本實用新型涉及鐵路隧道工程檢測裝置領域，具體涉及一種基于陀螺儀定位的激光測距鐵路隧道檢測車。

背景技術：

日益增多的隧道不均勻沉降造成的鐵路隧道病害引起了運營部門的極大關注。在軟土地區(qū)長期運營中隧道將可能產生較大的縱向變形，縱向變形對隧道結構非常不利，當隧道存在過量的變形量或者縱向曲率達到一定的量值時，將會導致環(huán)縫張開過大而引起漏水漏泥，或者是管片受拉破壞，引起地鐵軌道產生扭曲變形；當隧道縱向不均勻沉降量過大時，將會造成軌道產生縱向偏差和高低差，影響列車運營時的舒適性和安全性，進而也會波及到周圍各類構筑物的正常使用。當軌道的縱向偏差和高低差超過標準時，道床開裂、軌道與車輪之間的磨損加重，導致日常維護和保養(yǎng)任務加重，造成巨大的經濟損失。同時，遂道的縱向變形和橫向受力也是分不開的，縱向變形過大時，將不可避免地引起襯砌環(huán)在橫向上的變形，隧道環(huán)間接縫張開，從而引起漏水漏泥和管片受拉破壞。新線施工、基坑開挖等地下工程打破了既有地鐵隧道的受力平衡，水平穿越河道的隧道長時間受到水流橫向作用，從而引起隧道水平方向的變形，同樣會造成隧道裂縫。因此地鐵隧道在建設中以及建成后，因地質、地下水、鄰近施工以及本身結構負荷等各方面的綜合影響，可能會使隧道結構產生裂縫、變形等危害隧道安全的變化，必須及時準確的進行長期的變形監(jiān)測以便及時發(fā)現和預報險情，保證隧道的施工以及運營的安全。

而現有的隧道人工檢測方法，需要檢測人員在夜間鐵路不運營或者車輛間隔時間長的沒有干擾的情況下時候才能檢測，逐點確定隧道橫截面的變形情況。這種方法有許多缺點，如檢測效率低、時間長，隧道環(huán)境可能對檢測人員造成傷害等問題。由于人工檢測效率低，只是選擇縱向沉降、凈空收斂和拱頂沉降項目，忽視了隧道水平向檢測的項目，導致無法獲得隧道整體變形信息。另外，目前也有研究者提出了利用車輛在隧道中行駛來采集各種變形信息并實現自動處理的構想，但該設想若投入實際使用時，其搭載的傳感器的平臺是汽車，因此傳感器本身在水平面上的位置就是左右移動的，依然無法對隧道的水平變形進行檢測。進一步的，目前的傳感器位置檢測通常采用GPS等定位模塊，但在隧道中由于物理阻隔，即使有中繼模塊的存在，其精度也并不高。而隧道變形的檢測又需要依賴于準確的空間位置信息，因此現有技術也無法滿足該需求。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服傳統(tǒng)檢測方法速度慢、精度低且只能檢測縱斷面、截面變形的缺點，并提供一種基于陀螺儀定位的激光測距鐵路隧道檢測車。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：

基于陀螺儀定位的激光測距鐵路隧道檢測車，包括車輛本體以及安裝于車輛本體上的車輪角度傳感器、陀螺儀、第一激光測距儀、第二激光測距儀和第三激光測距儀；所述的第一激光測距儀、第二激光測距儀和第三激光測距儀分別布置于車輛本體的左側、右側和頂部，分別用于測量車輛本體與隧道左側、右側及頂部內壁之間的距離；所述的車輪角度傳感器用于檢測車輪的轉動角度，所述的陀螺儀用于測量車輛本體在三維空間中的行駛角度；所述的車輛本體為有軌車輛。

作為優(yōu)選，所述的第一激光測距儀和第二激光測距儀底部的基座上設有角度調節(jié)裝置，用于調節(jié)第一激光測距儀和第二激光測距儀在隧道橫截面中的激光束發(fā)射角度。

進一步的，所述的第一激光測距儀、第二激光測距儀和第三激光測距儀的激光束發(fā)射角度總調節(jié)范圍能覆蓋整個隧道截面。

本實用新型相對于現有技術而言，具有以下優(yōu)點：

1)本實用新型采用有軌車輛作為各傳感器的搭載平臺，使檢測車在行進過程中，能夠通過數據換算定位待檢測的隧道在水平面上的空間位置，由此實現了水平方向上隧道的變形信息檢測。

2)本實用新型通過車輪角度傳感器和陀螺儀的組合，提供了一種能夠定位檢測車在隧道中三維空間位置的新方法，而且該方法無需信號中繼、GPS等系統(tǒng)配合，能夠適用于山區(qū)等復雜地形。

3)本實用新型在檢測過程中，無需使鐵路隧道停運或選擇長時間空置的情況，僅需在正常列車班次中加入檢測班次或者直接固定于常規(guī)列車上進行檢測，具有較好的便捷性。

附圖說明

圖1是一種基于陀螺儀定位的激光測距鐵路隧道檢測車的示意圖。

圖2是一種基于陀螺儀定位的激光測距鐵路隧道檢測車檢測流程圖。

圖3是一種基于陀螺儀定位的激光測距鐵路隧道檢測車三維坐標定位方法示意圖。

圖中：車輪角度傳感器1、陀螺儀2、激光測距儀3、車輛本體4。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步闡述和說明。本實用新型中各個實施方式的技術特征在沒有相互沖突的前提下，均可進行相應組合。

如圖1所示，為一種基于陀螺儀定位的激光測距鐵路隧道檢測車的實現方式，檢測車行進于隧道中。本實施例中，檢測車的車輛本體4是火車車廂，當然也可以采用其他有軌車輛，只要能夠沿鐵軌行駛即可?；疖囓噹獠客ㄟ^基座安裝有三個激光測距儀3，第一激光測距儀安裝在車廂的左側，第二激光測距儀安裝在車廂的右側，第三激光測距儀安裝在車廂的頂部。通常情況下，第三激光測距儀的激光發(fā)射角度設定為垂直向上，主要用于檢測車輛本體4與隧道頂部內壁之間的距離，然后根據車廂的高度換算為隧道拱頂的高度，進而計算拱頂沉降。而第一激光測距儀和第二激光測距儀主要用于檢測車輛本體的兩側與隧道側壁之間的距離，然后結合車廂的寬度換算為隧道水平方向的跨度距離，進而計算隧道兩側的凈空收斂。另外，車輛本體4上還安裝有車輪角度傳感器1和陀螺儀2。車輪角度傳感器1連接車輪的動力輸出軸，用于實時檢測車輪的轉動角度。根據車輛的車輪外徑，可以根據圓周長度計算公式得到車輛的行進距離。隧道的不同位置，其會存在水平的變形和縱向的沉降，當有軌車輛沿鐵軌行進時，車輛本體4的行進速度方向也會發(fā)生水平或縱向的變化，而該三維空間中的變化需要通過安裝在車輛內部的固定位置的陀螺儀進行檢測。

由于普通的激光測距儀每次只能測量到一個角度的距離，因此第一激光測距儀和第二激光測距儀的基座下方可設置角度調節(jié)裝置。角度調節(jié)裝置的作用是調節(jié)兩個激光測距儀在隧道橫截面中的激光束發(fā)射角度，以全面地掃描隧道橫截面中不同橫截面的變形信息。角度調節(jié)裝置可采用在基座下方設置球鉸的方式，從而調節(jié)基座的角度，當然角度調節(jié)裝置也可采用現有技術中的其他結構，如鉸接的連桿、轉盤等。但為了保證激光束發(fā)射角度僅在隧道橫截面中調整而不會產生沿隧道延伸方向的偏移，應盡量限制角度調節(jié)裝置的轉動自動度，使其僅能夠在隧道橫截面所處平面內轉動。為了保證激光的發(fā)射角度能夠覆蓋整個隧道橫截面，第一激光測距儀和第二激光測距儀盡量安裝于車廂側面靠近頂部的位置，且兩側的角度調節(jié)裝置的轉角也應足夠大，三個激光測距儀3配合下的激光檢測角度能夠覆蓋隧道橫截面的整個周長。同時，三個激光測距儀3的激光感應位置，即其分別發(fā)射的三條激光，應位于隧道的同一橫截斷面上。

當然，若不設置角度調節(jié)裝置，也可通過在側面設置多個具有不同的激光束發(fā)射角度的激光測距儀，來實現隧道橫截面中不同角度變形的檢測；或者采用能夠進行斷面橫掃的測距儀，這樣勢必會增加檢測車的成本但能夠減小全面檢測所需的時間。另外，車輛中還可以設置相應的數據處理裝置(如PC機、單片機、MCU等)，不斷地接收各傳感器的數據，進行實時匯總處理；當然也可以將數據進行存儲，待檢測完成后再導出進行綜合處理。

上述檢測車對鐵路隧道變形信息的檢測方法，其基本原理如圖2所示。下面給出一種具體實現步驟：

首先，選取一個坐標基準點，建立三維空間坐標系。一般可選擇隧道入口處鐵軌的行進初始點作為坐標基準點，以水平面上隧道的整體延伸方向為y軸，水平面上與y軸垂直方向為x軸，以與水平面垂直的鉛垂線方向為z軸，建立坐標系。當然，坐標系也可以根據實際進行調整，不影響后續(xù)變形信息的檢測。另外，啟動車輛前，需要根據檢測要求，調節(jié)兩側的激光測距儀的激光的發(fā)射角度，使其對準待檢測位置。

然后，啟動檢測車，使其沿鐵軌在鐵路隧道內行駛。行駛過程中，每隔一定距離設置檢測點，將整條隧道劃分為若干小段，以類似積分的方法得到整條隧道的三維空間坐標信息和變形信息。由于本實用新型是通過角度傳感器來測定行駛距離的，因此盡量保持車輪在鐵軌上不發(fā)生打滑，若打滑頻繁，需要進行相應的數據修正或者對車輪進行防滑處理。具體做法為，在行駛過程中車輪角度傳感器1、陀螺儀2和三個激光測距儀不斷工作，測定相應的信息：

車輪角度傳感器1不斷測量車輪的轉動角度，并根據輪徑換算為車輛的行駛距離；

陀螺儀2不斷測量車輛本體4在三維空間中的行駛角度。每當檢測車運行一定的距離，便通過計算該段距離內車輛本體在三維空間中的平均行駛角度。如圖3所示，實際的行駛角度，即車輛的運動方向是一個空間矢量，其與YZ、XZ和XY平面分別形成了夾角。基于該段距離的起點P_t坐標和三個夾角，通過空間幾何關系可以計算該段距離的終點P_t+1在三維空間中的三維坐標信息。具體計算公式如下：

式中：t+1和t分別為每段運行距離的終點時刻(對應點P_t+1)和起始時刻(對應點P_t)；(X_t+1，Y_t+1，Z_t+1)和(X_t，Y_t，Z_t)分別為t+1和t時刻檢測車在三維空間中的三維坐標；L為檢測車每段行駛的距離；α、β和γ分別為該段行駛距離中車輛行駛角度與YZ、XZ和XY平面的角度。

檢測車的每段運行距離中，還通過第一激光測距儀、第二激光測距儀和第三激光測距儀同時向隧道兩側和頂部發(fā)射脈沖激光束，由光電元件接收反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計算出相應的發(fā)射角度下從發(fā)射點到隧道內壁的距離，并換算為隧道的拱頂沉降和凈空收斂。

最后，當檢測車行駛完待測隧道后，得到檢測車的整條行駛軌跡上每段運行距離對應的三維坐標信息以及該段隧道的橫截面變形信息，并結合隧道的施工竣工驗收圖紙或者初始變形情況，獲得當前隧道在平縱橫三個方面的變形信息。

隧道整體沉降信息和水平變形情況主要通過整條行駛軌跡的三維坐標信息來確定，將陀螺儀2和激光測距儀3的數據進行整合、處理和分析后，把每段運行距離終點的坐標連接起來，即可得到鐵軌的延伸軌跡，由此獲得了隧道各段在三維空間中的三維定位信息，結合隧道的施工竣工驗收圖紙或者前一次測量得到的變形情況，從而檢測出隧道現在的整體沉降信息和水平變形情況。隧道橫向的變形信息主要通過整合三維定位信息和激光測距儀的信息獲得。激光測距儀測量出隧道中各距離段的拱頂沉降和凈空收斂，從而獲得隧道每段截面的變形信息；結合隧道的施工竣工驗收圖紙或者初始變形情況，可以獲得隧道橫向的變形信息。由此，實現了隧道平縱橫三個方面變形信息的全面測量。

若需要對隧道橫截面不同角度的凈空收斂進行測定時，可駕駛檢測車在待測隧道中來回行駛多次，且每次行駛前調節(jié)第一激光測距儀和第二激光測距儀在隧道橫截面中的激光束發(fā)射角度。如第一次行駛檢測隧道截面最下方位置，之后的每次行駛前，將發(fā)射角度以15°的角度逐漸抬升，直至與水平方向呈向上的75°角，由此逐漸覆蓋了隧道橫截面的全面掃描。

另外，檢測車每段行駛的距離L可以固定，也可以不固定。特別是針對變形較大的隧道段，可以通過縮小L值提高測量的準確性。

以上所述的實施例只是本實用新型的一種較佳的方案，然其并非用以限制本實用新型。有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。例如，激光測距儀也可采用其他距離測量裝置進行實現，其也屬于本實用新型保護范圍。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本實用新型的保護范圍內。