摘? 要：城市軌道交通在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展建設(shè)中正處于加速發(fā)展階段，地鐵隧道內(nèi)部施工參數(shù)測(cè)量工藝的革新對(duì)此具有十分重要的意義。為保證整個(gè)隧道施工工藝高效、高質(zhì)量地完成，克服傳統(tǒng)隧道施工參數(shù)測(cè)量方法測(cè)量工藝復(fù)雜、測(cè)量精度不高，易受隧道內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境影響等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)一款基于二維激光雷達(dá)的智能激光雷達(dá)測(cè)量小車，對(duì)隧道剖面進(jìn)行360度全方位、高精度的不斷掃描，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)返回測(cè)量小車內(nèi)倉的核心板，待核心板處理后得到隧道剖面的擬合曲線，并計(jì)算出施工參數(shù)。實(shí)踐表明，采用智能激光雷達(dá)測(cè)量小車無論是在施工參數(shù)測(cè)量精度還是節(jié)省施工工藝所需人力、物力資源等方面都得到了很好的提高，滿足了施工的需求。這項(xiàng)研究成果成功應(yīng)用于蘭州地鐵1號(hào)線項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)省了人力物力資源，大大提高了施工效率和進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;施工參數(shù);測(cè)量小車;二維激光雷達(dá)

中圖分類號(hào)：TP242;TN958.98? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2019）10-0067-03

Abstract：Urban rail transit is in the stage of accelerating development in China’s economic and social development，and it is of great significance for the innovation of construction parameters measurement in metro tunnels. In order to ensure the efficient and high-quality completion of the entire tunnel construction process，overcoming the traditional tunnel construction parameter measurement method，the measurement process is complex，the measurement accuracy is not high，and it is vulnerable to the complex environment inside the tunnel. An intelligent laser measuring car based on two-dimensional laser is designed and developed. The tunnel section is continuously scanned 360 degrees in all directions and with high accuracy. The measured data are returned to the core board of the measuring car. After the core board is processed，the fitting curve of the tunnel section is obtained and the construction parameters are calculated. Practice has shown that the use of intelligent lidar to measure the car has been greatly improved in terms of construction parameters measurement accuracy and manpower and material resources required to save the construction process，and has met the construction requirements. Successfully applied to the construction site of Lanzhou Metro Line 1 project，saving manpower and material resources，greatly improving construction efficiency and progress.

Keywords：urban rail transit;construction parameters;measurement car;2D laser radar

0? 引? 言

目前，隧道施工參數(shù)測(cè)量方法有很多種，如鋼尺收斂計(jì)測(cè)量、巴塞特收斂測(cè)量系統(tǒng)、智能化測(cè)量機(jī)器人等。但總體上分為接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量兩種。其中非接觸式測(cè)量包括激光測(cè)距技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和光柵傳感技術(shù)等相關(guān)方法。以上方法雖然都可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)施工參數(shù)的測(cè)量，但是都存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限、監(jiān)測(cè)時(shí)間長、精度易受環(huán)境因素影響等缺點(diǎn)，而采用激光掃描技術(shù)則可以對(duì)上述不足進(jìn)行很好的彌補(bǔ)。二維激光雷達(dá)是基于三角測(cè)距原理，并配以相關(guān)光學(xué)、電學(xué)、算法設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行360度高頻高精度二維測(cè)距的產(chǎn)品。在進(jìn)行隧道施工參數(shù)測(cè)量時(shí)，二維激光雷達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，不斷獲取角度信息，輸出隧道內(nèi)掃描環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)工藝的實(shí)施提供可靠的數(shù)據(jù)保障，因此運(yùn)用激光掃描進(jìn)行隧道施工參數(shù)的測(cè)量更為理想。

1? 總體設(shè)計(jì)

智能激光雷達(dá)測(cè)量小車主要由動(dòng)力裝置、測(cè)量裝置、控制裝置三部分組成，其中動(dòng)力裝置采用12V大容量電池供電，坦克式履帶能夠適應(yīng)復(fù)雜的地鐵內(nèi)部環(huán)境。測(cè)量裝置（水平二維激光雷達(dá)）完成對(duì)前方障礙物的檢測(cè)，同時(shí)完成對(duì)小車左右方向到隧道壁距離的測(cè)量，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)返回測(cè)量小車內(nèi)倉的控制裝置（核心板），經(jīng)過核心板處理后，返回控制板控制小車的轉(zhuǎn)向，保證小車沿隧道地面中軸線行駛。測(cè)量裝置（垂直二維激光雷達(dá)）完成對(duì)隧道剖面的測(cè)量，數(shù)據(jù)返回核心板，核心板處理后得到隧道剖面的擬合曲線并實(shí)時(shí)顯示在觸摸顯示屏上，計(jì)算出接觸網(wǎng)施工參數(shù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

智能激光雷達(dá)測(cè)量小車采用單片機(jī)作為控制核心部分，通過PWM調(diào)速控制前輪的轉(zhuǎn)向，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制測(cè)量小車的前后輪驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)測(cè)量車的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和改變速度的功能。

采用二維激光雷達(dá)360度全方位掃描，產(chǎn)生隧道內(nèi)部斷面的平面點(diǎn)云圖數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回測(cè)量小車內(nèi)倉的核心板，待核心板處理后得到隧道剖面的擬合曲線，最終計(jì)算出隧道內(nèi)部施工參數(shù)。

采用光電編碼器這種高精度的角位移測(cè)量傳感器的中空軸安裝在小車車輪軸上，當(dāng)測(cè)量小車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器的中空軸會(huì)隨著測(cè)量小車的車軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過測(cè)量編碼器的旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到間接測(cè)量里程的目的。

2.1? 智能激光雷達(dá)測(cè)量小車

智能激光雷達(dá)測(cè)量小車車體結(jié)構(gòu)主要有坦克式履帶、控制板及核心板、水平二維激光雷達(dá)、垂直二維激光雷達(dá)、觸摸顯示屏、供電電源等組成。測(cè)量小車的兩部電機(jī)采用12V大容量電池供電，為測(cè)量小車提供行走動(dòng)力，坦克式履帶使測(cè)量小車能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜的地鐵內(nèi)部路面環(huán)境。車體上的兩部二維激光雷達(dá)，不但可以對(duì)隧道內(nèi)部前方障礙物進(jìn)行檢測(cè)，而且可以對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。將檢測(cè)數(shù)據(jù)返回安裝在測(cè)量小車內(nèi)倉的核心板，經(jīng)過核心板處理后，返回控制板控制測(cè)量小車的轉(zhuǎn)向，保證小車沿隧道地面中軸線行駛。垂直方向的二維激光雷達(dá)完成對(duì)隧道剖面的測(cè)量，并將數(shù)據(jù)返回核心板，核心板處理后得到隧道剖面的擬合曲線，計(jì)算出接觸網(wǎng)施工參數(shù)。

2.2? 二維激光雷達(dá)

二維激光雷達(dá)不但在技術(shù)方面能夠高密度、高分辨率地獲取掃描物體的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且可以減少傳統(tǒng)地鐵隧道施工參數(shù)測(cè)量所帶來的人力、物力以及工藝重復(fù)性等方面的支出，提高了效率、節(jié)省了工藝成本，因此成為目前隧道施工參數(shù)測(cè)量的不二之選。

二維激光雷達(dá)是一款360度二維測(cè)距產(chǎn)品，它基于三角測(cè)距原理，并配以相關(guān)光學(xué)、電學(xué)、算法設(shè)計(jì)，可以360度全方位掃描測(cè)距，而且測(cè)距誤差小、穩(wěn)定性好、精度高、測(cè)距范圍廣（不低于16米），對(duì)于復(fù)雜的隧道內(nèi)部環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的工業(yè)級(jí)無刷電機(jī)性能穩(wěn)定，激光功率滿足Class I級(jí)激光器安全標(biāo)準(zhǔn)，5-12Hz的自適應(yīng)掃描頻率，9000Hz的測(cè)距頻率實(shí)現(xiàn)了360度全方位高速掃描測(cè)距。滿足了隧道施工參數(shù)測(cè)量高效、準(zhǔn)確的要求，節(jié)省了不必要的人力、物力的支出，保證了工期的順利進(jìn)行。表1為二維激光雷達(dá)性能參數(shù)。

2.3? 增強(qiáng)式光電編碼器

智能激光雷達(dá)測(cè)量小車在進(jìn)行隧道施工參數(shù)測(cè)量時(shí)，測(cè)量點(diǎn)位置的里程記錄對(duì)于保證測(cè)量位置的精度至關(guān)重要。目前常用的方法就是將測(cè)量檢測(cè)儀器安裝在測(cè)量小車上，通過測(cè)量小車轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此記錄里程比較有效的方法是，將光電編碼器這種高精度的角位移測(cè)量傳感器的中空軸安裝在小車車輪軸上，當(dāng)測(cè)量小車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器的中空軸隨著測(cè)量小測(cè)的車軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣通過測(cè)量編碼器的旋轉(zhuǎn)角度就可以達(dá)到間接測(cè)量行程里程的目的。

里程計(jì)數(shù)部分采用8052系列單片機(jī)中的內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)中斷處理并相應(yīng)向上或者向下計(jì)數(shù)，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算里程值，并將數(shù)據(jù)通過8052系列增強(qiáng)式單片機(jī)的串口通信功能，將計(jì)算所得的數(shù)據(jù)通過串口傳送至智能激光雷達(dá)測(cè)量小車內(nèi)倉的控制板。

3? 測(cè)量原理

維激光雷達(dá)與坦克式履帶小車組合在一起，搭載核心板、控制板、觸摸顯示屏等組成智能激光雷達(dá)測(cè)量小車。在進(jìn)行隧道內(nèi)部施工參數(shù)測(cè)量時(shí)為更好地滿足“不斷前進(jìn)”和“實(shí)時(shí)掃描”的需求，采用線掃描模式，讓測(cè)量小車沿著隧道前進(jìn)的同時(shí)就能夠?qū)λ淼辣谶M(jìn)行掃描。垂直方向的二維激光雷達(dá)在對(duì)隧道壁掃描的同時(shí)，水平方向的二維激光雷達(dá)對(duì)前方的障礙物進(jìn)行掃描，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳回安裝在測(cè)量小車內(nèi)倉的核心板，經(jīng)過核心板處理后，返回控制板控制測(cè)量小車的轉(zhuǎn)向，保證小車沿隧道地面中軸線行駛。垂直方向的二維激光雷達(dá)完成對(duì)隧道剖面的測(cè)量，并將數(shù)據(jù)傳回核心板，核心板處理后得到隧道剖面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但由于隧道內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜性，必將影響二維激光雷達(dá)的反射路徑從而產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，因此采用RANSAC算法先把噪聲點(diǎn)剔除，然后再擬合出隧道內(nèi)部剖面曲線，計(jì)算出施工參數(shù)，并實(shí)時(shí)地顯示在測(cè)量小車所搭載的顯示屏上。圖2為智能激光雷達(dá)測(cè)量流程示意圖。

4? 結(jié)? 論

智能激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)主要從智能激光測(cè)量小車的車體結(jié)構(gòu)、小車前方障礙物的躲避，以及測(cè)量原理等方面進(jìn)行研究。相比較于目前的一些測(cè)量方法，無論是在準(zhǔn)確度還是人力、物力的成本等方面都有著其他測(cè)量方法所不可替代的優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）履帶式測(cè)量小車，因其體積較小、靈活性高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，既保證了測(cè)量小車在復(fù)雜的地鐵內(nèi)部環(huán)境中可以安全高效地進(jìn)行施工參數(shù)測(cè)量，又克服了在傳統(tǒng)測(cè)量時(shí)對(duì)一些相對(duì)狹小的空間憑借人力所不能進(jìn)行測(cè)量的缺點(diǎn)。

（2）測(cè)量小車水平方向的二維激光雷達(dá)360度全方位掃描，對(duì)隧道內(nèi)部前方障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)記錄，保證了測(cè)量小車沿隧道地面中軸線行駛。相對(duì)于采用多個(gè)傳感器避障，二維激光雷達(dá)克服了其檢測(cè)范圍面小，實(shí)時(shí)性差，成本較高等缺點(diǎn)。

（3）垂直方向的二維激光雷達(dá)采用線掃描模式對(duì)隧道內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行掃描，測(cè)量效率較高，對(duì)測(cè)量小車的位置和姿態(tài)及時(shí)矯正，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)返回測(cè)量小車內(nèi)倉的核心板處理，得到隧道剖面的擬合曲線并實(shí)時(shí)顯示到觸摸顯示屏上，最后計(jì)算出隧道施工所需要的各種參數(shù)。它不但可以直觀形象地使人實(shí)時(shí)觀測(cè)到隧道斷面的擬合曲線變化，而且克服了傳統(tǒng)測(cè)量測(cè)量緩慢，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度的缺點(diǎn)。

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作者簡介：吳志勇（1975.09-），男，漢族，河南淮陽人，項(xiàng)目經(jīng)理，工程師，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。