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编辑：中冶有色技术网
来源：东北大学
权利要求
1.矿用三维激光数字测量仪，其特征在于，包括激光测距发射接收器、步进伺服电机一、步进伺服电机二、水平角度传感器、垂直角度传感器、步进电机控制器和上位机；
所述激光测距发射接收器通过水平转动轴设置于框架结构，所述水平转动轴与步进伺服电机二通过传输带二连接，所述水平转动轴还与垂直角度传感器连接；所述框架结构的底部与竖直转动轴连接，所述竖直转动轴与步进伺服电机一通过传输带一连接，所述竖直转动轴还与水平角度传感器连接；
所述步进电机控制器与角度编码器连接，所述步进电机控制器还与步进伺服电机一和步进伺服电机二连接，所述上位机分别与激光测距发射接收器、水平角度传感器、垂直角度传感器和步进电机控制器连接。
2.根据权利要求1所述的矿用三维激光数字测量仪，其特征在于，所述激光测距发射接收器测量距离为：2m-1km。
3.根据权利要求1所述的矿用三维激光数字测量仪，其特征在于，所述框架结构为U型结构，并且框架结构的外部密封设置有壳体，所述步进伺服电机一和步进伺服电机二伸出壳体的部分通过C型卡环结构和密封圈进行密封设置。
4.根据权利要求1所述的矿用三维激光数字测量仪，其特征在于，还包括使供电与通信稳定传输的导电滑环。
说明书
技术领域
本实用新型涉及矿山测量技术领域，特别涉及矿用三维激光数字测量仪。
背景技术
随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，尤其在当今以计算机技术为依托的信息时代，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。
矿用三维激光数字测量仪(3D Digital Laser Measuring Station，DLMS)是20世纪90年代出现的一项高新技术，是继GPS空间定位测量系统之后的又一项测绘技术新突破。经过几十年的发展，目前硬件比较成熟，国外公司生产了许多商用的三维激光扫描仪和数据处理软件，这些三维激光扫描仪的扫描距离近到0.5m，远到6000m，部分仪器还内置了数码相机，在获取目标物空间坐标与反射率的同时，还获得颜色信息。一些三维激光扫描仪还具有全站仪功能，架在已知点，应用前方交会和后方交会等方法均可以应用。通过快速三维激光数字测量技术，实现全空间方位、高分辨率、快速量测被测对象表面的三维空间坐标数据，为建立物体的三维实体模型提供了一种全新的技术手段。该技术具有快速性、非接触性、主动性，实时获取的数据具有高密度、高精度等特点，其应用将引起测绘技术的一次革命。
矿用三维数字测量仪主体周向自旋转功能可以实现纵向测量，每当水平测量一个周期后，一步进一次，以进行第二次水平测量，如此同步下去，最终实现对整个空间的测量过程。矿用三维激光数字测量仪是一种非接触式主动测量系统，可进行大面积高密度空间三维数据的采集。与传统的探测和测量方法相比，具有点位测量精度高，采集空间点的密度大、速度快，不需要控制点就可以建立DSM模型和目标体模型等特点。
但是，现有的矿用三维数字测量仪由于空区探测工序复杂、防护等级低、测距受空区环境(无补偿光、粉尘、水)影响测量精度低、测距不稳定，不适用于测量地下矿山采出空区空间位置，因此，亟需一种适用于地下矿山开采出矿石空间区域测量的矿用三维激光数字测量仪。
实用新型内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本实用新型提供了一种矿用三维激光数字测量仪，适用于地下矿山采空区域空间区域测量，其操作方便、安全、高效、测量精度高、成本低、作业环境安全、防护等级高。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
一种矿用三维激光数字测量仪，包括激光测距发射接收器、步进伺服电机一、步进伺服电机二、水平角度传感器、垂直角度传感器、步进电机控制器和上位机；
所述激光测距发射接收器通过水平转动轴设置于框架结构，所述水平转动轴与步进伺服电机二通过传输带二连接，所述水平转动轴还与垂直角度传感器连接；所述框架结构的底部与竖直转动轴连接，所述竖直转动轴与步进伺服电机一通过传输带一连接，所述竖直转动轴还与水平角度传感器连接；
所述步进电机控制器与角度编码器连接，所述步进电机控制器还与步进伺服电机一和步进伺服电机二连接，所述上位机分别与激光测距发射接收器、水平角度传感器、垂直角度传感器和步进电机控制器连接。
所述激光测距发射接收器测量距离为：2m-1km。
所述框架结构为U型结构，并且框架结构的外部密封设置有壳体，所述步进伺服电机一和步进伺服电机二伸出壳体的部分通过C型卡环结构和密封圈进行密封设置。
所述矿用三维激光数字测量仪还包括使供电与通信稳定传输的导电滑环。
本实用新型的有益效果：
1)本实用新型适用于地下矿山采空区域空间量测，安全、高效、测量精度高、成本低、作业环境安全；
2)本实用新型提供了一种快速直接获取被测目标表面模型的技术，三维激光数字测量技术进行数据采集之后，获取的是被测目标表面高密度的点云数据，重构并复原被测目标的真实形状，建立被测目标的数字化三维数据点云；
3)本实用新型框架结构的固定部分密封条与U型结构，转动部分密封圈和C型卡环结构密闭。
本实用新型的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的矿用三维激光数字测量仪的立体结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的矿用三维激光数字测量仪的剖视示意图；
图3是本实用新型实施例提供的矿用三维激光数字测量仪的工作原理图。
说明书附图中的附图标记包括：
1-激光测距发射接收器，2-步进伺服电机一，3-步进伺服电机二，4-水平角度传感器，5-垂直角度传感器，6-传输带二，7-导电滑环，8-步进电机控制器，9-角度编码器，10-框架结构，11-底座，12-传输带一。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“一”、“二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图3所示，本实用新型实施例提供了一种矿用三维激光数字测量仪，为地下矿山开采所形成的空区范围的一种快速直接测量仪器。
如图1和图2所示，一种矿用三维激光数字测量仪，包括激光测距发射接收器1、步进伺服电机一2、步进伺服电机二3、水平角度传感器4、垂直角度传感器5、步进电机控制器8和上位机；
激光测距发射接收器1测量距离为：2m-1km，激光测距发射接收器1通过水平转动轴设置于框架结构10，水平转动轴与垂直方向的步进伺服电机二3通过垂直方向的传输带二6连接，水平转动轴还与垂直角度传感器5连接；框架结构10的底部与竖直转动轴连接，竖直转动轴与水平方向的步进伺服电机一2通过水平方向的传输带一12连接，竖直转动轴还与水平角度传感器4连接；
步进电机控制器8与角度编码器9连接，步进电机控制器8还与步进伺服电机一2和步进伺服电机二3连接，上位机分别与激光测距发射接收器1、水平角度传感器4、垂直角度传感器5和步进电机控制器8连接。
本实施例中，角度编码器9用于对矿用三维激光数字测量仪初始位置进行定位，并在仪器运行过程中监控与修正奇异位置点、以及仪器运行姿态调整。步进电机控制器8驱动垂直方向的步进伺服电机二3和水平方向的步进伺服电机一2转动，步进伺服电机二3和步进伺服电机一2分别在垂直方向和水平方向旋转，实现激光测距发射接收器1发射激光束在激光数字测量仪的扫描范围内旋转，达到对被测区域不同空间位置测量的目的。与垂直角度传感器5相连接的水平转动轴带动激光测距发射接收器1绕水平转动轴的轴线旋转，与水平角度传感器4相连接的竖直转动轴带动激光测距发射接收器1及框架结构10绕竖直转动轴的轴线旋转，激光测距发射接收器1发射一束强度足够的激光束至被测的物体上，经过被测物体表面的反射后，激光测距发射接收器1测量仪器至投射点之间的距离，在记录所测距离值的同时，垂直角度传感器5和水平角度传感器4也分别记录转动的垂直角度和水平角度。
上位机分别接收激光测距发射接收器1获得的距离信息、水平角度传感器4获得的竖直转动轴的水平转动角度信息以及垂直角度传感器5获得的水平转动轴的垂直转动角度信息。具体实施过程：通过步进电机控制器8发送指令，驱动步进伺服电机二3和步进伺服电机一2转动；激光测距发射接收器1通过发射激光束测量仪器自身坐标系与被测目标间距离并记录距离信息；步进伺服电机一2带动竖直转动轴转动，竖直转动轴带动框架结构10及激光测距发射接收器1转动，水平角度传感器4记录水平转动角度；步进伺服电机二3带动转动水平转动轴转动，水平转动轴带动激光测距发射接收器1转动，垂直角度传感器5记录垂直转动角度；将上述距离和角度信息传输并存储到上位机的数据格式文件中，比如存储成.TXT格式文件。
如图1和图2所示，框架结构10为U型结构，并且框架结构10的外部密封设置有壳体，步进伺服电机一2和步进伺服电机二3伸出壳体的部分通过C型卡环结构和密封圈进行密封设置。框架结构10的外部密封设置有壳体，即框架结构10与外部壳体之间通过密封条密封，壳体能够使矿用三维激光数字测量仪除激光测距发射接收器1的所有部件密封于壳体的内部，起到防水防尘的作用，当然，激光测距发射接收器1采用现有技术，其外壳具体防水防尘的功能。另外，步进伺服电机一2和步进伺服电机二3的轴伸出壳体外部的部分也需要密封，所以在该部分设置C型卡环结构和密封圈来实现密闭，起到防水防尘的作用。框架结构10与底座11连接，框架结构10的结构根据激光测距发射接收器1的型号确定。
如图1和图2所示，矿用三维激光数字测量仪还包括使供电与通信稳定传输导电滑环7，导电滑环7实现激光测距发射接收器1、水平角度传感器4、垂直角度传感器5、步进伺服电机一2、步进伺服电机二3、步进电机控制器8、角度编码器9、上位机间信号、供电稳定传输，即步进电机控制器8与角度编码器9连接，步进电机控制器8与步进伺服电机一2和步进伺服电机二3通过导电滑环7连接，上位机分别与激光测距发射接收器1、水平角度传感器4、垂直角度传感器5和步进电机控制器8通过导电滑环7连接。
本实用新型提供的一种矿用三维激光数字测量仪工作原理如下：
如图3所示，互相垂直的水平转动轴和竖直转动轴带动激光测距发射接收器1旋转，两个转动轴的交点构成仪器局部坐标系的原点O；当水平转动轴带动测距激光束旋转时，测距激光束能够测量出一个垂直扇面，该水平转动轴构成了矿用三维激光数字测量仪局部坐标系的Y轴；当竖直转动轴带动测距激光束旋转时，在理想状况下与水平转动轴垂直，构成了矿用三维激光数字测量仪坐标系的Z轴，一般情况下，Z轴处于铅垂位置(又称为垂直轴)；依据右手坐标系的构建原则，与测量仪Y轴及Z轴垂直的为X轴。在矿用三维激光数字测量仪的实测数据中，仪器只能测量出坐标原点O至被测物体反射面P之间的距离D、垂直角θ、水平角
及回光信号的强度，将被测量并转换成地面激光扫描仪局部坐标系中的坐标，即有：
从式(1)可以看出要测量被测物体的空间坐标(x，y，z)，必须首先测量距离D、垂直角θ和水平角
本实用新型的激光测距发射接收器1、水平角度传感器4和垂直角度传感器5能够测量上述数值。
本实用新型提供的一种矿用三维激光数字测量仪的测量流程如下：
接通电源开机—先检测两步进伺服电机运动状态—水平方向调平—垂直方向调平—建立初始坐标—按照上位机发出指令进行数据采集—测量结束后先调步进伺服电机一2回到原位—再调步进伺服电机二3回到原位。
具体的，当矿用三维激光数字测量仪接电连通后，步进电机控制器8进行仪器自身故障巡检，角度编码器9校正仪器空间姿态，确定仪器内部坐标初始点；
确定仪器坐标初始点后，步进电机控制器8接收上位机发出的测量指令，分别控制垂直方向的步进伺服电机二3、水平方向的步进伺服电机一2按照设定的步进指令进行转动，同时，垂直角度传感器5、水平角度传感器4、激光测距发射接收器1测量的垂直与水平方向转动角度信息以及距离信息等通过导电滑环7传输至上位机。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
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2024年06月28日 ~ 30日 
