[发明专利]隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械

说明书

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械。 

背景技术

混凝土喷浆设备（诸如，混凝土泵车、混凝土喷射机等）利用自身的液压机械臂引导软管，并通过软管将混凝土输送至目标位置进行喷浆作业，因此，大型多关节液压机械臂的运动控制非常关键。臂架智能运动控制综合了先进的传感检测技术和机器人控制技术，因其操作简单，控制精度高，逐步取代了传统的臂架单关节手动控制方式，成为臂架运动控制的发展趋势。 

目前，臂架智能运动控制技术已在混凝土泵车上得到了广泛的应用，但混凝土喷射机的工作环境为在隧道等有限空间，其需要在该空间内进行开挖断面混凝土喷射衬砌作业，这一点与混凝土泵车不同，因此难以将现有的臂架智能运动控制技术直接应用在混凝土喷射机上。需要获取有关隧道的空间数据，以在在混凝土喷射机臂架运动控制时进行参考。 

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道轮廓扫描设备、方法及包含该设备的工程机械，其可实现隧道轮廓扫描，且可将扫描得到的数据应用在喷射机臂架智能运动控制系统中。 

为了实现上述目的，本发明提供一种隧道轮廓扫描设备，该设备包括：扫描仪，安装于随转台转动的臂架上；以及控制装置，用于执行以下操作：控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心 所处的隧道断面上各点之间的距离；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。 

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包含上述隧道轮廓扫描设备。 

相应地，本发明还提供一种隧道轮廓扫描方法，该方法包括：控制扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离，该扫描仪安装于随转台转动的臂架上；控制所述臂架移动一预定距离，控制所述扫描仪以多个发射角度发出射线，以测量该扫描仪的中心与该中心所处的隧道断面上各点之间的距离；重复上述步骤，直至完成所需轮廓的扫描；以及根据所测量的距离及测量该距离所发出射线的发射角度，计算各所述隧道断面上各点在第一三维直角坐标系下的坐标，该三维直角坐标系以所述转台的中心为原点，且三个轴的方向分别为所述臂架在水平面上的投影方向、所述水平面上与所述投影方向垂直的方向、以及与所述水平面垂直的方向。 

通过上述技术方案，可得隧道各断面上各点的坐标，从而可生成隧道曲面网格图；另外，还可将臂架与隧道轮廓曲面统一在同一三维空间坐标系内，得到臂架与所述隧道轮廓曲面的相对姿态，准确获取臂架在隧道内的三维空间的实际位置，以在进行臂架轨迹规划时进行参考，避开臂架运动过程中的某些姿态出现碰撞隧道壁的危险。 

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。 

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中： 

图1为一混凝土喷射机的臂架系统的结构示意图； 

图2为本发明提供的隧道轮廓扫描设备的结构示意图； 

图3为保护盒的结构示意图； 

图4为保护盒的安装位置示意图； 

图5为隧道轮廓扫描设备执行隧道轮廓扫描时与隧道之间的位置关系示意图； 

图6为隧道轮廓扫描流程图； 

图7(a)为极坐标系下的P点坐标的示意图； 

图7(b)为平面直角坐标系下的P点坐标的示意图； 

图7(c)为三维直角坐标系下的P点坐标的示意图； 

图7(d)为隧道轮廓曲面网格图的示意图；以及 

图8为隧道轮廓图像示意图。 

附图标记说明 

10    转台        21    大臂 

22    第二节臂    23    第三节臂 

30    伸缩关节    40    喷射头 

50    扫描仪        51    发射镜面