車(chē)載隧道斷面快速掃描系統(tǒng)研制

崔凱華

（1、遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng)110000

2、遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110000）

1 概述

隧道運(yùn)營(yíng)階段因時(shí)間跨度大、影響因素復(fù)雜、一旦隧道發(fā)生變形，可能會(huì)影響交通安全運(yùn)營(yíng)，留下安全隱患。根據(jù)國(guó)家公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范要求，每年需要根據(jù)隧道的實(shí)際情況對(duì)隧道斷面進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)有的隧道斷面檢測(cè)方法是使用激光斷面掃描儀對(duì)隧道斷面進(jìn)行定點(diǎn)掃描，每檢測(cè)一個(gè)斷面需要人工移動(dòng)儀器到下一檢測(cè)斷面進(jìn)行斷面檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器中，待檢測(cè)完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到服務(wù)器進(jìn)行處理。這種檢測(cè)方法在檢測(cè)過(guò)程中需要對(duì)隧道全幅進(jìn)行封閉，嚴(yán)重影響交通運(yùn)行，并且掃描過(guò)程花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，致使整個(gè)隧道斷面檢測(cè)過(guò)程需要花費(fèi)大量的人力成本以及時(shí)間成本。為此萊卡公司推出了一款激光斷面掃描儀，此設(shè)備每秒的掃描點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到100 萬(wàn)，并可以搭載于車(chē)輛，實(shí)現(xiàn)全隧道的高精度點(diǎn)云掃描，但其成本極高，對(duì)于普通用戶(hù)無(wú)法承擔(dān)。因此，本文開(kāi)發(fā)了一種適用于隧道日常檢測(cè)的車(chē)載式隧道斷面快速檢測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以在不中斷交通的條件下，完成等間距隧道斷面的檢測(cè)工作，可以大大壓縮隧道斷面檢測(cè)工作的作業(yè)時(shí)間。另外考慮到檢測(cè)設(shè)備成本問(wèn)題，同時(shí)根據(jù)隧道斷面檢測(cè)實(shí)際需求，本文選取SICK 公司的LMS511系列二維掃描傳感器，作為隧道斷面掃描主機(jī)，結(jié)合編碼器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備以及嵌入式工控機(jī)集成開(kāi)發(fā)了一種低成本、高效率的隧道斷面掃描系統(tǒng)。

2 車(chē)載斷面掃描系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

本文將周向激光掃描儀搭載于車(chē)輛隧道檢測(cè)系統(tǒng)中，研制一套適用于常規(guī)隧道斷面檢測(cè)的車(chē)載隧道斷面檢測(cè)系統(tǒng)，周向掃描儀應(yīng)用于車(chē)載檢測(cè)系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何使斷面掃描過(guò)程與車(chē)輛行駛速度保持同步，并保證檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性。據(jù)此本文提出了如圖1 所示的車(chē)載隧道斷面快速檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，此架構(gòu)包括編碼器車(chē)速采集模塊、光電開(kāi)關(guān)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、斷面掃描模塊、嵌入式工控機(jī)模塊、誤差補(bǔ)償模塊以及系統(tǒng)服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖1 所示系統(tǒng)被搭載于隧道檢測(cè)車(chē)輛中，在檢測(cè)過(guò)程中，編碼器與車(chē)輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，持續(xù)輸出與車(chē)輛行駛速度同步的脈沖信號(hào)，編碼器輸出的脈沖信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理信號(hào)進(jìn)行整形與變頻，后進(jìn)入嵌入式工控機(jī)。另外，為了確保輪廓掃描的初始和截止位置，系統(tǒng)裝有買(mǎi)反射光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)檢測(cè)車(chē)輛未進(jìn)入隧道區(qū)域時(shí)光電開(kāi)關(guān)沒(méi)有返回信號(hào)，輸出低電平，當(dāng)檢測(cè)車(chē)輛進(jìn)入隧道區(qū)域后，光電開(kāi)關(guān)接收到返回信號(hào)，輸出高電平。光電開(kāi)關(guān)輸出的電平信號(hào)通過(guò)信號(hào)整形電路，與編碼器產(chǎn)生的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入嵌入式工控機(jī)，工控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)編碼器脈沖狀態(tài)以及光電開(kāi)關(guān)的電平狀態(tài)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)輸出低電平的時(shí)候，斷面掃描系統(tǒng)停止工作，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)輸出高電平的時(shí)候，斷面掃描系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。

系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，工控機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)編碼器的脈沖狀態(tài)，當(dāng)編碼器脈沖為上升沿的時(shí)候，工控機(jī)會(huì)通過(guò)以太網(wǎng)接口向周向掃描儀發(fā)送單次掃描觸發(fā)信號(hào)，掃描儀收到工控機(jī)下達(dá)的單次斷面采集指令后會(huì)進(jìn)行一次掃描，然后將采集到的斷面數(shù)據(jù)返回給工控機(jī)，存儲(chǔ)在內(nèi)存中。另外，考慮到振動(dòng)以及以及車(chē)輛傾斜等問(wèn)題，會(huì)影響到斷面掃描的精度以及準(zhǔn)確性，為此在系統(tǒng)中加入了加速度傳感器以及陀螺儀等設(shè)備，在工控機(jī)觸發(fā)斷面掃描儀進(jìn)行斷面掃描的同時(shí)，也會(huì)采集車(chē)輛的振動(dòng)信息以及偏轉(zhuǎn)信息，用于補(bǔ)償相應(yīng)的誤差。最終將斷面信息以及補(bǔ)償信息同時(shí)上傳給服務(wù)器。

2.2 周向激光掃描儀設(shè)備

SICK 的LMS511PRO 二維掃描傳感器高精度、高速二維激光掃描傳感器（周向掃描儀），它以極坐標(biāo)的方式環(huán)向測(cè)量多點(diǎn)距離信息，點(diǎn)與點(diǎn)間的角度間隔可以設(shè)定為固定值，LMS511PRO 基于激光測(cè)距原理，單點(diǎn)可以測(cè)得一個(gè)方向點(diǎn)的距離信息，激光頭可以通過(guò)高速微型電機(jī)進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中設(shè)備可以完成環(huán)向多點(diǎn)的測(cè)距工作，最終形成輪廓的極坐標(biāo)信息。LMS511PRO 的最大掃描頻率為100hz，隧道檢測(cè)車(chē)的行駛速度不高于80km/h，假設(shè)檢測(cè)車(chē)以勻速行駛，可以計(jì)算出延隧道縱向最少每20cm 可以生成一組斷面數(shù)據(jù)，完全滿(mǎn)足車(chē)載斷面掃描的要求。但是，現(xiàn)有的普通周向掃描儀通常不具備外部觸發(fā)接口，只有極個(gè)別成本極高的掃描設(shè)備具有外觸發(fā)功能，無(wú)法推廣使用。因此本課題提出的將不具備外觸發(fā)接口的周向掃描儀集成到車(chē)載隧道檢測(cè)系統(tǒng)中，具備十分實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 硬件系統(tǒng)集成

嵌入式工控機(jī)具有接口齊全、電磁兼容性強(qiáng)、輕便靈活的特點(diǎn)，這些都是標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)無(wú)法比擬的，本文選取致遠(yuǎn)電子的EPC9600 作為主機(jī)，它具有800M 的主頻，以及485 通訊接口、千兆以太網(wǎng)以及GPIO 等配置，十分適用于本應(yīng)用。通過(guò)千兆以太網(wǎng)與斷面掃描儀進(jìn)行通信，利用GPIO 接收編碼器產(chǎn)生的外觸發(fā)信號(hào)以及漫反射開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電平信號(hào)，通過(guò)485 接口向服務(wù)器上傳斷面數(shù)據(jù)。

為了確保隧道斷面掃描車(chē)輛在進(jìn)出洞口處可以準(zhǔn)確的進(jìn)行斷面掃描工作的開(kāi)啟與關(guān)閉，即洞口的定位功能。隧道內(nèi)表面的材質(zhì)通常為防火涂料或者水泥表面，其反光性較差，因此我們采用漫反射光電開(kāi)關(guān)作為系統(tǒng)的工作與否的總開(kāi)關(guān)。漫反射光電開(kāi)關(guān)的垂直向上，安裝于檢測(cè)車(chē)輛的頂部，隧道的凈高在6米至7.5 米，檢測(cè)車(chē)輛的高度為4.2 米，因此2 米至3.5 米的工作距離滿(mǎn)足光電開(kāi)關(guān)的工作距離要求。當(dāng)檢測(cè)車(chē)輛駛?cè)胨淼拦怆婇_(kāi)關(guān)接收到隧道頂部的反射信號(hào)，即可開(kāi)啟隧道斷面掃描系統(tǒng)。考慮到單點(diǎn)光電開(kāi)關(guān)可能會(huì)碰到水珠等反射不敏感的區(qū)域，我們可以在檢測(cè)車(chē)輛頂部不同位置安裝漫反射光電開(kāi)關(guān)，只要有1 個(gè)光電開(kāi)關(guān)接收到反射信號(hào)，就可以認(rèn)為檢測(cè)車(chē)輛進(jìn)入隧道內(nèi)部，即可開(kāi)啟設(shè)備。

信號(hào)調(diào)理模塊的功能是將編碼器以及漫反射開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)以及開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行整形濾波，并且根據(jù)斷面檢測(cè)的間隔需求對(duì)編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行變頻，以達(dá)到固定間隔進(jìn)行斷面掃描的目的，經(jīng)過(guò)變頻處理后的脈沖信號(hào)可以確保車(chē)輛行駛固定距離（例如1 米）后產(chǎn)生一個(gè)周期的脈沖信號(hào)，以此信號(hào)觸發(fā)斷面掃描儀完成一次掃描工作。

誤差補(bǔ)償模塊包括安裝于車(chē)輛中間兩側(cè)的加速度傳感器，以及安裝于車(chē)輛中間位置的陀螺儀，加速度傳感器可以通過(guò)兩次積分獲取車(chē)輛瞬時(shí)的上下振動(dòng)產(chǎn)生的位移信息，陀螺儀可以檢測(cè)到車(chē)輛的瞬時(shí)的傾斜角度，利用加速度傳感器檢測(cè)到的位移信息可以補(bǔ)償車(chē)輛產(chǎn)生的振動(dòng)誤差，利用陀螺儀檢測(cè)到的傾斜角度可以修正輪廓的傾斜誤差。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與測(cè)試結(jié)果

本文研制的系統(tǒng)已被應(yīng)用于隧道綜合檢測(cè)系統(tǒng)中，它可以快速完成間距為1 米的隧道斷面檢測(cè)工作，同一斷面相鄰點(diǎn)的極坐標(biāo)角度間隔為5 度，嵌入式工控機(jī)通過(guò)485 通信接口將數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器，并實(shí)時(shí)顯示隧道斷面圖（如圖2 所示）。

圖2 隧道斷面掃描結(jié)果

4 結(jié)論

本文將二維掃描儀與車(chē)輛結(jié)合，研制出一種可以快速完成隧道等間隔斷面掃描的檢測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)不但提升了隧道斷面檢測(cè)的工作效率，同時(shí)大幅度降低了系統(tǒng)的成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。