專利名稱：面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于檢測技術(shù)領(lǐng)域的實時顯示系統(tǒng)，特別是一種面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氣壓沉箱工法是在地面下部設(shè)置一個氣密性高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工作室，向工作室內(nèi)注入壓力與刃口處地下水壓力相等的壓縮空氣，使設(shè)備在無水的環(huán)境下進(jìn)行挖土、排土，箱體在本身自重以及上部荷載的作用下下沉到指定深度，最后在沉箱結(jié)構(gòu)面底部澆筑混凝土底板的一種工法。該施工方法具有施工量少、結(jié)構(gòu)強度大、可以充分利用狹小的施工空間資源、施工安全可靠、對周圍建筑物無影響等優(yōu)點。但是，當(dāng)挖掘深度較深，對應(yīng)的作業(yè)氣壓較大時，作業(yè)人員呼吸困難，同時可在作業(yè)室內(nèi)作業(yè)的時間也相應(yīng)縮短，作業(yè)效率下降。此外，隨著氣壓的加大，作業(yè)室內(nèi)濕度加大，溫度也升高，作業(yè)人員倍感難受，患沉箱病的概率增大。無人工法是針對克服有人工法的上述缺點，而開發(fā)的一種徹底避免有人操作的全部自動化機械的工法，最大的特點是無人進(jìn)箱，所有作業(yè)全部使用遙控機械完成，故作業(yè)人員得到徹底解放；作業(yè)時間不受限制，故挖掘效率大大提高，進(jìn)而促使成本降低，施工安全可靠。當(dāng)氣壓沉箱采用無人化、自動化、信息化和人工呼吸保護(hù)系統(tǒng)等高新技術(shù)后，將使得地下空間的開發(fā)利用，可以向大深度、大面積的方向發(fā)展，可較好的適應(yīng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的需求。地表遙控的無人工法是利用安裝在沉箱挖掘鏟上的攝像機和設(shè)置于箱內(nèi)天頂上的監(jiān)視攝像機拍攝到的沉箱內(nèi)的土質(zhì)狀況、沉箱挖掘鏟及排土系統(tǒng)工作狀況的圖像信息，經(jīng)電纜傳送給地表中央控制室(與沉箱工作室有100米距離)內(nèi)的監(jiān)視器。操作人員可以從監(jiān)視器上可以清晰地觀察到箱內(nèi)的土質(zhì)狀況、沉箱挖掘鏟和排土裝置的工作狀況圖像。進(jìn)而通過操作盤、電纜向箱內(nèi)的挖掘機、排土裝置發(fā)工作控制命令。
沉箱內(nèi)的地貌形狀，是地表遙控的無人工法必須關(guān)注的重點，它不僅涉及沉箱挖掘鏟的挖掘方向與效率，還對沉箱的姿態(tài)有重大影響，另外對于沉箱的密閉性也至關(guān)重要，可以認(rèn)為，挖掘形狀的三維還原與顯示，直接決定工作的效率和沉箱的質(zhì)量。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，日本發(fā)明專利(專利號JP1165827)公布了一種利用工業(yè)攝像機組成的沉箱內(nèi)地質(zhì)監(jiān)視系統(tǒng)，這種方法無法顯示沉箱內(nèi)三維地貌。日本發(fā)明專利(專利號JP3221617)提出了一種利用超聲波傳感對沉箱內(nèi)狀況進(jìn)行采集、處理，并在地表控制室顯示的系統(tǒng)，這種方法存在信息損失、精確度低等缺點。因此研究一種面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)，對沉箱內(nèi)地貌形狀進(jìn)行三維顯示，為操作人員提供挖掘依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)，使其能實時地采集沉箱內(nèi)挖掘鏟下的地貌狀況，實時遠(yuǎn)距離傳輸，對采集的信息進(jìn)行建模還原，顯示沉箱內(nèi)較為準(zhǔn)確的三維地貌圖象，提供給在地表控制室內(nèi)操作人員進(jìn)行精確遙控挖掘的依據(jù)，提高沉箱無人化施工的精確性和可靠性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括四個模塊激光信號采集與處理模塊、信號傳輸模塊、運動控制模塊和三維地貌建模與顯示模塊。激光信號采集與處理模塊采集設(shè)置在沉箱頂板上的激光傳感器的信號，對采集的信號進(jìn)行放大處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送給串行通信緩沖器，供信號傳輸模塊傳送；信號傳輸模塊完成激光信號采集與處理模塊輸出的信號由沉箱內(nèi)處理器到中央控制室內(nèi)處理器之間的遠(yuǎn)程傳輸；運動控制模塊控制激光傳感器沿其掃描的平面一條垂直軸旋轉(zhuǎn)，從而輔助系統(tǒng)得到三維信息；三維地貌建模與顯示模塊對信號傳輸模塊送來的信息以及運動控制模塊傳來的角度信息進(jìn)行建模、還原，在顯示器上準(zhǔn)確地顯示出沉箱內(nèi)的地貌三維形狀。
所述的激光信號采集與處理模塊，負(fù)責(zé)采集安裝在沉箱頂板上的激光傳感器的信號，對采集的信號進(jìn)行放大處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送給串行通信緩沖器，供信號傳輸模塊傳送信號。激光信號采集與處理模塊硬件由施工現(xiàn)場的激光傳感器和處理器組成，監(jiān)控對象為沉箱內(nèi)地貌狀況，可根據(jù)沉箱平面形狀來安置激光傳感器位置，一般在沉箱頂板的幾何中心，高度適宜。信號的采集與處理集成一起，由一個處理器處理，其輸出信號經(jīng)信號傳輸模塊傳送到地面控制室內(nèi)處理器處理。
所述的信號傳輸模塊負(fù)責(zé)將激光信號采集與處理模塊的輸出信號傳送到地表控制室內(nèi)的處理器。信號傳輸模塊硬件主要由UART(通用異步接收器發(fā)送器)構(gòu)成。串行通信可提供高達(dá)10Mb/s的傳輸速率，加快信號傳輸，縮短了傳輸時間。通過串行通信可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。串行通信為激光三維地貌顯示帶來的好處有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、接線少、費用低廉。
所述的運動控制模塊負(fù)責(zé)控制激光傳感器沿其掃描的平面一條垂直軸旋轉(zhuǎn)，從而輔助系統(tǒng)得到三維信息。激光傳感器掃描是一個平面，運動控制系統(tǒng)則控制激光傳感器沿其掃描平面的垂直軸方向旋轉(zhuǎn)，從而地表控制室內(nèi)主處理器得到三維信息。運動控制模塊主要由云臺電機和角度傳感器構(gòu)成。云臺電機驅(qū)動激光傳感器沿其掃描平面的垂直軸旋轉(zhuǎn)，角度傳感器則可以得到激光傳感器精確的旋轉(zhuǎn)角度。
所述的三維地貌建模與顯示模塊對信號傳輸模塊送來的特征信息以及運動控制模塊傳來的角度信息進(jìn)行建模、還原，在顯示器上準(zhǔn)確地顯示出沉箱內(nèi)的地貌三維形狀。地表控制室內(nèi)主處理器(PC)主要通過軟件擬合實現(xiàn)對傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模與顯示。它利用各種傳感器對沉箱內(nèi)施工現(xiàn)場進(jìn)行實時掃描，獲得離散點的三維信息，通過軟件用擬合算法將離散的點轉(zhuǎn)換成三維曲面，并在顯示屏上實時顯示出沉箱內(nèi)三維地貌圖像。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以通過對沉箱內(nèi)三維地貌的實時、準(zhǔn)確顯示，實現(xiàn)精細(xì)施工作業(yè)，通過串行通訊技術(shù)，實現(xiàn)沉箱施工現(xiàn)場與地表控制室之間互聯(lián)。工作人員可以對沉箱地貌的三維狀況、挖掘機的位置、姿勢及自動裝土等設(shè)備之間的相互關(guān)系可以較為準(zhǔn)確的把握，并參考該部分信息作出判斷，完成施工?？傮w上來說實現(xiàn)了地表遙控氣壓沉箱無人化施工時對沉箱內(nèi)地貌的三維顯示，保障了氣壓沉箱的施工準(zhǔn)確、安全，降低了施工費用，提高了生產(chǎn)效率，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)競爭力。


圖1本發(fā)明面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)示意圖。
圖2激光掃描儀與云臺電機工作示意圖
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的系統(tǒng)作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明系統(tǒng)組成如圖1所示，包括四個模塊激光信號采集與處理模塊、信號傳輸模塊、運動控制模塊和三維地貌建模與顯示模塊。其中硬件主要包括激光掃描儀LMS200(包括激光傳感器和信號采集與處理部分)、云臺電機與角度傳感器和地表控制室內(nèi)主處理器PC機。
激光信號采集與處理模塊通過安裝在沉箱頂板上的激光傳感器采集沉箱內(nèi)地層狀況信息。本發(fā)明中激光傳感器采用德國Sick公司生產(chǎn)的型號為LMS200的LaserScanner，其掃描范圍為一個0-180度，分辨率為0.5度，它以75Hz的速率掃描沉箱內(nèi)一個平面信息，獲得地層離散點的角度和半徑信息，其輸出信號經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換處理，送至處理器，處理器進(jìn)行臨時性存儲，送到串口發(fā)送緩存，利用信號傳輸模塊將信息傳送到地表控制室內(nèi)主處理器。
因為激光傳感器掃描是一個平面，要得到三維信息，需要另一個方向的信息。運動控制模塊利用云臺電機用來驅(qū)動激光傳感器沿其掃描的平面內(nèi)一條垂直軸旋轉(zhuǎn)，如圖2所示，利用角度傳感器采集激光傳感器的旋轉(zhuǎn)角度，將采集的角度信息經(jīng)過處理后送至地表控制室內(nèi)主處理器，從而得到三維信息數(shù)據(jù)。
信號傳輸模塊將激光傳感器采集的地層各離散點的信息以串行通信方式，送至地表控制室主處理器，可供隨時瀏覽、檢查和三維建模還原、顯示。對于串行通訊，我們可以選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率為1Mb/s。這對于沉箱內(nèi)地層平面深度信息的傳輸而言，已經(jīng)能滿足通訊要求。
三維地貌建模與顯示模塊由地表控制室內(nèi)主處理器PC機負(fù)責(zé)接收沉箱現(xiàn)場各傳感器采集的信息，進(jìn)行存儲，可供以后瀏覽、檢查；同時PC機通過軟件擬合實現(xiàn)沉箱內(nèi)地貌三維形狀的還原與顯示。PC機首先讀取激光傳感器實時掃描的地層離散點的二維信息，再結(jié)合角度傳感器傳送的一維角度信息，用擬合算法將離散的點轉(zhuǎn)換成三維曲面，并在顯示屏上實時顯示出沉箱內(nèi)三維地貌圖像。
權(quán)利要求
1.一種面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括四個模塊激光信號采集與處理模塊采集沉箱內(nèi)地貌信息，并對采集的信號進(jìn)行處理，然后送給串行通信緩沖器，供信號傳輸模塊傳送；信號傳輸模塊完成激光信號采集與處理模塊輸出的信號由沉箱內(nèi)處理器到中央控制室內(nèi)處理器之間的遠(yuǎn)程傳輸；運動控制模塊控制激光傳感器沿其掃描的平面一條垂直軸旋轉(zhuǎn)，從而輔助系統(tǒng)得到三維信息；三維地貌建模與顯示模塊對信號傳輸模塊送來的信息以及運動控制模塊傳來的角度信息進(jìn)行建模、還原，在顯示器上準(zhǔn)確地顯示出沉箱內(nèi)的地貌三維形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)，其特征是，所述的激光信號采集與處理模塊，負(fù)責(zé)采集安裝在沉箱頂板上的激光傳感器的信號，對采集的信號進(jìn)行放大處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送給串行通信緩沖器，供信號傳輸模塊傳送信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)，其特征是，所述的激光信號采集與處理模塊，其監(jiān)控對象為沉箱內(nèi)地貌狀況，可根據(jù)沉箱平面形狀來安置激光傳感器位置，在沉箱頂板的幾何中心，信號的采集與處理集成一起，由一個處理器處理，其輸出信號經(jīng)信號傳輸模塊傳送到地面控制室內(nèi)處理器處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)，其特征是，所述的信號傳輸模塊，負(fù)責(zé)將激光信號采集與處理模塊的輸出信號傳送到地表控制室內(nèi)的處理器，其串行通信可提供高達(dá)10Mb/s的傳輸速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)，其特征是，所述的運動控制模塊，其運動控制系統(tǒng)則控制激光傳感器沿其掃描平面的垂直軸方向旋轉(zhuǎn)，從而地表控制室內(nèi)主處理器得到三維信息。
全文摘要
一種面向氣壓沉箱激光三維地貌實時顯示系統(tǒng)，包括四個模塊激光信號采集與處理模塊采集沉箱內(nèi)地貌信息，并對采集的信號進(jìn)行處理，然后送給串行通信緩沖器，供信號傳輸模塊傳送；信號傳輸模塊完成激光信號采集與處理模塊輸出的信號由沉箱內(nèi)處理器到中央控制室內(nèi)處理器之間的遠(yuǎn)程傳輸；運動控制模塊控制激光傳感器沿其掃描的平面一條垂直軸旋轉(zhuǎn)，從而輔助系統(tǒng)得到三維信息；三維地貌建模與顯示模塊對信號傳輸模塊送來的信息以及運動控制模塊傳來的角度信息進(jìn)行建模、還原，在顯示器上準(zhǔn)確地顯示出沉箱內(nèi)的地貌三維形狀。本發(fā)明實現(xiàn)沉箱內(nèi)三維地貌在地表遙控室的顯示，為氣壓沉箱無人化精確施工提供了依據(jù)。
文檔編號G01B11/24GK1667357SQ20051002492
公開日2005年9月14日 申請日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月7日
發(fā)明者曹其新, 王儉坤, 趙言正, 付莊, 李寶順 申請人:上海交通大學(xué)