基于二維激光雷達的軌道交通隧道施工參數(shù)測量

摘? 要：城市軌道交通在我國經(jīng)濟社會發(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)測量工藝的革新對此具有十分重要的意義。為保證整個隧道施工工藝高效、高質(zhì)量地完成，克服傳統(tǒng)隧道施工參數(shù)測量方法測量工藝復(fù)雜、測量精度不高，易受隧道內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境影響等缺點，設(shè)計開發(fā)一款基于二維激光雷達的智能激光雷達測量小車，對隧道剖面進行360度全方位、高精度的不斷掃描，并將檢測數(shù)據(jù)返回測量小車內(nèi)倉的核心板，待核心板處理后得到隧道剖面的擬合曲線，并計算出施工參數(shù)。實踐表明，采用智能激光雷達測量小車無論是在施工參數(shù)測量精度還是節(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。這項研究成果成功應(yīng)用于蘭州地鐵1號線項目施工現(xiàn)場，節(jié)省了人力物力資源，大大提高了施工效率和進度。

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

中圖分類號：TP242;TN958.98? ? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：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)測量方法有很多種，如鋼尺收斂計測量、巴塞特收斂測量系統(tǒng)、智能化測量機器人等。但總體上分為接觸式測量、非接觸式測量兩種。其中非接觸式測量包括激光測距技術(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現(xiàn)隧道內(nèi)施工參數(shù)的測量，但是都存在監(jiān)測點數(shù)量有限、監(jiān)測時間長、精度易受環(huán)境因素影響等缺點，而采用激光掃描技術(shù)則可以對上述不足進行很好的彌補。二維激光雷達是基于三角測距原理，并配以相關(guān)光學(xué)、電學(xué)、算法設(shè)計，能夠進行360度高頻高精度二維測距的產(chǎn)品。在進行隧道施工參數(shù)測量時，二維激光雷達機械結(jié)構(gòu)進行360度旋轉(zhuǎn)，不斷獲取角度信息，輸出隧道內(nèi)掃描環(huán)境的點云數(shù)據(jù)，為后續(xù)工藝的實施提供可靠的數(shù)據(jù)保障，因此運用激光掃描進行隧道施工參數(shù)的測量更為理想。

1? 總體設(shè)計

智能激光雷達測量小車主要由動力裝置、測量裝置、控制裝置三部分組成，其中動力裝置采用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。測量裝置（水平二維激光雷達）完成對前方障礙物的檢測，同時完成對小車左右方向到隧道壁距離的測量，并將檢測數(shù)據(jù)返回測量小車內(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。測量裝置（垂直二維激光雷達）完成對隧道剖面的測量，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時顯示在觸摸顯示屏上，計算出接觸網(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)

智能激光雷達測量小車采用單片機作為控制核心部分，通過PWM調(diào)速控制前輪的轉(zhuǎn)向，電機驅(qū)動模塊控制測量小車的前后輪驅(qū)動直流減速電機，分別實現(xiàn)測量車的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、前進和改變速度的功能。

采用二維激光雷達360度全方位掃描，產(chǎn)生隧道內(nèi)部斷面的平面點云圖數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回測量小車內(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量傳感器的中空軸安裝在小車車輪軸上，當(dāng)測量小車轉(zhuǎn)動時，編碼器的中空軸會隨著測量小車的車軸同步轉(zhuǎn)動，通過測量編碼器的旋轉(zhuǎn)角度達到間接測量里程的目的。

2.1? 智能激光雷達測量小車

智能激光雷達測量小車車體結(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、垂直二維激光雷達、觸摸顯示屏、供電電源等組成。測量小車的兩部電機采用12V大容量電池供電，為測量小車提供行走動力，坦克式履帶使測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，不但可以對隧道內(nèi)部前方障礙物進行檢測，而且可以對施工參數(shù)進行實時記錄。將檢測數(shù)據(jù)返回安裝在測量小車內(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完成對隧道剖面的測量，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，計算出接觸網(wǎng)施工參數(shù)。

2.2? 二維激光雷達

二維激光雷達不但在技術(shù)方面能夠高密度、高分辨率地獲取掃描物體的海量點云數(shù)據(jù)，而且可以減少傳統(tǒng)地鐵隧道施工參數(shù)測量所帶來的人力、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)測量的不二之選。

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

2.3? 增強式光電編碼器

智能激光雷達測量小車在進行隧道施工參數(shù)測量時，測量點位置的里程記錄對于保證測量位置的精度至關(guān)重要。目前常用的方法就是將測量檢測儀器安裝在測量小車上，通過測量小車轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)檢測，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量傳感器的中空軸安裝在小車車輪軸上，當(dāng)測量小車轉(zhuǎn)動時，編碼器的中空軸隨著測量小測的車軸同步轉(zhuǎn)動，這樣通過測量編碼器的旋轉(zhuǎn)角度就可以達到間接測量行程里程的目的。

里程計數(shù)部分采用8052系列單片機中的內(nèi)部計數(shù)器對輸入的計數(shù)脈沖信號和正反轉(zhuǎn)信號中斷處理并相應(yīng)向上或者向下計數(shù)，根據(jù)脈沖個數(shù)計算里程值，并將數(shù)據(jù)通過8052系列增強式單片機的串口通信功能，將計算所得的數(shù)據(jù)通過串口傳送至智能激光雷達測量小車內(nèi)倉的控制板。

3? 測量原理

維激光雷達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測量小車。在進行隧道內(nèi)部施工參數(shù)測量時為更好地滿足“不斷前進”和“實時掃描”的需求，采用線掃描模式，讓測量小車沿著隧道前進的同時就能夠?qū)λ淼辣谶M行掃描。垂直方向的二維激光雷達在對隧道壁掃描的同時，水平方向的二維激光雷達對前方的障礙物進行掃描，并將檢測數(shù)據(jù)傳回安裝在測量小車內(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完成對隧道剖面的測量，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的反射路徑從而產(chǎn)生噪聲點，因此采用RANSAC算法先把噪聲點剔除，然后再擬合出隧道內(nèi)部剖面曲線，計算出施工參數(shù)，并實時地顯示在測量小車所搭載的顯示屏上。圖2為智能激光雷達測量流程示意圖。

4? 結(jié)? 論

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

（1）履帶式測量小車，因其體積較小、靈活性高、機動性強，既保證了測量小車在復(fù)雜的地鐵內(nèi)部環(huán)境中可以安全高效地進行施工參數(shù)測量，又克服了在傳統(tǒng)測量時對一些相對狹小的空間憑借人力所不能進行測量的缺點。

（2）測量小車水平方向的二維激光雷達360度全方位掃描，對隧道內(nèi)部前方障礙物進行實時檢測記錄，保證了測量小車沿隧道地面中軸線行駛。相對于采用多個傳感器避障，二維激光雷達克服了其檢測范圍面小，實時性差，成本較高等缺點。

（3）垂直方向的二維激光雷達采用線掃描模式對隧道內(nèi)部環(huán)境進行掃描，測量效率較高，對測量小車的位置和姿態(tài)及時矯正，并將檢測數(shù)據(jù)返回測量小車內(nèi)倉的核心板處理，得到隧道剖面的擬合曲線并實時顯示到觸摸顯示屏上，最后計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時觀測到隧道斷面的擬合曲線變化，而且克服了傳統(tǒng)測量測量緩慢，嚴重影響施工進度的缺點。

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