驅動裝置73關閉所述保護盒70，從而可確保掃描儀50免受外部環境的干擾。另外，根據噴射機臂架的結構特點，所述掃描儀50可通過保護盒70底部的緊固螺栓安裝在混凝土噴漿機第三節臂23末端的伸縮關節40上，如圖4所示。圖5為隧道輪廓掃描設備執行隧道輪廓掃描時與隧道之間的位置關系示意圖，圖6為隧道輪廓掃描流程圖，以下結合圖5和圖6對隧道輪廓掃描設備的掃描過程進行介紹。I)操作機手將噴射機駕駛至施工位置并按施工工法停穩，盡量停靠在隧道內地面的中心軸線上，車身與軸線保持平行，這樣可以有效保證設備的施工范圍及操作機手的操作感覺。2)操作機手開啟噴射機的隧道輪廓掃描模式，控制裝置控制臂架展開至隧道輪廓掃描姿態，即安裝掃描儀的伸縮臂節保持水平，掃描儀的中心與回轉臺的中心等高，臂架在水平面的投影與車身軸線平行。3)操作機手通過無線遙控器控制臂架移動，以使掃描儀到達初始測量位置并停穩；控制裝置計算并記錄此時轉臺的中心與掃描儀的中心之間的距離L，移動過程中臂架始終保持掃描姿態。4)根據工況需求向所述控制裝置輸入輪廓掃描參數，該參數包括掃描角度范圍、角度分辨率、掃描步長以及掃描區域總寬度等。其中，角度分辨率代表相鄰射線之間的夾角，它與掃描角度范圍一起決定了每個斷面掃描的點數，掃描步長決定了掃描過程中臂架每次移動的距離(即，上述預定距離)，掃描區域總寬度必須大于待噴隧道面的寬度。5)參數設置完畢，控制裝置控制保護盒打開，并控制掃描儀啟動掃描。在每一個隧道斷面掃描完成后，臂架向正前方(Z軸方向)移動所述掃描步長距離后停下，掃描儀再次啟動掃描，如此重復，只至完成對設置的整個掃描區域的掃描，臂架運動過程中始終保持掃描姿態。6)掃描完成后，控制裝置控制保護盒閉合，并控制臂架收回。以下介紹控制裝置對所掃描所得到的距離數據的處理，具體可包括以下兩部分內容:I)隧道輪廓曲面網格圖的生成如前所述，掃描儀將掃描數據(即，所測量的距離以及測量該距離所使用的射速的發射角度)傳輸給控制裝置，下面具體說明三維直角坐標系下隧道輪廓曲面網格圖的生成過程。所述控制裝置還用于:根據所測量的距離及測量該距離所發出射線的發射角度，計算各所述隧道斷面上各 點在第二三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述掃描儀的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向；以及根據所述各點在第二三維直角坐標系下的坐標，生成隧道曲面網格圖。假定掃描儀輸出的第η個掃描斷面的第i個掃描點的數據信息是以掃描儀的中心為原點的極坐標系下的坐標值P Cdi, Qi),其中Cli代表掃描儀的中心距P點的距離，Cli代表該掃描射線的發射角度，如圖7 (a)所示。首先將射線所在平面上的極坐標系轉換為直角坐標系，令初始發射的射線的方向為X軸，與其垂直的方向為y軸，則P點的坐標變為P(CliC0SepdiSinei),如圖7 (b)所示。然后將平面坐標系下的P點坐標值轉換為三維直角坐標系下的坐標值，令平面坐標系的X、y軸作為三維直角坐標系的X、I軸，并將與Xy平面垂直的方向作為三維直角坐標系的z軸，則P點的坐標變為P CdiCOS Θ ^diSin θ ^(n-l)D)，其中D代表掃描參數中設置的相鄰掃描斷面間的間距(S卩，所述預定距離)，如圖7 (c)所示。按照此種方法對掃描數據進行處理，便可以得到以第一次斷面掃描時掃描儀的中心為原點，以與臂架在水平面上的投影垂直的方向為X軸，以與水平面垂直的方向為y軸，以臂架在水平面的投影方向為z軸所建立的三維直角坐標系(B卩，上述第二三維直角坐標系)下的所有掃描點的坐標值，最終形成的三維直角坐標系下的輪廓曲面網格圖如圖7(d)所示。通過圖像生成軟件還可以將這些坐標值生成隧道輪廓圖像，如圖8所示。2)坐標奪換
由于臂架運動控制時所建立的臂架的空間坐標系是以轉臺的中心為原點，以水平面上與臂架投影垂直的方向為X軸，以與水平面垂直的方向為y軸，以臂架在水平面上的投影為z軸的三維直角坐標系(即，上述第一三維直角坐標系)。要將臂架與隧道空間各自所在的空間坐標系統一，還需要進行坐標變換。在本發明中，兩個坐標系的X，y，z軸的方向是一致的，而且坐標原點是等高的。將隧道輪廓的曲面圖的z軸分量加上初次掃描前控制裝置記錄的轉臺的中心與掃描儀的中心之間的距離L，即可將隧道輪廓曲面圖轉換到臂架系統所在的三維直角坐標系下，以P點為例，在臂架的空間坐標系下的其坐標值變為P CdiCOS Θ i，CliSin Θ i，(n-1) D+L)。相應地，本發明還提供了一種工程機械，該工程機械包含上述隧道輪廓掃描設備。該工程機械在規劃臂架運動軌跡時，可參考所述各隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標。相應地，本發明還提供了一種隧道輪廓掃描方法，該方法包括:控制掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離，該掃描儀安裝于隨轉臺轉動的臂架上；控制所述臂架移動一預定距離，控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離；重復上述步驟，直至完成所需輪廓的掃描；以及根據所測量的距離及該距離所對應的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述轉臺的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向。其中，該方法還可包括:根據所測量的距離及該距離所對應的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第二三維直角坐標系下的坐標，該三維支架以所述轉臺的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向；以及根據所述各點在第二三維直角坐標系下的坐標，生成隧道曲面網格圖。其中，在所述掃描儀進行測量的過程中，所述掃描儀的中心可與所述轉臺的中心等聞。其中，所述掃描儀位于一保護盒內，該保護盒的開閉由一驅動裝置驅動，所述方法還包括:在控制所述掃描儀開始測量之前，控制所述驅動裝置打開所述保護盒，并在測量完成之后，控制所述驅動裝置關閉所述保護盒。以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。另外需要說明的是，在上述具體實施方式
中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
權利要求
1.一種隧道輪廓掃描設備，其特征在于，該設備包括: 掃描儀，安裝于隨轉臺轉動的臂架上；以及 控制裝置，用于執行以下操作: 控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離； 控制所述臂架移動一預定距離，控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心 所處的隧道斷面上各點之間的距離； 重復上述步驟，直至完成所需輪廓的掃描；以及 根據所測量的距離及測量該距離所發出射線的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述轉臺的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述控制裝置還用于: 根據所測量的距離及測量該距離所發出射線的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第二三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述掃描儀的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向；以及 根據所述各點在第二三維直角坐標系下的坐標，生成隧道曲面網格圖。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其特征在于，在所述掃描儀進行測量的過程中，所述掃描儀的中心與所述轉臺的中心等高。
4.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備還包括保護盒及驅動該保護盒開閉的驅動裝置， 所述掃描儀位于該保護盒內，所述控制裝置還用于在控制所述掃描儀開始測量之前，控制所述驅動裝置打開所述保護盒，并在測量完成之后，控制所述驅動裝置關閉所述保護盒。
5.一種工程機械，其特征在于，該工程機械包含根據權利要求1-4中任一項權利要求所述的隧道輪廓掃描設備。
6.根據權利要求5所述的工程機械，其特征在于，所述工程機械在規劃臂架運動軌跡時，參考所述各隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標。
7.根據要求5或6所述的工程機械，其特征在于，該工程機械為混凝土噴射機。
8.—種隧道輪廓掃描方法，其特征在于，該方法包括: 控制掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離，該掃描儀安裝于隨轉臺轉動的臂架上； 控制所述臂架移動一預定距離，控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離； 重復上述步驟，直至完成所需輪廓的掃描；以及 根據所測量的距離及測量該距離所發出射線的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述轉臺的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 根據所測量的距離及測量該距離所發出射線的發射角度，計算各所述隧道斷面上各點在第二三維直角坐標系下的坐標，該三維直角坐標系以所述掃描儀的中心為原點，且三個軸的方向分別為所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上與所述投影方向垂直的方向、以及與所述水平面垂直的方向；以及 根據所述各點在第二三維直角坐標系下的坐標，生成隧道曲面網格圖。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述掃描儀進行測量的過程中，所述掃描儀的中心與所述轉臺的中心等高。
11.根據權利要求8所述的設備，其特征在于，所述掃描儀位于一保護盒內，該保護盒的開閉由一驅動裝置驅動，所述方法還包括: 在控制所述掃描儀開始測量之前，控制所述驅動裝置打開所述保護盒，并在測量完成之后，控制所述驅動裝置關閉所述保護盒。
全文摘要
本發明公開了一種隧道輪廓掃描設備、方法及包含該設備的工程機械，該設備包括掃描儀，安裝于隨轉臺轉動的臂架上；以及控制裝置，用于控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離；控制所述臂架移動一預定距離，控制所述掃描儀以多個發射角度發出射線，以測量該掃描儀的中心與該中心所處的隧道斷面上各點之間的距離；重復上述步驟，直至完成所需輪廓的掃描；以及根據所測量的距離及發射角度，并通過坐標變換，計算各所述隧道斷面上各點在第一三維直角坐標系下的坐標。通過上述技術方案，可將臂架與隧道輪廓曲面統一在同一三維空間坐標系內，為臂架軌跡規劃提供空間參考。
文檔編號E21D11/10GK103148812SQ20131004699
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者陶澤安, 梁聰慧, 涂佳瑋, 曾楊 申請人:中聯重科股份有限公司