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专利号: 2024103508264
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种用于隧道的自动激光测量点位标记方法,其特征在于,其包括以下步骤:S1、将标记装置放置于待测隧道的地面上,调整伸缩腿的高度,使得标记装置顶部的激光标记模块处于设定高度;

S2、读取倾角传感器上的数值,通过驱动第一伺服电机和第二伺服电机调整所述激光标记模块处于水平状态;

S3、对所述激光标记模块进行水平方向的对正;

S4、对所述激光标记模块进行竖直方向的对正;

S5、建立掌子面坐标系O1‑xyz,选取掌子面第一侧边沿上最下方的点为原点Q1,沿掌子面水平方向向右为x轴,沿掌子面竖直方向向上为y轴,同时建立标记装置坐标系O2‑x’y’z’,选取激光笔发射点的位置为原点,各坐标轴方向与掌子面坐标系各坐标轴方向相同;

S6、通过人机交互模块驱动自动调平模块以及激光标记模块上的伺服电机转动,将所述激光笔照射至所需标记掌子面的已知点A(x1,y1,0)上;

S7、通过激光测距传感器测得激光线发射点到A点的距离L5,读取第三伺服电机的水平转角a1以及第四伺服电机的竖直转角b1,以此,获得掌子面坐标系原点O1与标记装置坐标系原点O2在x轴方向上的距离为W,掌子面坐标系原点O1与标记装置坐标系原点O2在y轴方向上的距离为H,表达式分别为:W=x1+d3

H=y1+h1

式中,d3为激光线发射点在掌子面上的水平移动距离,d3=Ltana1,L为掌子面坐标系原点O1与标记装置坐标系原点O2在z轴方向上的距离;h1为激光线发射点在掌子面上的竖直移动距离,h1=L5sinb1;

S8、获得校正后掌子面坐标系O1‑xyz与标记装置坐标系O2‑x’y’z’的坐标转换矩阵T,坐标转换矩阵T的表达式为:S9、将掌子面上的已知点A通过坐标转换,转换至标记装置坐标系中,通过控制标记装置上的水平和竖直方向转动的角度来在掌子面上打出对应的点,具体表达式为:B=T A

‑1

式中,A为在掌子面坐标系中的已知点,A=(x1,y1,z1,1) ;B为A点在标记装置坐标系中‑1的位置,B=(x2,y2,z2,1) ;

S10、标定完成后,输入掌子面上点的坐标,系统自动转换成标记装置对应的坐标,通过计算得出每个点对应第三伺服电机以及第四电机所需转动角度,从而实现在隧道掌子面上的打点标记操作。

2.根据权利要求1所述的用于隧道的自动激光测量点位标记方法,其特征在于,步骤S3中对所述激光标记模块进行水平方向的对正,具体步骤如下:S31、打开激光笔,驱动第三伺服电机转动多次,读取所述第三伺服电机每次转动时,所述激光笔产生的激光线水平转动角度θ1i;

S32、通过激光测距传感器测得所述第三伺服电机每次转动前激光笔所产生的激光线的长度L1i以及转动后的激光线的长度L2i,以此获得激光线发射点在掌子面上的平均水平移动距离d1i,平均水平移动距离d1i的表达式为:式中,i为伺服电机转动的次数,i=1,2,…,n;

S33、获得所述激光笔发射点在水平方向上距离掌子面的平均垂直距离L0i,平均垂直距离L0i的表达式为:S34、确定所述激光笔初始照射方向与隧道掌子面法线水平方向平均偏转角度α,水平方向平均偏转角度α的表达式为:式中,ai为伺服电机第i次转动时,获得的激光笔初始照射方向与隧道掌子面法线水平方向偏转角度;

S35、通过驱动所述第三伺服电机转动α角度,实现所述激光标记模块在水平方向上的对正。

3.根据权利要求1或者2所述的用于隧道的自动激光测量点位标记方法,其特征在于,步骤S4中对所述激光标记模块进行竖直方向的对正,具体步骤如下:S41、驱动第四伺服电机转动多次,读取所述第四伺服电机每次转动时,所述激光笔产生的激光线竖直转动角度θ2i;

S42、通过激光测距传感器测得所述第四伺服电机每次转动前激光笔所产生的激光线的长度L3i以及转动后的激光线的长度L4i,以此获得激光线发射点在掌子面上的平均竖直移动距离d2i,平均竖直移动距离d2i的表达式为:式中,i为伺服电机转动的次数,i=1,2,…,n;

S43、获得所述激光笔发射点在竖直方向上距离掌子面的平均垂直距离Li,平均垂直距离Li的表达式为:S44、确定所述激光笔初始照射方向与隧道掌子面法线竖直方向平均偏转角度β,竖直方向平均偏转角度β的表达式为:式中,βi为伺服电机第i次转动时,获得的激光笔初始照射方向与隧道掌子面法线竖直方向偏转角度;

S45、通过驱动所述第四伺服电机转动β角度,实现所述激光标记模块在竖直方向上的对正。

4.一种根据权利要求1~3之一所述的用于隧道的自动激光测量点位标记方法的标记装置,其特征在于,其包括支撑模块、自动调平模块、激光标记模块以及放置于所述自动调平模块上的人机交互模块;

所述支撑模块包括顶部固定板和三条均布设于所述顶部固定板边沿上的伸缩腿,且每条所述伸缩腿的上端均与所述顶部固定板转动连接;

所述自动调平模块通过底盘设于所述顶部固定板上,且所述自动调平模块包括调平平台、调平机构外壳、第一伺服电机、第一从动轴、第二从动轴、底盘和第二伺服电机,所述调平平台设于所述调平机构外壳的上方,且所述调平机构外壳中设有所述第一伺服电机,所述第一伺服电机的输出轴通过轴承与所述调平平台的第一侧面转动连接,且所述第一从动轴通过轴承与所述调平平台的第二侧面转动连接,通过驱动所述第一伺服电机转动,能实现所述自动调平模块Y方向的转动,所述调平机构外壳设于所述底盘的上方,且所述底盘上设有所述第二伺服电机,所述第二伺服电机的输出轴通过轴承与所述调平机构外壳的第三侧面转动连接,且所述第二从动轴通过轴承与所述调平机构外壳的第四侧面转动连接,通过驱动所述第二伺服电机转动,能实现所述自动调平模块X方向的转动;

所述激光标记模块通过水平旋转平台设于所述自动调平模块上,且所述激光标记模块包括第四伺服电机、激光测距传感器、倾角传感器、第三伺服电机、激光笔、激光笔支架和水平旋转平台,所述水平旋转平台设于所述调平平台上,且所述第三伺服电机的输出轴通过轴承与所述水平旋转平台的底部转动连接,通过驱动所述第三伺服电机转动,能实现所述水平旋转平台绕Z方向的转动,且所述激光测距传感器、倾角传感器均安装于所述水平旋转平台上,所述第四伺服电机设于所述水平旋转平台的侧面,且所述第四伺服电机的输出轴支撑于所述水平旋转平台上,所述第四伺服电机的输出轴上设有所述激光笔支架,且所述激光笔支架与所述水平旋转平台转动连接,所述激光笔设于所述激光笔支架上。

5.根据权利要求4所述的用于隧道的自动激光测量点位标记方法的标记装置,其特征在于,所述人机交互模块上设于所述调平机构外壳的外侧,且所述人机交互模块上设有触摸显示屏,能实现目标参数坐标的输入。

6.根据权利要求4所述的用于隧道的自动激光测量点位标记方法的标记装置,其特征在于,所述第一伺服电机的输出轴轴线与所述第二伺服电机的输出轴轴线垂直,且所述第一伺服电机的输出轴轴线与所述第四伺服电机的输出轴轴线平行,所述第四伺服电机的输出轴轴线与所述第三伺服电机的输出轴轴线垂直。