CN102505857A - 基于gps实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法，包括以下步骤：首先，在振捣棒棒头的相对端安装GPS天线，接着，将振捣棒插拔于待测混凝土拌合物，且在振捣棒插拔待测混凝土拌合物时，采用传统RTK工作模式对GPS天线所反馈的数据进行处理，以获得GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据，并将该GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据反馈至单片机，根据振捣棒棒头的定位坐标数据与GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据之间的关系，即可得到每一次振捣棒插拔时的振捣轨迹。因此，本发明能够为可视化地实时获知混凝土浇筑振捣状态提供最重要的实时动态轨迹坐标。

Description

基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法

技术领域

本发明涉及一种基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法，属于混凝土浇筑质量控制领域。

背景技术

对新拌混凝土浇筑振捣效果的可靠测试与整体评价是混凝土质量控制的重要环节之一。目前施工现场采用振捣方法是考虑振捣棒作用半径,要求以交错方式插入振捣棒保证混凝土浇筑区域基本都得到振捣密实。振捣棒振捣时间/振捣间距以及振捣方式需要根据新拌混凝土入仓工作性/浇筑部位几何形状/模板条件/浇筑厚度/钢筋密集程度等因素，由现场操作人员依据经验决定，一般以诸如混凝土不再溢出气泡/混凝土面不再下沉/表面泛出薄层水泥浆/声频渐高且稳定等现象判断混凝土是否振捣密实，但也不能过分振捣而引起骨料下沉离析。实践操作中，工人移动振捣点时，无法做到位置/深度/振捣持续时间的精确把握，往往多为经验操作，随意性强，受人为因素与工作条件影响很大；一旦出现欠振/过振/漏振，振捣将不能满足施工质量要求，留下质量缺陷且无法及时获知。这已成为混凝土浇筑振捣质量的通病，但目前国内外并无精确有效的技术解决方案。

显然，依靠经验的传统做法无法及时准确完整地获知混凝土浇筑振捣性态，因此不能客观准确地控制/评价混凝土浇筑质量好坏。现场若能实时可视化获取混凝土浇筑振捣效果，将对施工混凝土浇筑成型质量评判提供重要依据，也能为混凝土施工质量控制提供可行的技术方案。

而欲可视化地实时获知混凝土浇筑振捣性态，则对于振捣棒在混凝土中振捣状态的精确定位是其最重要的一个处理环节。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法，其利用安装在振捣棒棒头的GPS天线，采用传统的RTK工作模式，得到GPS天线在振捣棒上固定点的定位坐标数据，进一步得到振捣棒的振捣轨迹，为可视化地实时获知混凝土浇筑振捣状态提供最重要的实时动态轨迹坐标。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法，包括以下步骤：首先，在振捣棒棒头的相对端安装GPS天线，接着，将振捣棒插拔于待测混凝土拌合物，且在振捣棒插拔待测混凝土拌合物时，采用传统RTK工作模式对GPS天线所反馈的数据进行处理，以获得GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据，并将该GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据反馈至单片机，根据振捣棒棒头的定位坐标数据与GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据之间的关系，即可得到每一次振捣棒插拔时的振捣轨迹（x，y，z）。

所述的振捣棒垂直地插拔待测混凝土拌合物，且振捣棒与GPS天线相平行。

所述传统RTK工作模式对GPS天线所反馈的数据处理具体为：将GPS天线所采集的数据反馈至移动站卫星接收机，同时该移动站卫星接收机也接收基准站数字电台所发送的GPS差分数据，结合GPS天线所采集的数据以及GPS差分数据，实时进行解算处理，即可获得数据格式为GPGGA的GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据。

所述振捣棒的操作头外围嵌固有十字形钢套管。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

本发明将GPS定位系统创造性地引入混凝土浇筑质量控制领域，通过安装在振捣棒棒头的GPS天线，采用传统的RTK工作模式，得到GPS天线在振捣棒上固定点的定位坐标数据，进一步得到振捣棒的振捣轨迹，为可视化地实时获知混凝土浇筑振捣状态提供最重要的实时动态轨迹坐标。

附图说明

图1是采用本发明所述振捣状态检测方法的混凝土浇筑振捣动态可视化监测方法的系统框图；

图2是采用本发明所述振捣状态检测方法的混凝土浇筑振捣动态可视化监测方法的信号流程图；

图3是本发明所述振捣棒的结构示意图；

图4是本发明所述振捣棒的电极卡套结构示意图；

图5是采用本发明所述振捣状态检测方法的混凝土浇筑振捣动态可视化监测方法的流程框图；

其中：电极组件1；导线管11；铜电极12；电极卡套13；十字把手2；嵌固旋钮3；振捣棒4；电极电线5；焊接螺丝6。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1至4所示，一个完整的混凝土浇筑振捣动态可视化监测方法，主要包括以下几个部分：振捣状态的实时反馈，振捣时间的实时反馈，将振捣状态和振捣时间整合后的可视化显示，具体地说，包括以下步骤：1）振捣棒的振捣轨迹和振捣时间的测定——首先，在振捣棒的一端安装用于测定待测混凝土拌合物电位值的电极，另一端则安装GPS天线；其次，将振捣棒插拔待测混凝土拌合物，且在振捣棒插拔待测混凝土拌合物时，采用传统RTK工作模式对GPS天线所反馈的数据进行处理，以获得GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据，并将该GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据反馈至单片机，根据振捣棒棒头的定位坐标数据与GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据之间的关系，即可得到每一次振捣棒插拔时的振捣轨迹（x，y，z）；同时，利用单片机采集分析振捣棒插拔待振捣混凝土时电极所反馈的电位值来获取振捣棒的振捣时间t；最后，单片机将振捣棒的振捣轨迹与相应的振捣时间整合起来，以形成四维坐标数据（x，y，z，t）；2）振捣棒振捣状态的可视化——将步骤1）所形成的四维坐标数据（x，y，z，t）反馈至图形处理软件，该图形处理软件根据施工规范确定的振捣时间要求，判断出相应的振捣区域效果，并将各区域振捣效果可视化显示。

如图1所示，本发明所述的系统功能实现具体步骤为： 

1、架设启动GPS基准站。

（1）      架设基准站和天线，保持两脚架之间距离不小于3m，避免电台干扰GPS 信号。基准站需架设在地势较高/视野开阔地方，避免强磁场，以利于UHF(Ultra High Frequency) 无线信号传送和卫星信号接收。

（2）      在基准站和天线支座上分别安装固定基准站卫星接收机和电台天线。若移动站距离较远，可增设使用电台天线加长杆。使用接收机启动卫星接收，直到卫星灯间隔5秒闪N 次，表明收到N颗卫星。

（3）      在天线脚架上安装固定基准站数字电台。电台上三个串口分别与电台天线/电源/卫接收机连接。（其中电台与接收机通过电台数传线连接，与电源通过电台电源线连接)

（4）      打开电台，查看电台电源，确保基准站设置成功并正常向移动站接受机发射差分数据。电台数据传输距离不宜小于5km。

2、安装启动GPS移动站。

2.1  将对中杆与GPS天线拧紧，利用GPS天线连接线与移动站卫星接收机连接。

2.2  启动接收机，利用接收机天线接收基准站发来差分数据；查看信号灯确保接收

机正常接收差分数据。

2.3  利用手簿设置接收机数据输出格式为GPGGA(GPS固定数据输出语句)格式，数

据定位时间间隔为1秒。

3、测量显示振捣边界

   3.1 启动仪器箱中的开关电源和单片机，根据显示屏上提示，一直按OK键确认，直至GPS数据及精度状态显示出来。

   3.2 给配套（即数据传输波特率相同）的另一电台接通电源，与电脑连接；打开电脑上振捣显示分析计算软件，新建并命名项目和浇筑层，设定浇筑层为活动层，即数据会实时显示并保存在该浇筑层目录下。

3.3  GPS天线依次有序（顺时针或者逆时针）选取测量拟振捣区域边界上的特征点，当显示屏上显示精度状态为固定解时，按down键发送数据，并查看确认分析计算软件里数据接受无误，然后天线移至下一特征点，重复上述过程。

3.4  待测量完成振捣边界闭合回路后，右键点击软件中的活动层，选择“绘制图形”选项，在弹出对话框中的“生成”选项卡中选择点击“完整图形”选项，生成显示振捣边界。

4、安装启动振捣时间测控系统

4.1  振捣棒操作棒端安装嵌固GPS天线十字把手套管，将对中杆一头与套管上的焊接螺丝拧紧固定。

4.2  将特制的电极装置固定在振捣棒棒头附近，并将电极电源线另一端与单片机连接。

4.3   特制电极卡套制作过程（尼龙材料或不锈钢材料）：

1）  材料块上开电极孔，按照尺寸图（如图4所示）利用车床车出电极卡套基本形状和 倒角，并用小功率的抛光机进行抛光处理；

2）  采用直径4mm的铜棒制作电极，铜棒截断成每段25mm，并在打磨工作台上将其一端打磨成尖角，另一端打磨成平面；使用台钻（2mm的钻头）在每段铜棒磨平一端竖直打孔，深度20~30mm，制成铜电极；

3）  把导线插入铜电极一端小孔，并使用小口径高倍力矩（3mm~4mm）压芯钳压实；在导线与电极连接处套上口径合适（内4mm外6mm）的尼龙管；把连接部件安装进电极卡套，并在安装过程中使用高强度的AB胶填充任何有空隙的空间，静置15分钟后放入烤箱，在60摄氏度环境下烘烤6小时即可。

4）  打磨处理电极卡套和振捣棒安装面，形成无尘表面，使用强力AB粘合，静置24小时即可投入使用

 4.4 根据单片机显示屏上提示，设定电位值调整范围，按单片机上up键增大，down键减小，按OK键确认完成设定；然后显示屏提示将振捣棒插入振捣仓面，按下单片机上OK键，接着显示屏会提示拔出振捣棒，拔出时再按OK键，显示屏上将实时显示振捣状态（插入显示为valid/拔出显示为invalid）和振捣位置（GPS坐标）。

5、进行振捣作业

开启振捣棒，进行振捣作业。振捣作业过程中，GPS天线应尽量保持竖直，以保证得到高精度固定解；查看振捣显示分析计算软件中的活动层数据是否实时刷新显示，并通过对讲机与现场施工人员进行沟通﹑指导﹑监督。

6、图形显示

    右键点击分析计算软件中的活动层，选择“绘制图形”选项，在弹出对话框中的“参数设定”选项卡中设定参数，包括振捣作用半径、最小振捣时间、最大振捣时间（实验率定）等。然后先后点击“更新振捣数据”和“完整图形”选项，实时生成显示振捣图。根据振捣图，实时对漏振和欠振区域进行补振。

7﹑描述本发明创造的工作原理及工作过程

本发明工作原理是：

一方面，采用传统RTK（Real Time Kinematic）工作模式进行GPS的数据处理，即在振捣棒棒头安装固定GPS天线，进行GPS数据接收并发送给GPS无线接收机移动站；同时接收机移动站也接受基准站发送来的GPS差分数据，结合GPS天线发来的数据，实时进行解算处理，得到振捣棒棒头的高精度定位坐标数据，发送给单片机，实现振捣棒的振捣轨迹的实时获取。

另一方面，采用特制尼龙套管，并根据振捣过程套管上混凝土残留浆液在插入和拔离混凝土拌合物时电位值的不同，在套管上安装铜棒固定电极和焊接防水耐磨导线，并在电线的另一端与单片机连接；单片机利用电极传输的电信号，计算出插拔的时间间隔，实现振捣时间的实时获取。

基于以上两项工作的完成，单片机整合振捣棒的振捣轨迹和振捣时间数据，以数据包的形式通过无线电台实时发送给远程终端的计算机。数据首先被自动导入数据库并保存，根据实际需要可实时调用数据，利用编写的计算机可视化软件结合施工规范和振捣参数设定值进行计算分析，然后在线图形化显示浇筑振捣混凝土密实状态，准确判断振捣施工中漏振/欠振/过振等现象，并及时为采取相应处理措施提供可视化评价依据，避免施工冷缝出现，保证混凝土浇筑质量符合规定要求。

7.1. 振捣棒棒头坐标计算原理：

（1）    根据振捣施工要求，施工人员应将振捣棒垂直插入混凝土拌合物中，也就是GPS天线也要保持竖直（从可操作性出发，天线水平误差应控制在10cm以内），确保收到的GPS定位坐标数据的有效精度；否则，GPS天线歪斜严重，判断数据精度会降低。

（2）    单片机上显示屏会实时显示坐标数据精度，并依据程序设计，滤掉不满足振捣施工要求精度的数据，只向计算机发送满足要求的高精度坐标数据。

（3）    由于振捣棒垂直振捣混凝土，振捣棒棒头坐标与GPS天线固定点坐标的X值与Y值相同，Z值的差值为棒头与固定点的距离。从而得到棒头的X、Y、Z值。

7.2. 单片机对振捣时间测试的工作原理：

（1）    安装固定在振捣棒上，并与单片机连接；根据单片机显示屏上的提示，首先对要振捣的混凝土仓面进行插入与拔离，对电位值进行采样。

（2）  首先，考虑到插入与拔离时混凝土浆液阻值从变化到稳定存在客观时间间隔和振捣的混凝土性能参数变异，因此可通过设定电位调整值，适时增大插入时采样的电位值和缩小拔离时采样的电位值，并作为判定振捣与否的阈值，即当电位值不小于上限阈值（插入时采样并调整后的电位值）时，单片机开始振捣时间计时，当电位值不大于下限阈值（拔离时采样并调整后的电位值）时，由单片机停止振捣时间计时，从而实现振捣时间的计算。举例说明：若电位调整值设定为10，插入混凝土浆液时采样电位值为150，拔出时值为80，则显示屏上显示的上限阈值将为140，下限阈值为90，当电位值大于140时，状态为插入（显示为valid），单片机开始计时，当电位值小于90时，状态为拔出（显示为invalid），单片机停止计时；若调整值设定为30时，则显示屏上显示的上限阈值将为120，下限阈值为110，当电位值大于120时，状态为插入（显示为valid），单片机开始计时，当电位值小于110时，状态为拔出（显示为invalid），单片机停止计时。

（3） 其次，考虑到振捣时的人为因素和环境因素随机影响，当电阻值不小于上限阈值（插入时采样修正后的电阻值）时，单片机开始振捣时间计时后，电阻值一直不稳定或稳定时间较短，单片机将自动停止计算振捣时间，并滤掉此次振捣时间数据。

7.3﹑计算机中显示与评判混凝土欠振/过振的建模分析和实现过程：

（1） 将单片机传来振捣棒四维坐标数据（x，y，z，t）自动导入数据库并保存

（2） 由计算机图形处理软件识别数据库中的振捣边界数据，建立振捣区域，再将数

据库中的其他有效数据，利用数据与边界数据之间相应的位置计算对比，在振

捣区域中标示出振捣数据点位置；

（3） 将空间浇筑体根据数据点离散为若干个小空间圆柱体，以振捣数据点位置作

为圆心，振捣棒有效作用半径（依据混凝土流变特征和振捣棒规格型号，确定5倍~10倍的振捣棒直径）作为振捣影响范围，振捣棒长作为柱高；

（4） 根据振捣棒工作轨迹，计算振捣区域时间叠加，根据施工规范确定的振捣时

间要求，判断振捣区域效果：若低于阈值即为欠振，高于阈值即为过振，空白区域则为漏振 ；并以不同颜色和尺度方式显示欠振/漏振/过振区域。

7.4. 单片机数据采集处理系统

（1）    单片机接收由GPS定位振捣轨迹测控系统传送的差分数据，数据格式为GPGGA(GPS固定数据输出语句)。GPGGA格式数据的定位数字必须为4（即固定数据）才能满足精度要求，单片机会采集满足此类的定位数据，滤掉不符合要求的定位数据；此外，单片机上显示屏会实时同步显示接收定位数据的精度状态，便于施工人员及时查看并调整自己振捣方式，提高振捣参数解算质量；

（2）    单片机依照已述的振捣时间计算工作过程，利用振捣时间电极装置，获得振捣时间的数据；

（3）    单片机将满足混凝土插拔振捣时间计算要求和对应的坐标定位数据整合起来，以新的数据格式编写，并通过无线电台发送给远程计算机；

（4）    远程计算机利用编写的坐标处理和分析软件将读取以新数据格式编写的振捣棒点空间四维坐标（x，y，z，t）数据，并自动导入数据库保存；

7.5. 塑料透明仪器箱的工作过程

（1）    箱上开孔，一方面便于安装固定移动站卫星接收机和角形铁，另一方面便于接收机天线、GPS天线连接线、电源插头、红色电极电源线接头延伸出箱外；

（2）    在高质量环氧树脂板上打孔，以自攻螺丝将电台、显示屏、单片机、开关电源拧紧固定在板上，板再固定于角形铁上；

（3）    箱内设置220V/35W开关电源，采用电源插头引220V电源至开关电源，经开关电源再变压至5V和12V，其中5V电压供单片机使用，12V电压供风扇、电台、移动站卫星接收机使用；

（4）    单片机的两根电极电源线用黑、绿、黄三根带有杜邦接头的排线与单片机连接，其中绿线为电源正极线，插入单片机上5V针口，黑线为电源负极线，插入单片机GND针口，黄线为信号线，插入J3左针口。电极电源线与排线的接法为：电源正极线与一根电源线焊接，信号线与另一根电源线、10K电阻一端焊接在一起，电源负极线与10K电阻另一端焊接。焊接完后在焊接头外包裹热缩套管，再外缠绝缘胶布；

（5）    塑料箱箱盖上应包贴铝箔胶带，防止阳光直射箱内仪器；设置风扇起降温排湿作用，单片机主板芯片包贴透明膜，防止雨水和灰尘污染单片机造成短路。

6﹑数据线传输GPS坐标数据的工作原理：

移动站卫星接收机解算得出GPS坐标数据以GPGGA(GPS固定数据输出语句)格式通过白色九针插口线传输给单片机，经单片机滤掉精度不符合施工要求的坐标数据且整合振捣时间数据后，以数据包格式通过白色九针接口线传输给无线电台，无线电台将数据包传给配套的另一台接收无线电台，该接收无线电台通过USB转串口线与电脑连接，数据自动存入数据库，并在振捣计算软件中实时刷新与显示成图。

具体工作过程如下：

1、选择合适的基准站站点架设基准站和天线；

2、在基准站和天线脚架支座上分别安装固定基准站卫星接收机和无线电台天线；

3、在天线脚架上安装固定无线电台，电台上设三个串口分别与电台天线/电源/接收机连接；

4、打开无线电台确保基准站设置成功并正常向移动站接收机发射差分数据；

5、将GPS天线拧紧安装于对中杆上并与移动站卫星接收机连接，接收机插上电台天线；

6、给配套的另一台无线电台通电，并连接计算机；启动振捣计算分析与显示软件，更新通讯端口新建命名浇筑层，并设置为活动层；

7、塑料仪器箱通电，启动单片机和接收机，利用手簿设置数据输出格式为GPGGA(GPS固定数据输出语句)格式，根据显示屏提示，按OK键确认直至实时显示数据精度状态，待数据为固定解时，开始测量振捣边界；

8、边界测量完毕，点击软件中的“绘制图形”选项，查看确认成图边界与现实振捣边界一致，否则删除数据重新测量；

9、在振捣棒操作棒端安装GPS天线嵌固十字把手套管，并将对中杆拧紧在套管上；

10﹑在振捣棒上安装固定电极装置，并与单片机连接； 

11﹑单片机复位，根据单片机上显示屏提示，对拟振捣混凝土区域，进行电位值调整修正设定，再插拔混凝土浆液电位值采样存储；

12﹑进入显示振捣状态且满足测量精度为固定解时，开始振捣作业；

13﹑查看振捣计算分析与显示软件中活动层的数据是否实时刷新显示，并通过对讲机与现场施工人员进行沟通﹑指导﹑监督；

14、右键点击活动层，设定参数，先后点击“更新振捣数据”和“完整图形”选项，实时生成显示振捣效果图；

15、针对待处理漏振和欠振区域进行补振，对比偏差，评价处理效果（评价方法流程同上）。

综上所述，可知，本发明具有以下特点：

1、  应用GPS定位测试混凝土振捣棒工作运行的四维(x,y,z,t)轨迹系统，实现实时采集/传输/处理混凝土浇筑振捣状态信息参数，并能通过计算机图形在线显示。

2、  开发出的基于新拌混凝土工作性能和浇筑几何条件下的远程计算机在线评价混凝土振捣密实的实时软件分析处理系统。

3、  新拌混凝土现场浇筑振捣的参数化评价实现方法。

4、  计算机软/硬件处理的在线集成评判系统，分析获得混凝土振捣质量量化评价方法。

5、  一种性能可靠/操作方便的混凝土单点振捣插拔时间计算判定的装置系统，包括特制电极装置，插拔振捣棒工作过程中新拌混凝土浆液电位值的单片机采样/滤波/电位调整值设定/传输装置和工作原理。

6、  开发的方便/快捷单片机数据处理系统，包括数据采集/过滤/整合/传输。

7、  一种集GPS动态测定振捣棒平面（空间）坐标/电阻式传感器测定混凝土振捣插拔时间/混凝土振捣性态参数无线传输处理以及人机界面可视化的实时判定与监控系统的技术实现方法。

8、  研制安全可靠，实用方便的嵌固十字把手套管，便于工人施工和GPS天线的固定，确保卫星的有效接收，从而获得高精度的固定解。

9、  配置改装简易轻质﹑防晒防潮﹑防尘降温的便携式塑料透明仪器箱，一方面解决装置的配电问题，满足振捣工人随身携带，另一方面将各种电源线和数据线简便可靠安装于箱体内，避免了因导线繁乱引发的现场施工不便。

10﹑单片机装配超大显示屏，实时显示振捣状态，便于施工人员可视化操作和反馈调节。

Claims (4)

1.一种基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，在振捣棒棒头的相对端安装GPS天线，接着，将振捣棒插拔于待测混凝土拌合物，且在振捣棒插拔待测混凝土拌合物时，采用传统RTK工作模式对GPS天线所反馈的数据进行处理，以获得GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据，并将该GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据反馈至单片机，根据振捣棒棒头的定位坐标数据与GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据之间的关系，即可得到每一次振捣棒插拔时的振捣轨迹（x，y，z）。

2.根据权利要求1所述基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法，其特征在于，所述的振捣棒垂直地插拔待测混凝土拌合物，且振捣棒与GPS天线相平行。

3.根据权利要求1所述基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法，其特征在于，所述传统RTK工作模式对GPS天线所反馈的数据处理具体为：将GPS天线所采集的数据反馈至移动站卫星接收机，同时该移动站卫星接收机也接收基准站数字电台所发送的GPS差分数据，结合GPS天线所采集的数据以及GPS差分数据，实时进行解算处理，即可获得数据格式为GPGGA的GPS天线在振捣棒上固定点的坐标数据。

4.根据权利要求1所述基于GPS实时定位振捣棒在混凝土中振捣轨迹的方法，其特征在于，所述振捣棒的操作头外围嵌固有十字形钢套管。

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