車載隧道斷面快速掃描系統研制

崔凱華

（1、遼寧省交通規劃設計院有限責任公司公路養護技術研發中心，遼寧 沈陽110000

2、遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽110000）

1 概述

隧道運營階段因時間跨度大、影響因素復雜、一旦隧道發生變形，可能會影響交通安全運營，留下安全隱患。根據國家公路隧道養護技術規范要求，每年需要根據隧道的實際情況對隧道斷面進行檢測，現有的隧道斷面檢測方法是使用激光斷面掃描儀對隧道斷面進行定點掃描，每檢測一個斷面需要人工移動儀器到下一檢測斷面進行斷面檢測，并將檢測數據存儲在儀器中，待檢測完成后將數據導入到服務器進行處理。這種檢測方法在檢測過程中需要對隧道全幅進行封閉，嚴重影響交通運行，并且掃描過程花費時間較長，致使整個隧道斷面檢測過程需要花費大量的人力成本以及時間成本。為此萊卡公司推出了一款激光斷面掃描儀，此設備每秒的掃描點數可以達到100 萬，并可以搭載于車輛，實現全隧道的高精度點云掃描，但其成本極高，對于普通用戶無法承擔。因此，本文開發了一種適用于隧道日常檢測的車載式隧道斷面快速檢測系統，此系統可以在不中斷交通的條件下，完成等間距隧道斷面的檢測工作，可以大大壓縮隧道斷面檢測工作的作業時間。另外考慮到檢測設備成本問題，同時根據隧道斷面檢測實際需求，本文選取SICK 公司的LMS511系列二維掃描傳感器，作為隧道斷面掃描主機，結合編碼器、信號調理設備以及嵌入式工控機集成開發了一種低成本、高效率的隧道斷面掃描系統。

2 車載斷面掃描系統開發

2.1 系統架構及工作原理

本文將周向激光掃描儀搭載于車輛隧道檢測系統中，研制一套適用于常規隧道斷面檢測的車載隧道斷面檢測系統，周向掃描儀應用于車載檢測系統面臨的關鍵問題在于如何使斷面掃描過程與車輛行駛速度保持同步，并保證檢測結果的穩定性。據此本文提出了如圖1 所示的車載隧道斷面快速檢測系統架構，此架構包括編碼器車速采集模塊、光電開關模塊、信號調理模塊、斷面掃描模塊、嵌入式工控機模塊、誤差補償模塊以及系統服務器。

圖1 系統框圖

圖1 所示系統被搭載于隧道檢測車輛中，在檢測過程中，編碼器與車輪同軸轉動，持續輸出與車輛行駛速度同步的脈沖信號，編碼器輸出的脈沖信號通過信號調理信號進行整形與變頻，后進入嵌入式工控機。另外，為了確保輪廓掃描的初始和截止位置，系統裝有買反射光電開關，當檢測車輛未進入隧道區域時光電開關沒有返回信號，輸出低電平，當檢測車輛進入隧道區域后，光電開關接收到返回信號，輸出高電平。光電開關輸出的電平信號通過信號整形電路，與編碼器產生的信號同時進入嵌入式工控機，工控機實時監測編碼器脈沖狀態以及光電開關的電平狀態。當光電開關輸出低電平的時候，斷面掃描系統停止工作，當光電開關輸出高電平的時候，斷面掃描系統進入工作狀態。

系統進入工作狀態后，工控機會實時監測編碼器的脈沖狀態，當編碼器脈沖為上升沿的時候，工控機會通過以太網接口向周向掃描儀發送單次掃描觸發信號，掃描儀收到工控機下達的單次斷面采集指令后會進行一次掃描，然后將采集到的斷面數據返回給工控機，存儲在內存中。另外，考慮到振動以及以及車輛傾斜等問題，會影響到斷面掃描的精度以及準確性，為此在系統中加入了加速度傳感器以及陀螺儀等設備，在工控機觸發斷面掃描儀進行斷面掃描的同時，也會采集車輛的振動信息以及偏轉信息，用于補償相應的誤差。最終將斷面信息以及補償信息同時上傳給服務器。

2.2 周向激光掃描儀設備

SICK 的LMS511PRO 二維掃描傳感器高精度、高速二維激光掃描傳感器（周向掃描儀），它以極坐標的方式環向測量多點距離信息，點與點間的角度間隔可以設定為固定值，LMS511PRO 基于激光測距原理，單點可以測得一個方向點的距離信息，激光頭可以通過高速微型電機進行高速轉動，在轉動過程中設備可以完成環向多點的測距工作，最終形成輪廓的極坐標信息。LMS511PRO 的最大掃描頻率為100hz，隧道檢測車的行駛速度不高于80km/h，假設檢測車以勻速行駛，可以計算出延隧道縱向最少每20cm 可以生成一組斷面數據，完全滿足車載斷面掃描的要求。但是，現有的普通周向掃描儀通常不具備外部觸發接口，只有極個別成本極高的掃描設備具有外觸發功能，無法推廣使用。因此本課題提出的將不具備外觸發接口的周向掃描儀集成到車載隧道檢測系統中，具備十分實際的應用價值。

2.3 硬件系統集成

嵌入式工控機具有接口齊全、電磁兼容性強、輕便靈活的特點，這些都是標準工控機無法比擬的，本文選取致遠電子的EPC9600 作為主機，它具有800M 的主頻，以及485 通訊接口、千兆以太網以及GPIO 等配置，十分適用于本應用。通過千兆以太網與斷面掃描儀進行通信，利用GPIO 接收編碼器產生的外觸發信號以及漫反射開關產生的電平信號，通過485 接口向服務器上傳斷面數據。

為了確保隧道斷面掃描車輛在進出洞口處可以準確的進行斷面掃描工作的開啟與關閉，即洞口的定位功能。隧道內表面的材質通常為防火涂料或者水泥表面，其反光性較差，因此我們采用漫反射光電開關作為系統的工作與否的總開關。漫反射光電開關的垂直向上，安裝于檢測車輛的頂部，隧道的凈高在6米至7.5 米，檢測車輛的高度為4.2 米，因此2 米至3.5 米的工作距離滿足光電開關的工作距離要求。當檢測車輛駛入隧道光電開關接收到隧道頂部的反射信號，即可開啟隧道斷面掃描系統?？紤]到單點光電開關可能會碰到水珠等反射不敏感的區域，我們可以在檢測車輛頂部不同位置安裝漫反射光電開關，只要有1 個光電開關接收到反射信號，就可以認為檢測車輛進入隧道內部，即可開啟設備。

信號調理模塊的功能是將編碼器以及漫反射開關產生的脈沖信號以及開關信號進行整形濾波，并且根據斷面檢測的間隔需求對編碼器產生的脈沖信號進行變頻，以達到固定間隔進行斷面掃描的目的，經過變頻處理后的脈沖信號可以確保車輛行駛固定距離（例如1 米）后產生一個周期的脈沖信號，以此信號觸發斷面掃描儀完成一次掃描工作。

誤差補償模塊包括安裝于車輛中間兩側的加速度傳感器，以及安裝于車輛中間位置的陀螺儀，加速度傳感器可以通過兩次積分獲取車輛瞬時的上下振動產生的位移信息，陀螺儀可以檢測到車輛的瞬時的傾斜角度，利用加速度傳感器檢測到的位移信息可以補償車輛產生的振動誤差，利用陀螺儀檢測到的傾斜角度可以修正輪廓的傾斜誤差。

3 系統應用與測試結果

本文研制的系統已被應用于隧道綜合檢測系統中，它可以快速完成間距為1 米的隧道斷面檢測工作，同一斷面相鄰點的極坐標角度間隔為5 度，嵌入式工控機通過485 通信接口將數據上傳給服務器，并實時顯示隧道斷面圖（如圖2 所示）。

圖2 隧道斷面掃描結果

4 結論

本文將二維掃描儀與車輛結合，研制出一種可以快速完成隧道等間隔斷面掃描的檢測系統，此系統不但提升了隧道斷面檢測的工作效率，同時大幅度降低了系統的成本，具有很大的應用價值。