CN110221327A - 一种非接触式测量打桩系统及打桩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了非接触式测量打桩系统，包括测量设备、数据处理单元、数据传输单元、主控单元；测量设备包括设置在打桩平台上的至少两个GNSS接收机和两个测距仪，GNSS接收机和测距仪均通过数据传输单元发送实时测量数据至数据处理单元与主控单元；数据传输单元用于接收测量设备的实时测量数据并传输至数据处理单元与主控单元；数据处理单元用于根据两个GNSS接收机的测量坐标和船体坐标，计算打桩平台的姿势参数，结合两个测距仪实时测量到的其与桩身的实际距离，计算出实际桩心的位置；主控单元用于获取用户输入的目标桩心位置，并根据实际桩心位置提示用户调整打桩位置，直至完成打桩。本发明可提高打桩作业精度，将误差范围控制在允许范围内。

Description

一种非接触式测量打桩系统及打桩方法

技术领域

本发明涉及智能测绘领域，尤其涉及一种非接触式测量打桩系统及打桩放方法。

背景技术

目前，桩机施工时，施放桩位需要通过通用的测量仪器，同时需要多人配合完成。通过测量仪器施放桩位时，也会因为夜间视野条件不足而作业困难。对于打桩平台非接触桩架打桩系统，如水上打桩系统，通过RTK测量仪器完成放样提供定位信息，需要现场输入坐标，桩机在海上作业的过程中会造成桩位的偏移，也无法实施获取施工过程中桩位的偏移状况，容易造成桩施工完成后偏移误差超出精确度的要求，无法满足作业的精度要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种非接触式测量打桩系统，提高打桩精度，将误差控制在一定范围内。

本发明的目的之二在于提供一种非接触式测量打桩方法，提高打桩精度，将误差控制在一定范围内。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

非接触式测量打桩系统，包括测量设备、数据处理单元、数据传输单元、主控单元；所述测量设备包括设置在打桩平台上的至少两个GNSS接收机和至少两个测距仪，所述GNSS接收机用于通过卫星导航系统实时获取GNSS接收机的测量坐标和船体坐标，所述测距仪实时测量其与桩身的实际距离，所述 GNSS接收机和测距仪均通过数据传输单元发送实时测量数据至数据处理单元与主控单元；所述数据传输单元用于接收所述测量设备的实时测量数据并传输至所述数据处理单元与主控单元；所述数据处理单元用于根据所述两个GNSS接收机的测量坐标和船体坐标，计算所述打桩平台的姿势参数，并结合所述两个测距仪实时测量到的其与桩身的实际距离，计算出实际桩心的位置；所述主控单元用于获取用户输入的目标桩心位置，并根据所述实际桩心位置提示用户调整打桩位置，直至完成打桩。

进一步地，数据处理单元计算实际桩心位置，具体为：根据打桩平台姿势参数，获得所述测距仪的实时测量坐标，以及所述桩身的理论桩心坐标，结合测距仪测得的测距仪与桩身的实际距离，得到桩身上至少两个点的测量坐标，通过所述桩身上至少两个点的测量坐标，得到实际桩心坐标，并由目标桩心坐标与实际桩心坐标的差值及打桩平台的航向得到导航信息，根据该导航信息调整打桩平台的方向。

进一步地，所述测量设备还包括角度传感器，所述角度传感器设置在桩架上，用于测量桩身倾斜度读数，所述非接触式测量打桩系统用于获取角度传感器所测量的桩身倾斜度，并根据所述桩身倾斜度调整桩身。

进一步地，所述测量设备还包括全站仪；所述全站仪用于当桩顶低于所述测距仪的观测范围时，所述全站仪测量桩身同一高程面的若干坐标，所述数据处理单元根据所述全站仪的测量结果计算出第二实际桩心坐标，并与所述目标桩心进行比较，若在误差允许范围内，则继续打桩直至作业完成；若误差超出允许范围，则对所述第二实际桩心进行调整，使得所述第二实际桩芯的坐标位于误差允许范围内。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

非接触式测量打桩方法，应用于如上述权利要求所述的非接触式测量打桩系统，包括：

S10、通过主控单元获取用户目标桩心位置，并设置工程参数；

S20、根据实际情况设置打桩平台、测量设备、偏移点坐标，所述测量设备包括至少两个GNSS接收机、至少两个测距仪，所述测距仪指向桩身；

S30、测量设备实时测量并通过数据传输单元传输至数据处理单元；数据处理单元实时接收到的测量坐标与打桩平台坐标，计算得到打桩平台的姿态参数，从而得到测距仪的实时坐标与目标桩心的实时坐标，并根据测距仪测得的测距仪与桩身距离确定第一实际桩心坐标，并由目标桩心坐标与实际桩心坐标的差值及打桩平台的航向得到导航信息及偏差。

S40、根据所述导航信息及偏差移动桩身，直至所述第一实际桩心实时坐标在所述目标桩心的误差允许范围内，开始打桩；

进一步地，还包括以下步骤：S50、所述测量设备还包括角度传感器，主控单元获取角度传感器所测量的桩倾斜度读数，根据所述倾斜度调整桩倾角直至满足要求，开始打桩。

进一步地，还包括：还包括以下步骤：S60、所述测量设备还包括全站仪，当桩身低于测距仪的观测范围时，全站仪测量桩同一高程面的若干坐标，数据处理单元根据所述全站仪的测量坐标计算出第二实际桩心坐标，与目标桩心比较，若在误差允许范围内，则继续打桩直至打桩完成。

进一步地，还包括：S70、通过非接触式测量打桩系统将打桩点的信息生成报表并输出成果文件，所述成果文件包括打桩点的位置、打桩点的规格、打桩前后的屏幕截图以及打桩时间。

进一步地，S20与S30之间还包括：S21、主控单元测试所述测量设备是否正常工作；

S22、通过主控单元对桩位进行管理，包括但不限于增加、删除、查询、修改、导出桩位。

进一步地，所述姿态参数包括原点测量坐标信息、横摇、纵摇。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过GNSS接收机来接收多个卫星定位信号，实现了多星定位技术，从而实时计算出打桩船的船体姿态，且通过各个点的相对关系通过一定的算法计算出实际桩心与目标桩心的误差与导航信息，使得打桩点的位置定位准确、稳定。另外，还通过在打桩过程中，实时检测桩锤的倾斜角，智能化控制打桩，准确判定打桩完成，以便提示用户打桩完成，解决现有技术中人工判断容易出现误差、误判等缺陷，减少施工的偏移误差，满足作业的精度要求。

附图说明

图1为本发明所提供实施例的系统流程图；

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

如图1所示，本发明提供了一种非接触式测量打桩系统，包括测量设备、数据处理单元、数据传输单元、主控单元；所述测量设备包括设置在打桩平台上的至少两个GNSS接收机和至少两个测距仪，所述GNSS接收机用于通过卫星导航系统实时获取GNSS接收机的测量坐标和船体坐标，所述测距仪实时测量其与桩身的实际距离，所述GNSS接收机和测距仪均通过数据传输单元发送实时测量数据至数据处理单元与主控单元；所述数据传输单元用于接收所述测量设备的实时测量数据并传输至所述数据处理单元与主控单元；所述数据处理单元用于根据所述两个GNSS接收机的测量坐标和船体坐标，计算所述打桩平台的姿势参数，并结合所述两个测距仪实时测量到的其与桩身的实际距离，计算出实际桩心的位置；所述主控单元用于获取用户输入的目标桩心位置，并根据所述实际桩心位置提示用户调整打桩位置，直至完成打桩。

非接触测量是指以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。在本申请中，非接触式测量是测量设备与目标桩心的表面不直接接触的测量方法。目标桩心是指打桩的目标位置，而实际桩心是指桩身在移动至目标桩心的过程中的位置。在本实施例中，第一实际桩心是指桩身在移动至指定区域中测量的桩心实时位置，第二实际桩心是在打桩过程中桩心的实时位置。

本非接触式测量打桩系统通过测量设备实时测量桩身与打桩平台的位置，并通过数据传输单元发送至数据处理单元，由数据处理单元计算并确认打桩船的船体姿态，根据打桩平台姿势参数，获得所述测距仪的实时测量坐标，以及所述桩身的理论桩心坐标，结合测距仪测得的测距仪与桩身的实际距离，得到桩身上至少两个点的测量坐标，通过所述桩身上至少两个点的测量坐标，得到实际桩心坐标，并由目标桩心坐标与实际桩心坐标的差值及打桩平台的航向得到导航信息，根据该导航信息调整打桩平台的方向，从而保证实际桩心与目标桩心的误差在允许范围内。其中船体姿态包括原点测量坐标信息、横摇、纵摇等信息，从而保证船型原点的三维坐标的准确。本发明适用于特殊的非接触式打桩测量的需求，提高打桩精度，将误差范围控制在5cm的范围内。

在本实施例中，测量设备包括GNSS接收机、测距仪、全站仪、角度传感器。3个GNSS接收机安装在打桩船上。为保证定位船体姿态的精确性，三个 GNSS接收机设置于等边等高的水平面。GNSS接收机用于接收多种定位信息，比如北斗、GPS、GLONASS等。而现有技术中只能够支持GPS单星定位，但是对于比较偏远或者环境较恶劣、海外作业时，GPS信号通常很弱，定位就会不准确，因此，本系统中采用的GNSS接收机，支持多星定位，满足了用户的需求。通过GNSS接收机确定打桩船的船体坐标及参数，并由数据处理单元计算得到打桩平台的姿态参数及其坐标，进而确定目标桩心的坐标。

具体的，测距仪采用激光测距仪，用于测量其与目标桩心、实际桩心的距离及坐标。优选为3个测距仪，均设置在靠近桩身的位置，方向指向桩身，优选为桩身的左、中、右各一台。在桩身偏离时，仍保证至少两台测距仪准确的测量到与桩身的距离，从而计算其交点坐标，即桩身的坐标。在GNSS接收机确定的打桩平台的基础上与测距仪的数据可得桩身3个点的坐标，进而精确求出第一实际桩心的位置。由目标桩心与第一实际桩心的差值及船向得到导航信息、前后及左右的导航误差。通过桩身多点的测量坐标确定第一实际桩心的位置，保证了第一实际桩心位置坐标的准确性。

进一步地，角度传感器安装于桩架，所述角度传感器用于反映桩倾斜度。非接触式测量打桩系统通过获取角度传感器所测量的数据，由数据处理单元换算为桩身的倾斜度，从而用户根据倾斜度与打桩点倾斜角于主控单元调节桩身的倾斜度数。通过机器自动调节桩身的倾斜度，不需要通过人工调节，可大大减少误差。在较多的情况桩锤的倾斜角为0，即直桩，通过角度传感器保证其准确性。

在打桩的过程中，当桩身低于所述测距仪的观测范围时，测距仪无法确认桩身的位置。为保证其测量结果的准确性，本系统还包括全站仪；全站仪测量桩身同一高程面的若干坐标，数据处理单元根据全站仪的测量结果计算出第二实际桩心坐标，并与目标桩心进行比较，若在误差允许范围内，则继续打桩直至作业完成；若误差超出允许范围，则对第二实际桩心进行调整，使得所述第二实际桩芯的坐标位于误差允许范围内，直至作业完成。

另外，本系统安装于平板电脑中，该平板电脑具有显示屏，因此用户通过在该车载平板电脑的显示屏中输入对应的数据，比如打桩点的位置、打桩点的设计深度、打桩点的倾斜角。当然用户还可以通过该平板电脑实时查看到打桩的状态，比如桩身的打入深度等等，具有很好的直观性，便于用户观察。另外，该平板电脑抗震强度好，能够适应比较恶劣、强振动的环境下使用。另外，GNSS 接收机也具有很好的抗震设计，适用于各种恶劣的工作环境。

基于相同的发明思想，本发明还提供了另外一种实施例，一种非接触式测量打桩方法，应用如上所述的非接触式测量打桩系统，包括以下步骤：

S10、通过主控单元获取用户目标桩心位置，并设置工程参数；

S20、根据实际情况进行设置打桩平台、测量设备、偏移点坐标，所述测量设备包括至少两个GNSS接收机、两个测距仪，所述测距仪指向桩身；

S30、测量设备实时测量并通过数据传输单元传输至数据处理单元；数据处理单元实时接收到的测量坐标与打桩平台坐标，计算得到打桩平台的姿态参数，具体包括原点测量坐标信息、横摇、纵摇等信息，从而得到多个测距仪的实时坐标与目标桩心的实时坐标，并根据测距仪测量的测距仪与桩身距离确定第一实际桩心坐标，根据目标桩心与第一实际桩心的差值获取导航信息及偏差；

S40、根据所述导航信息及偏差移动桩身，直至所述第一实际桩心坐标在所述目标桩心的误差允许范围内，开始打桩；为避免打桩作业过程中，因桩身的倾斜导致作业精度低，因此还包括步骤S50、主控单元获取角度传感器所测量的桩身倾斜度读数，根据所述倾斜度调整桩倾角直至满足要求，开始打桩；

在桩身低于测距仪的观测范围时，测距仪无法保证实际桩心的位置在误差允许范围内，因此使用全站仪进行观测。具体还包括步骤S60、当桩顶低于测距仪的观测范围时，全站仪测量桩身同一高程面的若干坐标，数据处理单元根据所述全站仪的测量坐标计算出第二实际桩心坐标，与目标桩心比较，若在误差允许范围内，则继续打桩直至打桩完成；若超出误差允许的范围，则对其进行调整直至在范围内。

在本实施例中，全站仪测量桩身同一高程面的三个点坐标，根据三点确定唯一圆心的计算方法确定第二实际桩心坐标。

在本实施例中，还包括：S70、通过非接触式测量打桩系统将打桩点的信息生成报表并输出成果文件，所述成果文件包括但不限于打桩点的位置、打桩点的规格、打桩前后的屏幕截图以及打桩时间。

为保证用户可更好的对桩位进行管理，S20与S30之间还包括：S21、主控单元测试所述测量设备是否正常工作；

S22、通过主控单元对桩位进行管理，包括但不限于增加、删除、查询、修改、导出桩位。

为保证测量结果的精确度，工程参数包括但不限于坐标系统的椭球参数、投影参数、中央子午线、七参数、高程拟合参数、四参数、校正参数、垂直平差参数。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.非接触式测量打桩系统，其特征在于：包括测量设备、数据处理单元、数据传输单元、主控单元；所述测量设备包括设置在打桩平台上的至少两个GNSS接收机和至少两个测距仪，所述GNSS接收机用于通过卫星导航系统实时获取GNSS接收机的测量坐标和船体坐标，所述测距仪实时测量其与桩身的实际距离，所述GNSS接收机和测距仪均通过数据传输单元发送实时测量数据至数据处理单元与主控单元；所述数据传输单元用于接收所述测量设备的实时测量数据并传输至所述数据处理单元与主控单元；所述数据处理单元用于根据所述两个GNSS接收机的测量坐标和船体坐标，计算所述打桩平台的姿势参数，并结合所述两个测距仪实时测量到的其与桩身的实际距离，计算出实际桩心的位置；所述主控单元用于获取用户输入的目标桩心位置，并根据所述实际桩心位置提示用户调整打桩位置，直至完成打桩。

2.如权利要求1所述的非接触式测量打桩系统，其特征在于：数据处理单元计算实际桩心位置，具体为：根据打桩平台姿势参数，获得所述测距仪的实时测量坐标，以及所述桩身的理论桩心坐标，结合测距仪测得的测距仪与桩身的实际距离，得到桩身上至少两个点的测量坐标，通过所述桩身上至少两个点的测量坐标，得到实际桩心坐标，并由目标桩心坐标与实际桩心坐标的差值及打桩平台的航向得到导航信息，根据该导航信息调整打桩平台的方向。

3.如权利要求2所述的非接触式测量打桩系统，其特征在于：所述测量设备还包括角度传感器，所述角度传感器设置在桩架上，用于测量桩身倾斜度读数，所述非接触式测量打桩系统用于获取角度传感器所测量的桩身倾斜度，并根据所述桩身倾斜度调整桩身。

4.如权利要求3所述的非接触式测量打桩系统，其特征在于，所述测量设备还包括全站仪；所述全站仪用于当桩顶低于所述测距仪的观测范围时，所述全站仪测量桩身同一高程面的若干坐标，所述数据处理单元根据所述全站仪的测量结果计算出第二实际桩心坐标，并与所述目标桩心进行比较，若在误差允许范围内，则继续打桩直至作业完成；若误差超出允许范围，则对所述第二实际桩心进行调整，使得所述第二实际桩芯的坐标位于误差允许范围内。

5.非接触式测量打桩方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的非接触式测量打桩系统，包括：

S10、通过主控单元获取用户目标桩心位置，并设置工程参数；

S20、根据实际情况设置打桩平台、测量设备、偏移点坐标，所述测量设备包括至少两个GNSS接收机、至少两个测距仪，所述测距仪指向桩身；

S30、测量设备实时测量并通过数据传输单元传输至数据处理单元；数据处理单元实时接收到的测量坐标与打桩平台坐标，计算得到打桩平台的姿态参数，从而得到测距仪的实时坐标与目标桩心的实时坐标，并根据测距仪测得的测距仪与桩身距离确定第一实际桩心坐标，并由目标桩心坐标与第一实际桩心坐标的差值及打桩平台的航向得到导航信息及偏差；

S40、根据所述导航信息及偏差移动桩身，直至所述第一实际桩心实时坐标在所述目标桩心的误差允许范围内，开始打桩。

6.如权利要求5所述的非接触式测量打桩方法，其特征在于，还包括以下步骤：S50、所述测量设备还包括角度传感器，主控单元获取角度传感器所测量的桩倾斜度读数，根据所述倾斜度调整桩倾角直至满足要求，开始打桩。

7.如权利要求6所述的非接触式测量打桩方法，其特征在于，还包括：还包括以下步骤：S60、所述测量设备还包括全站仪，当桩身低于测距仪的观测范围时，全站仪测量桩同一高程面的若干坐标，数据处理单元根据所述全站仪的测量坐标计算出第二实际桩心坐标，与目标桩心比较，若在误差允许范围内，则继续打桩直至打桩完成。

8.如权利要求7所述的非接触式测量打桩方法，其特征在于，还包括：S70、通过非接触式测量打桩系统将打桩点的信息生成报表并输出成果文件，所述成果文件包括打桩点的位置、打桩点的规格、打桩前后的屏幕截图以及打桩时间。

9.如权利要求5-8任一所述的非接触式测量打桩方法，其特征在于，S20与S30之间还包括：S21、主控单元测试所述测量设备是否正常工作；

S22、通过主控单元对桩位进行管理，包括但不限于增加、删除、查询、修改、导出桩位。

10.如权利要求9所述的非接触式测量打桩方法，其特征在于：所述姿态参数包括原点测量坐标信息、横摇、纵摇。