技术领域
[0001] 本
发明属于岩体结构探测领域，尤其涉及一种岩体结构自动化探测装备。
背景技术
[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
[0003] 岩体结构探查工作是隧道及地下工程中地质灾害预测预警的
基础工作，在地下工程建设中具有重要的指导意义。根据采集的高
精度岩体结构信息进行地质编录、
风险评价，通过岩体三维结构信息进行岩体结构面拓延预测，从而进行危险
块体赋存预测、危险块体
稳定性分析等工作能够对隧道风险控制进行一定指导。岩体结构探查的维度、精度、时效等指标直接影响着施工风险控制的有效性。
[0004] 目前岩体结构信息采集方法：1)采用地质罗盘法，由操作人员手持地质罗盘贴近待测区域对结构面迹线进行测量，主要测量其倾向、倾
角或走向。在测量时，必须在露头上进行测量，若表面平整度不佳或结构面露出不完整时，会对精度造成较大干扰。此外，
发明人发现，由于地质罗盘精度较低，只能测量大致产状，且需人工读数，速度较慢，稳定性较差。2)摄影测量，其步骤是：基准点测量→架设补光灯→布设标记点→人工拍摄，发明人发现，这种方式存在的问题是精度低、适应性弱、操作繁琐。3)激光扫描技术在建设领域有较广泛的应用；激光扫描技术建模精度高，操作简单，多尘环境适应能
力较强是目前最适合的岩体结构信息获取方法。但是，发明人发现，激光
扫描仪及配套设备搬运困难；人员、设备位于裸露围岩下方，极为危险。
发明内容
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供一种岩体结构自动化探测装备，其实现了岩体结构表面信息获取的无人化、智能化、快速化。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种岩体结构自动化探测装备，包括：
[0008] 车架本体，所述车架本体上设置有驱动模块、速度调配模块和
数据采集模块，所述驱动模块、速度调配模块和数据采集模块均与
中央处理器相连；
[0009] 所述速度调配模块，包括可形成全景红外
感知网络的红外测距
传感器，所述红外测距传感器用于感应环绕车架本体周围相对预设
水平面的地势高度以及相对于车架本体
的距离并一起传送至中央处理器；所述中央处理器用于根据接收到的相对预设水平面的地
势高度以及相对于车架本体的距离，划分当前区域危险等级，进而控制驱动模块运行来调
配行进速度，实现智能行进；
[0010] 所述数据采集模块，包括可开合的密封
机舱，所述机舱内设置有三维激光扫描设备，所述三维激光扫描设备与举升机构相连，所述举升机构与中央处理器相连，所述中央处理器用于控制举升机构动作来实现三维激光扫描设备的升降。
[0011] 作为一种实施方式，所述车架本体底部设置有底盘车架，所述底盘车架两侧分别设置有
履带式底盘；所述履带式底盘包括独立承载式底盘悬架，所述独立承载式底盘悬架
为克里斯+蒂玛蒂结构。
[0012] 上述技术方案所产生的优点在于，本
实施例采用“融合克里斯蒂玛蒂尔达”底盘悬架机构，该底盘悬架机构提升了
机体负重能力，在泥泞及碎石路况下可提高机动性，并能够将来自地面的细小震动过滤，遇到较大起伏时灵活调整履带与地面的
接触面积，增大抓地力。
[0013] 作为一种实施方式，所述驱动模块由驱动
电机、蜗轮
蜗杆减速机和
链轮传动组成，所述中央处理器用于利用S形
加速曲线
算法驱动电机带动
蜗轮蜗杆减速机运动，动蜗轮蜗杆减速机通过链轮传动带动履带式底盘运动，实现岩体结构自动化探测装备的前进、后退
及转向运动。
[0014] 上述技术方案所产生的优点在于，通过蜗轮蜗杆减速机和链轮搭配，将
电动机扭矩放大45倍，提高了机体爬坡、脱困能力。
[0015] 作为一种实施方式，所述主动避障模块包括若干个超声传感器，这些超声传感器环绕车架本体周围，可感知车架本体预设距离范围内高度超过预设高度
阈值的障碍物，并
实时传输障碍物的
位置信息至中央处理器，由中央处理器输出报警信息及向驱动模块输出
自动
刹车指令。
[0016] 上述技术方案所产生的优点在于，通过超声传感器实时传输障碍位置信息至中央处理器，由中央处理器发出警报，提醒操作者停车，如操作者没有执行指令，执行机构将采取自动刹车、鸣笛等措施，有效防止机体碰撞损坏。
[0017] 作为一种实施方式，所述密封机舱包括机舱本体，所述机舱本体上设置有舱
门盖，所述机舱本体与舱门盖边缘处加装有密封装置，用以保证密封机舱的气密性。
[0018] 作为一种实施方式，所述舱门盖分为左右两扇，内部设置有加强筋以增加抗碰撞强度；所述舱门盖还设置有导流槽，用以在闭合时防止施工隧道内滴水侵入
车身内部。
[0019] 或作为一种实施方式，所述密封机舱内设置有减震保护层。
[0020] 作为一种实施方式，所述举升机构包括：
[0021] 举升底座，所述举升底座上安装有
导轨，所述导轨上设置有滑块，所述滑块与升降杆，所述升降杆上安装有三维激光扫描设备，所述滑块上安装有滚珠
丝杆，所述滚珠丝杆的另一端还与
支撑臂铰接连接，所述滚珠丝杆与步进电机相连。
[0022] 作为一种实施方式，所述数据采集模块，还包括：
[0023] 影像获取设备，其搭载于所述三维激光扫描设备上，采用自动调整的三级曝光模式，根据光线强度自动调整
白平衡；
[0024] 影像获取设备与三维激光扫描设备的相对坐标中心重合，经过旋转获取的全景影像
像素点坐标无需平移、旋转变换，直接匹配于三维激光点
云坐标。
[0025] 作为一种实施方式，所述数据采集模块，还包括：
[0026] 光照补偿模块，所述光照补偿模块包括
LED灯板和闪射灯，所述闪射灯环绕设置在车架本体上；所述LED灯板与转动机构相连，所述转动机构与中央处理器相连。
[0027] 作为一种实施方式，所述数据采集模块，还包括：
[0028] 自动平衡模块，所述自动平衡模块安装在三维激光扫描设备的安装平台上；
[0029] 所述自动平衡模块由三维
陀螺仪、X轴调平机构、Y轴调平机构组成；
[0030] 所述三维陀螺仪用于检测三维激光扫描设备当前的位置并传送至中央处理器，所述中央处理器用于对接收的三维激光扫描设备当前的位置经过卡尔曼滤波后计算需调整
的角度，换算对应角度值后分别控制X轴调平机构和Y轴调平机构，使得三维激光扫描设备
的安装平台稳定。
[0031] 本发明的有益效果是：
[0032] (1)本发明的岩体结构自动化探测装备融合了驱动模块、速度调配模块和数据采集模块，实现了岩体结构表面信息获取的无人化、智能化、快速化。
[0033] (2)本发明的数据采集模块，包括可开合的密封机舱，所述机舱内设置有三维激光扫描设备，所述三维激光扫描设备与举升机构相连，降低了操作人员、精密仪器安全风险，提高岩体结构探测准确度；本发明的岩体结构自动化探测装备每工作循环节省人力83％，
节约
时间窗口占用80％，缩短岩体结构分析时间85％以上，极大提高岩体结构探测效率。
附图说明
[0034] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0035] 图1为本发明实施例提供的岩体结构自动化探测装备
电路原理图；
[0036] 图2为本发明实施例提供的履带式底盘结构示意图；
[0037] 图3为本发明实施例提供的举升机构结构示意图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0039] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0040] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0041] 在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
[0042] 本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
[0043] 本实施例的岩体结构自动化探测装备，包括：
[0044] 车架本体，所述车架本体上设置有驱动模块、速度调配模块和数据采集模块，所述驱动模块、速度调配模块和数据采集模块均与中央处理器相连，如图1所示。
[0045] 在一个或多个实施例中，所述车架本体底部设置有底盘车架，所述底盘车架两侧分别设置有履带式底盘；所述履带式底盘包括独立承载式底盘悬架，所述独立承载式底盘
悬架为克里斯+蒂玛蒂结构。
[0046] 由于隧道及地下工程施工现场泥泞路段较多，需搭载的设备重量超过100公斤重，轮式驱动机构抓地力差，较难实现原地旋转，移动方式不灵活，且设计繁琐，为保障机体的良好通过性，本实施例选用路况适应性强的履带式底盘设计。
[0047] 履带式底盘的驱动电机带动减速
齿轮，通过
铰链带动底盘
驱动轮。驱动轮与履带内侧驱动轮孔
啮合给履带提供动力。底盘悬架采用“融合克里斯蒂玛蒂尔达”设计，位于底盘车架两侧，为独立承载式悬架结构。
[0048] 如图2所示，履带式底盘包括履带1，履带1设置有底盘悬架，底盘悬架上设置有驱动轮2、诱导轮3、张紧轮4和支重轮5，驱动轮2、诱导轮3、张紧轮4和支重轮5均与履带1内侧且贴合在一起；驱动轮2通过第一缓冲机构与底盘悬架相连，诱导轮3通过第二缓冲机构与
底盘悬架相连；其中，第一缓冲机构和第二缓冲机构均为现有结构，可采用
弹簧机构来实
现。
[0049] 具体地，底盘车架使用304不锈
钢5mm厚度板材
焊接制作，用于挂载悬挂、驱动模块举升机构，以及固定平台车身钣金部分。
[0050] 履带选用
橡胶一体成型履带，橡胶履带是一种在橡
胶带中嵌中有一定数量的金属及钢丝帘线履带式行走部件，它与金属履带相比，具有如下优点：
[0051] (1)速度快；(2)噪音低；(3)振动小；(4)
牵引力大；(5)对路面破坏小；(6)接地压小；(7)机体重量轻。
[0052] 目前常用的履带式底盘悬挂机构主要为克里斯蒂悬挂和玛蒂尔达悬挂。这两种悬挂各有优劣。克里斯蒂悬挂是将路面
波动传递给垂直的弹簧机构，结构简单可靠，通过性
好，但机动性较差，且机体经过崎岖路面时会产生较大幅度的摇摆，无法保障机体内精密仪器的安全；玛蒂尔达悬挂较克里斯蒂悬挂结构复杂，机动性更强，但路面震动过滤能力差，同样无法保护仪器安全。
[0053] 由于机体搭载了三维激光扫描仪等精密设备，为保证仪器安全和较大的载重能力，本实施例采用“融合克里斯蒂玛蒂尔达”底盘悬架机构，该底盘悬架机构提升了机体负重能力，在泥泞及碎石路况下可提高机动性，并能够将来自地面的细小震动过滤，遇到较大起伏时灵活调整履带与地面的接触面积，增大抓地力。
[0054] 表1：履带配件
[0055]
[0056] 本实施例的岩体结构自动化探测装备能够实现隧道及地下工程施工现场复杂路况环境下安全平稳通行，面对湿滑、积水、泥泞、陡坡、窄桥、碎石等极端路况仍能保证良好的通过性。
[0057] 在另一实施例中，所述驱动模块由驱动电机、蜗轮蜗杆减速机和链轮传动组成，所述中央处理器用于利用S形加速曲线算法驱动电机带动蜗轮蜗杆减速机运动，动蜗轮蜗杆减速机通过链轮传动带动履带式底盘运动，实现岩体结构自动化探测装备的前进、后退及
转向运动。
[0058] 通过蜗轮蜗杆减速机和链轮搭配，将电动机
扭矩放大45倍，提高了机体爬坡、脱困能力。
[0059] 机体行进时电机工作方式：
[0060] (1)直行工作方式：两电机同步反向逆
时针或顺时针转动，电机转速保持一致，由所需速度决定，转速最大为3000r/min。
[0061] (2)转弯工作方式：两电机相反转动，转弯内侧电机转速降低，转弯外侧电机转速提高。转速变化数值由期望
转弯半径确定。
[0062] (3)原地旋转工作方式：两电机同步同向顺时针或逆时针转动，两电机转速保持一致。
[0063] 在一个或多个实施例中，速度调配模块，包括可形成全景红外感知网络的红外测距传感器，所述红外测距传感器用于感应环绕车架本体周围相对预设水平面的地势高度以
及相对于车架本体的距离并一起传送至中央处理器；所述中央处理器用于根据接收到的相
对预设水平面的地势高度以及相对于车架本体的距离，划分当前区域危险等级，进而控制
驱动模块运行来调配行进速度，实现智能行进。
[0064] 由于隧道及地下工程施工现场有待浇筑仰拱或深坑等危险区域，若机体跌落会直接报废。通过远程控制机体行进，观测不全面，难免忽视危险区域，对机体造成严重安全威胁。在施工现场大型石块、
工程机械易对机体造成碰撞，观测不及时同样会威胁机体安全。
[0065] 速度调配模块通过在机体四周装备的6组红外测距传感器，形成全景红外感知网络，感应机体周围深度超过200mm的危险区域，并监测危险深坑的坡度。根据危险区域坡度、距机体的位置划分当前区域危险等级，根据危险等级智能调配行进速度，实现智能行进。
[0066] 表2机体危险区域行进速度(m/s)
[0067]
[0068]
[0069] 在另一实施例中，所述主动避障模块包括若干个超声传感器，这些超声传感器环绕车架本体周围，可感知车架本体预设距离范围内高度超过预设高度阈值的障碍物，并实
时传输障碍物的位置信息至中央处理器，由中央处理器输出报警信息及向驱动模块输出自
动刹车指令。
[0070] 具体地，主动避障模块采用全场景超声感知设计，利用8组超声传感器，感知机体机体500mm范围内高度超过200mm障碍物，实时传输障碍位置信息至中央处理器，由中央处
理器发出警报，提醒操作者停车，如操作者没有执行指令，执行机构将采取自动刹车、鸣笛等措施，有效防止机体碰撞损坏。
[0071] 在一个或多个实施例中，数据采集模块，包括可开合的密封机舱，所述机舱内设置有三维激光扫描设备，所述三维激光扫描设备与举升机构相连，所述举升机构与中央处理器相连，所述中央处理器用于控制举升机构动作来实现三维激光扫描设备的升降。
[0072] 具体地，三维激光扫描设备选用德国Z+F公司生产的5010C型三维激光扫描仪，该仪器是世界最先进的扫描仪器之一，同其它扫描仪相比，最快的扫描速度、187m的测量距离和最轻的系统重量在岩体结构探测方面具有明显优势。仪器采用
相位/脉冲式激光测距模
式，测量精度可达0.5mm；使用一级安全激光，不会对人员造成伤害；具有动态水平补偿功能，能够在1度倾斜范围内对扫描过程中每个点进行倾斜角度纠正。采用经久耐用的
铝镁
合金外壳进行
散热，无传统的散热风扇，减少了粉尘对机体的损害。
[0073] 具体地，如图3所示，所述举升机构包括：
[0074] 举升底座8，所述举升底座8上安装有导轨9，所述导轨9上设置有滑块10，所述滑块10与升降杆11，所述升降杆11上安装有三维激光扫描设备，所述滑块10上安装有滚珠丝杆
12，所述滚珠丝杆12的另一端还与支撑臂13铰接连接，所述滚珠丝杆12与步进电机14相连。
[0075] 数据采集模块是整套系统的核心，担负着岩体结构信息采集的任务。由于数据采集仪器精密昂贵，直接暴露在隧道恶劣环境中对仪器安全及稳定性产生较大的风险。因此，本实施例采用可开阖的全封闭机舱，用于放置三维激光扫描设备。
[0076] 在具体实施中，所述密封机舱包括机舱本体，所述机舱本体上设置有舱门盖，所述机舱本体与舱门盖边缘处加装有密封装置，用以保证密封机舱的气密性。
[0077] 在另一实施例中，所述舱门盖分为左右两扇，内部设置有加强筋以增加抗碰撞强度；所述舱门盖还设置有导流槽，用以在闭合时防止施工隧道内滴水侵入车身内部。
[0078] 在另一实施例中，所述密封机舱内设置有减震保护层。
[0079] 例如：机舱及盖板采用全封闭结构设计，选用1.5mm厚度304
不锈钢钣金工艺，表面喷塑，具备一定抗碰撞、抗砸落能力，钢板搭接处及舱门边缘处加装橡胶密封条，保证气密性，用于应对隧道及地下工程施工现场时有渗水的环境。增加了仪器在施工现场安全性。在舱内安装了三聚氰胺发泡海绵作为减震保护垫，能够缓冲、吸收振动，仪器收回机舱内时能将仪器部分包裹，保障了仪器稳定性。机舱上方及后面预留出高清红外巡检云台及部分高还原度补光设备的安装位置。
[0080] 在另一实施例中，所述数据采集模块，还包括：
[0081] 影像获取设备，其搭载于所述三维激光扫描设备上，采用自动调整的三级曝光模式，根据光线强度自动调整白平衡；
[0082] 影像获取设备与三维激光扫描设备的相对坐标中心重合，经过旋转获取的全景影像像素点坐标无需平移、旋转变换，直接匹配于三维激光点云坐标。
[0083] 例如：影像获取设备采用德国Z+F公司的I-cam相机，该相机能够通过不同角度拍摄42张照片拼接获取8000万像素的全景影像，采用自动调整的三级曝光模式，根据光线强
度自动调整白平衡方案。能够搭载于上述激光扫描仪，相机CCD芯片与扫描仪的相对坐标中心重合，经过旋转获取的全景影像像素点坐标无需平移、旋转变换，直接匹配于三维激光点云坐标，大大提高了融合精度，减少了计算工作量。
[0084] 在另一实施例中，所述数据采集模块，还包括：
[0085] 光照补偿模块，所述光照补偿模块包括LED灯板和闪射灯，所述闪射灯环绕设置在车架本体上；所述LED灯板与转动机构相连，所述转动机构与中央处理器相连。
[0086] 例如：
[0087] 光照补偿模块由8块LED灯板、5套高
亮度超高频闪射灯及相应传动机构组成。8块LED灯板构成了双级四向光照增强系统，装备在机舱盖板内侧，机舱盖板展开时翻出光照增强系统，同时展开二级灯板。根据环境要求，可灵活调节光照强度，由电机及传动机构和限位传感器等控制补光方位和角度，实现多亮度多角度多方位的光照增强方案。5套高亮度超高频闪射灯固定于机体多个方位，分别对机体的上方、左上方、右上方、后上方照射，增强环境亮度，平衡外界光线干扰。当机体打开补光系统时，系统对掌子面处、上方及侧面边墙补光效果稳定，实现了隧道恶劣环境下影像获取。
[0088] 在另一实施例中，所述数据采集模块，还包括：高清红外巡检模块。
[0089] 在具体实施中，高清红外巡检模块通过改装HDH5904-H73-R21型红外高清球机制作而成。监控球机均为倒挂式安装，将球机的摄像总成反向安装，实现了直立式安装。
[0090] 高清红外巡检模块能够按照控制端指令灵活调整摄像头方向，旋转范围水平为0～360度，垂直为0～90度，可持续旋转。镜头为可变18倍焦距光学
变焦镜头，
光圈自动调节。
在光照条件较好的环境下，传输1080P高清真彩色视频
信号，在昏暗环境中，自动切换为
1080P红外
视频信号。高清红外巡检模块还装备了雨刷器，防止隧道泥浆遮挡摄像头导致设备失控。
[0091] 在另一实施例中，所述数据采集模块，还包括：
[0092] 自动平衡模块，所述自动平衡模块安装在三维激光扫描设备的安装平台15上；
[0093] 所述自动平衡模块由三维陀螺仪、X轴调平机构、Y轴调平机构组成；
[0094] 所述三维陀螺仪用于检测三维激光扫描设备当前的位置并传送至中央处理器，所述中央处理器用于对接收的三维激光扫描设备当前的位置经过卡尔曼滤波后计算需调整
的角度，换算对应角度值后分别控制X轴调平机构和Y轴调平机构，使得三维激光扫描设备
的安装平台稳定。
[0095] 如图3所示，自动平衡模块由三维陀螺仪16、X轴调平机构17、Y轴调平机构18构成；X轴调平机构位于扫描仪安装平台上，使用蜗轮蜗杆减速机
直接驱动平台旋
转轴进行控制
调节。蜗轮蜗杆减速机速比为1：90，应用57步进电机驱动，调节范围±20°。
[0096] Y轴调平机构与机体的举升机构相结合，通过
连杆滑块机构的控制实现前后平衡调节。
[0097] 在具体实施中，X轴调平机构和Y轴调平机构均可采用驱动来实现。
[0098] 在另一实施例中，所述数据采集模块，还包括：环境监测模块。
[0099] 具体地，环境监测模块监测的内容有：粉尘浓度、空气湿度、空气
温度。
[0100] 粉尘浓度监测采用的是Sharp光学灰尘传感器(GP2Y1010AU0F)，用于检测直径大于0.8μm灰尘颗粒浓度，通过通气孔吸入环境空气，当光线射入空气时会受颗粒干扰，光束
能量发生衰减。通过衰减率反应粉尘浓度。
[0101] 空气的湿度和温度监测通过DHT11型数字温
湿度传感器来实现。该传感器含有已校准
数字信号输出的温湿度复合传感器，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技
术，确保可靠性和稳定性。传感器包括一个
电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位
单片机相连接。
[0102] 隧道及地下工程施工现场地面崎岖不平，机体到达待测区域时不可避免出现倾斜。在倾斜范围小于1度时，测量仪器能够自动角度补偿，但倾斜范围较大时，仪器会无法运行。
[0103] 在升降杆11上还设置有粉尘浓度监测模块19和湿度监测模块20。
[0104] 当激光扫描仪及
全景相机已到达
指定工作位置后，在控制端按下自动调平按钮，自动平衡装置即自动运行。中央处理器通过异步串口通信(UART,波特率9600)接收三轴陀
螺仪模块的数据，经过卡尔曼滤波后计算需调整的角度，中央处理器换算对应角度值后通
过专用步进电机
驱动器驱动两组两相四线步进电机，经过x轴的前后调节，y轴的左右调节
将扫描仪平台稳定。步进电机步进角为1.8度，经驱动器32细分后可以保障平台稳定在0.1
度以内，满足仪器自动补偿角度范围。
[0105] 中央处理器会在上述过程中记录下每一步的数据，收回时通过实时多次计算保证平台所搭载的扫描仪不会因为倾斜角度过大的原因与机体发生碰撞。保存第一次的初值，
在回收扫描仪前进行检校，保障了激光扫描仪等设备每一次的回收都准确无误。
[0106] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种
修改或
变形仍在本发明的保护范围以内。
