[发明专利]一种基于挖掘机智能扫描的基坑时空分布监测系统

权利要求书

1.一种基于挖掘机智能扫描的基坑时空分布监测系统，其特征在于，包括：信号发射接收模块、坐标标定模块、坐标转换模块、数据传输模块、PC终端模块；信号发射接收模块受驾驶室控制开关指令发射激光信号并接收反射回的激光信号，坐标标定模块计算扫描点位在基坑空间坐标下的具体位置，坐标转换模块用于将轮廓仪坐标系转化为工作坐标系，数据传输模块利用传感器将数据处理信息传输至PC终端模块，PC终端模块对数据信息进行编程处理，并最终将时间与空间结合的4D云图通过显示器展示；

信号发射接收模块(1)，信号发射接收模块包括控制开关、激光轮廓仪和信号接收装置；信号发射接收模块中的控制开关用于发送信号采集指令，当接收到控制开关的采集指令后激光轮廓仪发射激光信号，激光信号在遇到被测物后直线返回，同时信号接收装置接收反射回来的激光；单光子二极管在信号激光发射与接收的同时各打上击穿标记，并进一步利用时间—数字转换器给击穿标记打上时间戳信息，得到激光传播的总时间t；

坐标标定模块(2)，坐标标定模块包括距离标定子模块、轮廓仪坐标标定子模块和坐标转换子模块，距离标定子模块通过激光传播的总时间t计算被扫描点位距离挖掘机上激光轮廓仪的距离S₀，轮廓仪坐标标定子模块通过挖掘机上激光轮廓仪在轮廓仪坐标系下的坐标(x₀,y₀,z₀)、挖掘机机械臂上激光轮廓仪与水平面的夹角及被扫描点位距离激光轮廓仪的距离S₀计算扫描点位相对于激光轮廓仪坐标(x₁，y₁，z₁)的具体位置，具体计算方法如下：

S₀＝t×v÷2 (1)

其中，v为激光飞行速度；θ为机械臂与挖掘机主轴的夹角；当被扫描点位位于激光轮廓仪东侧时，x₁为反之，x₁为当被扫描点位位于激光轮廓仪北侧时，y₁为反之，y₁为当被扫描点位高于激光轮廓仪高程时，z₁为反之，z₁为

坐标转换子模块将挖掘机所处的轮廓仪坐标系转化为工作坐标系，当确定了挖掘机扫描点在轮廓仪坐标系中的坐标后，通过坐标转换模块转换为工作坐标系的相对位置，转换方法如下：

其中，{s}为轮廓仪坐标系；{w}为工作坐标系；P为被扫描点在轮廓仪坐标系下的坐标，可表示为P＝[x₁ y₁ z₁]^T；^AP为{s}坐标系原点相对于{w}坐标原点的位置矢量；为3×3旋转矩阵，是{s}相对于{w}的表达，用{s}中每个矢量在{w}中单位方向分量表示，^wX_s、^wY_s、^wZ_s表示用坐标系{w}表达时的坐标{s}主轴方向的单位矢量；标量a_ij，其中i＝1，2，3，j＝1，2，3，表示{s}中每个矢量在工作坐标系{w}中单位方向上投影的分量；

数据传输模块(3)，数据传输模块利用传感器将数据处理模块计算得到的扫描点位坐标信息传输至挖掘机驾驶室内的PC终端模块；

PC终端模块(4)，PC终端模块包括数据接收子模块、编码器和显示器，数据接收子模块接收传输过来的数据信息，编码器利用编程软件对被测得到的时间-空间数据信息进行编程处理，生成基于时间-空间的4D云图，最后通过显示器展现4D云图。

2.如权利要求1所述的一种基于挖掘机智能扫描的基坑时空分布监测系统，其特征在于，安装于挖掘机机械臂上的激光轮廓仪在平面内上下转动，通过发射接收激光信号得到激光轮廓仪与扫描点的距离S₀。