[发明专利]一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法

权利要求书

1.一种基于激光扫描的地铁隧道限界动态检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、构建统一直角坐标系统及坐标系统修正：

（1）采用地铁隧道的建筑限界坐标系为统一的直角坐标系，记为C_aS，该坐标系为正交于轨道中心线的直角坐标，通过两轨道轨顶中心连线的中点O引出的水平坐标轴，用Y表示；通过该中点垂直于水平轴的坐标轴用Z表示，

（2）二维激光扫描仪自带的坐标系，记为Css，Css为：原点为扫描镜头的中心点，水平向左为Y轴，竖向为Z轴，运动方向为X轴，

（3）坐标系Css向坐标系C_aS转换公式：

式中，为二维激光扫描仪自带坐标系Css中坐标值；为统一的直角坐标系C_aS中坐标值；、、为激光扫描仪安装位置固定参数，分别为距离两轨道轨顶中心连线的中点O的水平距离、高度及扫描仪安装倾角；β为左右轨道面的倾角；

S2、利用地铁隧道变形检测车采集隧道内轮廓空间数据和定位数据：

（1）地铁隧道变形检测车采集设备包括二维激光扫描仪、编码器、二维倾角仪和笔记本电脑；

（2）通过地铁隧道变形检测车的二维激光扫描仪对隧道内轮廓断面进行360°扫描，获得隧道内轮廓断面的激光扫描点云数据，记为C；

（3）通过地铁隧道变形检测车的双编码器采集车行驶累计距离，该距离可转换为隧道里程数据，单个数据记录格式为index_yyyy_mm_dd_hh_mm_ss_bbb_increment，表示为激发序号_年_月_日_时_分_秒_毫秒_距离增量，两编码器分别安装于地铁隧道变形检测车的左右两侧的测距轮中，并利用时间同步器以确保两编码器输出的数据时间是一致的；

（4）通过地铁隧道变形检测车的二维倾角仪采集检测车行驶当前左右轨道面的倾角，记为，单个数据记录格式为，index_yyyy_mm_dd_hh_mm_ss_bbb_angle，表示为采集序号_年_月_日_时_分_秒_毫秒_倾角值，通过时间检索并对里程进行插值可确定当前倾角数据对应的里程位置；

S3、数据预处理：

（1）通过编码器采集的数据获取当前检测位置隧道里程数值K_T，通过里程K_T获取当前地铁限界几何模型M_k，

当前检测位置隧道里程数值K_T确定方法：获取检测当前时刻两编码器的累计距离K_R、K_L，求其平均值K=（K_R +K_L）*0.5，依据初始位置的里程K₀可计算得到当前检测位置隧道里程数值K_T=K₀+Flag*K，当检测方向为大里程方向时，Flag取1，当检测方向为小里程方向时，Flag取-1；

（2）获得当前检测位置左右轨道面的倾角及隧道内轮廓断面激光扫描点集P₀，对扫描点集进行除噪和坐标转换处理；

S4、基于扫描数据对隧道限界进行实时分析：

（1）提取地铁限界几何模型M_k的二维外包围盒B，二维外包围盒B的提取方法：

（1.1）遍历几何模型M_k的所有点坐标，获得X、Y轴的最大值和最小值，分别为X_min、X_max、Y_min和Y_max，其中Z轴坐标不用，可不管；

（1.2）二维外包围盒B的两对角点的坐标分别为P_min（X_min、Y_min），P_max（X_max、Y_max）；

（2）逐个遍历除噪后的扫描点集P，计算扫描点P_i与二维外包围盒B的几何拓扑关系，如果点P_i位于二维外包围盒B的外部，则不处理，否则进入下一步；

（3）计算扫描点P_i与几何模型M_k的几何拓扑关系，如果点位于几何模型M_k之内，则说明有物体侵入限界之内，启动报警；如果扫描点位于几何模型M_k的边界上且扫描点非轨面扫描点，则说明物体同样侵入限界，启动报警；

S5、保存当前扫描点云、轨面倾角、里程和限界几何模型数据，并输出隧道限界分析结果；

S6、重复步骤S2~S5，可实时完成整个隧道的限界动态检测。