CN110409313B - 一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统及其放样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统及其放样方法，无人机机载放样系统包括有地面操控站，测量单元，无人机和放样工装，放样工装上设置有棱镜和放样点标记装置，放样工装的车载控制器、无人机的载荷模块和飞控导航模块、测量单元均与地面操控站无线通信连接。本发明采用无人机远程操控放样，大大降低放样人员的劳动力和放样难度，且放样准确度高，保证了高速铁路桥墩施工的质量。
Description
技术领域
本发明涉及高速铁路建设施工领域，具体是一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统及其放样方法。
背景技术
随着无人机运用领域的日益扩大和需求量的提高，计算机技术和导航技术的发展成熟，无人机具备了更智能的操控，更好的载重和续航，目前在农药喷洒、包裹配送方面都有成功的应用案例，是应用范围较广、运用价值较高的飞行器。如将无人机技术与工程施工建造结合，将具备广阔的前景。
在高速铁路桥墩施工建造过程中，放样是最基本工作，也是工作量最大的技术工作，且精度要求较高，易出错，特别是在高桥墩顶部墩帽、垫石放样时，往往需要测量人员逐一的爬到墩帽顶面进行放样，工作量巨大，也特别辛苦，效率较低，而且安全风险大。
在近几年，随后国家基础设施领域的不断投入，行业的建设规模也在逐年的增加，规模扩张对测量技术人员的需求量就增多，然而，如今的技术人员的配置已经不如以前，且规模扩张后，出现技术人员断层的现场，现场缺乏经验丰富的基层施工放样人员，从而造成了桥梁施工的质量事故风险增高，常见的质量事故包括，垫石标高控制不对，直接影响架梁，垫石放样位置不对，造成结构偏心受力，影响使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统及其放样方法，采用无人机远程操控放样，大大降低放样人员的劳动力和放样难度，且放样准确度高，保证了高速铁路桥墩施工的质量。
本发明的技术方案为：
一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统，包括有地面操控站，测量单元，无人机和放样工装；所述的地面操控站包括有飞行控制系统和测量控制系统，所述的测量单元包括有全站仪，所述的全站仪与测量控制系统进行无线通信连接；所述的无人机内置有机载供电模块、载荷模块、飞控导航模块和GPS模块，所述的GPS模块与飞控导航模块连接，所述的载荷模块、飞控导航模块均与机载供电模块连接供电，所述的载荷模块、飞控导航模块均与飞行控制系统进行无线通信连接；所述的放样工装包括有车架，连接于车架底端上的车轮，固定于车架上的车载控制器、车载供电模块、360度全方位测量棱镜和放样点标记装置；所述的无人机通过卡箍与车架中心位置连接，所述的车载供电模块的供电输入端与机载供电模块连接，所述的车载控制器与车载供电模块的供电输出端连接供电，所述的放样点标记装置、车轮的驱动电机均与车载控制器连接，所述的车载控制器与测量控制系统进行无线通信连接。
所述的车架是由两个横梁、两个纵梁、两个纵向连接梁和四个放样点标记安装梁组成，所述的两个横梁和两个纵梁相互连接组成矩形框架结构，所述的两个纵向连接梁连接于两个横梁之间，所述的四个放样点标记安装梁分别连接于矩形框架结构的四个拐角处，所述的无人机的起落架通过卡箍与两个纵向连接梁的中部连接，所述的车载控制器和车载供电模块固定于两个纵向连接梁的中部，所述的360度全方位测量棱镜为两个，分别通过棱镜杆连接于两个纵梁的中部，所述的放样点标记装置为四个，放样点标记安装梁为L形结构，放样点标记安装梁的一端连接于矩形框架结构的对应拐角处，放样点标记装置连接于放样点标记安装梁的另一端上，所述的车轮为四个，分别连接于矩形框架结构的四个拐角处。
所述的全站仪选用高精度ATR自动型全站仪；所述的车轮选用麦克拉姆轮。
所述的车载控制器包括有单片机，分别与单片机连接的车载无线通讯模块和速度调节模块，所述的车轮的驱动电机均与速度调节模块连接，所述的车载无线通讯模块与测量控制系统进行无线通信连接，所述的放样点标记装置的控制端与单片机连接。
所述的放样点标记装置包括有升降电机和标记图章，所述的升降电机的控制端与车载控制器连接，升降电机的输出轴竖直朝下，所述的标记图章连接于升降电机输出轴的底端。
所述的两个60度全方位测量棱镜的棱镜杆上均安装有双轴倾角传感器，每个双轴倾角传感器均与车载控制器连接。
一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统的放样方法，具体包括有以下步骤：
（1）、在地势偏高的位置架设全站仪，按照无人机飞行前检查事项对无人机进行试飞前检查和试飞测试，然后将放样工装与无人机通过卡箍连接，并在地面操控站进行放样工装运行测试，最后进行无人机GPS校准，使用全站仪采集放样工装上360度全方位测量棱镜的坐标，进而计算出无人机位置的绝对坐标；
（2）、在地面操控站上新建任务，选择放样的目标桥墩，地面操控站的飞行控制系统自动生成飞行路线、飞行高度、飞行速度和方位数据，然后通过无线通信网络启动无人机按照飞行路线飞行至第一个目标桥墩，飞行中实时监控无人机载荷模块传回的监控画面，待无人机机载GPS定位点与目标值在容差范围内时，无人机降落，停靠在目标桥墩的顶面；
（3）、全站仪自动照准放样工装上的棱镜，并测量数值，放样工装的车载控制器按照目标偏差值驱动车轮运动进行位置调整，全站仪再次采集棱镜数据，若采集棱镜数据与设计棱镜数据的偏差值在设定的放样误差值内，则完成了放样目标的就位，如不在误差以内，则再次微调棱镜的位置；
（4）、放样工装在目标桥墩就位后，放样工装上的放样点标记装置在目标桥墩上进行放样标记；
（5）、放样标记完成后，无人机重新启动，按照飞行路线移动至下一放样的目标桥墩重复步骤（3）和（4）进行放样，待需要放样的所有目标桥墩全部放样完毕后，无人机按照飞行路线回到起飞点。
所述的全站仪采用三维坐标测量方法进行设站，具体包括有全站仪高程测量方法和全站仪三维后方交会测量方法。
所述的步骤（1）中的无人机GPS校准，使用全站仪采集放样工装上360度全方位测量棱镜的坐标，进而计算出基准站的绝对坐标的具体方法是：无人机启动后，静止状态下，GPS模块测量得到的大地坐标转换为投影坐标系下的坐标，通过地面操控站的测量控制系统控制全站仪采集放样工装上棱镜的坐标，获取到两个棱镜位置的绝对坐标，再跟据棱镜与无人机中心的几何关系，计算出无人机中心位置的绝对坐标。
所述的步骤（2）中，地面操控站上新建任务后，任务设置中，飞行控制系统会自动读取到全站仪的设站信息，并根据设置的放样最大距离，墩身高度信息，模拟计算出可通视的桥墩编号；在通视检查选项中，程序会计算出各个墩位的方位角和天顶距，并控制全站仪进行免棱镜测距，当实测距离小于计算的理论距离，即全站仪测距红外线打到中间的障碍物上了， 则判定为不通视的桥墩，否则为通视的桥墩，经过通视检查选项后，按照工作需求，选中通视的桥墩编号，飞行控制系统依据桥墩编号信息，计算出飞行路线、飞行高度、飞行速度和方位数据。
本发明的优点：
（1）、本发明的放样系统，采用无人机远程操控放样，放样过程全自动，避免放样人员攀爬至桥墩顶面进行放样的情况，降低了放样的劳动力和难度，且提高了放样施工的安全性；
（2）、本发明的放样工装为车体结构，放样工装实现了毫米级的移动精度，通过准确的移动数值，实现高效放样的目的；
（3）、本发明的放样工装上集成有棱镜和放样点标记装置，同时实现全站仪放样和放样点标记两个操作，大大提高了放样的效率；
（4）、本发明采用自动化放样，实时监控调整放样，放样准确度和精度高，避免了原有人工放样准确性差的问题。
附图说明
图1是本发明无人机机载放样系统的原理框图，其中，“- -”为供电链路，“---”为通信链路。
图2是本发明无人机与放样工装的连接结构示意图。
图3是本发明放样工装的结构示意图。
图4是本发明无人机携带放样工装在高速铁路桥墩上放样的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1-图3，一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统，包括有地面操控站1，测量单元2，无人机3和放样工装4；
地面操控站1包括有飞行控制系统11和测量控制系统12，测量单元2包括有高精度ATR自动型全站仪21，高精度ATR自动型全站仪21与测量控制系统12进行无线通信连接；
无人机3内置有机载供电模块31、载荷模块32、飞控导航模块33和GPS模块34，GPS模块34与飞控导航模块33连接，载荷模块32、飞控导航模块33均与机载供电模块31连接供电，载荷模块32、飞控导航模块33均与飞行控制系统11进行无线通信连接；
放样工装4包括有车架，连接于车架底端上的四个车轮45，固定于车架上的车载控制器46、车载供电模块47、两个360度全方位测量棱镜48和四个放样点标记装置49；车架是由两个横梁41、两个纵梁42、两个纵向连接梁43和四个放样点标记安装梁44组成，两个横梁41和两个纵梁42相互连接组成矩形框架结构，两个纵向连接梁43连接于两个横梁41之间，四个车轮45分别连接于矩形框架结构的四个拐角处，四个放样点标记安装梁44分别连接于矩形框架结构的四个拐角处，无人机3的起落架通过卡箍与两个纵向连接梁43的中部连接，车载控制器46和车载供电模块47固定于两个纵向连接梁43的中部，两个360度全方位测量棱镜48分别通过棱镜杆连接于两个纵梁42的中部，放样点标记安装梁44为L形结构，放样点标记安装梁44的一端连接于矩形框架结构的对应拐角处，放样点标记装置49连接于放样点标记安装梁44的另一端上，车载供电模块47的供电输入端与机载供电模块31连接，放样点标记装置49包括有升降电机和标记图章，升降电机的输出轴竖直朝下，标记图章连接于升降电机输出轴的底端，当放样工装于桥墩上放样定位后，升降电机驱动标记图章向下伸出，与桥墩顶端面进行放样点标记，车载控制器46与车载供电模块47的供电输出端连接供电，放样点标记装置49升降电机的控制端、车轮45的驱动电机均与车载控制器46连接，车载控制器46与测量控制系统12进行无线通信连接。
其中，四个车轮45均选用麦克拉姆轮，其运动灵活，可全方位旋转，大大提高了放样工装在定位时的精确性；车载控制器46包括有单片机，分别与单片机连接的车载无线通讯模块和速度调节模块，车轮45的驱动电机均与速度调节模块（PID控制器）连接，实现放样工装姿态方向及位置的调整，车载无线通讯模块与测量控制系统12进行无线通信连接，放样点标记装置升降电机的控制端与单片机连接，实现控制驱动。
桥墩上表面并不是一个理想水平面，放样工装4落在桥墩上表面上时，放样工装4会倾斜，会带来棱镜杆倾斜，产生位置误差；两个60度全方位测量棱镜48的棱镜杆上均安装有双轴倾角传感器410，每个双轴倾角传感器均与车载控制器46连接，双轴倾角传感器410检测倾斜角，车载控制器46对实测坐标进项补偿修正，得到正确值。
一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统的放样方法，具体包括有以下步骤：
（1）、在地势偏高的位置架设高精度ATR自动型全站仪21，按照无人机飞行前检查事项对无人机3进行试飞前检查和试飞测试，然后将放样工装4与无人机3通过卡箍连接（见图2），并在地面操控站进行放样工装运行测试，最后进行无人机GPS校准，使用高精度ATR自动型全站仪21采集放样工装上360度全方位测量棱镜48的坐标，进而计算出无人机3位置的绝对坐标；其中，高精度ATR自动型全站仪21采用三维坐标测量方法进行设站，具体包括有全站仪高程测量方法和全站仪三维后方交会测量方法；
无人机3位置的绝对坐标的计算操作为：无人机3启动后，静止状态下，GPS模块34测量得到的大地坐标转换为投影坐标系下的坐标，通过地面操控站1的测量控制系统12控制高精度ATR自动型全站仪21采集放样工装4上360度全方位测量棱镜48的坐标，获取到两个360度全方位测量棱镜48位置的绝对坐标，再跟据360度全方位测量棱镜48与无人机3中心的几何关系，计算出无人机中心位置的绝对坐标；
（2）、在地面操控站1上新建任务，飞行控制系统11会自动读取到高精度ATR自动型全站仪21的设站信息，并根据设置的放样最大距离，墩身高度信息，模拟计算出可通视的桥墩编号；在通视检查选项中，程序会计算出各个墩位的方位角和天顶距，并控制高精度ATR自动型全站仪21进行免棱镜测距，当实测距离小于计算的理论距离，即高精度ATR自动型全站仪21测距红外线打到中间的障碍物上了，则判定为不通视的桥墩，否则为通视的桥墩，经过通视检查选项后，按照工作需求，选中通视的桥墩编号，飞行控制系统11依据桥墩编号信息，计算出飞行路线、飞行高度、飞行速度和方位数据，然后通过无线通信网络启动无人机3按照飞行路线飞行至第一个目标桥墩，飞行中实时监控无人机载荷模块32传回的监控画面，待无人机机载GPS定位点与目标值在容差范围内时，无人机3降落，停靠在目标桥墩5的顶面；
（3）、高精度ATR自动型全站仪21自动照准放样工装4上的360度全方位测量棱镜48，并测量数值，放样工装4的车载控制器按照目标偏差值驱动车轮45运动进行位置调整，高精度ATR自动型全站仪21再次采集360度全方位测量棱镜48的数据，若采集360度全方位测量棱镜48数据与设计棱镜数据的偏差值在设定的放样误差值内，则完成了放样目标的就位，如不在误差以内，则再次微调360度全方位测量棱镜48的位置；
（4）、放样工装4在目标桥墩5就位后，放样工装4上的四个放样点标记装置49在目标桥墩5上进行放样标记，一次就位同时完成一个桥墩四个必备点位标记；
（5）、放样标记完成后，无人机3重新启动，按照飞行路线移动至下一放样的目标桥墩5重复步骤（3）和（4）进行放样，待需要放样的所有目标桥墩5全部放样完毕后，无人机3按照飞行路线回到起飞点。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统，其特征在于：包括有地面操控站，测量单元，无人机和放样工装；所述的地面操控站包括有飞行控制系统和测量控制系统，所述的测量单元包括有全站仪，所述的全站仪与测量控制系统进行无线通信连接；所述的无人机内置有机载供电模块、载荷模块、飞控导航模块和GPS模块，所述的GPS模块与飞控导航模块连接，所述的载荷模块、飞控导航模块均与机载供电模块连接供电，所述的载荷模块、飞控导航模块均与飞行控制系统进行无线通信连接；所述的放样工装包括有车架，连接于车架底端上的车轮，固定于车架上的车载控制器、车载供电模块、360度全方位测量棱镜和放样点标记装置；所述的无人机通过卡箍与车架中心位置连接，所述的车载供电模块的供电输入端与机载供电模块连接，所述的车载控制器与车载供电模块的供电输出端连接供电，所述的放样点标记装置、车轮的驱动电机均与车载控制器连接，所述的车载控制器与测量控制系统进行无线通信连接；
所述的车架是由两个横梁、两个纵梁、两个纵向连接梁和四个放样点标记安装梁组成，所述的两个横梁和两个纵梁相互连接组成矩形框架结构，所述的两个纵向连接梁连接于两个横梁之间，所述的四个放样点标记安装梁分别连接于矩形框架结构的四个拐角处，所述的无人机的起落架通过卡箍与两个纵向连接梁的中部连接，所述的车载控制器和车载供电模块固定于两个纵向连接梁的中部，所述的360度全方位测量棱镜为两个，分别通过棱镜杆连接于两个纵梁的中部，所述的放样点标记装置为四个，放样点标记安装梁为L形结构，放样点标记安装梁的一端连接于矩形框架结构的对应拐角处，放样点标记装置连接于放样点标记安装梁的另一端上，所述的车轮为四个，分别连接于矩形框架结构的四个拐角处；
所述的全站仪选用高精度ATR自动型全站仪；所述的车轮选用麦克拉姆轮。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统，其特征在于：所述的车载控制器包括有单片机，分别与单片机连接的车载无线通讯模块和速度调节模块，所述的车轮的驱动电机均与速度调节模块连接，所述的车载无线通讯模块与测量控制系统进行无线通信连接，所述的放样点标记装置的控制端与单片机连接。
3.根据权利要求1所述的一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统，其特征在于：所述的放样点标记装置包括有升降电机和标记图章，所述的升降电机的控制端与车载控制器连接，升降电机的输出轴竖直朝下，所述的标记图章连接于升降电机输出轴的底端。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统，其特征在于：所述的两个60度全方位测量棱镜的棱镜杆上均安装有双轴倾角传感器，每个双轴倾角传感器均与车载控制器连接。
5.根据权利要求1所述的一种高速铁路桥墩无人机机载放样系统的放样方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：
（1）、在地势偏高的位置架设全站仪，按照无人机飞行前检查事项对无人机进行试飞前检查和试飞测试，然后将放样工装与无人机通过卡箍连接，并在地面操控站进行放样工装运行测试，最后进行无人机GPS校准，使用全站仪采集放样工装上360度全方位测量棱镜的坐标，进而计算出无人机位置的绝对坐标；
（2）、在地面操控站上新建任务，选择放样的目标桥墩，地面操控站的飞行控制系统自动生成飞行路线、飞行高度、飞行速度和方位数据，然后通过无线通信网络启动无人机按照飞行路线飞行至第一个目标桥墩，飞行中实时监控无人机载荷模块传回的监控画面，待无人机机载GPS定位点与目标值在容差范围内时，无人机降落，停靠在目标桥墩的顶面；
（3）、全站仪自动照准放样工装上的棱镜，并测量数值，放样工装的车载控制器按照目标偏差值驱动车轮运动进行位置调整，全站仪再次采集棱镜数据，若采集棱镜数据与设计棱镜数据的偏差值在设定的放样误差值内，则完成了放样目标的就位，如不在误差以内，则再次微调棱镜的位置；
（4）、放样工装在目标桥墩就位后，放样工装上的放样点标记装置在目标桥墩上进行放样标记；
（5）、放样标记完成后，无人机重新启动，按照飞行路线移动至下一放样的目标桥墩重复步骤（3）和（4）进行放样，待需要放样的所有目标桥墩全部放样完毕后，无人机按照飞行路线回到起飞点。
6.根据权利要求5所述的放样方法，其特征在于：所述的全站仪采用三维坐标测量方法进行设站，具体包括有全站仪高程测量方法和全站仪三维后方交会测量方法。
7.根据权利要求5所述的放样方法，其特征在于：所述的步骤（1）中的无人机GPS校准，使用全站仪采集放样工装上360度全方位测量棱镜的坐标，进而计算出基准站的绝对坐标的具体方法是：无人机启动后，静止状态下，GPS模块测量得到的大地坐标转换为投影坐标系下的坐标，通过地面操控站的测量控制系统控制全站仪采集放样工装上棱镜的坐标，获取到两个棱镜位置的绝对坐标，再跟据棱镜与无人机中心的几何关系，计算出无人机中心位置的绝对坐标。
8. 根据权利要求5所述的放样方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，地面操控站上新建任务后，任务设置中，飞行控制系统会自动读取到全站仪的设站信息，并根据设置的放样最大距离，墩身高度信息，模拟计算出可通视的桥墩编号；在通视检查选项中，程序会计算出各个墩位的方位角和天顶距，并控制全站仪进行免棱镜测距，当实测距离小于计算的理论距离，即全站仪测距红外线打到中间的障碍物上了， 则判定为不通视的桥墩，否则为通视的桥墩，经过通视检查选项后，按照工作需求，选中通视的桥墩编号，飞行控制系统依据桥墩编号信息，计算出飞行路线、飞行高度、飞行速度和方位数据。
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