一种用于洞窟监测的智能扫描仪

技术领域

本发明属于文化遗产监测技术领域，具体涉及一种高精度智能扫描仪，主要 适用于石窟寺洞窟断面变形、温度、图像的数据采集，为洞窟稳定性评价与预测 提供数据支撑。

背景技术

我国石窟寺具有分布广泛、规模宏大、体系完整，集建筑、雕塑、壁画、 书法等艺术于一体的特点，是我国重要的文化遗产类型之一，充分体现了中华 民族的审美追求、价值理念、文化精神。然而由于千百年来长期的自然营力作 用和人为破坏，我国许多石窟寺均存在严重的石窟稳定性问题，尤其是洞窟内 常常存在因节理裂隙切割形成的关键块体稳定性问题，严重危害了文物的安全， 也阻碍了洞窟的开放利用。然而由于洞窟内空间狭小，且石窟寺岩体具有地质 和文物的双重属性，常规的变形监测装置难以适应和满足监测需求，基于此， 急需研发一种非接触高精度智能多参数复合感知的监测装置，实时监测石窟寺 洞窟变形趋势和环境数据，为石窟寺稳定性评价提供数据支撑。

1986年瑞士Amberg研发了激光断面扫描仪；1987年原铁道部设计研究院 研发了国产激光断面扫描仪；2001年北京工业大学研制了一种结合激光测距技 术和数字测角技术的断面扫描仪；2002年中铁隧道集团研发了基于伺服电机驱 动的简易型激光断面扫描仪；2006年原北京光电技术研究所(现北京雷图科技 有限公司)研发了BJSD型隧道激光断面扫描仪。

现有的石窟寺洞窟断面变形监测装置主要通过测缝计、位移计、激光测距 仪、激光断面检测仪、三维激光扫描仪、全站仪等进行监测，这类监测装置具 有以下问题：(1)安装有损，不符合文物的保护原则(测缝计、位移计)；(2) 精度低，主要用于隧道工程(激光断面检测仪)；(3)设备昂贵，数据后处理繁 琐复杂(三维激光扫描仪)，难以推广应用；(4)只能获得单点的位移变化，难 以捕捉三维空间变化(激光测距仪、全站仪)；(5)监测数据难以实时传输，很 难及时反馈到文物保护工作人员和职能管理部门。

为了满足石窟寺文物监测的特殊技术需求，弥补现有监测设备的上述缺陷和 不足，提高适宜性，提供本发明。经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容

有鉴于此，针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种可同时采 集变形、温度和图像的智能扫描仪，可有效解决上述问题，能够开展石窟寺洞窟 断面的长期监测，且能实现实时无线传输和远程控制。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

本发明的本发明提供一种用于洞窟监测的智能扫描仪，其由传感器模块、 水平高精度闭环电机、垂直高精度闭环电机、控制模块、无线数据采集传输 模块、供电模块和结构框架组成，

所述无线数据采集传输模块10包括激光测距模块，红外温度测量模块， 数字图像采集模块；

结构框架底部设置有带轴承的支座，支座带水准管，可调平支座；

传感器模块集成了高精度测距，测温，图像拍摄的功能，与水平高精度 闭环电机、水平电机400度限位器通过传动轴相连接；

垂直电机400度限位器、垂直高精度闭环电机与水平电机400度位架器 相连接；

水平高精度闭环电机水平电机400度限位器垂直电机400度限位器垂直高 精度闭环电机水平电机400度限位器架、结构框架组成全向云台，全向云台配 合传感器模块，可扫描检测无遮挡空间的内壁位置点距离、位置点温度并获得 洞窟内无遮挡空间断面上的距离、温度、图像的监测数据；

控制模块集成主控，4G通讯，蓝牙遥控功能。

供电模块由可拆卸电池组、电池组管理模块和总电源管理模块组成。

所述控制模块集成了陀螺仪，用来监视仪器是否被移动过。

所述控制模块上设置有可拆卸脚，配合地质用三脚架时将其拆卸。

所述支座底部设置有地质用三脚架扇形防滑槽。

所述三脚架扇形防滑槽顶部设置有5/8三脚架接口和5/8转1/4的转接头， 5/8三脚架接口和5/8转1/4的转接头设置在支座中心。

包括水平高精度闭环电机，垂直高精度闭环电机，控制模块、无线数据采 集传输模块，供电模块，激光测距模块，红外温度测量模块，数字图像采集模 块，带轴承的支座，带水准管可调平支架，可同时采集断面的变形(轮廓)、温 度数据和断面图像信息；

传感器模块，集成了高精度测距，测温，图像拍摄的功能，与水平高精度 闭环电机、水平电机400度限位器通过传动轴相连接；

传感器模块采用模块化设计，集成了高精度测距，测温，图像拍摄的功 能，该模块预留常见数据接口，根据监测技术需求，可更换不同的传感器模 块，如高精度微型激光雷达、高光谱相机等。

垂直电机400度限位器、垂直高精度闭环电机与水平电机400度位架器相 连接。

本智能扫描仪可以实时监测洞窟断面几何轮廓，通过不同期次轮廓数据对 比，判断是否有变形，计算得到变形量、变形趋势，同时与激光测距同步进行 的红外温度测量，可以很好的校正因温度引起的变形，使得监测数据更加可靠， 同时获得洞窟表面温度数据和图像，可用于洞窟稳定性的长期监测，具有精度 高，操作简单方便，可通过无线通讯模块远程控制，实现数据实时无线传输， 监测任务完成后，可移动重新安置，反复使用。

针对现有技术存在的问题，本发明提供的智能激光断面扫描仪的智能体现 在可根据控制指令依次测量若干条断面，控制指令和测量数据可以通过远程软 件控制和实时传输，通过红外温度测量模块，校正因温度引起的热胀冷缩变形， 高像素数字图像采集模块同时采集监测断面的图像信息，予以配套的数据分析 系统可以实施对比分析历史监测数据，依据设置的安全变形阈值，可及时发出 预警信息。

附图说明

图1是本发明中的智能扫描仪的结构左视图；

图2是本发明中的智能扫描仪的后侧视图；

图3是本发明中的智能扫描仪的底部视图；

图4是本发明中的智能扫描仪的内部视图；

图5是本发明中的智能扫描仪的整体视图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：本实施例的一种用 于洞窟监测的智能扫描仪，其由传感器模块1、水平高精度闭环电机2、垂直 高精度闭环电机5、控制模块8、无线数据采集传输模块10、供电模块9和 结构框架7组成，

所述无线数据采集传输模块10包括激光测距模块，红外温度测量模块， 数字图像采集模块；

结构框架7底部设置有带轴承的支座，支座带水准管，可调平支座；

传感器模块1集成了高精度测距，测温，图像拍摄的功能，与水平高精 度闭环电机2、水平电机400度限位器3通过传动轴相连接；

垂直电机400度限位器4、垂直高精度闭环电机5与水平电机400度位 架器6相连接；

水平高精度闭环电机2水平电机400度限位器3垂直电机400度限位器4 垂直高精度闭环电机5水平电机400度限位器架6、结构框架7组成全向云台， 全向云台配合传感器模块1，可扫描检测无遮挡空间的内壁位置点距离、位置 点温度并获得洞窟内无遮挡空间断面上的距离、温度、图像的监测数据；

控制模块8集成主控，4G通讯，蓝牙遥控功能。

供电模块9由可拆卸电池组91、电池组管理模块92和总电源管理模块 93组成。

所述控制模块8集成了陀螺仪，用来监视仪器是否被移动过。

所述控制模块8上设置有可拆卸脚10，配合地质用三脚架时将其拆卸。

所述支座底部设置有地质用三脚架扇形防滑槽11。

所述三脚架扇形防滑槽11顶部设置有5/8三脚架接口12和5/8转1/4的 转接头13，5/8三脚架接口12和5/8转1/4的转接头13设置在支座中心。

实施例1

下面，参考附图对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示 例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于 这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完 整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

如图1-5所示，本发明为一种用于洞窟监测的智能扫描仪，包括传感器模 块1，水平高精度闭环电机2，水平电机400度限位器3，垂直电机400度限 位器4，垂直高精度闭环电机5，水平电机400度位架器6，架构框架7；集成 控制模块A，可拆卸电池组B，电池组管理模块C，总电源管理模块D，云台控 制通讯模块E，可调整水平脚螺栓F，测量用三脚架扇形防滑槽G，水准仪、经 纬仪、全站仪通用5/8三脚架接口H，5/8转1/4的转接头I；

架构框架7与2、3、4、5、6共同组成了全向云台配合1可扫描获得洞窟 内无遮挡空间断面上的距离、温度、图像的监测数据；

A为集成控制模块，可4G/5G通讯；B为可拆卸电池组，C为电池组管理模 块，D为总电源管理模块，B、C、D共同组成了电源模块；

E为云台控制通讯模块，并集成了陀螺仪用来监测扫描仪是否被移动过；

F为可调整水平脚螺栓，可根据应用场景需求，使用测量三脚架，G为测量 用三脚架扇形防滑槽，H为水准仪、经纬仪、全站仪通用5/8三脚架接口，I为 5/8转1/4的转接头，配有定制专用拆卸工具。

本发明提供的扫描仪的工作过程为：

步骤1，确定布设位置：

通过对拟监测的洞窟详细的工程地质勘察，建立精细化的岩体结构模型， 利用稳定性分析方法和关键块体理论，识别出需要监测的一条或者若干条监 测断面位置，选择合适的断面监测装置布设位置，通过脚螺栓调整仪器至水 平状态；

步骤2，输入控制指令：

若监测断面只有1个，则在仪器安装时通过适当调整，即可。若监测断面 有若干个，则通过现场调试，精确测定每个断面的转动参数，输入指令，根 据监测需求，设置合理的监测数据采集频率和数据传输参数；

步骤3，进行扫描测量：

发送脉冲信号控制水平高精度闭环电机到设定的位置，再次发送脉冲信 号控制垂直高精度闭环电机，驱动激光测距传感器、红外测温传感器和高像 素图像采集模块开始断面扫描，角度控制精度优于0.05°，测量数据和图像 数据通过串口数据线传输至无线通讯模块，将将测数据实时传输至指定平台；

总之，本发明借助水平和垂直高精度闭环电机，通过控制指令，可实现 自动调向和转动扫描，通过对比不同期次断面扫描数据，可判断监测洞窟断 面是否发生变形，很好的解决了以往激光断面扫描仪只能人为调整监测不同 的断面，数据存储在仪器内置存储卡上而无法实施无线传输的问题，同时与 激光断面扫描同步进行的红外温度测量，可以很好的校正因温度引起的变形， 使得监测数据更加可靠，具有精度高，操作简单方便，可通过无线通讯模块 远程控制，实现数据实时无线传输，监测任务完成后，可移动重新安置，反复使用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。