[发明专利]一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的装置及方法

权利要求书

1.一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的方法，其特征在于，获取三维点云数据包括以下步骤：

步骤一：TBM始发前，定位主梁上所有的扫描装置；

步骤二：停机后，启动扫描装置获取三维点云数据，将各个扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌；

步骤三：将获取的三维点云数据截取成两次停机所在的隧道截面之间的长度；

步骤三所述的截取长度为：所述三维点云数据的截取位置从扫描装置的安装截面开始，方向沿隧道中轴线朝TBM掘进方向的后方；

其中，L_i是工控机中记录的TBM两次停机之间隧道截面圆心的连线距离，θ_i是二轴倾斜仪测量TBM第i次停机与前一次停机之间的水平方向转角，是二轴倾斜仪测量TBM第i次停机与前一次停机之间的竖直方向转角；

步骤四：将基于云台转轴坐标系下的三维点云数据转换成基于大地坐标系下的三维点云数据；

步骤四中的坐标转换基于二轴倾斜仪测量的转角大小和工控机中记录的TBM两次停机之间隧道截面圆心的连线距离L_i；二轴倾斜仪测量TBM每次停机与前一次停机之间水平方向转角θ_i和竖直方向转角将基于云台转轴坐标系下的点的三维坐标(x₀,y₀,z₀)转换成基于大地坐标系下的点的三维坐标(x₁,y₁,z₁)：

其中，假设TBM两次停机的截面平行，大地坐标系下坐标原点和xOy面在TBM始发的隧道截面中，z轴方向是指向TBM刚开始掘进的正前方；云台转轴坐标系与大地坐标系的x、y轴方向相同，z轴方向相反；所述水平方向转角θ_i为前后两截面中的坐标系原点连线在x'O'z'面投影与z′轴的夹角，所述竖直方向转角为两坐标系原点连线在y'O'z'面投影与z′轴的夹角；

步骤五：将处理后的三维点云数据保存到工控机中，并拼接到已完成掘进的隧洞形貌三维点云数据中；

步骤六：扫描装置复位，等待下一次扫描开始。

2.根据权利要求1所述的一种获取TBM隧洞形貌三维点云数据的方法，其特征在于，步骤二所述的将各个扫描装置获取的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌，包括以下步骤：

(1)对各个扫描装置获取的点云数据进行去噪，将误扫描点去除；

(2)将各个扫描装置获取的三维点云数据截取各自对应的角度范围a₁,a₂,α₃，其中α₁+α₂+a₃＝360°；

(3)将处理后的三维点云数据拼接成完整的隧洞形貌。

3.一种应用于权利要求1所述的获取TBM隧洞形貌三维点云数据的方法的装置，其特征在于，所述装置包含：

用于获取TBM开挖后刚裸露的隧洞形貌三维点云数据的扫描装置；

用于处理隧洞形貌三维点云数据和获取TBM掘进参数的工控机；

其中，TBM与所述扫描装置和所述工控机连接，用于固定和承载所述扫描装置和所述工控机。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述扫描装置包含：

用于获取各个点到二维扫描仪中激光发射器的距离和角度的二维扫描仪；

用于带动二维扫描仪旋转并提供转轴的旋转角度信息的云台；

用于测量TBM每次停机与前一次停机之间水平方向转角θ_i和竖直方向转角的二轴倾斜仪；

用于固定和承载云台和二轴倾斜仪的底座。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，三个相同的所述扫描装置固定安装在TBM护盾内的主梁上，所述扫描装置中的底座都焊接在TBM主梁上，三个所述扫描装置在同一竖直截面上呈等腰三角形分布。