[发明专利]一种基于激光扫描仪的铁路隧道变形检测方法及其装置

权利要求书

1.一种基于激光扫描仪的铁路隧道变形检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：

通过激光扫描仪扫描铁路隧道，并计算所述激光扫描仪的行进距离；

先对所述激光扫描仪的局部坐标系与所述铁路隧道的隧道坐标系进行转换，以确定激光扫描仪的扫描点在所述隧道坐标系中的坐标，再将所述坐标与所述行进距离组合并生成三维坐标组成点云；

先确定所述三维坐标组成点云的边界特征点的轮廓曲线，再在所述轮廓曲线上选取一个预设点为圆心并画圆以与所述轮廓曲线相较于两个交点，最后将所述预设点与两个交点所构成的区域作为支撑区域；

先分别计算所述预设点与两个交点所构成的两个向量的方向角，再计算两个方向角在所述支撑区域内的曲率角，最后判断所述曲率角是否位于一个预设的阈值范围内；

在所述曲率角位于所述阈值范围内时，先将构成对应的支撑区域的点作为非隧道面数据点，再删除所有非隧道面数据点，并获得隧道面数据；

通过预设的高斯滤波器对所述三维坐标组成点云的点云数据进行平滑处理以剔除所述隧道面数据中的凸出非隧道面数据，并获得隧道断面数据；

将所述隧道断面数据代入至一个预设的椭圆转换矩阵中以获得预设椭圆的五个椭圆方程参数，并根据五个椭圆方程参数，确定所述预设椭圆的几何中心、长短半轴以及长轴倾角；

计算出所述预设椭圆的椭圆度，并根据长短半轴的变化情况判断所述铁路隧道的收敛扩张情况，还根据所述椭圆度评估所述铁路隧道的变形状况。

2.如权利要求1所述的基于激光扫描仪的铁路隧道变形检测方法，其特征在于，所述激光扫描仪搭载在能够在所述铁路隧道上行走的动态检测轨道车上，所述动态检测轨道车还搭载有里程计；所述行进距离的计算方法包括以下步骤：

校准所述激光扫描仪和所述里程计采集数据的时间，使里程计时间和扫描时间同步；

计算所述动态检测轨道车的车轮转动圈数N，且计算公式为：

式中，a₁为所述里程计的前进计数，a₂为所述里程计的后退计数，n为所述里程计测量轮转动一圈得到的计数个数；

计算所述行进距离s，且计算公式为：

s＝2πr₁N

式中，r₁为所述动态检测轨道车的车轮半径。

3.如权利要求1所述的基于激光扫描仪的铁路隧道变形检测方法，其特征在于，所述局部坐标系的x轴与所述隧道坐标系的z轴平行设置；所述局部坐标系与所述隧道坐标系的转换方法包括以下步骤：

对所述激光扫描仪的相对位置进行标定；

计算所述扫描点与所述隧道坐标系的x轴之间的距离c1；

计算所述扫描点与所述铁路隧道的中轴线之间的距离d1；

计算所述激光扫描仪相对所述隧道坐标系的倾斜角β；

先将所述局部坐标系OXZ旋转变换，再经过平移变换到所述隧道坐标系OX’Z’，且变换公式为：

4.如权利要求3所述的基于激光扫描仪的铁路隧道变形检测方法，其特征在于，定义所述预设点为点P，P^f、P^b分别为两个交点；两个方向角的计算公式分别为：

式中，θ^f、θ^b分别为两个方向角；

所述曲率角的计算公式为：

θ_(i)＝θ^b-θ^f

式中，θ_(i)为所述曲率角，(z，x)为点p坐标，(z^f，x^f)为点P^f坐标，(z^b，x^b)为点P^b坐标。

5.如权利要求1所述的基于激光扫描仪的铁路隧道变形检测方法，其特征在于，通过将对所述点云数据与所述高斯滤波器进行分段卷积计算以实现分段平滑处理；所述高斯滤波器的表达式为：

式中，σ²为方差。