一种用于钻爆法施工隧道工作面检测装置及方法与流程

本发明涉及隧道爆破检测领域，特别是涉及一种用于钻爆法施工隧道工作面检测装置及方法。

背景技术：

采用钻爆法开挖隧道时，工作面爆破是主要开挖工序，爆破时，先在工作面小部分范围内钻孔并放入适量炸药，先炸出一个小型槽口，为后面的爆破提供较多的临空面，随后由槽口扩大到整个工作面，按钻爆参数图布置炮眼位置，最后引爆炸药，实现工作面的开挖。

工作面爆破时，施工人员需要退离爆破处200m以上，以保证人身安全，爆破后需等待20～30分钟，待爆破产生的有毒有害气体被通风系统排出隧道外，以及烟雾散尽后，施工人员方可赶至工作面检查爆破质量及安全状况。检查内容主要包括工作面是否爆破平整；爆破产生的碎石是否存在体积过大需要锤击或爆破破碎；爆破后工作面围岩是否完整稳定等。检查无误后，方可进洞运输清理爆破的石碴并进行围岩支护。由于刚完成爆破后，工作面围岩暴露范围大，加上爆破产生的有毒有害气体或烟尘，无法在爆破后立刻进行人工对工作面爆破效果的检查与判断，从而导致目前钻爆开挖隧道施工整体功效很低。

无人机一般通过gps信号进行飞行控制，但在隧洞等封闭地下空间中，由于没有gps信号，操作人员无法控制无人机的飞行和返航路径，这使得无人机在隧洞内的工作难以实现，因此，已有的方案需要工作人员在爆破后等待20～30分钟方可进洞检查，且人员一般行走进洞。因此等待、进洞和检查后出隧道等一系列操作流程将占用较多的时间，且由于是人工现场查看，对爆破效果的判断以及围岩稳定性的判断，都带有主观性，且由于爆破后围岩大范围暴露，对工作面爆破开展检查检测的工作人员的安全、健康等都具有不利影响。综合而言，目前采用人工方法检测爆破后工作面状态与爆破效果，存在效率低、安全隐患性大且不能保存爆破后原始资料等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于钻爆法施工隧道工作面检测装置及方法，以解决人为进洞检查存在效率低、安全隐患大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于钻爆法施工隧道的工作面检测装置，包括：控制系统、存储与传输系统、信息采集系统、照明与供电系统以及无人机；

所述控制系统、所述存储与传输系统、所述信息采集系统以及所述照明与供电系统设于所述无人机上；所述控制系统分别与所述存储与传输系统、所述信息采集系统以及所述照明与供电系统相连接；所述信息采集系统包括激光测距传感器以及热成像仪；所述激光测距传感器以及所述热成像仪设于所述无人机的外表面；

所述控制系统包括远距离无线电lora无线通讯模块、视觉模块以及信号强度检测模块；所述信号强度检测模块分别与所述lora无线通讯模块以及所述视觉模块相连接；所述信号强度检测模块用于检测无线通讯信号的强度，实现远程控制模式与自主作业模式之间的切换；所述lora无线通讯模块用于在有通讯信号条件下，在远程控制模式下，通过手持终端对工作面检测装置进行控制操作；

所述存储与传输系统分别与所述视觉模块、所述激光测距传感器以及所述热成像仪相连接；所述存储与传输系统用于存储所述激光传感器以及所述热成像仪采集的信息；所述视觉模块用于检测所述工作面检测装置在隧洞内失去通讯信号的条件下，在自主作业模式下，按规划路线自主前往工作面拍摄并且自动返回图像。

可选的，所述激光测距传感器包括前方激光测距传感器、左侧激光测距传感器、右侧激光测距传感器以及上部激光测距传感器；

所述前方激光测距传感器设于所述无人机的前端；

所述左侧激光测距传感器设于所述无人机的左侧；

所述右侧激光测距传感器设于所述无人机的右侧；

所述上部激光测距传感器设于所述无人机的上端。

可选的，所述热成像仪设于所述无人机的前端。

可选的，还包括：底部高度传感器；

所述底部高度传感器设于所述无人机的底部。

可选的，还包括：惯性测量单元传感器；

所述惯性测量单元传感器设于所述无人机的内部。

可选的，还包括：带有云台装置的深度相机；

所述带有云台装置的深度相机设于所述无人机的尾端。

一种用于钻爆法施工隧道的工作面检测方法，包括：

获取通讯信号强度；

判断所述通讯信号强度是否低于信号强度阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述通讯信号强度低于信号强度阈值，控制工作面检测装置进入自主作业模式进行检测；

若所述第一判断结果表示为所述通讯信号强度不低于信号强度阈值，控制所述工作面检测装置进入远程控制模式进行检测。

可选的，所述控制工作面检测装置进入自主作业模式进行检测之后，还包括：

通过深度相机获取所述工作面检测装置前方隧洞的图像，并获取所述图像的深度信息；

将含有深度信息的图像传输至视觉模块，并根据所述深度信息提取所述各个图像的每帧图像特征点；

根据所述每帧图像特征点确定所述工作面检测装置在不同位置观察到的各个特征点之间的距离信息；

根据所述距离信息确定所述工作面检测装置在任一飞行时刻与周边环境的相对位置。

可选的，所述根据所述距离信息确定所述工作面检测装置在任一飞行时刻与周边环境的相对位置之后，还包括：

获取所述工作面检测装置的飞行起点坐标、每个飞行时刻的三轴线位移和角位移；

根据所述飞行起点坐标、每个飞行时刻的三轴线位移和角位移通过装置飞行起点坐标和各飞行时刻的位移，确定飞行轨迹；

根据所述飞行轨迹解算所述工作面检测装置的实时姿态信息，并根据所述实时姿态信息对飞行姿态进行调整。

可选的，所述根据所述飞行轨迹解算所述工作面检测装置的实时姿态信息，并根据所述实时姿态信息对飞行姿态进行调整之后，还包括：

根据所述相对位置信息和所述实时姿态信息，配合激光测距传感器和高度传感器，控制所述工作面检测装置在隧洞内失去通讯信号的条件下自主规避障碍物以及自主调整姿态的工作。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种用于钻爆法施工隧道的工作面检测装置及方法，通过检测无线通讯信号的强度，实现远程控制模式与自主作业模式之间的切换，无需工作人员进洞检查，从而提高了检查效率以及安全性。

同时，在无法与洞内无人机进行信号通讯时，无人机能够进入自主作业模式，通过视觉模块采集的信息进行自主作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的用于钻爆法施工隧道工作面检测装置的内部俯视图；

图2为本发明所提供的用于钻爆法施工隧道工作面检测装置的仰视图；

图3为本发明所提供的用于钻爆法施工隧道工作面检测装置的俯视立体图；

图4为本发明所提供的用于钻爆法施工隧道工作面检测装置的仰视立体图；

图5为本发明所提供的用于钻爆法施工隧道工作面检测装置的控制结构框图；

图6为本发明所提供的用于钻爆法施工隧道工作面检测装置的工作流程图。

符号说明：1、叶片，2、前方激光测距传感器，3、惯性测量单元传感器，4、左右两侧激光测距传感器，5、上部激光测距传感器，6、控制系统，7、存储与传输系统，8、无线传输系统，9、lora无线通讯模块，10、热成像仪，11、照明系统，12、供电系统，13、带有云台装置的深度相机，14、支架，15、底部高度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于钻爆法施工隧道的工作面检测装置及方法，无需工作人员进洞检查，能够提高检查效率以及安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图5所示，一种用于钻爆法施工隧道的工作面检测装置，包括：控制系统6、存储与传输系统7、信息采集系统、照明与供电系统以及无人机；所述控制系统6、所述存储与传输系统7、所述信息采集系统以及所述照明与供电系统设于所述无人机上；所述控制系统6分别与所述存储与传输系统7、所述信息采集系统以及所述照明与供电系统相连接；所述信息采集系统包括激光测距传感器以及热成像仪10；所述激光测距传感器以及所述热成像仪10设于所述无人机的外表面；所述控制系统6包括远距离无线电lora无线通讯模块9、视觉模块以及信号强度检测模块；所述信号强度检测模块分别与所述lora无线通讯模块9以及所述视觉模块相连接；所述信号强度检测模块用于检测无线通讯信号的强度，实现远程控制模式与自主作业模式之间的切换；所述lora无线通讯模块9用于在有通讯信号条件下，在远程控制模式下，通过手持终端对工作面检测装置进行控制操作；所述存储与传输系统7分别与所述视觉模块、所述激光测距传感器以及所述热成像仪10相连接；所述存储与传输系统7用于存储所述激光传感器以及所述热成像仪10采集的信息；所述视觉模块用于检测所述工作面检测装置在隧洞内失去通讯信号的条件下，在自主作业模式下，按规划路线自主前往工作面拍摄并且自动返回图像。

在实际应用中，所述激光测距传感器包括前方激光测距传感器2、左侧激光测距传感器、右侧激光测距传感器以及上部激光测距传感器5；所述前方激光测距传感器2设于所述无人机的前端；所述左侧激光测距传感器设于所述无人机的左侧；所述右侧激光测距传感器设于所述无人机的右侧；所述上部激光测距传感器5设于所述无人机的上端。

在实际应用中，所述热成像仪10设于所述无人机的前端。

在实际应用中，还包括：底部高度传感器15；所述底部高度传感器15设于所述无人机的底部；惯性测量单元传感器3；所述惯性测量单元传感器3设于所述无人机的内部；带有云台装置的深度相机；所述带有云台装置的深度相机设于所述无人机的尾端。

本发明所提供的用于钻爆法施工隧道工作面检测的装置，采用专业级无人机作为飞行载体，其内部底板上安装有控制系统6与存储与传输系统7，底板下部为照明系统11与供电系统12，支架14安装于供电系统12两侧，在供电系统12末端安装有带有云台装置的深度相机13，在无人机主体外壳前部安装有热成像仪10与前方激光测距传感器2，在无人机主体外壳上部两侧分别安装有上部激光测距传感器5，在无人机主体外壳下部两侧分别安装有底部高度传感器15，在无人机主体外壳左右两侧分别安装有左右激光测距传感器4，在无人机主体外壳上部末端安装有无线传输系统8与远距离无线电(longrangeradio，lora)无线通讯模块。

控制系统6包括远程控制模块，与lora无线通讯模块9相连接，用于在有通讯信号条件下通过手持终端对装置进行控制操作。

控制系统6包括视觉模块，与带有云台装置的深度相机13和存储与传输系统7相连接，用于实现检测装置在隧洞内失去通讯信号的条件下按规划路线自主前往工作面拍摄并且自动返回的功能。

控制系统6包括信号强度检测模块，与远程控制模块和视觉模块相连接，用于检测无线通讯信号强度，实现远程控制模式与自主作业模式之间的切换。

控制系统6与照明系统11和供电系统12相连接，用于提供无人机在隧洞内的飞行与作业所需要的光源与动力。

存储与传输系统7与各激光测距传感器2、4、5与热成像仪10相连接，用于存储各激光传感器与热成像仪10采集的信息。

存储与传输系统7与无线传输系统8相连接，用于将采集的信息传输至终端进行查看。

其中，飞行移动系统：

①采用专业级无人机作为检测装置的飞行载体，以满足本发明的续航和承载力要求。

②采用激光测距传感器，三个测距传感器分别安装在所述装置的上部及左右两侧，测量检测装置与隧道壁的距离，以确保本发明装置在隧道内可以沿隧道纵向飞行；一个测距传感器安装在装置的前端,测量检测装置与工作面的距离，判断检测装置悬停拍摄工作面的位置。

③采用高度传感器，安装于检测装置下方，测量检测装置与地面之间的高度，一方面控制装置在隧道内的安全移动，另一方面可以测量爆破后抛出的碎石的堆积高度。

信息采集系统：

①采用带有云台装置的深度相机，实现检测装置的拍照或录像和定位功能。

②采用热成像仪10，根据温度差别的原理，实现工作面渗漏水或哑炮(没有正常爆破的炸药)的检测。

③采用云台装置，将装置与深度相机连接，实现相机稳定拍摄。

存储与传输系统7：采集的信息可以直接存储于相机或采集系统，同时，通过无线系统传输至手持终端。

照明与供电系统：装置配备有led灯，该led灯安装于检测装置的两侧；led灯为检测装置拍摄提供光源；主充电电池为检测装置飞行提供动力，副充电电池为led光源、拍摄系统以及传感器运作提供动力；可以为相机提供照明；供电系统12采用聚合物锂离子电池或其它高性能电池。

控制系统6：

①装置配置有lora无线通讯模块9，通过lora无线传输技术实现隧道内的通讯信号传输，lora的最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍，传输距离可达3-5千米，在隧道内易于布设。因此可以在有通讯信号的条件下通过手持终端对装置进行控制操作(移动方向，速度，拍照等各种操作)。

②检测装置通过信号强度监测模块检测通讯信号强度，若信号强度低于设定值，则自动启动自主飞行模式。装置的自主飞行模式通过视觉模块进行控制。信号强度阈值由具体监测环境而设定。

③检测装置结合同步定位与建图(simultaneouslocalizationandmapping，slam)模块和惯性测量单元(inertialmeasurementunit，imu)模块作为视觉模块。

检测装置通过信息采集系统中的深度相机实时采集装置周边图像，记录图片中每个像素点与检测装置的距离，即图像的深度信息。装置将含有深度信息的图像传输到视觉模块中的slam模块，slam模块提取每帧图像特征点，对相邻帧进行特征点匹配，从而获得检测装置在不同位置观察到的各个特征点的距离信息，将这些信息处理后可以得到检测装置在某一飞行时刻与周边环境的相对位置。视觉模块中的imu模块可记录检测装置飞行起点的坐标，并且可以获取装置每个飞行时刻的三轴线位移和角位移。

通过装置飞行起点坐标和各飞行时刻的位移，imu模块可以获得检测装置的飞行轨迹，解算检测装置实时姿态，并对飞行姿态进行调整，确保装置向隧道内部飞行。根据检测装置的相对位置信息和姿态信息，配合测距传感器和高度传感器，可以保证检测装置在隧洞内失去通讯信号时自主规避障碍物、自主调整姿态，确保装置前往工作面拍摄并且自动返回。

进一步根据slam模块获取的不同位置的检测装置相对各个特征点的距离信息，以及imu模块获取的检测装置在各位置间的飞行轨迹，可以计算每个特征点的空间位置，从而建立隧道3d地图。检测装置在往复进行飞行作业的同时，会逐步通过回环检测的方式完善3d地图中每个特征点的空间位置，从而简化之后的飞行作业中实时获取装置与各特征点相对位置的工作。

④检测装置通过配置的激光测距传感器(2、4、5)，可以探测到隧道工作面位置，并在预先设计的位置：检测装置距工作面一定距离处l(α为相机视角)，自动悬停，同时控制相机拍摄不同角度的工作面照片；调整检测装置位置，对爆破后的抛石进行拍照。

自主作业模式是检测装置自主飞行模式。整体流程如图6所示，视觉模块实时将周边图像信息处理为装置与周围环境的距离信息，并实时解算装置飞行姿态，配合激光测距传感器(2、4、5)和高度传感器数据实现向隧道内部的自主避障飞行。当检测装置前端的距离传感器返回值达到设定的距离值时，即判定装置到达工作面区域，触发装置悬停，控制云台旋转相机，采集整个掌子面的图像信息。设定悬停时间，悬停时间结束后自动返回。

视觉模块在飞行过程中始终处于工作状态。有信号时，视觉模块一方面可以辅助操作人员指挥装置飞行，另一方面可以实时建立隧道局部3d地图并存储。无信号时，检测装置通过视觉模块，配合激光测距传感器(2、4、5)和高度传感器，实时判断自身与周围环境的相对距离以及装置的姿态，实现自动避障、自动调整飞行在台、自动悬停拍摄、自动返航的功能。

手持终端：①手持终端可以是平板电脑，笔记本电脑或其他，配置有lora无线模块，可以与移动检测装置进行无线连接通信；②手持终端开发有检测装置控制软件系统，可以实现对移动检测装置移动方向、速度、姿态、动作的控制；③手持终端可以将移动检测装置所采集的各类信息通过lora网络保存在终端存储设备上。

综上，本发明提供一种适用于钻爆法工作面爆破质量的装置及方法，能够实现工作面爆破完整度、碎石大小、围岩稳定情况等的快速检测；通过检测装置信息采集系统，获取工作面及周围图像；内置于检测装置的视觉模块实现本装置在隧洞内的无信号自主飞行；根据已知的深度相机最大拍摄范围角度α和已输入的隧道半径r，计算出检测装置距离工作面的悬停位置l，当检测装置到达该位置处时悬停；通过安装在检测装置上的控制模块，实现对拍照系统的自动触发，拍摄接触后自动沿原路线返回；本发明还可以配置环境测量传感器，包括温湿度、环境亮度等，为检测湿度、粉尘浓度、调整拍照补光强度等提供参数。

申请号为cn201811218865.x的中国专利提出一种无人机自主定位技术，通过利用单目相机采集图像，通过利用imu读取和处理无人机加速度和角速度的信息，实现无人机的自主定位，但由于隧道内的特殊环境及工作要求，该专利无法直接应用于隧道检测中。而本专利发明一种适用于隧道工作面检测的无人检测设备，主要改进为：增加激光测距传感器，实现检测装备直线飞行及防碰撞功能；增加深度相机，获取图像及距离信息；增加照明系统；增加无线通讯模块，实现无线控制功能；增加信号强度检测模块，实现人为控制和自主飞行模式的自由转变等。

本发明的优势主要体现在以下三点：

(1)自动飞行的检测装置进洞勘测，速度快，且无需爆破后等待过多时间，提高检测效率的同时由于是无人化操作，避免安全事故发生；

(2)可以全面拍摄工作面爆破后的平整情况，爆破后碎石是否有大块需要清理的情况可以提前准确获取，方便工作人员清碴等工作；

(3)检测装置可在隧洞内没有信号的条件下自动飞行和返航，解决检测装置在隧洞等特殊环境下的应用问题。必要时可以在装置周边安装金属圆环作为防碰撞设备，避免检测装置被隧洞内的落石砸坏。

在本发明所涉及的技术方案中，由红外线测距传感器所提供的测距功能可由激光传感器或超声波传感器替换，通过比较红外线测距传感器与激光传感器或超声波传感器的优劣，从而确定更为合适的测距传感器。由lora无线通讯模块9提供的信息传输模块可由sigfox、nb-iot等低功耗广域网通信技术。还可以根据检测装置动力系统性能，添加环境感知装备。

本发明能够快速、安全、高效地检测工作面状态，特别是在刚完成爆破后，工作面本身的爆破面形态、平整度，以及爆破后的抛石形态、分布，周边围岩的破碎及稳定状态，为判定爆破质量、工作面与围岩的稳定性、安排岩渣清运、围岩支护等提供依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。