CN105603839A - 一种安装城市轨道交通板式轨道结构自动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种安装城市轨道交通板式轨道结构自动控制方法，其采用全站仪、倾斜传感器得到测量已知点位置数据，计算未知点位置数据，并通过步进电机与液压传动系统实现安装城市轨道交通板式轨道结构的自动控制方法，本发明能够应用于城市轨道交通板式轨道结构的自动安装、高铁板式轨道结构的自动安装，其改变了传统预制板式轨道结构在狭小空间内安装的自动化控制难题，能够大大地提高安装精度、提高安装效率、减小人工、缩短工期，是一种改变传统工艺的自动化控制方法，在城市轨道交通板式轨道安装具有重要的应用价值。

Description

一种安装城市轨道交通板式轨道结构自动控制方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通板式轨道结构的安装控制，尤其涉及一种采用全站仪、倾斜传感器得到测量已知点位置数据，计算未知点位置数据，并通过步进电机与液压传动系统来实现安装城市轨道交通板式轨道结构的自动控制方法。

背景技术

由于城市轨道交通隧道空间狭小，现有的预制板式轨道结构安装方法采用的是通过多次的人工测量、人工通过调板机械进行调整来趋向定位目标的做法，往往安装效率低下，人工需求量大且精度不高。

而现有技术中，至今未有一种科学合理的安装城市轨道交通板式轨道结构的自动控制方法能够实现对城市轨道交通板式结构高效、准确、快速地安装，以提高本项工作的精度与工作效益。本发明即针对现有技术中存在的问题进行的技术改进，具有广泛的实用意义和经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安装城市轨道交通板式轨道结构自动控制方法，其能解决现有技术的缺陷，提高安装效率，降低人工的需求，并有效提供安装精度。

为实现上述目的，本发明公开了一种安装城市轨道交通板式轨道结构自动控制方法，其特征在于，该安装自动控制方法步骤包括：

步骤一：数据采集，利用全站仪对板式轨道结构表面安装的四个定位点的X、Y、Z坐标进行测量，利用两个倾斜传感器分别对板式轨道结构轴向与径向的倾斜角α与β进行测量，得到测量坐标系统的测量点位置信息，并进行记录和存储于现场服务器上；

步骤二：板式轨道结构坐标计算，以板式轨道结构几何中心为坐标原点，建立板式轨道结构的坐标系，利用步骤一测得的4组X、Y、Z坐标以及2组α与β值，进行坐标系的转换参数计算，得到板式轨道坐标系与全站仪测量坐标系的转换参数；

步骤三：调板车坐标计算，先利用激光对准装置，将板式轨道结构放置在调板车上，保证板式轨道结构的中心点与调板车中心点对准，保证板式轨道结构长边中线连接线与短边中线连接线与调板车的中线连接线重合，构建调板车局部坐标系；

步骤四：安装板式轨道结构，在该步骤中主要包含如下子步骤：

子步骤一：测量初始状态下板式轨道测量定位点位置信息，既通过全站仪和倾斜传感器来测量位于调板车上的板式轨道结构的位置信息，根据步骤二计算得到的板式轨道结构坐标系与测量坐标系的转换参数值，换算板式轨道结构的特征点在测量坐标系下的坐标值；

子步骤二：根据就位目标位置信息计算测量坐标系下调板车与板式轨道结构特征点坐标调整值，

子步骤三：计算旋转、平移步进电机行程及液压传动系统行程，既根据调板车中心点的偏移量，计算X轴、Y轴方向步进电机平移所需的脉冲数、旋转步进电机的输入脉冲数和4个液压传动系统所需升降的行程量；

子步骤四：控制旋转步进电机、平移步进电机和四个液压传动系统进行板式轨道结构的调整。

其中：在步骤一中，所述四个测量定位点的选择是以板式轨道结构的中心点为坐标原点，以长边中点的连线与短边中点的连线对板式轨道结构分别建立四个象限，分别在四个象限的中心位置布置测量定位点，并倾斜传感器分别垂直于长边中点连线和短边中点连线，以获得板式轨道结构轴向与径向的倾斜角α与β的信息。

其中：在步骤二中，构建板式轨道结构的局部坐标系(x’,y’,z’)，计算板式轨道结构局部坐标系(x’,y’,z’)与测量坐标系(x,y,z)的转换关系。

其中：在步骤三中，构建调板车局部坐标系，其是以调板车中心点为原点，以长边与短边的中线连接线分别为X、Y轴，则调板车坐标系与板式轨道结构坐标系的转换关系为(x,y,z)^T＝(x′,y′,z′+Δh)^T，其中Δh为板式轨道结构中心点厚度。

根据以上步骤操作，板式轨道结构完成第一次就位。依据上述1～8步骤进行多次重复，使得目标点坐标误差控制在一定的误差限值范围内。完成板式轨道结构的安装就位。

本发明的自动化控制方法能够应用于以下技术领域：城市轨道交通板式轨道结构的自动安装、高铁板式轨道结构的自动安装。

本发明的有益效果是改变了传统预制板式轨道结构在狭小空间内安装的自动化控制难题，能够大大地提高安装精度、提高安装效率、减小人工、缩短工期，是一种改变传统工艺的自动化控制方法，在城市轨道交通板式轨道安装具有重要的应用价值。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明中安装城市轨道交通板式轨道结构的自动控制方法的流程图。

图2显示了实现控制方法的安装系统的示意图。

图3显示了本发明中板式轨道结构的坐标系。

图4显示了本发明中坐标系的转换关系图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1显示本发明整个方法的流程，图2显示了实现本发明中控制方法的安装系统，该安装系统包含全站仪1、服务器2和调板车3，所述调板车3供板式轨道结构4进行安置和调板，其上设有多个液压传动设备5和步进电机6，以通过平板控制设备9进行控制调节，所述板式轨道结构4上还设有四个测量定位点7和两个倾斜传感器8，所述全站仪1可对板式轨道结构4上的测量定位点7进行测量定位。

其中，本发明中安装城市轨道交通板式轨道结构的自动控制方法包括如下步骤：

步骤一：数据采集，利用全站仪1与倾斜传感器2采集板式轨道结构4的位置数据，所述位置数据包含板式轨道结构4的坐标信息和角度信息，其中，参见图3，所述坐标信息为板式轨道结构4上的四个测量定位点7的X、Y、Z坐标信息，所述角度信息为板式轨道结构4上的两个倾侧传感器8的角度信息，所述四个测量定位点7的选择是以板式轨道结构4的中心点为坐标原点，以长边中点15、16的连线与短边中点的连线对板式轨道结构4分别建立四个象限，分别在四个象限的中心位置11、12、13、14布置测量定位点7，并在长边中点连线上与短边中点连线上的标记17-18，19-20作为倾斜传感器8的布置点，倾斜传感器8分别垂直于长边中点连线和短边中点连线，以获得板式轨道结构轴向与径向的倾斜角α与β的信息，所述全站仪1和倾斜传感器2将数据传递给服务器进行自动存储。

步骤二：板式轨道结构坐标计算，以板式轨道结构几何中心为坐标原点，建立板式轨道结构的坐标系，利用步骤一测得的4组X、Y、Z坐标以及2组α与β值，进行坐标系的转换参数计算，得到板式轨道坐标系与全站仪测量坐标系的转换参数x₀,y₀,z₀,μ,α,β,γ，参见图4，先构建板式轨道结构的局部坐标系(x’,y’,z’)，利用数学方法计算板式轨道结构局部坐标系(x’,y’,z’)与测量坐标系(x,y,z)的转换关系。建立公共测量定位点P(即为步骤一中的测量定位点7)之间的关系:

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right)+(1+\mathrm{\μ})R_1\left(\mathrm{\α}\right)R_2\left(\mathrm{\β}\right)R_3\left(\mathrm{\γ}\right)\left(\begin{array}{c}{x}^{,}\\ y^{,}\\ z^{,}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，(x₀y₀z₀)^T为两坐标系间的平移量，R₁(α)R₂(β)R₃(γ)为三个旋转矩阵的乘积，分别绕X轴旋转角α，绕Y轴旋转角β，绕Z轴旋转角γ。μ为尺度参数。其中：

$R_1\left(\mathrm{\α}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -sin\mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(2\right)$

$R_2\left(\mathrm{\β}\right)=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\β}& 0& -sin\mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ sin\mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(3\right)$

$R_3\left(\mathrm{\γ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\γ}& -sin\mathrm{\γ}& 0\\ sin\mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

对式(1)在测量定位点测量值处泰勒展开线性化，如下：

$\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{V}_{xi}\\ v_{yi}\\ v_{zi}\end{array}\right)=I\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\δx}}_0\\ {\mathrm{\δy}}_0\\ {\mathrm{\δz}}_0\end{array}\right)+R_1^0\left(\mathrm{\α}\right)R_2^0\left(\mathrm{\β}\right)R_3^0\left(\mathrm{\γ}\right)\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right)+(1+{\mathrm{\μ}}^0)\frac{\∂R_1\left(\mathrm{\α}\right)}{\∂\mathrm{\α}}{R}_2^0\left(\mathrm{\β}\right)R_3^0\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{\δ}\mathrm{\α}\\ +(1+{\mathrm{\μ}}^0)R_1^0\left(\mathrm{\α}\right)\frac{\∂R_2\left(\mathrm{\β}\right)}{\∂\mathrm{\β}}{R}_3^0\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{\δ}\mathrm{\β}+(1+{\mathrm{\μ}}^0)R_1^0\left(\mathrm{\α}\right)R_2^0\left(\mathrm{\β}\right)\frac{\∂R_3\left(\mathrm{\γ}\right)}{\∂\mathrm{\γ}}\mathrm{\δ}\mathrm{\γ}-l_i\end{array}---\left(5\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂R_1\left(\mathrm{\α}\right)}{\∂\mathrm{\α}}=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& -{\mathrm{sin\α}}^0& {\mathrm{cos\α}}^0\\ 0& -{\mathrm{cos\α}}^0& -{\mathrm{sin\α}}^0\end{array}\right]\\ \frac{\∂R_2\left(\mathrm{\β}\right)}{\∂\mathrm{\β}}=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{sin\β}}^0& 0& -{\mathrm{cos\β}}^0\\ 0& 0& 0\\ {\mathrm{cos\β}}^0& 0& -{\mathrm{sin\β}}^0\end{array}\right]\\ \frac{\∂R_3\left(\mathrm{\γ}\right)}{\∂\mathrm{\γ}}=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{sin\γ}}^0& {\mathrm{cos\γ}}^0& 0\\ -{\mathrm{cos\γ}}^0& -{\mathrm{sin\γ}}^0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\\ l_i=\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right)-(1+{\mathrm{\μ}}^0)R_1^0\left(\mathrm{\α}\right)R_2^0\left(\mathrm{\β}\right)R_3^0\left(\mathrm{\γ}\right)\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

将每次计算出的参数改正值(δxδyδzδμδαδβδγ)^T加上上次计算时的近似参数值x₀,y₀,z₀,μ⁰,α⁰,β⁰,γ⁰的和作为本次参数近似值代入，第一次解算的近似值都设定为0，根据间接平差原理，

X＝(δxδyδzδμδαδβδγ)^T＝(A^TPA)^-1(A^TPl)

权阵P为单位阵，可以不断迭代解出新的参数改正值，直到解算出的δx、δy、δz、δμ都小于10^-5，且δα，δβ，δγ都小于10^-7为止。

步骤三：调板车坐标计算，先利用激光对准装置，将板式轨道结构放置在调板车上，保证板式轨道结构的中心点与调板车中心点对准，保证板式轨道结构长边中线连接线与短边中线连接线与调板车的中线连接线重合，构建调板车局部坐标系，其是以调板车中心点为原点，以长边与短边的中线连接线分别为X、Y轴，则调板车坐标系与板式轨道结构坐标系的转换关系为(x,y,z)^T＝(x′,y′,z′+Δh)^T，其中Δh为板式轨道结构中心点厚度。

步骤四：安装板式轨道结构，在该步骤中主要包含如下子步骤：

子步骤一：测量初始状态下板式轨道测量定位点位置信息，既通过全站仪和倾斜传感器来测量位于调板车上的板式轨道结构的位置信息，根据步骤二计算得到的板式轨道结构坐标系与测量坐标系的转换参数值x₀,y₀,z₀,μ,α,β,γ，换算板式轨道结构的特征点(四周角点或中线角点)在测量坐标系下的坐标值(x_0i,y_0i,z_0i)。

子步骤二：根据就位目标位置信息计算测量坐标系下调板车与板式轨道结构特征点坐标调整值，既根据板式轨道结构特征点(四周角点或中线角点，至少3个点)安装就位要达到的坐标值(x_fiy_fiz_fi)(该坐标值通过设计图上取值计算取得)，计算初始状态下，板式轨道结构特征点坐标值(x_0i,y_0i,z_0i)为达到目标值所需的坐标偏移量(Δx_i,Δy_i,Δz_i)，利用板式轨道结构4个角点坐标的调整量，计算调板车中心点的偏移量(Δx_0i,Δy_0i,Δz_0i)(取四个角点x,y,z坐标偏移量的平均值)；根据长边角点坐标的调整量，计算长边需要进行旋转的角度Δφ＝arctan(Δy/Δx)。

子步骤三：计算旋转、平移步进电机行程及液压传动系统行程，既根据调板车中心点的偏移量(Δx_0i,Δy_0i)，计算X轴、Y轴方向步进电机平移所需的脉冲数，根据ΔM_X＝Δx_0i/步进电机旋转一周移动的距离×360/步进角，ΔM_y＝Δy_0i/步进电机旋转一周移动的距离×360/步进角。其中，ΔM_X与ΔM_y分别为X轴与Y轴步进电机的输入脉冲数。

根据上述计算得到的长边需要进行旋转的角度Δφ，控制旋转Δφ需要步进电机的必要脉冲数，ΔM_φ＝Δφ/步进电机旋转一周转动的角度×360/步进角，其中，ΔM_φ为旋转步进电机的输入脉冲数。

根据板式轨道结构4个角点坐标值z_0i为达到目标值所需的坐标偏移量Δz_i＝Δz_fi-Δz_0i，根据在板式轨道结构坐标系4个千斤顶坐标与调板车坐标的位置关系，计算调板车4个千斤顶所需升降的行程量Δz_qi。

子步骤四：控制旋转步进电机、平移步进电机和四个液压传动系统进行板式轨道结构的调整，其中，根据同一平面调整原则顺序控制四个液压传动系统中的千斤顶的行程。

根据以上步骤操作，板式轨道结构完成第一次就位。依据上述步骤进行多次重复，使得目标点坐标误差控制在一定的误差限值范围内。完成板式轨道结构的安装就位。

如图2显示的是控制方法实现涉及的自动化系统架构图，其工作原理包括如下：

1)图中全站仪1通过测量取得定位点的坐标信息以及图中倾斜传感器8采集取得的角度值通过蓝牙连接传送至平板控制设备9，通过无线网络传送到现场中心的服务器2。

2)图中服务器2根据测量值进行坐标转换的计算，并换算成调板车3的2个平移步进电机、1个旋转步进电机以及4个液压千斤顶需要调整的行程量。

3)图中服务器2通过无线网络，将步进电机与液压千斤顶需要调整的行程量发送给平板控制设备9，平板控制设备9通过蓝牙或有线控制步进电机与液压千斤顶进行调整。

本发明的自动化控制方法能够应用于以下技术领域：城市轨道交通板式轨道结构的自动安装、高铁板式轨道结构的自动安装。

本发明的有益效果是改变了传统预制板式轨道结构在狭小空间内安装的自动化控制难题，能够大大地提高安装精度、提高安装效率、减小人工、缩短工期，是一种改变传统工艺的自动化控制方法，在城市轨道交通板式轨道安装具有重要的应用价值。

Claims (4)

1.一种安装城市轨道交通板式轨道结构自动控制方法，其特征在于，该安装自动控制方法步骤包括：

步骤一：数据采集，利用全站仪对板式轨道结构表面安装的四个定位点的X、Y、Z坐标进行测量，利用两个倾斜传感器分别对板式轨道结构轴向与径向的倾斜角α与β进行测量，得到测量坐标系统的测量点位置信息，并进行记录和存储于现场服务器上；

步骤二：板式轨道结构坐标计算，以板式轨道结构几何中心为坐标原点，建立板式轨道结构的坐标系，利用步骤一测得的4组X、Y、Z坐标以及2组α与β值，进行坐标系的转换参数计算，得到板式轨道坐标系与全站仪测量坐标系的转换参数；

步骤三：调板车坐标计算，先利用激光对准装置，将板式轨道结构放置在调板车上，保证板式轨道结构的中心点与调板车中心点对准，保证板式轨道结构长边中线连接线与短边中线连接线与调板车的中线连接线重合，构建调板车局部坐标系；

步骤四：安装板式轨道结构，在该步骤中主要包含如下子步骤：

子步骤一：测量初始状态下板式轨道测量定位点位置信息，既通过全站仪和倾斜传感器来测量位于调板车上的板式轨道结构的位置信息，根据步骤二计算得到的板式轨道结构坐标系与测量坐标系的转换参数值，换算板式轨道结构的特征点在测量坐标系下的坐标值；

子步骤二：根据就位目标位置信息计算测量坐标系下调板车与板式轨道结构特征点坐标调整值，

子步骤三：计算旋转、平移步进电机行程及液压传动系统行程，既根据调板车中心点的偏移量，计算X轴、Y轴方向步进电机平移所需的脉冲数、旋转步进电机的输入脉冲数和4个液压传动系统所需升降的行程量；

子步骤四：控制旋转步进电机、平移步进电机和四个液压传动系统进行板式轨道结构的调整。

2.如权利要求1所述的自动控制方法，其特征在于：在步骤一中，所述四个测量定位点的选择是以板式轨道结构的中心点为坐标原点，以长边中点的连线与短边中点的连线对板式轨道结构分别建立四个象限，分别在四个象限的中心位置布置测量定位点，并倾斜传感器分别垂直于长边中点连线和短边中点连线，以获得板式轨道结构轴向与径向的倾斜角α与β的信息。

3.如权利要求1所述的自动控制方法，其特征在于：在步骤二中，构建板式轨道结构的局部坐标系(x′,y′,z′)，计算板式轨道结构局部坐标系(x′,y′,z′)与测量坐标系(x,y,z)的转换关系。

4.如权利要求3所述的自动控制方法，其特征在于：在步骤三中，构建调板车局部坐标系，其是以调板车中心点为原点，以长边与短边的中线连接线分别为X、Y轴，则调板车坐标系与板式轨道结构坐标系的转换关系为(x,y,z)^T＝(x′,y′,z′+Δh)^T，其中Δh为板式轨道结构中心点厚度。