一种红砂岩冷开挖实时效率监测装置及使用方法

本发明涉及红砂岩冷开挖，尤其涉及一种红砂岩冷开挖实时效率监测装置及使用方法。

背景技术：

1、红砂岩广泛分布于我国南方地区，如江西境内，常被用于公路路基工程填筑，其具有强度低、遇水易崩解、易风化等特性，在绿色施工趋势下，冷开挖，即纯机械开挖作为一种环境友好的方式被广泛应用。

2、现有技术中，挖掘机的铲斗在切削岩体的时无法获取红砂岩内部的真实含水率，致使系统在计算开挖体积时，无法剔除因岩土含水率过高而导致的虚方膨胀量，导致方量计算偏大、效率评估失真，且挖掘机上的外挂雷达通常是固定视角的，在面临江西等地的丘陵坡地开挖时，存在大量扫描盲区。

技术实现思路

1、现有技术中，挖掘机的铲斗在切削岩体的时无法获取切削瞬间的真实含水率，不能剔除虚方膨胀量，导致方量计算偏大、效率评估失真，且挖掘机上的外挂雷达通常是固定视角的，在面临江西等地的丘陵坡地开挖时，存在大量扫描盲区的技术问题，本发明提出了一种红砂岩冷开挖实时效率监测装置及使用方法。

2、本发明提出的一种红砂岩冷开挖实时效率监测装置及使用方法，包括挖掘机，还包括安装在所述挖掘机上的探水机构、监测机构。

3、所述探水机构设置在所述挖掘机铲斗内侧靠近斗齿的区域，用于在挖掘切削过程中，对红砂岩内部的原生含水率进行原位检，所述探水机构包括探针和土壤湿度传感器，所述土壤湿度传感器通过柔性线缆对所述探针采集的土壤电信号进行接收与解算。

4、所述监测机构设置在所述挖掘机的外表面，用于对红砂岩冷开挖过程中所述挖掘机的机械臂空间位姿、有效破岩状态以及开挖面三维形貌进行协同感知，所述监测机构包括三维激光扫描雷达，所述三维激光扫描雷达通过非接触式激光测距对红砂岩开挖面的空间几何特征进行动态点云采集与形貌重构。

5、优选地，所述探水机构还包括矩形框，所述矩形框固定安装在所述挖掘机铲斗内侧靠近斗齿区域的矩形凹槽内，所述土壤湿度传感器固定安装在所述矩形框的后端凹槽内壁，所述土壤湿度传感器外壳的前端固定安装有伸缩电动推杆，所述伸缩电动推杆的伸缩杆一端与所述探针的尾端固定安装，所述探针的圆柱表面与所述矩形框的支板内壁滑动插接，所述矩形框的前端通孔内固定嵌装有处于预压缩状态的o型圈，所述o型圈的内壁与所述探针的头部检测端紧密贴合，所述探针与所述土壤湿度传感器的传感主体通过柔性线缆实现电信号传输。

6、通过上述技术方案，通过矩形框固定安装在挖掘机铲斗内侧靠近斗齿区域的矩形凹槽内，可提供隐蔽承载空间，通过土壤湿度传感器与矩形框固定安装，对其固定，伸缩电动推杆可为探针提供直线驱动力，探针与支板滑动插接可提供精密导向，通过矩形框的前端通孔内固定嵌装有处于预压缩状态的o型圈，o型圈内径小于探针外径，未作业时紧密抱死探针，可实现动态物理密封与自清洁，作业时，伸缩电动推杆推动探针强行穿过o型圈，o型圈径向弹性扩张允许通过，收回时，o型圈回缩，瞬间重新建立零间隙密封，彻底阻隔泥水碎石进入后端损坏土壤湿度传感器，同时在探针回抽过程中，o型圈边缘自动刮除探针表面附着的泥膜，柔性线缆的连接可吸收探针往复运动的空间位移，防止线缆折断。

7、优选地，所述监测机构还包括安装座，两个所述安装座固定安装在所述挖掘机动臂液压缸和斗杆液压缸的缸体中部外侧，所述安装座的上表面分别固定安装有振动传感器和带有散热孔的防护罩，所述振动传感器位于所述防护罩内部，所述挖掘机的动臂和回转平台铰接处、斗杆和动臂铰接处以及铲斗和斗杆铰接处均固定安装有倾角传感器。

8、通过上述技术方案，通过挖掘机动臂液压缸和斗杆液压缸的缸体中部均安装有安装座，为振动传感器和防护罩的安装提供安装基座，以便振动传感器通过缸体直接感知铲斗切削岩石的冲击波，通过振动传感器位于带有散热孔的防护罩内部，兼顾密封与透气，防止防护罩内因挖掘机昼夜温差产生结露导致传感器短路失效，三个倾角传感器分布于动臂、斗杆、铲斗的三大铰接处，可获取机械臂运动链的绝对关节角度，倾角传感器与振动传感器在空间上呈关节链+骨传导的分布式协同，以便精准甄别机械臂在挥舞但铲斗未碰石头的无效工况，为后续剔除伪体积提供硬件基础。

9、优选地，所述挖掘机的控制室上表面固定安装有支架，所述支架的内底壁固定安装有升降电动推杆，所述升降电动推杆的伸缩杆一端固定安装有升降架，所述升降架滑动插接在所述支架的凹槽内壁，所述升降架的顶端凹槽内固定安装有旋转电机，所述旋转电机的输出轴通过轴承与所述升降架的顶端凹槽转动连接，所述旋转电机的输出轴固定安装有旋转台，所述旋转台通过轴承转动连接在所述升降架的上表面，所述旋转台的上表面分别固定安装有支撑框、相机、实时动态定位传感器以及温湿度一体传感器。

10、通过上述技术方案，通过支架固定安装在挖掘机的控制室上方，对其固定，支架内的升降电动推杆的伸缩杆与升降架固定安装，其伸缩杆的伸缩可带动升降架在支架内进行升降，升降架内的旋转电机的输出轴与旋转台固定安装，可驱动旋转台实现水平旋转，旋转台上分别固定安装有支撑框、相机、实时动态定位传感器以及温湿度一体传感器，其中相机用于对红砂岩开挖面进行高分辨率的二维视觉图像采集，获取红砂岩表层的宏观地质纹理、节理裂隙分布及表层变色特征，同时，在后续数据处理中，相机的二维图像数据可与三维激光扫描雷达获取的深度点云数据进行空间坐标融合映射，辅助后台更直观地判别红砂岩的岩性变化及开挖质量，实时动态定位传感器用于为整个监测装置提供厘米级的高精度全局绝对坐标基准，此外，在挖掘前后的两次三维扫描过程中，挖掘机机身位置不可避免地发生移动，实时动态定位传感器提供的高精度位姿是确保挖掘前点云与挖掘后点云在统一绝对坐标系下精准配准对齐的前提，温湿度一体传感器用于实时采集开挖现场微环境的温度与相对湿度，作为评估红砂岩在此环境本底下风化速率及表面水分蒸发状态的参考参数，与探针获取的内部原生含水率形成表里对照的数据闭环，且由于旋转台上集成了雷达、相机及无线通讯等对温湿度较为敏感的精密电子元器件，温湿度一体传感器可实时监测设备所在微环境的工况，当出现极端凝露或超温风险时为控制系统提供预警依据，从而保障整个顶部多自由度扫描单元在恶劣野外工况下的电气运行可靠性。

11、对于旋转台上的相机、实时动态定位传感器、温湿度一体传感器，必须且只能采用无线电连接，需在旋转台内部隐蔽设置有无线通讯从站，如工业级抗干扰wi-fi模块，上述传感器的信号线均接入该从站，通过无线电波跨越旋转物理间隙，传输至驾驶室内的无线主站及中央处理器，这种无线连接架构可根除多自由度旋转平台的线缆绞断痛点。

12、优选地，所述支撑框的内底壁固定安装有偏转电机，所述偏转电机的输出轴通过轴承座与所述支撑框的内侧壁转动连接，所述偏转电机的输出轴固定安装有蜗轮，所述支撑框的内侧壁通过轴承转动连接有蜗杆，所述蜗杆与所述蜗轮啮合，所述蜗杆的圆杆圆周表面固定安装有偏转架，所述偏转架滑动连接在所述偏转架的凹槽内，所述三维激光扫描雷达固定安装在所述偏转架的上表面。

13、通过上述技术方案，通过偏转电机驱动蜗轮，蜗轮啮合蜗杆带动偏转架在支撑框内滑动偏转，蜗轮蜗杆传动具有高减速比与机械自锁特性，当三维激光扫描雷达调节到特定的俯仰视角后，即便挖掘机机身产生剧烈的低频高幅震动，由于蜗杆无法反向驱动蜗轮，偏转架也不会发生视角跑偏，从而保证了点云采集过程中极高的抗振稳定性，三维激光扫描雷达的数据亦通过无线从站一并进行无线电回传。

14、优选地，一种红砂岩冷开挖实时效率监测装置的使用方法，包括以下步骤：

15、s1：环境感知与扫描位姿自适应调节：控制系统启动，实时动态定位传感器获取全局坐标，同时读取温湿度一体传感器的环境数据，启动支架内的升降电动推杆，其伸缩杆的伸展驱动升降架在支架凹槽内升降，同时旋转电机驱动旋转台水平旋转，将相机调整至合适方位，对红砂岩开挖面的宏观地质纹理及表面裂隙分布进行二维图像采集，相机扫描结束后，支撑框内的偏转电机启动，驱动蜗轮旋转，从而通过与之啮合的蜗杆带动偏转架沿支撑框滑动偏转，将三维激光扫描雷达调节至无遮挡的最佳扫描视角，通过非接触式激光测距对红砂岩开挖面的空间几何特征进行动态点云采集与形貌重构；

16、s2：挖掘轨迹重构与破岩状态判别：在挖掘机作业时，实时读取分布于动臂与回转平台铰接处、斗杆与动臂铰接处以及铲斗与斗杆铰接处的三个倾角传感器数据，同时，采集位于防护罩内部的两个振动传感器的振动信号，依据倾角数据解算铲斗齿尖空间轨迹，依据振动信号判别当前是否处于有效破岩状态；

17、s3：原生含水率原位动态探测：当步骤s2判定为有效破岩状态时，控制探水机构中的伸缩电动推杆伸展，推动探针沿着矩形框内的支板向前滑动，挤压处于预压缩状态的o型圈并穿出矩形框前端通孔，刺入红砂岩岩体，土壤湿度传感器通过柔性线缆接收探针采集的土壤电信号进行解算，获取原生含水率后，控制伸缩电动推杆收回探针，o型圈恢复预压缩状态重新密封；

18、s4：融合含水率与破岩状态的开挖体积修正解算：提取步骤s1中三维激光扫描雷达在挖掘前后的点云数据计算基准开挖体积，调用步骤s2中的破岩状态判别结果剔除空挖伪体积，并调用步骤s3获取的原生含水率数据补偿红砂岩崩解引起的虚方膨胀量，计算得出实际有效开挖体积；

19、s5：效率评估与闭环控制：结合实际有效开挖体积与单次作业耗时计算实时开挖效率，并与预设的最优开挖体积区间进行比对，生成调控指令反馈至挖掘机执行机构，优化下一次的下挖深度。

20、优选地，所述步骤s2中，挖掘轨迹重构与破岩状态判别的具体逻辑为：设动臂倾角传感器的测量值为，斗杆倾角传感器的测量值为，铲斗倾角传感器的测量值为；

21、设动臂、斗杆、铲斗的固有长度分别为 、、；

22、建立以动臂与回转平台铰接点为原点的局部坐标系，依据d-h运动学变换，计算齿尖在局部坐标系下的实时三维坐标序列：

23、；

24、；

25、；

26、将坐标序列与实时动态定位传感器获取的全局坐标进行空间平移与旋转映射，得到齿尖在全局地理坐标系下的挖掘轨迹包络面。

27、通过上述技术方案，公式中的、、是倾角传感器相对于水平面，即重力方向的绝对夹角，而非两连杆间的相对夹角，这样计算出的与才具有物理意义上的大地高程属性，而空间平移与旋转映射在实施时的具体操作为，提取rtk测得的动臂铰接点全局坐标，读取挖掘机回转平台的绝对编码器航向角，利用标准三维旋转矩阵将局部坐标绕z轴旋转角，再平移，从而将二维挖掘轨迹提升为与地球坐标系绝对绑定的三维包络面，该算法在工控机中通过常规矩阵运算即可实现。

28、优选地，所述步骤s2中，依据振动信号判别当前是否处于有效破岩状态的方法为：在设定的采样时间窗内，对带有散热孔的防护罩内部振动传感器采集的加速度时程信号进行积分，计算瞬时振动能量，公式为：；

29、预设破岩能量阈值和持续时间阈值；若连续多个采样时间窗内满足且持续时间，则输出有效破岩状态标志位；否则判定为空转或虚土接触，输出。

30、通过上述技术方案，公式的物理意义在于计算时间窗内的瞬时振动做功，红砂岩属于脆性岩石，铲斗有效切削岩体时会产生高频、高振幅的冲击波，而空转或在松散虚土中刮碰时为低频随机噪声，预设阈值和的获取方式在实施时完全公开：在现场试挖3-5斗，采集空转状态下的最大能量值乘以1.5倍安全系数作为，以单次切削岩石持续的最短物理时间作为，该逻辑严密排除了虚土干扰，确保输出的标志位绝对真实。

31、优选地，所述步骤s3中，原生含水率原位动态探测的动作时序为：设定伸缩电动推杆的伸展时长阈值；当检测到时，向伸缩电动推杆输出伸展指令并计时；

32、当计时达到时，表明探针已穿过o型圈达到预定插入深度，此时锁定土壤湿度传感器通过柔性线缆读取的电信号，并将其转化为当前红砂岩的原生含水率；读取完毕后立即向伸缩电动推杆输出收回指令。

33、通过上述技术方案，设定伸展时长阈值的物理逻辑是消除机械迟滞与接触电阻瞬变，伸缩电动推杆启动到探针穿透o型圈存在时间，穿透后到完全刺入稳定岩体存在时间，若刚启动就读取湿度，读到的是空气电阻或o型圈摩擦静电，必须满足2，当计时达到时，表明探针已经深扎入红砂岩稳定基质中，此时锁定电信号，彻底排除了表面水膜和动态挤压干扰，获取的具有极高的代表性。

34、优选地，所述步骤s4中，计算实际有效开挖体积的融合修正模型为：

35、首先，通过三维激光扫描雷达获取挖掘前后的点云高程差，结合挖掘轨迹包络面边界，积分计算出基准开挖体积；其次，引入红砂岩遇水崩解膨胀补偿系数，计算公式为：；

36、式中，为通过室内试验测定的红砂岩不发生崩解膨胀的标准界限含水率，为通过室内崩解试验标定的体积膨胀比例系数，为步骤s3获取的原生含水率，为取最大值函数；

37、最终实际有效开挖体积的计算公式为：；

38、在所述步骤s5中，计算实时开挖效率，其中为单次挖掘循环耗时；若连续次循环计算得小于设定的最优体积下限值，则判定为欠挖，系统自动增大下一次挖掘的动臂下压目标角度；若大于最优体积上限值，则判定为超挖风险，系统减小动臂下压目标角度。

39、通过上述技术方案，传统技术直接用雷达算，但红砂岩开挖后若遇水会崩解膨胀，导致算出的方量大于实方，的物理机制被彻底公开，其中是通过室内标准崩解试验测定的界限含水率，例如某地红砂岩测得为12%，即低于此值绝不崩解；

40、是通过室内试验标定的膨胀比例系数，函数的防呆逻辑，当探针测得时，，此时，即干燥岩体不修正，完全符合物理常识，当时，函数输出6%，变为小于1的数，系统主动将雷达算出的体积打个折扣，精准剔除了崩解产生的虚假膨胀方量；

41、最终公式 实现了三重过滤：是几何基础，乘以剔除了空挖伪体积，乘以剔除了崩解虚方，由此得出的无限逼近真实物理效率，当系统发现连续n次偏低时，直接修改下一次的倾角目标值，完成了从数据虚假到机械自适应深挖的终极跨越，故该模型所有参数均有明确物理出处与获取路径。

42、本发明中的有益效果为：

43、1、通过设置探水机构，用于在挖掘切削过程中，对红砂岩内部的原生含水率进行原位检，矩形框嵌于铲斗凹槽提供隐蔽空间，土壤湿度传感器后置固定，伸缩电动推杆驱动探针沿支板精密滑动，o型圈未作业时抱死探针实现零间隙密封，作业时探针挤压o型圈穿过，收回时o型圈回缩复位，瞬间隔绝泥水碎石保护传感器，并刮除表面泥膜实现自清洁，配合柔性线缆吸收往复空间位移防折断，确保了探测动作的高可靠性与长寿命，解决了现有技术中，挖掘机的铲斗在切削岩体的时无法获取红砂岩内部的真实含水率，致使系统在计算开挖体积时，无法剔除因岩土含水率过高而导致的虚方膨胀量，导致方量计算偏大、效率评估失真的技术问题。

44、2、通过设置监测机构，用于对红砂岩冷开挖过程中所述挖掘机的机械臂空间位姿、有效破岩状态以及开挖面三维形貌进行协同感知，压缸经安装座固定带散热孔的防护罩内振动传感器防结露，三铰接点倾角传感器协同甄别空转，支架内升降电动推杆驱动升降架，旋转电机带旋转台水平转动，旋转台集成相机、实时动态定位传感器及温湿度一体传感器，分别用于纹理融合、绝对坐标配准及防凝露预警，支撑框内偏转电机经蜗轮蜗杆驱动偏转架，利用自锁防震跑偏，雷达数据经无线从站回传避免绞断，解决了现有技术中，挖掘机上的外挂雷达通常是固定视角的，在面临江西等地的丘陵坡地开挖时，存在大量扫描盲区的技术问题。