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摘 要：城市轨道交通在我国经济社会发展建设中正处于加速发展阶段，地铁隧道内部施工参数测量工艺的革新对此具有十分重要的意义。为保证整个隧道施工工艺高效、高质量地完成，克服传统隧道施工参数测量方法测量工艺复杂、测量精度不高，易受隧道内部复杂环境影响等缺点，设计开发一款基于二维激光雷达的智能激光雷达测量小车，对隧道剖面进行360度全方位、高精度的不断扫描，并将检测数据返回测量小车内仓的核心板，待核心板处理后得到隧道剖面的拟合曲线，并计算出施工参数。实践表明，采用智能激光雷达测量小车无论是在施工参数测量精度还是节省施工工艺所需人力、物力资源等方面都得到了很好的提高，满足了施工的需求。这项研究成果成功应用于兰州地铁1号线项目施工现场，节省了人力物力资源，大大提高了施工效率和進度。
关键词：城市轨道交通;施工参数;测量小车;二维激光雷达
中图分类号：TP242;TN958.98 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）10-0067-03
Abstract：Urban rail transit is in the stage of accelerating development in China’s economic and social development，and it is of great significance for the innovation of construction parameters measurement in metro tunnels. In order to ensure the efficient and high-quality completion of the entire tunnel construction process，overcoming the traditional tunnel construction parameter measurement method，the measurement process is complex，the measurement accuracy is not high，and it is vulnerable to the complex environment inside the tunnel. An intelligent laser measuring car based on two-dimensional laser is designed and developed. The tunnel section is continuously scanned 360 degrees in all directions and with high accuracy. The measured data are returned to the core board of the measuring car. After the core board is processed，the fitting curve of the tunnel section is obtained and the construction parameters are calculated. Practice has shown that the use of intelligent lidar to measure the car has been greatly improved in terms of construction parameters measurement accuracy and manpower and material resources required to save the construction process，and has met the construction requirements. Successfully applied to the construction site of Lanzhou Metro Line 1 project，saving manpower and material resources，greatly improving construction efficiency and progress.
Keywords：urban rail transit;construction parameters;measurement car;2D laser radar
0 引 言
目前，隧道施工参数测量方法有很多种，如钢尺收敛计测量、巴塞特收敛测量系统、智能化测量机器人等。但总体上分为接触式测量、非接触式测量两种。其中非接触式测量包括激光测距技术、数字图像处理技术和光栅传感技术等相关方法。以上方法虽然都可以实现隧道内施工参数的测量，但是都存在监测点数量有限、监测时间长、精度易受环境因素影响等缺点，而采用激光扫描技术则可以对上述不足进行很好的弥补。二维激光雷达是基于三角测距原理，并配以相关光学、电学、算法设计，能够进行360度高频高精度二维测距的产品。在进行隧道施工参数测量时，二维激光雷达机械结构进行360度旋转，不断获取角度信息，输出隧道内扫描环境的点云数据，为后续工艺的实施提供可靠的数据保障，因此运用激光扫描进行隧道施工参数的测量更为理想。
1 总体设计
智能激光雷达测量小车主要由动力装置、测量装置、控制装置三部分组成，其中动力装置采用12V大容量电池供电，坦克式履带能够适应复杂的地铁内部环境。测量装置（水平二维激光雷达）完成对前方障碍物的检测，同时完成对小车左右方向到隧道壁距离的测量，并将检测数据返回测量小车内仓的控制装置（核心板），经过核心板处理后，返回控制板控制小车的转向，保证小车沿隧道地面中轴线行驶。测量装置（垂直二维激光雷达）完成对隧道剖面的测量，数据返回核心板，核心板处理后得到隧道剖面的拟合曲线并实时显示在触摸显示屏上，计算出接触网施工参数。系统总体结构图如图1所示。
2 关键技术
智能激光雷达测量小车采用单片机作为控制核心部分，通过PWM调速控制前轮的转向，电机驱动模块控制测量小车的前后轮驱动直流减速电机，分别实现测量车的左转右转、前进和改变速度的功能。
采用二维激光雷达360度全方位扫描，产生隧道内部断面的平面点云图数据，并将数据返回测量小车内仓的核心板，待核心板处理后得到隧道剖面的拟合曲线，最终计算出隧道内部施工参数。
采用光电编码器这种高精度的角位移测量传感器的中空轴安装在小车车轮轴上，当测量小车转动时，编码器的中空轴会随着测量小车的车轴同步转动，通过测量编码器的旋转角度达到间接测量里程的目的。
2.1 智能激光雷达测量小车
智能激光雷达测量小车车体结构主要有坦克式履带、控制板及核心板、水平二维激光雷达、垂直二维激光雷达、触摸显示屏、供电电源等组成。测量小车的两部電机采用12V大容量电池供电，为测量小车提供行走动力，坦克式履带使测量小车能够很好地适应复杂的地铁内部路面环境。车体上的两部二维激光雷达，不但可以对隧道内部前方障碍物进行检测，而且可以对施工参数进行实时记录。将检测数据返回安装在测量小车内仓的核心板，经过核心板处理后，返回控制板控制测量小车的转向，保证小车沿隧道地面中轴线行驶。垂直方向的二维激光雷达完成对隧道剖面的测量，并将数据返回核心板，核心板处理后得到隧道剖面的拟合曲线，计算出接触网施工参数。
2.2 二维激光雷达
二维激光雷达不但在技术方面能够高密度、高分辨率地获取扫描物体的海量点云数据，而且可以减少传统地铁隧道施工参数测量所带来的人力、物力以及工艺重复性等方面的支出，提高了效率、节省了工艺成本，因此成为目前隧道施工参数测量的不二之选。
二维激光雷达是一款360度二维测距产品，它基于三角测距原理，并配以相关光学、电学、算法设计，可以360度全方位扫描测距，而且测距误差小、稳定性好、精度高、测距范围广（不低于16米），对于复杂的隧道内部环境适应性较强，驱动雷达转动的工业级无刷电机性能稳定，激光功率满足Class I级激光器安全标准，5-12Hz的自适应扫描频率，9000Hz的测距频率实现了360度全方位高速扫描测距。满足了隧道施工参数测量高效、准确的要求，节省了不必要的人力、物力的支出，保证了工期的顺利进行。表1为二维激光雷达性能参数。
2.3 增强式光电编码器
智能激光雷达测量小车在进行隧道施工参数测量时，测量点位置的里程记录对于保证测量位置的精度至关重要。目前常用的方法就是将测量检测仪器安装在测量小车上，通过测量小车转动来实现检测，因此记录里程比较有效的方法是，将光电编码器这种高精度的角位移测量传感器的中空轴安装在小车车轮轴上，当测量小车转动时，编码器的中空轴随着测量小测的车轴同步转动，这样通过测量编码器的旋转角度就可以达到间接测量行程里程的目的。
里程计数部分采用8052系列单片机中的内部计数器对输入的计数脉冲信号和正反转信号中断处理并相应向上或者向下计数，根据脉冲个数计算里程值，并将数据通过8052系列增强式单片机的串口通信功能，将计算所得的数据通过串口传送至智能激光雷达测量小车内仓的控制板。
3 测量原理
维激光雷达与坦克式履带小车组合在一起，搭载核心板、控制板、触摸显示屏等组成智能激光雷达测量小车。在进行隧道内部施工参数测量时为更好地满足“不断前进”和“实时扫描”的需求，采用线扫描模式，让测量小车沿着隧道前进的同时就能够对隧道壁进行扫描。垂直方向的二维激光雷达在对隧道壁扫描的同时，水平方向的二维激光雷达对前方的障碍物进行扫描，并将检测数据传回安装在测量小车内仓的核心板，经过核心板处理后，返回控制板控制测量小车的转向，保证小车沿隧道地面中轴线行驶。垂直方向的二维激光雷达完成对隧道剖面的测量，并将数据传回核心板，核心板处理后得到隧道剖面的点云数据，但由于隧道内部环境的复杂性，必将影响二维激光雷达的反射路径从而产生噪声点，因此采用RANSAC算法先把噪声点剔除，然后再拟合出隧道内部剖面曲线，计算出施工参数，并实时地显示在测量小车所搭载的显示屏上。图2为智能激光雷达测量流程示意图。
4 结 论
智能激光雷达测量系统主要从智能激光测量小车的车体结构、小车前方障碍物的躲避，以及测量原理等方面进行研究。相比较于目前的一些测量方法，无论是在准确度还是人力、物力的成本等方面都有着其他测量方法所不可替代的优点。主要表现在以下几个方面：
（1）履带式测量小车，因其体积较小、灵活性高、机动性强，既保证了测量小车在复杂的地铁内部环境中可以安全高效地进行施工参数测量，又克服了在传统测量时对一些相对狭小的空间凭借人力所不能进行测量的缺点。
（2）测量小车水平方向的二维激光雷达360度全方位扫描，对隧道内部前方障碍物进行实时检测记录，保证了测量小车沿隧道地面中轴线行驶。相对于采用多个传感器避障，二维激光雷达克服了其检测范围面小，实时性差，成本较高等缺点。
（3）垂直方向的二维激光雷达采用线扫描模式对隧道内部环境进行扫描，测量效率较高，对测量小车的位置和姿态及时矫正，并将检测数据返回测量小车内仓的核心板处理，得到隧道剖面的拟合曲线并实时显示到触摸显示屏上，最后计算出隧道施工所需要的各种参数。它不但可以直观形象地使人实时观测到隧道断面的拟合曲线变化，而且克服了传统测量测量缓慢，严重影响施工进度的缺点。
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作者简介：吴志勇（1975.09-），男，汉族，河南淮阳人，项目经理，工程师，本科，研究方向：电气工程及其自动化。