CN105203077A - 一种全智能标高仪、标高系统以及施工标高测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于工程施工标高技术领域，提供一种全智能标高仪、标高系统以及施工标高测量方法。使用时，激光扫平仪的激光头在调整好水平后，发射出单束激光，激光束照射到光敏传感器上，控制器控制驱动电机动作，使得图像传感器移动到激光束照射位置，然后图像传感器输出激光束标高值，同时控制器接收移动终端输出的路基坐标参数、升降参数等，计算指针的移动数值，最后控制器控制驱动电机动作，实现控制指针装置达到该指示的位置。本标高仪操作简单，能准确快速找到标高点，操作人员直接在指示位置对标杆快速划线，施工效率提高，测量精度提高。反应迅速。

Description

一种全智能标高仪、标高系统以及施工标高测量方法

技术领域

本发明属于工程施工标高技术领域，尤其涉及一种全智能标高仪、标高系统以及施工标高测量方法。

背景技术

目前工程施工采用路基密布标高施工工艺，具体采用水准仪和普通标高尺，水准仪需要调焦，普通标高尺没有指针移动功能，整个标高操作十分繁琐，效率低下，测量精度不足。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种全智能标高仪、标高系统以及施工标高测量方法，旨在解决现有工程施工标高方法操作繁琐、效率低下、测量精度不足的技术问题。

一方面，所述全智能标高仪包括由透光材料制得的仪器罩以及设置在所述仪器罩内的驱动电机、滚珠丝杆、滚珠丝杆副以及导杆，所述仪器罩上沿高度方向设置有光敏传感器，所述滚珠丝杆与所述导杆平行设置，所述滚珠丝杆与所述驱动电机的输出轴同步，所述滚珠丝杆副前侧还安装有图像传感器，所述滚珠丝杆副上还设有指示装置，所述全智能标高仪还包括与所述光敏传感器和图像传感器连接的控制器，所述控制器内置有通信模块，所述仪器罩内还设有编码器，所述控制器通过所述编码器连接至所述驱动电机。

另一方面，所述标高系统，包括所述全智能标高仪，还包括激光扫平仪和移动终端，所述激光扫平仪对准所述全智能标高仪，所述移动终端与所述全智能标高仪有线或者无线连接。

第三方面，所述施工标高测量方法包括下述步骤：

激光扫平仪的激光头在调整好水平后，发出水平回转的激光束，当激光束照射到光敏传感器上后，照射位置处的光敏传感器向控制器发送位置信号；

控制器向激光扫平仪发出指令，控制激光束停转，同时向编码器输出控制指令，控制所述驱动电机动作，使得图像传感器移动到所述照射位置处，此时激光束照正好照射到所述图像传感器上；

图像传感器向所述控制器输出激光束标高值；

移动终端获取电子图纸上的路基坐标参数和升降参数，并将参数输出至所述控制器；

所述控制器根据所述路基坐标参数和升降参数，并结合所述激光束标高值计算出全智能标高尺的标高位置；

所述控制器向所述编码器输出移动指令，控制所述驱动电机动作，所述驱动电机驱动所述指针装置移动一定距离，指针停留的位置即为高度标记位置。

本发明具有以下优点：

(1)本发明采用激光扫平仪、移动终端和全智能标高仪，自动完成标高测量，全智能标高仪计算得到指针装置的移动数值，然后控制指针达到该指示的位置，操作人员直接用在指针处对标杆快速划线，施工效率提高，测量精度提高；

(2)本发明使用激光扫平仪取代传统的水准仪或激光水准仪，减少对焦的时间，提高工作效率；

(3)本发明采用光敏传感器和图像传感器，能准确读出激光束标高值，取代了人工读取数据，整个检测标高过程没有手动，智能化程度非常高，效率也大为提高；

(4)移动终端将电子图纸上的路基坐标参数和升降参数发送至全智能标高尺，全智能标高尺结合激光束标高值进行转换与计算，得出标高尺需要指示的位置，即标高位置，控制指针装置移动到相应位置即可，操作简单，反应迅速。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的全智能标高仪的结构图；

图2是本发明第二实施例提供的标高系统的结构图；

图3是本发明第三实施例提供的施工标高测量方法的流程图；

图4是图3中步骤S4的具体流程图；

图5是图3中步骤S5的具体流程图；

图6是图5中步骤S51的具体流程图；

图7是图5中步骤S52的具体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图1示出了本发明实施例提供的全智能标高仪的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图1所示，所述全智能标高仪包括由透光材料制得的仪器罩1以及设置在所述仪器罩1内的驱动电机2、滚珠丝杆3、滚珠丝杆副4以及导杆5，所述仪器罩1上沿高度方向设置有光敏传感器6，所述滚珠丝杆3与所述导杆5平行设置，所述滚珠丝杆3与所述驱动电机2的输出轴同步，所述滚珠丝杆副4前侧还安装有图像传感器7，所述滚珠丝杆副4上还设有指示装置8，所述全智能标高仪还包括与所述光敏传感器6和图像传感器7连接的控制器9，所述控制器内置有通信模块(图中未示出)，所述仪器罩9内还设有编码器10，所述控制器9通过所述编码器10连接至所述驱动电机2。

本结构中，驱动电机用于驱动滚珠丝杆转动，在所述导杆作用下，所述滚珠丝杆副可以上下移动，以调整图像传感器的位置，另外，所述滚珠丝杆副还上设有指针装置，当计算得到需要移动的数值后，驱动滚珠丝杆副移动到对应位置，指针装置指示高度位置。

具体使用时，激光扫平仪发出水平回转的激光束，当激光束照射到光敏传感器上后，照射位置处的光敏传感器向控制器发送位置信号，此时控制器向激光扫平仪发出指令，控制激光束停转，同时向编码器输出控制指令，控制所述驱动电机动作，这里所述驱动电机优选为步进电机，编码器接收到控制指令后转换为对应的步进数，然后控制驱动电机转动一定角度，在导杆的作用下，滚珠丝杆副移动一定距离，使得图像传感器移动到所述照射位置处，此时激光束照正好照射到所述图像传感器上。图像传感器向所述控制器输出激光束标高值。移动终端获取电子图纸上的路基坐标参数和升降参数，并将参数输出至所述控制器；所述控制器根据所述路基坐标参数和升降参数，并结合所述激光束标高值计算出全智能标高尺的标高位置；最后控制器向所述编码器输出移动指令，控制所述驱动电机动作，所述驱动电机驱动所述指针装置移动一定距离，指针停留的位置即为高度标记位置。本全智能标高仪全程无需人工干预，智能化程度非常高，能准确快速找到标高点，提高了测量效率。

上述结构中，所述指示装置8为可以为指针或者标线激光器。选用指针结构简单，选用标线激光器，标线激光器可以发出激光直接照射在标杆上，方便划线。

作为仪器罩内部的一种具体结构，所述仪器罩内上下两端均设有支架12，所述驱动电机2固定在其中一个支架上，图示中，驱动电机固定在下支架上。这两个支架为法兰式支架，将驱动电机和导杆固定安装，所述滚珠丝杆和导杆在两个支架之间，编码器装在驱动电机的尾座上。移动终端发送指令给全智能标高仪的控制器后，控制器直接控制驱动电机的伺服位置，驱动电机带动滚珠丝杆副上下移动，滚珠丝杆根据导杆导向，指针准可确快速移动。另外，所述仪器罩底部还设有充电电池11，所述充电电池为全智能标高仪供电。

实施例二：

图2示出了本发明实施例提供的标高系统的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图2所示，所述标高系统包括实施例一所述的全智能标高仪100，还包括激光扫平仪200和移动终端300，所述激光扫平仪200对准所述全智能标高仪100，所述移动终端300与所述全智能标高仪200有线或无线连接。

激光扫平仪的激光头在调整好水平后，发射出水平回转的束激光，激光束照射到光敏传感器上，控制器控制驱动电机动作，使得图像传感器移动到激光束照射位置，然后图像传感器输出激光束标高值，同时控制器接收移动终端输出的路基坐标参数、升降参数等，计算指针的移动数值，最后控制器控制驱动电机动作，实现控制指针装置达到该指示的位置，测量人员直接在指针处对标杆快速划线，完成标高操作。

本实施例中，所述移动终端中或者移动终端连接的U盘中存储有AutoCAD电子图纸，移动终端能获取AutoCAD电子图纸上的路基参数和升降参数，并将参数发送至全智能标高仪的控制器。

实施例三：

图3示出了本发明实施例提供的施工标高测量方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的施工标高测量方法包括下述步骤：

步骤S1、激光扫平仪的激光头在调整好水平后，发出水平回转的激光束，当激光束照射到光敏传感器上后，照射位置处的光敏传感器向控制器发送位置信号；

步骤S2、控制器向激光扫平仪发出指令，控制激光束停转，同时向编码器输出控制指令，控制所述驱动电机动作，使得图像传感器移动到所述照射位置处，此时激光束照正好照射到所述图像传感器上；

步骤S3、图像传感器向所述控制器输出激光束标高值；

步骤S4、移动终端获取电子图纸上的路基坐标参数和升降参数，并将参数输出至所述控制器；

步骤S5、所述控制器根据所述路基坐标参数和升降参数，并结合所述激光束标高值计算出全智能标高尺的标高位置；

步骤S6、所述控制器向所述编码器输出移动指令，控制所述驱动电机动作，所述驱动电机驱动所述指针装置移动一定距离，指针停留的位置即为高度标记位置。

本方法中，通过光敏传感器可以获取激光的照射位置，控制器通过驱动电机控制图像传感器移动到所述照射位置，图像传感器接收到激光束照射后，输出激光束标高值，此时移动终端读取AutoCAD电子图纸，获取路基参数和升降参数，并将参数发送至控制器，控制器计算出标高位置，最后控制滚珠丝杆副移动到标高位置，此时指针装置指示的位置即为标高位置。

具体实现时，如图4所示，上述步骤S4具体包括：

步骤S41、导入道路建设电子图纸。

所述电子图纸存储在移动终端中，或者与所述移动终端连接的U盘中，将U盘插入到移动终端上后，移动终端自动读取电子图纸。

步骤S42、从电子图纸中找到起始桩号、变坡点桩号、竖曲线起止桩号以及变超高横坡斜率桩号，并按桩号编号大小，从小到大输入至数组B中，所述数组B中的第i个数据用b_i表示。

从电子图纸的“主线纵断面图”部分找到起道路施工的始桩号、变坡点桩号、竖曲线起止桩号、变超高横坡斜率桩号，按桩号从小到大输入到数组B中，B＝[b₁,b₂,b₃,...,b_n]。由于道路施工桩号非常多，本步骤只将一些特殊桩号保存，比如上述的始桩号、变坡点桩号、竖曲线起止桩号、变超高横坡斜率桩号等，中间的桩号，可以直接通过插值得到。这里所述变坡点是指，在纵断面上两个相邻纵坡线的交点，被称为变坡点。

步骤S43、按照数组B中的桩号顺序，将设计路面高程栏中对应的高度数据输入到数组C中，所述数组C中的第i个数据用c_i表示。

电子图纸上有一组设计路面高程栏，里面标有各个桩号的预期设计路面高程，按照数组B中的桩号顺序，一一对应将桩对号应的设计路面高程输入至数组C中。

步骤S44、按照数组B中的桩号顺序，将超高栏中对应的左横坡斜率数据输入到数组D中，将超高栏中对应的右横坡斜率数据输入到数组E中,其中，直线路段斜率默认为er，所述数组D和E中的第i个数据分别表示为d_i和e_i。

道路分为左侧和右侧，一般道路中间高两侧低，便于排水等。因此对于每个桩号，都有一个左横坡斜率和右横坡斜率，查找电子图纸的超高栏，按照数组B中的桩号顺序，将左横坡斜率数据输入到数组D中，将右横坡斜率数据输入到数组E中,其中直线路段斜率默认为er，比如图纸提供为-2％。

步骤S45、按照数组B中的桩号顺序，将坡度栏的中对应的坡度数据输入到数组F中，所述数组F中第i个数据用f_i表示。

施工道路表面存在一定的坡度起伏，本步骤按照数组B中的桩号顺序将坡度数据输入到数组F中。

步骤S46、从竖曲线段起桩号直至竖曲线中桩位置，将桩号输入至数组G中，然后在数组G中输入竖曲线段止桩号，在输入桩号的同时，将设计路面高程栏中对应的高度数据输入至数组H中；所述数组G和H中的第i个数据分别表示为g_i和h_i。

根据“主线纵断面图”，从竖曲线段起桩号直至竖曲线中桩位置(变坡点桩号)，将桩号输入至数组G中，然后在数组G中输入竖曲线段止桩号，在输入桩号的同时，将设计路面高程栏中对应的高度数据输入至数组H中。这里，竖曲线是指，在线路纵断面上，以变坡点为交点，连接两相邻坡段的曲线称为竖曲线。

步骤S47、将竖曲线起止桩号范围对应的竖曲线曲率半径数据，输入至数组I中，所述曲率半径分正负号，在没有竖曲线段，曲率半径为正无穷大，所述数组I中的第i个数据用i_i表示。

根据“主线纵断面图”，找到竖曲线起桩号和止桩号范围内对应的竖曲线曲率半径数据，并输入到数组I中，数组I中的数据与数组B中的桩号对应，且半径分正负号，在没有竖曲线段，曲率半径就为正无穷大。

另外需要说明的是，上述步骤S43至S47顺序不分先后。可以同时进行或者任意先后进行。

具体实现时，如图5所示，上述步骤S3具体包括下述步骤：

步骤S51、初始化数组B至I，计算实际里程桩号a_k的中桩设计高程；

步骤S52、计算实际里程桩号a_k的左右边桩高程；

步骤S53、根据所述左右边桩高程，结合刻度线线示值计算出所述全智能标高仪的指针的移动数值。

如图6所示，所述步骤S51包括：

步骤S511、获取输入的实际里程桩号a_k。

这里的实际里程桩号是需要标高的实际桩号。

步骤S512、查找数组B，找到数组B中第j个桩号b_j，使得b_j<a_k<b_j+1。

在数据B中，桩号按大小排列，因此可以找到相邻的两个桩号b_j和b_j+1。，使得ak在这两个桩号之间。

步骤S513、根据数组B中的桩号j从各个数组中找到c_j、c_j+1、d_j、d_j+1、e_j、e_j+1、f_j、f_j+1、g_j、g_j+1、h_j、h_j+1、i_j、i_j+1。

桩号b_j是数组B中的第j个桩号，因此可以在其他数组中找到对应的第j个和第j+1个数据，这里分别为c_j、c_j+1、d_j、d_j+1、e_j、e_j+1、f_j、f_j+1、g_j、g_j+1、h_j、h_j+1、i_j、i_j+1。

步骤S514、判断d_j和d_j+1，以及e_j和e_j+1的大小，若d_j＝d_j+1且e_j＝e_j+1，那么实际里程桩号a_k对应的左横坡斜率d’_k＝d_j，对应的右横坡斜率e’_k＝e_j；

步骤S515、若d_j≠d_j+1但e_j＝e_j+1，那么实际里程桩号a_k对应的左横坡斜率d’_k＝(d_j+1-d_j)(a_k-b_j)/(b_j+1-b_j)+d_j，对应的右横坡斜率e’_k＝e_j；

步骤S516、若e_j≠e_j+1，那么实际里程桩号a_k对应的左横坡斜率d'_k＝d_j，对应的右横坡斜率e’_k＝(e_j+1-e_j)(a_k-b_j)/(b_j+1-b_j)+e_j；

步骤S517、所述实际里程桩号a_k对应的坡度数据f’_k＝f_j、对应的竖曲线段桩号g’_k＝g_j、竖曲线段桩号对应高程h’_k＝h_j、对应的曲率半径I’_k＝i_j；

步骤S518、计算a_k对应的设计路面高程c'_k＝h’_k+f’_k*(a_k-g’_k)-(a_k-g’_k)²/2I’_k。

上述步骤S514至S518判断d_j和d_j+1，以及e_j和e_j+1的大小关系，并对应计算d’k、e’k、f’k、g’k、h’k、I’k大小，最后得到a_k对应的设计路面高程c'k，即中桩高程。

如图7所示，所述步骤S52包括：

步骤S521、获取路面宽度m、路面施工层高p以及路面施工基层厚度p_k。

所述路面宽度m、路面施工层高p以及路面施工基层厚度p_k都是在道路建设前期以及规划好的，因此这里直接获取这些参数即可。

步骤S522、测绘出实际里程桩号a_k对应边桩相对于中桩的宽度m_k。

然后采用激光测距仪测绘出a_k桩对应的边桩相对于中桩的宽度m_k。

步骤S523、计算左边桩高程cl'_k＝c'_k+m_k*d'_k+p_k；

步骤S524、计算右边桩高程cr'_k＝c'_k+m_k*e'_k+p_k。

最后根据c'_k、m_k、d'_k、e'_k和p_k计算出左右边桩高程。由于上述步骤计算得到的a_k对应的设计路面高程c'_k为海拔高度，而激光束照射得到的刻度线线示值为相对高度，为了得到指针的移动距离，因此还需要知晓各个桩号对应的路面相对海平面的基础高度，而这个基础高度在道路施工前通过地面探测是已知的，因此在步骤S53中，将左右边桩高程减去地面基础高度，然后求得与所述刻度线线示值的差值为全智能标高仪指针的所需移动数值。

需要说明的是，本实施例方法一般用于道路建设的道路路基标高施工工作，对于道路的匝道部分以及高架桥梁的上下连接部分等，由于弯道弧度非常大、不确定因素较多，无法通过本方法进行标高，一般直接在移动终端中输入路基参数、升降参数等，可以直接计算得到指针所需移动数值。

综上，本发明可以应用市政公路、高速公路、大型市政工程建设、城市和城际轨道交通领域的密布路基标高施工工作，很大程度上提高了工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全智能标高仪，其特征在于，所述全智能标高仪包括由透光材料制得的仪器罩以及设置在所述仪器罩内的驱动电机、滚珠丝杆、滚珠丝杆副以及导杆，所述仪器罩上沿高度方向设置有光敏传感器，所述滚珠丝杆与所述导杆平行设置，所述滚珠丝杆与所述驱动电机的输出轴同步，所述滚珠丝杆副前侧还安装有图像传感器，所述滚珠丝杆副上还设有指示装置，所述全智能标高仪还包括与所述光敏传感器和图像传感器连接的控制器，所述控制器内置有通信模块，所述仪器罩内还设有编码器，所述控制器通过所述编码器连接至所述驱动电机。

2.如权利要求1所述全智能标高仪，其特征在于，所述仪器罩内上下两端均设有支架，所述驱动电机固定在其中一个支架上，所述导杆固定在两个支架之间。

3.如权利要求2所述全智能标高仪，其特征在于，所述仪器罩底部还设有充电电池，所述充电电池为全智能标高仪供电。

4.如权利要求1-3任一项所述全智能标高仪，其特征在于，所述指示装置为指针、标线激光器。

5.一种标高系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1-4任一项所述的全智能标高仪，还包括激光扫平仪和移动终端，所述激光扫平仪对准所述全智能标高仪，所述移动终端与所述全智能标高仪有线或者无线连接。

6.一种施工标高测量方法，其特征在于，所述方法包括：

激光扫平仪的激光头在调整好水平后，发出水平回转的激光束，当激光束照射到光敏传感器上后，照射位置处的光敏传感器向控制器发送位置信号；

控制器向激光扫平仪发出指令，控制激光束停转，同时向编码器输出控制指令，控制所述驱动电机动作，使得图像传感器移动到所述照射位置处，此时激光束照正好照射到所述图像传感器上；

图像传感器向所述控制器输出激光束标高值；

移动终端获取电子图纸上的路基坐标参数和升降参数，并将参数输出至所述控制器；

所述控制器根据所述路基坐标参数和升降参数，并结合所述激光束标高值计算出全智能标高尺的标高位置；

所述控制器向所述编码器输出移动指令，控制所述驱动电机动作，所述驱动电机驱动所述指针装置移动一定距离，指针停留的位置即为高度标记位置。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述移动终端获取电子图纸上的路基坐标参数和升降参数的步骤具体包括：

导入道路建设电子图纸；

从电子图纸中找到起始桩号、变坡点桩号、竖曲线起止桩号以及变超高横坡斜率桩号，并按桩号编号大小，从小到大输入至数组B中，所述数组B中的第i个数据用b_i表示；

按照数组B中的桩号顺序，将设计路面高程栏中对应的高度数据输入到数组C中，所述数组C中的第i个数据用c_i表示；

按照数组B中的桩号顺序，将超高栏中对应的左横坡斜率数据输入到数组D中，将超高栏中对应的右横坡斜率数据输入到数组E中,其中，直线路段斜率默认为er，所述数组D和E中的第i个数据分别表示为d_i和e_i；

按照数组B中的桩号顺序，将坡度栏的中对应的坡度数据输入到数组F中，所述数组F中第i个数据用f_i表示；

从竖曲线段起桩号直至竖曲线中桩位置，将桩号输入至数组G中，然后在数组G中输入竖曲线段止桩号，在输入桩号的同时，将设计路面高程栏中对应的高度数据输入至数组H中；所述数组G和H中的第i个数据分别表示为g_i和h_i；

将竖曲线起止桩号范围对应的竖曲线曲率半径数据，输入至数组I中，所述曲率半径分正负号，在没有竖曲线段，曲率半径为正无穷大，所述数组I中的第i个数据用i_i表示。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述控制器根据所述路基坐标参数和升降参数，并结合所述激光束标高值计算出全智能标高尺的标高位置步骤，具体包括：

初始化数组B至I，计算实际里程桩号a_k的中桩设计高程；

计算实际里程桩号a_k的左右边桩高程；

根据所述左右边桩高程，结合刻度线线示值计算出所述全智能标高仪的指针的移动数值。

9.如权利要求8所述方法，其特征在于，所述计算实际里程桩号a_k的中桩设计高程步骤，具体包括：

获取输入的实际里程桩号a_k；

查找数组B，找到数组B中第j个桩号b_j，使得b_j<a_k<b_j+1；

根据数组B中的桩号j从各个数组中找到对应的c_j、c_j+1、d_j、d_j+1、e_j、e_j+1、f_j、f_j+1、g_j、g_j+1、h_j、h_j+1、i_j、i_j+1；

判断d_j和d_j+1，以及e_j和e_j+1的大小，若d_j＝d_j+1且e_j＝e_j+1，那么实际里程桩号a_k对应的左横坡斜率d’_k＝d_j，对应的右横坡斜率e’_k＝e_j；

若d_j≠d_j+1但e_j＝e_j+1，那么实际里程桩号a_k对应的左横坡斜率d’_k＝(d_j+1-d_j)(a_k-b_j)/(b_j+1-b_j)+d_j，对应的右横坡斜率e’_k＝e_j；

若e_j≠e_j+1，那么实际里程桩号a_k对应的左横坡斜率d'_k＝d_j，对应的右横坡斜率e’_k＝(e_j+1-e_j)(a_k-b_j)/(b_j+1-b_j)+e_j；

所述实际里程桩号a_k对应的坡度数据f’_k＝f_j、对应的竖曲线段桩号g’_k＝g_j、竖曲线段桩号对应高程h’_k＝h_j、对应的曲率半径I’_k＝i_j；

计算a_k对应的设计路面高程c'_k＝h’_k+f’_k*(a_k-g’_k)-(a_k-g’_k)²/2I’_k。

10.如权利要求9所述方法，其特征在于，所述计算实际里获取输入的实际里程桩号a_k的左右边桩高程步骤，具体包括：

获取路面宽度m、路面施工层高p以及路面施工基层厚度p_k；

测绘出实际里程桩号a_k对应边桩相对于中桩的宽度m_k；

计算左边桩高程cl'_k＝c'_k+m_k*d'_k+p_k；

计算右边桩高程cr'_k＝c'_k+m_k*e'_k+p_k。