CN107179526B - 一种基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，主要基于超宽带无线通信技术，通过布设固定基站，并利用固定基站和移动基站之间的距离测量组合以及移动基站与碾压车轮几何关系，得到坝体上碾压车的实时位置及施工轨迹。本发明提供的碾压车辆施工三维定位方法，可在卫星信号缺乏、移动网络不通、不能连接互联网等情况下，实现被监控对象的三维定位，且精度达到±5cm以内。整个方法具有信号稳定、反应灵敏、定位准确、抗干扰能力强、无数据泄密风险、实施费用低等优点。

Description

一种基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程施工技术领域，具体涉及一种基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法。
背景技术
大坝施工过程直接影响工程质量和大坝安全。对于碾压式大坝(包括土石坝和碾压混凝土坝)，碾压过程的控制是保障碾压施工质量的关键，因此人们都非常重视碾压施工过程的控制，以保证碾压过程符合规范和工艺的要求。
碾压车的工作状态包括空间位置、运动方向、振动状态等几项核心监控内容，其中，运动方向通过三维电子罗盘来进行监测，振动状态通过振动监测仪来获取。
关于空间位置的获取，国内钟登华院士、陈祖煜院士等在大型土石坝、混凝土坝工程的质量监控技术开发方面取得了大量成果，但主要是基于GPS、北斗等卫星定位系统来对碾压车位置进行监控。卫星信号受地形、地貌条件约束较大，且易受天气影响，特别是位于高山峡谷中的水利工程施工现场，使用卫星定位系统受到较大限制。GPS定位技术还因服务器位于国外，存在一定的数据泄密风险。
因此，现有的大坝施工过程中的碾压过程的控制方法仍有诸多改善的必要。
发明内容
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)无线通信技术是一种采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式。利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。
超宽带的测距原理为双向飞行时间法：每个终端从启动开始即会生成一条独立的时间戳，如图1所示，一次测距过程为：
终端A于Ta1发射请求脉冲信号；
终端B于Tb1接收到该脉冲信号；
终端B于Tb2将处理后的响应信号返回给终端A；
终端A于Ta2时刻接收终端B的响应信号。
通过计算脉冲信号在两个模块间的飞行时间，求得飞行距离S：
S＝c*((Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1))
其中，c为光速。
超宽带无线通信技术抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大，且发送功率非常小。UWB通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间，其电磁波辐射对人体的影响也很小，便于应用。超宽带终端设备测距和通讯模块可提供点对点、精度为2厘米的测距能力，测量室外距离最远可达2-4km。
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，包括如下步骤：
S1：在欲定位的坝体区域附近设三个固定基站，该三个固定基站处于与坝体平面相平行的同一平面上，且该三个固定基站构成的空间三角形的投影面积覆盖整个坝体施工区域，该三个固定基站的定位坐标分别为101(x1,y1,z1)、102(x2,y2,z2)、103(x3,y3,z3)；
S2：在欲定位的碾压车上方安装一个移动基站，使移动基站与三个固定基站之间连续通信，实时获得移动基站与三个固定基站之间的距离；
S3：根据下述公式得出移动基站的实时位置信息(xm,ym,zm)：
(xm-x1)2+(ym-y1)2+(zm-z1)2＝L1 2； (1)
(xm-x2)2+(ym-y2)2+(zm-z2)2＝L2 2； (2)
(xm-x3)2+(ym-y3)2+(zm-z3)2＝L3 2； (3)
其中，L1为移动基站与固定基站101(x1,y1,z1)之间的实时距离，L2为移动基站与固定基站102(x2,y2,z2)之间的实时距离；L3为移动基站与固定基站103(x3,y3,z3)之间的实时距离；
x向沿坝体轴线方向，指向右岸为正，零点在左岸桩号0处；
y向垂直于坝体轴线方向，指向下游为正，零点在左岸桩号0处；
z向为高程方向，取值为当前高程。
其中，在所述步骤S3，通过取所解出的两个(xm,ym,zm)值中zm较高的一组得出移动基站的实时位置信息。
其中，所述移动基站安装于碾压车顶端的中轴线上。
其中，还包括通过如下步骤获得碾压车的施工轨迹：
S4：取碾压车的轮辊左侧点和轮辊右侧点，根据几何关系得出轮辊左侧点与移动基站的坐标轴差距△x左及△y左，以及，轮辊右侧点与移动基站的坐标轴差距△x右及△y右；
S5：根据下述公式得到轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息：
x左＝xm+△x左； x右＝xm+△x右；
y左＝ym+△y左； y右＝ym+△y右；
z左＝zm-H； z右＝zm-H；
其中，H为碾压车的高度，△x左及△x右分别为轮辊左侧点和轮辊右侧点相对于移动基站沿坝体轴线方向向坝体右岸偏离的距离；△y左及△x右分别为轮辊左侧点和轮辊右侧点相对于移动基站沿与坝体轴线垂直的方向向坝体下游偏离的距离；
S6：根据所获取的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息，得到碾压车的施工轨迹。
其中，还包括下述步骤：
S7：对所获得的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息中的超限点进行剔除；
S8：对剔除过超限点的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息进行平滑处理，得到连续变化的碾压车的运行轨迹。
其中，碾压车的车头方向通过三维电子罗盘实时测量得到的车头运动方向的磁偏角换算得到。
其中，所述轮辊左侧点和轮辊右侧点为碾压车前方左右两侧的车轮与坝体相切的点，或者为碾压车后方左右两侧的车轮与坝体相切的点，轮辊左侧点和轮辊右侧点共同处于碾压车的前方或后方。
本发明提供的基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，可在卫星信号缺乏、移动网络不通、不能连接互联网等情况下，实现被监控对象的三维定位，且精度达到5cm以内。整个方法具有信号稳定、反应灵敏、定位准确、抗干扰能力强、无数据泄密风险、实施费用低等优点。
附图说明
图1：超宽带测距的双向飞行法原理示意图；
图2：本发明的方法对应的移动基站和固定基站的设定关系图；
图3：本发明的固定基站三遍定位法则的二维测距原理示意图；
图4：本发明的方法对应的施工轨迹换算方法的几何原理图。
附图标记说明
101 固定基站
102 固定基站
103 固定基站
20 移动基站
30 坝体
具体实施方式
为了对本发明的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面配合附图详细说明本发明的技术方案及其产生的有益效果。
本发明提供的基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，主要基于超宽带技术无线通信技术，通过布设固定基站，并利用固定基站和移动基站之间的距离测量组合以及移动基站与碾压车轮几何关系，得到坝体上碾压车的实时位置及施工轨迹，具体包括如下步骤：
S1：如图2所示，为本发明的方法对应的移动基站和固定基站的设定关系图：在欲定位的坝体区域附近设三个固定基站101、102、103，该三个固定基站101、102、103处于与坝体30平面相平行的同一平面上，且该三个固定基站101、102、103构成的空间三角形的投影面积覆盖整个坝体30施工区域，该三个固定基站101、102、103的定位坐标分别为101(x1,y1,z1)、102(x2,y2,z2)、103(x3,y3,z3)。
S2：请配合参阅图3所示：在欲定位的碾压车顶端的中轴线上安装一个移动基站20，使移动基站20与三个固定基站101、102、103之间连续通信，实时获得移动基站20与三个固定基站101、102、103之间的距离；通过“球面相交算法”解算，将距离值实时转换为三维定位坐标，并可与大坝工程坐标无缝连接。
S3：具体的，根据下述公式得出移动基站20的实时位置信息(xm,ym,zm)：
(xm-x1)2+(ym-y1)2+(zm-z1)2＝L1 2； (1)
(xm-x2)2+(ym-y2)2+(zm-z2)2＝L2 2； (2)
(xm-x3)2+(ym-y3)2+(zm-z3)2＝L3 2； (3)
其中，L1为移动基站20与固定基站101(x1,y1,z1)之间的实时距离，L2为移动基站20与固定基站102(x2,y2,z2)之间的实时距离；L3为移动基站20与固定基站103(x3,y3,z3)之间的实时距离；
x向沿坝体轴线方向，指向右岸为正，零点在左岸桩号0处；
y向垂直于坝体轴线方向，指向下游为正，零点在左岸桩号0处；
z向为高程方向，取值为当前高程。
本发明中，所谓的左岸桩号0处为人为取定的一个点，通常位于坝体左侧上游(以正对上游至下游方向的左手边为左侧)处。
上述方程经整理可变换为下述形式：
xm 2+ym 2+zm 2-2x1xm-2y1ym-2z1zm＝L1 2-x1 2-y1 2-z1 2； (4)
xm 2+ym 2+zm 2-2x2xm-2y2ym-2z2zm＝L2 2-x2 2-y2 2-z2 2； (5)
xm 2+ym 2+zm 2-2x3xm-2y3ym-2z3zm＝L3 2-x3 2-y3 2-z3 2； (6)
该方程组有3个方程、3个未知数，方程可解。然而，方程组若有解，可以想象，移动基站与三个固定基站形成的三角形面逐点连接形成四面体，应具有确定的两个关于三角形平面对称的两个解，特殊情况只有一个解，及该点在三角形平面内。根据工程特点，基站三角形几乎为坝顶的水平面，因此正确解的高程坐标应该是较低的那个。
因此，解上述方程组的思路为先解出zm。根据方程特点，先视zm为已知数，可采用降次法和消元法解出xm、ym相对于zm的表达式，最后解关于zm(取取值较大的值)的二元一次方程即可求解整个方程组。
本发明中，由于采用自主组网的超宽带定位技术来实现碾压车的三维动态定位，鉴于超宽带终端设备测距及通讯模块可提供点对点、精度为2厘米的测距能力，测量室外距离最远可达2-4km。通过3个固定基站和1个移动基站之间的距离测量组合就可以通过三维定位算法计算位置坐标。利用超宽带定位技术实时定位碾压车位置，具有原理简单直接、定位精度高、数据安全性好、抗干扰能力强、受复杂地形环境影响较小的特点，且可根据地理环境灵活架设基站，适用范围广。
然而，上述计算结果仅能得到移动基站的实时空间位置信息，碾压车的施工轨迹需要具体到车轮的运动轨迹，为获得碾压车的施工轨迹、计算施工遍数，还需进行空间位置换算。
图4为本发明的方法对应的施工轨迹换算方法的几何原理图，设移动基站安放位置为O点，实际碾压位置为碾压车轮辊与仓面相切线，即MN线，M点为轮辊左侧点，N点为轮辊右侧点，由于移动基站所处的O点位于碾压车上方的中轴线上，因此MAN三点构成等腰三角形。根据车型的实际参数，M、N点的高程低于O点的高度为碾压车车身高，水平面坐标位于O点在仓面的垂直投影点的左前方和右前方，根据轮辊长度等几何关系可以求出。
为方便计算轮辊左侧点和轮辊右侧点与移动基站之间的几何关系，较佳设置所述轮辊左侧点和轮辊右侧点为碾压车前方左右两侧的车轮与坝体相切的点，或者为碾压车后方左右两侧的车轮与坝体相切的点，轮辊左侧点和轮辊右侧点共同处于碾压车的前方或后方(图2中以设置于碾压车前方为例)。
本发明中，具体通过下述步骤将移动基站的实时位置信息换算为碾压车的施工轨迹：
S4：取碾压车的轮辊左侧点和轮辊右侧点，根据几何关系及车头方向得出轮辊左侧点与移动基站的坐标轴差距△x左及△y左，以及，轮辊右侧点与移动基站的坐标轴差距△x右及△y右。
S5：根据公式得到轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息：
x左＝xm+△x左； x右＝xm+△x右；
y左＝ym+△y左； y右＝ym+△y右；
z左＝zm-H； z右＝zm-H；
其中，H为碾压车的高度，△x左及△x右分别为轮辊左侧点和轮辊右侧点相对于移动基站沿坝体轴线方向向坝体右岸偏离的距离；△y左及△x右分别为轮辊左侧点和轮辊右侧点相对于移动基站沿与坝体轴线垂直的方向向坝体下游偏离的距离。
S6：根据所获取的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息，得到碾压车的施工轨迹。
轮辊左侧点和轮辊右侧点与移动基站的坐标轴差距之间的换算需要涉及到碾压车的车头方向，本发明中，较佳采用三维电子罗盘实时测量车头运动方向的磁偏角，计算得出车头方向，进而得到轮辊左侧点和轮辊右侧点与移动基站之间的等腰三角形(同时还可结合判断碾压车的前进、后退、转弯等行为)，通过等腰三角形的几何关系，得到轮辊左侧点和轮辊右侧点与移动基站的坐标轴差距。
由于碾压车在运行过程中，速度、运动方向、仓面高程等都应该为连续变化，为得到平滑的碾压车运行轨迹，针对碾压车行进运动的特点，可通过将所获得的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息中的超限点进行剔除，以将计算过程中产生的误差数据剔除。
最后，将剔除过超限点的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息进行平滑处理，可得到连续变化的碾压车的运行轨迹。通过对计算结果进行进一步修正，最后得到的数据即为表征碾压车当前位置及运动状态的数据。
发明人经实验研究证明，将系统三维定位精度指标设为水平向和垂直向均在±5cm之内，可以满足碾压施工过程监控的定位精度需求。
本发明提供的基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，在某一应用实例中，通过使用于某水库施工工地，对仓面碾压全过程进行监控，对超速、漏碾、欠碾及不规范的碾压行为及时进行预警，保障了工程施工顺利进行。
具体的，本发明于具体实施时，将移动基站与固定基站与一控制系统实现无线连接，由控制系统完成对碾压车的碾压轨迹监控，经过计算，仓面施工时碾压车速主要在1.9-3.7km/h之间。
控制系统提供实时监控功能，也可进行轨迹回放，并能与视频监控录像对照分析详细的碾压过程。经分析，绝大多数区域振动碾压都在8遍以上，其余少数区域碾压遍数也在6遍以上，振动碾压条带清晰，主体部分未发现有漏碾和欠碾现象，振动碾压条带之间搭接符合要求。
综上，本发明以自主组网为指导思想，采用基于超宽带的通信技术来实现碾压车的三维动态定位，该技术在国内及国际上均未见报导，相比较现有技术，具备如下优点：
1、解决了现有的GPS定位的施工监控技术在狭窄河谷、位置偏僻等中小工程的施工场地由于GPS信号强度和稳定性不够而难以发挥作用的缺陷，本发明提供的自主组网超宽带三维定位技术，可不受地形限制，在有效监控范围内具有信号稳定、反应灵敏、定位准确、抗干扰能力强、无数据泄密风险。
2、本发明提供的基于自主组网超宽带的三维定位技术无需借助卫星，不受外界干扰，可直接获得工程坐标，精度高、反应快、投资小，非常适用于碾压式筑坝的广大中小工程的施工质量控制。
3、本发明通过3个固定基站和1个移动站之间的距离测量组合就可以通过三维定位算法计算位置坐标，原理简单直接。
虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在欲定位的坝体区域附近设三个固定基站，该三个固定基站处于与坝体平面相平行的同一平面上，且该三个固定基站构成的空间三角形的投影面积覆盖整个坝体施工区域，该三个固定基站的定位坐标分别为101(x1,y1,z1)、102(x2,y2,z2)、103(x3,y3,z3)；
S2：在欲定位的碾压车上方安装一个移动基站，使移动基站与三个固定基站之间连续通信，实时获得移动基站与三个固定基站之间的距离；
S3：根据下述公式得出移动基站的实时位置信息(xm,ym,zm)：
(xm-x1)2+(ym-y1)2+(zm-z1)2＝L1 2； (1)
(xm-x2)2+(ym-y2)2+(zm-z2)2＝L2 2； (2)
(xm-x3)2+(ym-y3)2+(zm-z3)2＝L3 2； (3)
其中，L1为移动基站与固定基站101(x1,y1,z1)之间的实时距离，L2为移动基站与固定基站102(x2,y2,z2)之间的实时距离；L3为移动基站与固定基站103(x3,y3,z3)之间的实时距离；
x向沿坝体轴线方向，指向右岸为正，零点在左岸桩号0处；
y向垂直于坝体轴线方向，指向下游为正，零点在左岸桩号0处；
z向为高程方向，取值为当前高程；
之后，通过如下步骤获得碾压车的施工轨迹：
S4：取碾压车的轮辊左侧点和轮辊右侧点，根据几何关系及车头方向得出轮辊左侧点与移动基站的坐标轴差距△x左及△y左，以及，轮辊右侧点与移动基站的坐标轴差距△x右及△y右；
S5：根据下述公式得到轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息：
x左＝xm+△x左；x右＝xm+△x右；
y左＝ym+△y左；y右＝ym+△y右；
z左＝zm-H；z右＝zm-H；
其中，H为碾压车的高度，△x左及△x右分别为轮辊左侧点和轮辊右侧点相对于移动基站沿坝体轴线方向向坝体右岸偏离的距离；△y左及△x右分别为轮辊左侧点和轮辊右侧点相对于移动基站沿与坝体轴线垂直的方向向坝体下游偏离的距离；
S6：根据所获取的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息，得到碾压车的施工轨迹；
其中，所述移动基站安装于碾压车顶端的中轴线上；
所述轮辊左侧点和轮辊右侧点为碾压车前方左右两侧的车轮与坝体相切的点，或者为碾压车后方左右两侧的车轮与坝体相切的点，轮辊左侧点和轮辊右侧点共同处于碾压车的前方或后方。
2.如权利要求1所述的基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，其特征在于：在所述步骤S3，通过取所解出的两个(xm,ym,zm)值中zm较高的一组得出移动基站的实时位置信息。
3.如权利要求1所述的基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，其特征在于，还包括下述步骤：
S7：对所获得的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息中的超限点进行剔除；
S8：对剔除过超限点的轮辊左侧点(x左,y左,z左)及轮辊右侧点(x右,y右,z右)的实时位置信息进行平滑处理，得到连续变化的碾压车的运行轨迹。
4.如权利要求1所述的基于自主组网的碾压车辆施工三维定位方法，其特征在于：碾压车的车头方向通过三维电子罗盘实时测量得到的车头运动方向的磁偏角换算得到。
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