一种隧洞内手持SLAM导航仪定位靶点的空间坐标测定装置、方法、记录媒体和系统与流程

本发明属于水工隧洞工程，公开了一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定装置、方法、记录媒体和系统。

背景技术：

1、水工涉及的地下厂房和引水隧洞等地下洞室，地质条件复杂，突发地质灾害频繁。隧洞普遍具有较深的埋深和较大的洞径，施工过程中由于通风条件差，灰尘大、温度高，给地质人员带来健康和安全方面的挑战。因此，地质人员必须迅速而有效地完成现场地质编录工作，以减小风险。采用手持slam(同步定位与建图)导航仪进行地质编录，能够显著提高编录效率，降低地质人员面临的风险。按照规范及相关技术要求，根据隧洞开挖进度，每开挖一段距离将对新开挖段隧洞围岩进行地质编录，直至隧洞贯通。

2、然而，在使用手持slam导航仪进行地质编录时，需要解决一个关键问题：如何快速而准确地定位靶点。由于隧洞内通常无法接收gps信号，传统的靶点定位方法无法直接应用。一种可行的解决方案是在隧洞洞口附近通过gps定位设置一个固定定位靶点，将手持slam导航仪的初始位置与这个参考点进行校准。存在的问题是：手持slam导航仪的定位精度通常只有100m左右。随着隧洞开挖长度提升，掌子面到洞口的距离达到1000m甚至更长；按照常规思路，此时只能采用手持slam导航仪读取隧洞洞口处的gps定位的靶点，然后将手持slam导航仪往隧洞深处移动一段距离，并通过该设备再次手动在隧洞壁进行重新定位，重复循环该过程直至到达指定扫描洞段，此时，靶点定位将变得十分复杂繁琐，且每次进入隧洞进行三维点云数据采集都将重新定位，原因在于上一次扫描过程中，靠近掌子面的靶点会随着隧洞初次衬砌的喷射混凝土或二次衬砌的管片所覆盖，无法保留下来。不难看出要进行隧洞内围岩地质编录，首先得解决快速定位靶点的问题，作为定位靶点的参考标志物随着工程推进不断被移除，且隧洞内往往没有gps信号，造成定位靶点的坐标很难获得。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定装置，包括上表面固定有水平仪的水平条形板，一端固定有两只圆柱形、分别与水平条形板中轴线垂直的激光测距仪探头，两只所述激光测距仪探头分别与水平条形板中轴线构成竖直面和水平面；水平条形板另一端铰接有两只圆柱形的激光测距仪探头，其中一只能在所述竖直面内绕铰接轴旋转，另一只能在所述水平面内绕铰接轴旋转。

2、由于隧洞施工期间，需持续对拱顶沉降与净空变化进行监控，通常会采用全站仪读取反射膜片的空间坐标，并在1-2天内完成监控点的坐标更新，这相当于给手持slam导航仪定位的技术人员提供了基点坐标，而上述的空间坐标测定装置能够依据该基点坐标测算出手持slam导航仪建图所需要使用的3个定位靶点坐标；且基点的更新频率与隧洞地质编录采集频率相匹配，方便手持slam导航仪进行隧洞地质编录采集。

3、优选的，所述水平仪为半球形。

4、半球形水平仪能较快识别水平条形板的倾斜方向，从而快速调平。

5、优选的，所述水平条形板能通过伸缩调整长度。

6、这就能依据隧洞高度、宽度及时调整水平条形板的长度，以便兼顾测量精度和通过性。

7、优选的，所述水平条形板上设有彼此电连接的电源、存储模块、计算模块、交互界面，所述存储模块用于存储坐标值、距离值和计算公式，所述计算模块用于通过运算程序计算坐标值，所述交互界面用于显示存储内容、计算过程和结果及数据输入。

8、这种设计使得隧洞地质编录采集人员无须进行繁复有的计算，有限的人力资源聚焦于测量的精准上，需要求取的坐标由装置上配有的相关模块自动得出。

9、本发明还提供一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定方法，使用到上述的空间坐标测定装置，具体方案包括如下步骤：

10、s1.将作为基点使用的反射膜片的空间坐标输入空间坐标测定装置，在隧洞开挖裸露段前方标记手持slam导航仪建图所需要使用的3个定位靶点；

11、s2.保持水平条形板处于水平，使其一端位于竖直面内与水平条形板中轴线垂直的激光测距仪探头竖直向上对准反射膜片，调整水平条形板的高度和水平面上的转角使同一端的位于水平面内的激光测距仪探头对准第一定位靶点；

12、s3.调节水平条形板另一端竖直面内的激光测距仪探头角度，使其对准所述反射膜片；调节水平杆另一端水平面内的激光测距仪探头角度，使其对准第一定位靶点，记录所有激光测距仪探头测得的距离，根据所述距离、水平条形板的长度和反射膜片的坐标，通过直角三角形三边长关系列方程组解得第一定位靶点的空间坐标；

13、s4.以s1-s3步骤中相同的方法分别获取第二定位靶点和第三定位靶点的空间坐标。

14、本发明的另一方案在于提供一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，当执行指令时，将致使处理电路执行上述的一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定方法。

15、本发明的又一方案在于提供一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定方法。

16、相对于现有技术，本发明产生以下有益效果：

17、结合隧洞变形监测过程中使用到的反射膜片定位信息，通过4个激光测距仪探头测量水平条形板两端与反射膜片及定位靶点的距离，利用直角三角形三边长关系列方程组解得各定位靶点的空间坐标，方便远距离隧洞中手持slam导航仪进行隧洞地质编录采集工作。

技术特征：

1.一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定装置，其特征在于包括上表面固定有水平仪的水平条形板，一端固定有两只圆柱形、分别与水平条形板中轴线垂直的激光测距仪探头，两只所述激光测距仪探头分别与水平条形板中轴线构成竖直面和水平面；水平条形板另一端铰接有两只圆柱形的激光测距仪探头，其中一只能在所述竖直面内绕铰接轴旋转，另一只能在所述水平面内绕铰接轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定装置，其特征在于，所述水平仪为半球形。

3.根据权利要求2所述的一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定装置，其特征在于，所述水平条形板能通过伸缩调整长度。

4.根据权利要求3所述的一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定装置，其特征在于，所述水平条形板上设有彼此电连接的电源、存储模块、计算模块、交互界面，所述存储模块用于存储坐标值、距离值和计算公式，所述计算模块用于通过运算程序计算坐标值，所述交互界面用于显示存储内容、计算过程和结果及数据输入。

5.一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定方法，其特征在于使用权利要求1-4中任一项所述的空间坐标测定装置，包括以下步骤：

6.一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，其特征在于，当执行指令时，将致使处理电路执行权利要求5所述的一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定方法。

7.一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定装置系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行权利要求5所述的一种隧洞内手持slam导航仪定位靶点的空间坐标测定方法。

技术总结本发明属于水工隧洞工程技术领域，特别涉及一种隧洞内手持SLAM导航仪定位靶点的空间坐标测定装置及方法，结合隧洞变形监测过程中使用到的反射膜片定位信息，通过4个激光测距仪探头测量水平条形板两端与反射膜片及定位靶点的距离，利用直角三角形三边长关系列方程组解得各定位靶点的空间坐标，方便远距离隧洞中手持SLAM导航仪进行隧洞地质编录采集工作。本发明还提供一种存储有该方法程序的非暂态可读记录媒体及包含该媒体的系统，通过处理电路可以调用程序，执行上述方法。技术研发人员：颜慧明,吴泽阳,赵鑫,胡坤生,雷世兵,丁霖,毛仲敏,汪长重,耿军民,张良平受保护的技术使用者：长江岩土工程有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/21