一種隧道三維線形測量系統(tǒng)及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于隧道線形檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種隧道三維線形測量系統(tǒng)及其測量方法。該隧道三維線形測量系統(tǒng)，包括單片機(jī)、工控機(jī)、用于沿隧道車道中心線行駛的測量車；所述測量車的質(zhì)心處固定安裝有三軸電子羅盤，在三軸電子羅盤的正前方、正左方和正上方對應(yīng)固定有第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀；在所述測量車的一個后輪的轉(zhuǎn)軸上固定有一個增量式旋轉(zhuǎn)編碼器；所述單片機(jī)的輸入端分別電連接三軸電子羅盤、第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀、第三單軸光纖陀螺儀和增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，所述單片機(jī)的輸出端電連接所述工控機(jī)的輸入端。
【專利說明】一種隧道三維線形測量系統(tǒng)及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于隧道線形檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種隧道三維線形測量系統(tǒng)及其測
量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在隧道工程竣工時，為了檢驗(yàn)隧道的施工是否符合設(shè)計要求，同時為了便于向下一步的設(shè)備安裝和運(yùn)營管理提供基礎(chǔ)信息，通常需要對隧道的縱斷面和橫斷面進(jìn)行測量。通過對隧道縱斷面的測量，主要是獲取隧道的縱斷面上的線形數(shù)據(jù)，從而可以了解隧道斜率的變化情況，也可以對隧道的實(shí)際線形與設(shè)計線形之間的差異性進(jìn)行比較。
[0003]以往在對隧道縱斷面的測量過程中，通常采用水準(zhǔn)儀測量方法或全站儀三角高程測量方法來實(shí)現(xiàn)。另外在對縱斷面進(jìn)行測量時，往往需要在隧道縱斷面的投影線上，采用直線段每隔6m，曲線段每隔5m的方法來測量一個縱斷面點(diǎn)。但是上述這些測量方法存在一定的局限性，例如水準(zhǔn)儀測量方法或全站儀三角高程測量方法均為人工測量方法，其測量效率低下；在隧道空間狹小且高程變化較大的情況下，測量的難度變大；縱斷面點(diǎn)的數(shù)量有限，容易影響隧道線形的精確性等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種隧道三維線形測量系統(tǒng)及其測量方法。本發(fā)明具有自動化高、測量精度高的特點(diǎn)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0006]技術(shù)方案一:
[0007]一種隧道三維線形測量系統(tǒng)，包括單片機(jī)、工控機(jī)、用于沿隧道車道中心線行駛的測量車；所述測量車的質(zhì)心處固定安裝有三軸電子羅盤，在三軸電子羅盤的正前方、正左方和正上方對應(yīng)固定有第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀；在所述測量車的一個后輪的轉(zhuǎn)軸上固定有一個增量式旋轉(zhuǎn)編碼器；所述三軸電子羅盤的第一感應(yīng)軸與測量車縱軸方向平行，并指向測量車的前方；所述三軸電子羅盤的第二感應(yīng)軸與測量車橫軸方向平行，并指向測量車的左方；所述三軸電子羅盤的第三感應(yīng)軸垂直于第一感應(yīng)軸，垂直于第二感應(yīng)軸，并指向測量車的上方；所述第一單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸與測量車縱軸方向平行，并指向測量車的前方；所述第二單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸與測量車橫軸方向平行，并指向測量車的左方；所述第三單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸垂直于第一單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸，垂直于第二單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸，并指向測量車的上方；
[0008]所述單片機(jī)的輸入端分別電連接三軸電子羅盤、第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀、第三單軸光纖陀螺儀和增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，所述單片機(jī)的輸出端電連接所述工控機(jī)的輸入端。
[0009]所述三軸電子羅盤用于在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)，并用于將所述測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)，所述測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)為測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向(立軸方向垂直于橫軸方向，且垂直于縱軸方向)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和加速度；
[0010]所述第一單軸光纖陀螺儀用于在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并用于將所述測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)；所述第二單軸光纖陀螺儀用于在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并用于將所述測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)；所述第三單軸光纖陀螺儀用于在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并用于將所述測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)；
[0011]所述增量式旋轉(zhuǎn)編碼器用于在測量車行駛時實(shí)時采集測量車的行駛速度，并用于實(shí)時將所述測量車的行駛速度發(fā)送至單片機(jī)；
[0012]所述單片機(jī)用于對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，并用于將格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)；
[0013]所述工控機(jī)用于根據(jù)在每個采樣點(diǎn)采集的測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)、測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，得出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)，所述測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)指測量車橫軸方向?qū)?yīng)的傾斜角度、測量車縱軸方向?qū)?yīng)的傾斜角度、測量車立軸方向?qū)?yīng)的傾斜角度；
[0014]所述工控機(jī)用于根據(jù)三軸電子羅盤的采樣頻率，計算得出采樣間隔時間；所述工控機(jī)用于根據(jù)每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的實(shí)時行駛速度和采樣間隔時間，得出每兩個相鄰采樣點(diǎn)之間測量車的行駛距離；所述工控機(jī)用于根據(jù)每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)和每兩個相鄰采樣點(diǎn)之間測量車的行駛距離，得出隧道的三維線形。
[0015]本技術(shù)方案的特點(diǎn)和進(jìn)一步改進(jìn)在于:
[0016]所述三軸電子羅盤、第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀具有相同的采樣頻率。
[0017]所述三軸電子羅盤為LSM303DLH電子羅盤，所述第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀均為VG949P光纖陀螺儀。
[0018]技術(shù)方案二:
[0019]一種隧道三維線形測量方法，基于上述一種隧道三維線形測量系統(tǒng)，包括以下步驟:
[0020]S1:測量車沿隧道車道中心線，從隧道的入口向隧道的出口行駛；三軸電子羅盤在測量車行駛時，在第I個采樣點(diǎn)至第N個采樣點(diǎn)(按時間順序?qū)⒉蓸狱c(diǎn)依次標(biāo)記為第I個采樣點(diǎn)至第N個采樣點(diǎn))依次采集測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)，N為采樣點(diǎn)的總數(shù)，測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)為測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度和加速度；然后將所述測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)；立軸方向垂直于橫軸方向，且垂直于縱軸方向。
[0021]第一單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將所述測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)；第二單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將所述測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)；第三單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將所述測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)；
[0022]增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在測量車行駛時實(shí)時采集測量車的行駛速度，并實(shí)時將所述測量車的行駛速度發(fā)送至單片機(jī)；
[0023]S2:單片機(jī)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，并將格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)；
[0024]S3:工控機(jī)根據(jù)在每個采樣點(diǎn)采集的測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)、測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，得出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)，所述測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)指測量車的俯仰角、測量車的側(cè)傾角和測量車的航向角；
[0025]工控機(jī)根據(jù)三軸電子羅盤的采樣頻率，計算得出采樣間隔時間；根據(jù)每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的實(shí)時行駛速度和采樣間隔時間，得出每兩個相鄰采樣點(diǎn)之間測量車的行駛距離；
[0026]隧道三維線形由第I矢量線段至第N-1矢量線段依次首尾相接而成，在三維直角坐標(biāo)系中，隧道三維線形的第I矢量線段的起點(diǎn)為原點(diǎn)，根據(jù)第j個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)確定隧道三維線形的第j矢量線段的方向，j取I至N-1，第j個采樣點(diǎn)和第j+Ι個采樣點(diǎn)之間測量車的行駛距離為隧道三維線形的第j矢量線段的長度。
[0027]本技術(shù)方案的特點(diǎn)和進(jìn)一步改進(jìn)在于:
[0028]在步驟S3中，所述工控機(jī)根據(jù)在每個采樣點(diǎn)采集的測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)，通過反三角函數(shù)公式計算出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第一初始值；所述工控機(jī)根據(jù)在每個采樣點(diǎn)采集的測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，計算得出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第二初始值；
[0029]將第I個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第一初始值作為第I個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)；然后工控機(jī)按照以下步驟依次計算第2個采樣點(diǎn)至第N個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù):工控機(jī)將第m個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第一初始值和第二初始值作比較，m取2至N，工控機(jī)將比較之后的差值進(jìn)行比例放大，將經(jīng)比例放大后的數(shù)據(jù)與第m-Ι個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，從而得到第m個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)。
[0030]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)，主要采用三軸電子羅盤、單軸光纖陀螺儀、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和工控機(jī)，投資費(fèi)用少，設(shè)計簡單，可靠性高；本發(fā)明的一種隧道三維線形測量方法，具有自動化高、測量精度高的特點(diǎn)，并且使隧道三維線形直觀地呈現(xiàn)出來。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)的電氣連接示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明的一種隧道三維線形測量方法的流程圖；
[0034]圖4為測量車的傾斜角度的數(shù)據(jù)融合示意圖。
[0035]附圖標(biāo)記:1-三軸電子羅盤，2-第一單軸光纖陀螺儀，3-第二單軸光纖陀螺儀，4-第三單軸光纖陀螺儀，5-增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，6-測量車，7-單片機(jī)，8-工控機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0037]在隧道工程竣工時，為了檢驗(yàn)隧道的施工是否符合設(shè)計要求，同時為了便于向下一步的設(shè)備安裝和運(yùn)營管理提供基礎(chǔ)信息，通常需要對隧道的縱斷面和橫斷面進(jìn)行測量。通過對隧道縱斷面的測量，主要是獲取隧道的縱斷面上的線形數(shù)據(jù)，從而可以了解隧道斜率的變化情況，也可以對隧道的實(shí)際線形與設(shè)計線形之間的差異性進(jìn)行比較。
[0038]以往在對隧道縱斷面的測量過程中，通常采用水準(zhǔn)儀測量方法或全站儀三角高程測量方法來實(shí)現(xiàn)。另外在對縱斷面進(jìn)行測量時，往往需要在隧道縱斷面的投影線上，采用直線段每隔6m，曲線段每隔5m的方法來測量一個縱斷面點(diǎn)。但是上述這些測量方法存在一定的局限性，例如水準(zhǔn)儀測量方法或全站儀三角高程測量方法均為人工測量方法，其測量效率低下；在隧道空間狹小且高程變化較大的情況下，測量的難度變大；縱斷面點(diǎn)的數(shù)量有限，容易影響隧道線形的精確性等。因此，需要一種操作簡單、自動化程度高且測量準(zhǔn)確度高的裝置和方法對隧道的三維線形進(jìn)行測量。
[0039]參照圖1，為本發(fā)明的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，參照圖2，為本發(fā)明的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)的電氣連接示意圖。在本發(fā)明實(shí)施例中，采用測量車6作為該隧道三維線形測量系統(tǒng)的安裝平臺。三軸電子羅盤I固定在測量車6的質(zhì)心處。在三軸電子羅盤I的正前方、正左方和正上方對應(yīng)固定有第一單軸光纖陀螺儀2、第二單軸光纖陀螺儀3和第三單軸光纖陀螺儀4。其中，三軸電子羅盤的第一感應(yīng)軸與測量車縱軸方向平行，并指向測量車的前方；三軸電子羅盤的第二感應(yīng)軸與測量車橫軸方向平行，并指向測量車的左方；三軸電子羅盤的第三感應(yīng)軸垂直于第一感應(yīng)軸，垂直于第二感應(yīng)軸，并指向測量車的上方；第一單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸與測量車縱軸方向平行，并指向測量車的前方；第二單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸與測量車橫軸方向平行，并指向測量車的左方；第三單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸垂直于第一單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸，垂直于第二單軸光纖陀螺儀的感應(yīng)軸，并指向測量車的上方。測量車6的行駛速度采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器5進(jìn)行實(shí)時采集，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器5同軸套接在測量車6后輪的轉(zhuǎn)軸上。單片機(jī)7采用Freescale公司的MC9S12XS128單片機(jī)，在測量車行駛的過程中，單片機(jī)7和工控機(jī)8均放置在測量車6的后座上。單片機(jī)7通過SPI接口電連接三軸電子羅盤I，通過A/D接口電連接第一單軸光纖陀螺儀2、第二單軸光纖陀螺儀3以及第三單軸光纖陀螺儀4，通過脈沖累加器接口(即PT7接口)連接增量式旋轉(zhuǎn)編碼器5。工控機(jī)8通過串口與單片機(jī)7的串口相連接。
[0040]在本發(fā)明實(shí)施例中，三軸電子羅盤I采用STMicroelectronics公司的LSM303DLH電子羅盤，該LSM303DLH電子羅盤具有SPI數(shù)字通信接口和O?IOOHz的采樣頻率，采用16位數(shù)字輸出方式和標(biāo)準(zhǔn)IIC通訊協(xié)議。
[0041]該LSM303DLH電子羅盤包括一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個檢測加速度的三軸加速度傳感器。三個單軸光纖陀螺儀均采用FIZ0PTIKA公司的VG949P光纖陀螺儀，它具有O?IOOOHz的采樣頻率，測量范圍為±300deg/sec，它的輸出信號為與角速度成正比的模擬電壓信號或數(shù)字RS232信號。本發(fā)明實(shí)施例中，三軸電子羅盤1、第一單軸光纖陀螺儀2、第二單軸光纖陀螺儀3和第三單軸光纖陀螺儀4具有相同的采樣頻率，將該采樣頻率設(shè)為100Hz。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器采用OMRON公司的E6C2-CWZ6C增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，它采用雙相測速方式，其分辨率為1024P/R，即每旋轉(zhuǎn)一圈輸出1024個脈沖。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器5實(shí)時采集的脈沖數(shù)據(jù)通過單片機(jī)7發(fā)送至工控機(jī)8。
[0042]在安裝完成本發(fā)明的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)之后，首先要設(shè)定測量車的行駛速度。其具體過程如下:考慮到隧道三維線形測量的精確性，兩個采樣點(diǎn)之間測量車行駛過的距離應(yīng)該盡可能的小，因此需要對測量車的行駛速度作初步的設(shè)定。在實(shí)際測量過程中，測量車可以在設(shè)定的行駛速度的一定范圍內(nèi)變動。例如，設(shè)定兩個采樣時刻點(diǎn)間測量車的行駛里程D為10cm，三軸電子羅盤、第一單軸光纖陀螺儀、第二單軸光纖陀螺儀和第三單軸光纖陀螺儀的采樣頻率均設(shè)為100Hz。因此設(shè)定測量車的行駛速度V為:v=D*f=0.l*100=10ms。
[0043]參照圖3，為本發(fā)明的一種隧道三維線形測量方法的流程圖，該隧道三維線形測量方法包括以下步驟:
[0044]I)數(shù)據(jù)采集與傳輸:測量車沿隧道車道中心線，從隧道的入口向隧道的出口行駛；其行駛的初始速度為上述設(shè)定的行駛速度lOm/s。由于測量車是由駕駛員人工駕駛的，因此測量車的行駛速度無法時刻保持勻速，行駛速度會在10m/S左右變化。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器啟動對測量車行駛速度的實(shí)時采集，即實(shí)時采集單位時間內(nèi)所記錄的脈沖數(shù)，并將該脈沖數(shù)發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)對該脈沖數(shù)進(jìn)行對應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，然后將格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)。
[0045]三軸電子羅盤在測量車行駛時，在第I個采樣點(diǎn)至第N個采樣點(diǎn)采集測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)，并將測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)Iic通訊協(xié)議發(fā)送至單片機(jī)；N為采樣點(diǎn)的總數(shù)，測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)為測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度和加速度。立軸方向垂直于橫軸方向，且垂直于縱軸方向。
[0046]第一單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將所述測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度以模擬電壓信號的形式發(fā)送至單片機(jī)；第二單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將所述測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度以模擬電壓信號的形式發(fā)送至單片機(jī)；第三單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度以模擬電壓信號的形式發(fā)送至單片機(jī)。
[0047]單片機(jī)對接收的測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)、測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行對應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，然后將格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)。
[0048]2)測量車實(shí)時行駛速度計算:高性能的工控機(jī)根據(jù)實(shí)時接收到的單位時間內(nèi)所記錄的脈沖數(shù)，精確的計算得到測量車的實(shí)時行駛速度。
[0049]3)計算測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的初始值:根據(jù)三軸電子羅盤在每個采樣點(diǎn)所采集的測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)，就可以得出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第一初始值；測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)指測量車橫軸方向?qū)?yīng)的傾斜角度、測量車縱軸方向?qū)?yīng)的傾斜角度、測量車立軸方向?qū)?yīng)的傾斜角度。根據(jù)三個單軸光纖陀螺儀在每個采樣點(diǎn)所采集的測量車縱軸方向、測量車橫軸方向以及測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，就可以得出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第二初始值。[0050]具體過程如下:在本發(fā)明實(shí)施例中，共有N個采樣點(diǎn)，即第I個采樣點(diǎn)至第N個采樣點(diǎn)，N為大于I的自然數(shù)，在第i個采樣點(diǎn)測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為(mix，miy，miz)，i取I至N，在第i個采樣點(diǎn)測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的加速度為(aix，aiy, aiz)，則可以通過以下反三角函數(shù)公式計算出第i個采樣點(diǎn)測
量車的俯仰角的第一初始值Ψ 側(cè)傾角的第一初始值θ η和航向角的第一初始值:
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種隧道三維線形測量系統(tǒng)，其特征在于，包括單片機(jī)(7)、工控機(jī)(8)、用于沿隧道車道中心線行駛的測量車(6);所述測量車的質(zhì)心處固定安裝有三軸電子羅盤(1)，在三軸電子羅盤(I)的正前方、正左方和正上方對應(yīng)固定有第一單軸光纖陀螺儀(2)、第二單軸光纖陀螺儀(3)和第三單軸光纖陀螺儀(4);在所述測量車(6)的一個后輪的轉(zhuǎn)軸上固定有一個增量式旋轉(zhuǎn)編碼器(5); 所述單片機(jī)(7)的輸入端分別電連接三軸電子羅盤(I)、第一單軸光纖陀螺儀(2)、第二單軸光纖陀螺儀(3)、第三單軸光纖陀螺儀(4)和增量式旋轉(zhuǎn)編碼器(5)，所述單片機(jī)(7)的輸出端電連接所述工控機(jī)(8)的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸電子羅盤(I)、第一單軸光纖陀螺儀(2)、第二單軸光纖陀螺儀(3)和第三單軸光纖陀螺儀(4)具有相同的采樣頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸電子羅盤(I)為LSM303DLH電子羅盤；所述第一單軸光纖陀螺儀(2)、第二單軸光纖陀螺儀(3)和第三單軸光纖陀螺儀(4)均為VG949P光纖陀螺儀。
4.一種隧道三維線形測量方法，基于權(quán)利要求1所述的一種隧道三維線形測量系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟: 51:測量車沿隧道車道中心線，從隧道的入口向隧道的出口行駛；三軸電子羅盤在測量車行駛時，在第I個采樣點(diǎn)至第N個采樣點(diǎn)依次采集測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)，N為采樣點(diǎn)的總數(shù)，測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)為測量車在橫軸方向、縱軸方向以及立軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度和加速度；然后將所述測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)； 第一單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將所述測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)；第二單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個 采樣點(diǎn)采集測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將所述測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)；第三單軸光纖陀螺儀在測量車行駛時，在每個采樣點(diǎn)采集測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，并將所述測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)送至單片機(jī)； 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在測量車行駛時實(shí)時采集測量車的行駛速度，并實(shí)時將所述測量車的行駛速度發(fā)送至單片機(jī)； 52:單片機(jī)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，并將格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)； 53:工控機(jī)根據(jù)在每個采樣點(diǎn)采集的測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)、測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，得出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)，所述測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)指測量車的俯仰角、測量車的側(cè)傾角和測量車的航向角； 工控機(jī)根據(jù)三軸電子羅盤的采樣頻率，計算得出采樣間隔時間；根據(jù)每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的實(shí)時行駛速度和采樣間隔時間，得出每兩個相鄰采樣點(diǎn)之間測量車的行駛距離； 隧道三維線形由第I矢量線段至第N-1矢量線段依次首尾相接而成，在三維直角坐標(biāo)系中，隧道三維線形的第I矢量線段的起點(diǎn)為原點(diǎn)，根據(jù)第j個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)確定隧道三維線形的第j矢量線段的方向，j取I至N-1，第j個采樣點(diǎn)和第j+1個采樣點(diǎn)之間測量車的行駛距離為隧道三維線形的第j矢量線段的長度。
5.如權(quán)利要求4所述的一種隧道三維線形測量方法，其特征在于，在步驟S3中，所述工控機(jī)根據(jù)在每個采樣點(diǎn)采集的測量車的方向感應(yīng)數(shù)據(jù)，通過反三角函數(shù)公式計算出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第一初始值；所述工控機(jī)根據(jù)在每個采樣點(diǎn)采集的測量車縱軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車橫軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度、測量車立軸方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度，計算得出每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第二初始值； 將第1個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第一初始值作為第I個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)；然后工控機(jī)按照以下步驟依次計算第2個采樣點(diǎn)至第N個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù):工控機(jī)將第m個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)的第一初始值和第二初始值作比較，m取2至N，工控機(jī)將比較之后的差值進(jìn)行比例放大，將經(jīng)比例放大后的數(shù)據(jù)與第m-Ι個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，從而得到第m個采樣點(diǎn)對應(yīng)的測量車的傾斜角度數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01C7/06GK103673983SQ201310652764
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】陳生客, 韓毅, 毛鵬, 寧蘭 申請人:上海嘉玨實(shí)業(yè)有限公司