车载隧道断面快速扫描系统研制

崔凯华

（1、辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心，辽宁 沈阳110000

2、辽宁大通公路工程有限公司，辽宁 沈阳110000）

1 概述

隧道运营阶段因时间跨度大、影响因素复杂、一旦隧道发生变形，可能会影响交通安全运营，留下安全隐患。根据国家公路隧道养护技术规范要求，每年需要根据隧道的实际情况对隧道断面进行检测，现有的隧道断面检测方法是使用激光断面扫描仪对隧道断面进行定点扫描，每检测一个断面需要人工移动仪器到下一检测断面进行断面检测，并将检测数据存储在仪器中，待检测完成后将数据导入到服务器进行处理。这种检测方法在检测过程中需要对隧道全幅进行封闭，严重影响交通运行，并且扫描过程花费时间较长，致使整个隧道断面检测过程需要花费大量的人力成本以及时间成本。为此莱卡公司推出了一款激光断面扫描仪，此设备每秒的扫描点数可以达到100 万，并可以搭载于车辆，实现全隧道的高精度点云扫描，但其成本极高，对于普通用户无法承担。因此，本文开发了一种适用于隧道日常检测的车载式隧道断面快速检测系统，此系统可以在不中断交通的条件下，完成等间距隧道断面的检测工作，可以大大压缩隧道断面检测工作的作业时间。另外考虑到检测设备成本问题，同时根据隧道断面检测实际需求，本文选取SICK 公司的LMS511系列二维扫描传感器，作为隧道断面扫描主机，结合编码器、信号调理设备以及嵌入式工控机集成开发了一种低成本、高效率的隧道断面扫描系统。

2 车载断面扫描系统开发

2.1 系统架构及工作原理

本文将周向激光扫描仪搭载于车辆隧道检测系统中，研制一套适用于常规隧道断面检测的车载隧道断面检测系统，周向扫描仪应用于车载检测系统面临的关键问题在于如何使断面扫描过程与车辆行驶速度保持同步，并保证检测结果的稳定性。据此本文提出了如图1 所示的车载隧道断面快速检测系统架构，此架构包括编码器车速采集模块、光电开关模块、信号调理模块、断面扫描模块、嵌入式工控机模块、误差补偿模块以及系统服务器。

图1 系统框图

图1 所示系统被搭载于隧道检测车辆中，在检测过程中，编码器与车轮同轴转动，持续输出与车辆行驶速度同步的脉冲信号，编码器输出的脉冲信号通过信号调理信号进行整形与变频，后进入嵌入式工控机。另外，为了确保轮廓扫描的初始和截止位置，系统装有买反射光电开关，当检测车辆未进入隧道区域时光电开关没有返回信号，输出低电平，当检测车辆进入隧道区域后，光电开关接收到返回信号，输出高电平。光电开关输出的电平信号通过信号整形电路，与编码器产生的信号同时进入嵌入式工控机，工控机实时监测编码器脉冲状态以及光电开关的电平状态。当光电开关输出低电平的时候，断面扫描系统停止工作，当光电开关输出高电平的时候，断面扫描系统进入工作状态。

系统进入工作状态后，工控机会实时监测编码器的脉冲状态，当编码器脉冲为上升沿的时候，工控机会通过以太网接口向周向扫描仪发送单次扫描触发信号，扫描仪收到工控机下达的单次断面采集指令后会进行一次扫描，然后将采集到的断面数据返回给工控机，存储在内存中。另外，考虑到振动以及以及车辆倾斜等问题，会影响到断面扫描的精度以及准确性，为此在系统中加入了加速度传感器以及陀螺仪等设备，在工控机触发断面扫描仪进行断面扫描的同时，也会采集车辆的振动信息以及偏转信息，用于补偿相应的误差。最终将断面信息以及补偿信息同时上传给服务器。

2.2 周向激光扫描仪设备

SICK 的LMS511PRO 二维扫描传感器高精度、高速二维激光扫描传感器（周向扫描仪），它以极坐标的方式环向测量多点距离信息，点与点间的角度间隔可以设定为固定值，LMS511PRO 基于激光测距原理，单点可以测得一个方向点的距离信息，激光头可以通过高速微型电机进行高速转动，在转动过程中设备可以完成环向多点的测距工作，最终形成轮廓的极坐标信息。LMS511PRO 的最大扫描频率为100hz，隧道检测车的行驶速度不高于80km/h，假设检测车以匀速行驶，可以计算出延隧道纵向最少每20cm 可以生成一组断面数据，完全满足车载断面扫描的要求。但是，现有的普通周向扫描仪通常不具备外部触发接口，只有极个别成本极高的扫描设备具有外触发功能，无法推广使用。因此本课题提出的将不具备外触发接口的周向扫描仪集成到车载隧道检测系统中，具备十分实际的应用价值。

2.3 硬件系统集成

嵌入式工控机具有接口齐全、电磁兼容性强、轻便灵活的特点，这些都是标准工控机无法比拟的，本文选取致远电子的EPC9600 作为主机，它具有800M 的主频，以及485 通讯接口、千兆以太网以及GPIO 等配置，十分适用于本应用。通过千兆以太网与断面扫描仪进行通信，利用GPIO 接收编码器产生的外触发信号以及漫反射开关产生的电平信号，通过485 接口向服务器上传断面数据。

为了确保隧道断面扫描车辆在进出洞口处可以准确的进行断面扫描工作的开启与关闭，即洞口的定位功能。隧道内表面的材质通常为防火涂料或者水泥表面，其反光性较差，因此我们采用漫反射光电开关作为系统的工作与否的总开关。漫反射光电开关的垂直向上，安装于检测车辆的顶部，隧道的净高在6米至7.5 米，检测车辆的高度为4.2 米，因此2 米至3.5 米的工作距离满足光电开关的工作距离要求。当检测车辆驶入隧道光电开关接收到隧道顶部的反射信号，即可开启隧道断面扫描系统。考虑到单点光电开关可能会碰到水珠等反射不敏感的区域，我们可以在检测车辆顶部不同位置安装漫反射光电开关，只要有1 个光电开关接收到反射信号，就可以认为检测车辆进入隧道内部，即可开启设备。

信号调理模块的功能是将编码器以及漫反射开关产生的脉冲信号以及开关信号进行整形滤波，并且根据断面检测的间隔需求对编码器产生的脉冲信号进行变频，以达到固定间隔进行断面扫描的目的，经过变频处理后的脉冲信号可以确保车辆行驶固定距离（例如1 米）后产生一个周期的脉冲信号，以此信号触发断面扫描仪完成一次扫描工作。

误差补偿模块包括安装于车辆中间两侧的加速度传感器，以及安装于车辆中间位置的陀螺仪，加速度传感器可以通过两次积分获取车辆瞬时的上下振动产生的位移信息，陀螺仪可以检测到车辆的瞬时的倾斜角度，利用加速度传感器检测到的位移信息可以补偿车辆产生的振动误差，利用陀螺仪检测到的倾斜角度可以修正轮廓的倾斜误差。

3 系统应用与测试结果

本文研制的系统已被应用于隧道综合检测系统中，它可以快速完成间距为1 米的隧道断面检测工作，同一断面相邻点的极坐标角度间隔为5 度，嵌入式工控机通过485 通信接口将数据上传给服务器，并实时显示隧道断面图（如图2 所示）。

图2 隧道断面扫描结果

4 结论

本文将二维扫描仪与车辆结合，研制出一种可以快速完成隧道等间隔断面扫描的检测系统，此系统不但提升了隧道断面检测的工作效率，同时大幅度降低了系统的成本，具有很大的应用价值。