CN111005415B - 一种基于uwb高精度定位的自动化空气吸泥系统及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统及其施工方法，其包括龙门吊以及吊装在所述龙门吊的吊装位置的空气吸泥机，以及通过自动控制系统控制所述龙门吊使空气吸泥机按照预设吸泥路径进行精准定位并完成吸泥工序，本发明的自动控制吸泥工序吸泥效率高、节省施工时间以及人力成本。可广泛应用于施工控制领域。
Description
技术领域
本发明涉及施工控制领域。更具体地说，本发明涉及一种基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统及其施工方法。
背景技术
在桥梁沉井基础的不排水施工过程中，空气吸泥法是最常见的开挖取土方法之一。现有技术中，一般都是通过人工操作龙门吊提升或下放空气吸泥管进行吸泥作业，空气吸泥机的下放时机与行程都依赖于排泥口处观察员所观察到的泥水混合物浓度信息，再反馈给龙门吊操作手，且空气吸泥机的移动路径依赖于作业人员的主观判断，吸泥效率和最终形成的泥面锅底形状得不到保证，影响施工质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动控制吸泥工序且吸泥效率高、节省施工时间的基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统及其施工方法。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统，包括龙门吊和吊装于所述龙门吊的吊装位置的空气吸泥机，以及通过自动控制系统控制所述龙门吊使空气吸泥机按照预设吸泥路径进行精准定位并完成吸泥工序。
优选地，所述自动控制系统包括，
UWB定位系统，其用于确定龙门吊的相对位置信息；
编码器，用于获取吸泥口的标高；
测深仪，用于实时监测吸泥的过程中吸泥管口到泥面的高程，并间接获取当前作业点位的泥面标高；
泥浆浓度测量仪，用于实时获取泥水混合物的浓度；
门吊集中控制器，用于实时获取空气吸泥机的空间姿态参数以及泥水混合物的浓度参数，将空间姿态参数与预设的空间坐标进行比对，分析出差值并精确控制龙门吊进行吸泥工序。
优选地，所述龙门吊为多个，且分布在不同的预设点位进行吸泥作业，所有龙门吊都通过所述自动控制系统统一控制，其中，龙门吊均包括：
门式起重桁架，其为一对竖直的主梁顶部之间设置一水平的横梁，该门式起重桁架位于吸泥待测点位正上方；
小车，其滑动设置在所述横梁底部，且可通过所述自动控制系统控制所述小车沿横梁长度方向滑动；
龙门吊电葫芦，其垂直设置于所述小车底部，且可通过自动控制系统控制该龙门吊电葫芦吊索伸出长度，吊索伸出端与所述空气吸泥机连接；
其中，UWB定位系统，还包括定位标签，定位基站和定位服务器，所述定位标签，布置于小车上，利用UWB脉冲信号发射出吸泥机的平面位置信息给定位基站，所述定位基站通过接收UWB脉冲信号对标签位置进行分析后将定位信号传输于所述定位服务器中，分析定位标签信号到不同定位基站的时间差，并以此解算得出定位标签的相对位置信息，所述定位服务器布置于位于施工区域外的中控室内；
所述编码器安装在龙门吊电动葫芦上，可测得吊索下放长度，从而间接获取吸泥口的标高；
所述测深仪安装在空气吸泥机上，随吸泥机同步升降在吸泥的过程中实时监测吸泥管口到泥面的高程，并间接获取当前作业点位的泥面标高；
所述泥浆浓度测量仪安装于排泥管顶部位置处，以实时获取泥水混合物的浓度。
优选地，所述自动控制系统还包括，距离传感器，其安装于龙门吊的行走机构前后两端，用于检测多台龙门吊同时作业时相互之间的距离。
优选地，所述空气吸泥机包括，
空气箱，其为内部中空的筒状；
排泥管，其为内部中空的管状且同轴心设置在所述空气箱内，且排泥管底部伸出空气箱底部形成吸泥口、排泥管顶部伸至门式起重桁架外侧并设置所述泥浆浓度测量仪，所述排泥管与所述空气箱的内壁周向等距形成空间，沿所述排泥管的管身上设置开设进气口；
供水管，其自空气箱顶部竖直穿入且通过空气箱与排泥管之间并伸出，伸出部分的供水管设置有射水喷头；
供气管，其自空气箱顶部竖直穿入位于空气箱内；
其中，所述测深仪安装在所述空气箱的筒状外壁上。
一种基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统及其施工方法，包括以下步骤：
S1、在沉井顶面部署UWB高精度定位系统，确定单隔舱内的多个吸泥作业点，并完成对空气吸泥设备的初始定位，电动葫芦吊索上的编码器归零；
S2、预先规划好空气吸泥设备的作业路径，即每一个吸泥点位的相对平面坐标，以及每个点位单个循环吸泥的深度，即初始作业点位；
S3、根据步骤S2中预设的作业路径，自动控制系统解算空气吸泥机的实际坐标值和目标值的差值，并控制设备移动至初始作业点位，开始单点空气吸泥作业；
S4、在步骤S3的单点空气吸泥作业中，实时监测吸泥口处距离泥面的高程与排泥口处泥水混合物浓度；
S5、单点位作业完成后，根据预设作业路径控制龙门吊提升空气吸泥机并移动至下一点位开始吸泥作业，重复步骤4-5直至完成单隔舱内所有点位的吸泥作业。
优选地，所述步骤S4中，在监测吸泥口距泥面高度时，可控制下放吸泥机至泥面的最优监测距离，且最优监测距离为0.15m～0.5m。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明解决了沉井不排水下沉空气吸泥法施工中，因人为操作而导致的吸泥效率低下、井底泥面状态难以实时掌握的难题，提高了沉井不排水下沉空气吸泥法施工的效率和质量。采用UWB高精度定位系统结合测深仪、浓度计等传感器，科技含量高、低功耗、环保，可以满足较高的施工进度要求，亦可推广应用于钻吸法等其他沉井取土下沉施工方法中，对桥梁基础结构施工具有非常重要的意义。
2、定位精度高，节省施工时间和施工成本，通过自动控制系统替代原有人工观测吸泥口吸泥情况来完成该吸泥工序中存在的客观人为主观因素造成的监测不准确等弊端，以及该自动控制系统中的UWB系统能够通过精确定位待吸泥点位，进而大大节省了测量的时间以及人工成本。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明龙门吊吊装结构主视图；
图2为本发明龙门吊吊装结构侧视图；
图3为本发明吸泥机的结构图；
图4为本发明吸泥机的吸泥路径图；
图5为本发明龙门吊自动控制的流程图；
说明书附图标记说明：1、龙门吊，2、小车，3、沉井，7、供水管，8、供气管，9、隔墙，10、龙门吊电葫芦，11、空气吸泥机，12、排泥管，13、距离传感器，14、泥浆浓度测量仪，15、射水喷头，16、进气口，17、吸泥口，18、空气箱，19、测深仪，20、吸泥作业路径，21、初始作业点位，22,、吸泥软管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-4所示，一种基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统，包括龙门吊1和吊装在所述龙门吊1的吊装位置的空气吸泥机11，以及通过自动控制系统控制所述龙门吊1使空气吸泥机11按照预设吸泥路径进行精准定位并完成吸泥工序。
在上述技术方案中，将龙门吊1设置在待吸泥点位的正上方高程处，并将空气吸泥机11安置于龙门吊1上，通过自动控制系统预先设置吸泥路径以控制龙门吊1移动、下降、上升作业，进而控制与龙门吊1作业端相连接的空气吸泥机11沿龙门吊1吊装区间平面内任意移动及升降，实现自动精准定位并完成吸泥工序，该自动控制的吸泥施工方式区别于现有人工点位物理观测以及反馈而进行的吸泥施工方式，大大提高了施工进度、施工时间、节省了人工成本、增加了施工效率。
在另一种技术方案中，所述自动控制系统包括，
UWB定位系统，其用于确定龙门吊1的相对位置信息；
编码器，用于获取吸泥口17的标高；
测深仪19，用于实时监测吸泥的过程中吸泥管口到泥面的高程，并间接获取当前作业点位的泥面标高；
泥浆浓度测量仪14，用于实时获取泥水混合物的浓度；
门吊集中控制器，用于实时获取空气吸泥机11的空间姿态参数以及泥水混合物的浓度参数，将空间姿态参数与预设的空间坐标进行比对，分析出差值并精确控制龙门吊1进行吸泥工序。
在另一种技术方案中，所述龙门吊1为多个，且分布在不同的预设点位进行吸泥作业，所有龙门吊1都通过所述自动控制系统统一控制，其中，龙门吊1均包括：
门式起重桁架，其为一对竖直的主梁顶部之间设置一水平的横梁，该门式起重桁架位于吸泥待测点位正上方；
小车2，其滑动设置在所述横梁底部，且可通过所述自动控制系统控制所述小车2沿横梁长度方向滑动；
龙门吊1电葫芦10，其垂直设置于所述小车2底部，且可通过自动控制系统控制该龙门吊1电葫芦10吊索伸出长度，吊索伸出端与所述空气吸泥机11连接；
其中，UWB定位系统，还包括定位标签，定位基站和定位服务器，所述定位标签，布置于小车2上，利用UWB脉冲信号发射出吸泥机的平面位置信息给定位基站，所述定位基站通过接收UWB脉冲信号对标签位置进行分析后将定位信号传输于所述定位服务器中，分析定位标签信号到不同定位基站的时间差，并以此解算得出定位标签的相对位置信息，所述定位服务器布置于位于施工区域外的中控室内；
所述编码器安装在龙门吊1电动葫芦上，可测得吊索下放长度，从而间接获取吸泥口17的标高；
所述测深仪19安装在空气吸泥机11上，随吸泥机同步升降在吸泥的过程中实时监测吸泥管口到泥面的高程，并间接获取当前作业点位的泥面标高；
所述泥浆浓度测量仪安装于排泥管顶部位置处，以实时监测获取泥水混合物的浓度。
在上述技术方案中，门式起重桁架的一对竖直的主梁还包括，每一主梁分为两根分梁，且两根分梁顶部抵靠、自顶部向下逐渐呈角度分开形成支撑体，分梁底部设置有滑动装置，支撑所述门式起重桁架在沉井3的隔墙9上方自由滑动。
在另一种技术方案中，所述自动控制系统还包括，距离传感器13，其安装于龙门吊1的行走机构前后两端，用于检测多台龙门吊1同时作业时相互之间的距离。
在上述技术方案中，多台龙门吊1同时工作，避免出现相邻两龙门吊1在同一运动轨迹接触，在龙门吊1的两端设置有距离传感器13，用于感应两龙门吊1的距离；其中，预先设置一个安全距离值，使两相邻龙门吊1保持在安全距离值以内。
在另一种技术方案中，所述空气吸泥机11包括，
空气箱18，其为内部中空的筒状；
排泥管12，其为内部中空的管状且同轴心设置在所述空气箱18内，且排泥管12底部伸出空气箱18底部形成吸泥口17、排泥管12顶部伸至门式起重桁架外侧并设置所述泥浆浓度测量仪14，所述排泥管12与所述空气箱18的内壁周向等距形成空间，沿所述排泥管12的管身上设置开设进气口16；
供水管7，其自空气箱18顶部竖直穿入且通过空气箱18与排泥管12之间并伸出，伸出部分的供水管7设置有射水喷头15；
供气管8，其自空气箱18顶部竖直穿入位于空气箱18内；
其中，所述测深仪安装在所述空气箱18的筒状外壁上。
在上述技术方案中，排泥管12设置在中空的空气箱18内，且空气箱18的直径大于排泥管12的直径，且二者之间留有足够的空隙，将供水管7、供气管8依次设置，自空气箱18顶部插入至空气箱18底部穿出，供水管7、供气管8远离空气箱18底部的一端伸出并连接有供水装置和供气装置，可设置水泵以及空压机等。
工作时，先打开水泵从外部抽水至供水管7，然后在打开供气管8；供水管7通过射水喷头15使吸泥口17处的泥浆充分混合，然后使供气管8通气，气体在空气箱18内形成高压，且排泥管12设置有与空气箱18连通的进气口16，当气体灌注进空气箱18内时排泥管12内会形成负压，进而将泥浆吸收入内。
一种基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统及其施工方法，包括以下步骤：
S1、在沉井3顶面部署UWB高精度定位系统，确定单隔舱内的多个吸泥作业点，并完成对空气吸泥设备的初始定位，电动葫芦吊索上的编码器归零；
S2、预先规划好空气吸泥设备的作业路径，即每一个吸泥点位的相对平面坐标，以及每个点位单个循环吸泥的深度，即初始作业点位21；
S3、根据步骤S2中预设的作业路径，自动控制系统解算空气吸泥机11的实际坐标值和目标值的差值，并控制设备移动至初始作业点位21，开始单点空气吸泥作业；
S4、在步骤S3的单点空气吸泥作业中，实时监测吸泥口17处距离泥面的高程与排泥口处泥水混合物浓度；
S5、单点位作业完成后，根据预设作业路径控制龙门吊1提升空气吸泥机11并移动至下一点位开始吸泥作业，重复步骤4-5直至完成单隔舱内所有点位的吸泥作业。
在另一种技术方案中，所述步骤S4中，在监测吸泥口17距泥面高度时，可控制下放吸泥机至泥面的最优监测距离，且最优监测距离为0.15m～0.5m。
实施例一：
如图4所示，每一龙门吊1的吸泥作业点位以及吸泥作业路径20通过自动控制系统预先设定好，先确定初始作业点位21，完成后移动至下一作业点位；其中一种方式为，确定一个沉井3的中心为初始作业点位21，然后依次呈螺旋向外逐渐扩增至整个沉井3的吸泥作业平面。
实施例二：
如图5所示，每一龙门吊1的控制流程为，控制程序开启后，控制下放吸泥管，且当吸泥管的下方高度位于待测吸泥面正上方时，如果吸泥口17与待测吸泥面的距离大于0.5m，则控制龙门吊1继续下放使吸泥管口距离待测吸泥面0.5m以内，并达到吸泥作业的需求的吸泥高程后，开始吸泥作业，吸泥作业毕，移动至下一点位，依次重复以上步骤，直至完成所有沉井3内的所有吸泥作业后，结束任务。
实施例三：
将排泥管12分为竖直段吸泥管、吸泥软管22和水平段排泥管，其中，竖直段吸泥管位于龙门吊1吊装位置的正下方并连通所述空气箱18，吸泥软管22自竖直段吸泥管向上延伸至门式起重机桁架外侧，当竖直段吸泥管在吊装过程中上下吊装运动发生晃动时，其位于门式起重桁架外侧的水平段部分不受干扰。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统，其特征在于，包括龙门吊和吊装在所述龙门吊的吊装位置的空气吸泥机，以及通过自动控制系统控制所述龙门吊使空气吸泥机按照预设吸泥路径进行精准定位并完成吸泥工序；
所述自动控制系统包括，
UWB定位系统，其用于确定龙门吊的相对位置信息；
编码器，用于获取吸泥口的标高；
测深仪，用于实时监测吸泥的过程中吸泥管口到泥面的高程，并间接获取当前作业点位的泥面标高；
泥浆浓度测量仪，用于实时获取泥水混合物的浓度；
门吊集中控制器，用于实时获取空气吸泥机的空间姿态参数以及泥水混合物的浓度参数，将空间姿态参数与预设的空间坐标进行比对，分析出差值并精确控制龙门吊进行吸泥工序；
所述龙门吊为多个，且分布在不同的预设点位进行吸泥作业，所有龙门吊都通过所述自动控制系统统一控制，其中，龙门吊均包括：
门式起重桁架，其为一对竖直的主梁顶部之间设置一水平的横梁，该门式起重桁架位于吸泥待测点位正上方；
小车，其滑动设置在所述横梁底部，且可通过所述自动控制系统控制所述小车沿横梁长度方向滑动；
龙门吊电葫芦，其垂直设置于所述小车底部，且可通过自动控制系统控制该龙门吊电葫芦吊索伸出长度，吊索伸出端与所述空气吸泥机连接；
其中，UWB定位系统，还包括定位标签，定位基站和定位服务器，所述定位标签，布置于小车上，利用UWB脉冲信号发射出吸泥机的平面位置信息给定位基站，所述定位基站通过接收UWB脉冲信号对标签位置进行分析后将定位信号传输于所述定位服务器中，分析定位标签信号到不同定位基站的时间差，并以此解算得出定位标签的相对位置信息，所述定位服务器布置于位于施工区域外的中控室内；
所述编码器安装在龙门吊电动葫芦上，可测得吊索下放长度，从而间接获取吸泥口的标高；
所述测深仪安装在空气吸泥机上，随吸泥机同步升降在吸泥的过程中实时监测吸泥管口到泥面的高程，并间接获取当前作业点位的泥面标高；
所述泥浆浓度测量仪安装于排泥管顶部位置处，以实时监测获取泥水混合物的浓度。
2.根据权利要求1所述的基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统，其特征在于，所述自动控制系统还包括，距离传感器，其安装于龙门吊的行走机构前后两端，用于检测多台龙门吊同时作业时相互之间的距离。
3.根据权利要求1所述的基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统，其特征在于，所述空气吸泥机包括，
空气箱，其为内部中空的筒状；
排泥管，其为内部中空的管状且同轴心设置在所述空气箱内，且排泥管底部伸出空气箱底部形成吸泥口、排泥管顶部伸至门式起重桁架外侧并设置所述泥浆浓度测量仪，所述排泥管与所述空气箱的内壁周向等距形成空间，沿所述排泥管的管身上设置开设进气口；
供水管，其自空气箱顶部竖直穿入且通过空气箱与排泥管之间并伸出，伸出部分的供水管设置有射水喷头；
供气管，其自空气箱顶部竖直穿入位于空气箱内；
其中，所述测深仪安装在所述空气箱的筒状外壁上。
4.一种基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统及其施工方法，包括以下步骤：
S1、在沉井顶面部署UWB高精度定位系统，确定单隔舱内的多个吸泥作业点，并完成对空气吸泥设备的初始定位，电动葫芦吊索上的编码器归零；
S2、预先规划好空气吸泥设备的作业路径，即每一个吸泥点位的相对平面坐标，以及每个点位单个循环吸泥的深度，即初始作业点位；
S3、根据步骤S2中预设的作业路径，自动控制系统解算空气吸泥机的实际坐标值和目标值的差值，并控制设备移动至初始作业点位，开始单点空气吸泥作业；
S4、在步骤S3的单点空气吸泥作业中，实时监测吸泥口处距离泥面的高程与排泥口处泥水混合物浓度；
S5、单点位作业完成后，根据预设作业路径控制龙门吊提升空气吸泥机并移动至下一点位开始吸泥作业，重复步骤4-5直至完成单隔舱内所有点位的吸泥作业。
5.根据权利要求4所述的基于UWB高精度定位的自动化空气吸泥系统及其施工方法，其特征在于，所述步骤S4中，在监测吸泥口距泥面高度时，可控制下放吸泥机至泥面的最优监测距离，且最优监测距离为0.15m～0.5m。
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