CN113737798A - 一种打桩船用打桩定位测高系统 - Google Patents

一种打桩船用打桩定位测高系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种打桩船用打桩定位测高系统，包括：安装在船头的全方位云台；用于控制所述全方位云台水平转动和垂直转动的控制器；安装在所述全方位云台上的载体；安装在所述载体上，用于测量所述载体的姿态和桩上目标点距离所述载体的测距值的测量装置；根据测距值计算出桩上目标点在载体坐标系的载体坐标，并根据载体的姿态将载体坐标转换成水平坐标系的水平坐标，并计算桩上目标点的高程的计算机。本发明能确保实时控制桩顶标高。

Description

一种打桩船用打桩定位测高系统
技术领域
本发明涉及打桩定位测高系统。
背景技术
打桩船广泛应用于桥梁、码头、水利工程施工，用于水上打桩作业。在打桩作业过程中，需要控制桩的设计标高。但是，目前一般通过固定的测距仪来控制标高，误差率比较高，并且很多时候(例如：桩打到船的甲板下方时，看不到桩身刻度时)无法控制标高。目前也没有可靠有效的定位测高系统。这是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种打桩船用打桩定位测高系统，能确保实时控制桩顶标高。
实现上述目的的技术方案是：
一种打桩船用打桩定位测高系统，包括：
安装在船头的全方位云台；
用于控制所述全方位云台水平转动和垂直转动的控制器；
安装在所述全方位云台上的载体；
安装在所述载体上，用于测量所述载体的姿态和桩上目标点距离所述载体的测距值的测量装置；
根据测距值计算出桩上目标点在载体坐标系的载体坐标，并根据载体的姿态将载体坐标转换成水平坐标系的水平坐标，并计算桩上目标点的高程的计算机。
优选的，所述计算机根据桩上目标点的高程、桩上目标点的桩身刻度值、桩架倾角值和锤击计数值，计算沉桩标高和贯入度。
优选的，所述载体包括：
固定在所述全方位云台顶部的水平板；
固定在所述水平板前端的一对第一竖杆；
固定在所述水平板后端的一对第二竖杆；以及
固定连接所述第一竖杆和所述第二竖杆的斜板；
所述测量装置包括：
安装在所述水平板上，用于测量载体的姿态的倾斜仪；
安装在所述斜板上表面的激光测距仪；
安装在所述斜板下表面的摄像机；以及
电连接所述倾斜仪、激光测距仪、摄像机和全方位云台的接线端子排。
优选的，所述测量装置还包括：安装在所述斜板上表面，连接所述接线端子排的激光指示器。
优选的，还包括：分线箱、监视器、配电箱和串口服务器，其中，
所述分线箱一端连接接线端子排，另一端连接所述控制器、监视器和配电箱；
所述配电箱通过所述串口服务器连接所述计算机。
优选的，所述控制器依次通过所述分线箱和所述接线端子排向所述全方位云台以及所述摄像机发送控制指令；
所述全方位云台根据控制指令调整角度；所述摄像机根据控制指令缩放倍率；
所述摄像机将拍摄信息依次通过所述接线端子排和所述分线箱发送到所述监视器；
所述配电箱一方面通过所述分线箱和所述接线端子排给所述全方位云台和所述测量装置供电，另一方面通过所述分线箱和所述接线端子排将来自所述倾斜仪和激光测距仪的信号传输给所述串口服务器；所述串口服务器与所述计算机通信。
优选的，所述计算机包括：
接收载体的姿态和测距值的接收单元；
根据测距值计算出桩上目标点在载体坐标系的载体坐标的载体坐标计算单元；
根据载体的姿态将载体坐标转换成水平坐标系的水平坐标的水平坐标计算单元；
根据水平坐标计算桩上目标点的高程的高程计算单元；
用于输入桩身刻度值的桩身刻度值输入单元；
用于获取锤击计数的锤击计数单元；以及
根据桩上目标点的高程、桩上目标点的桩身刻度值、桩架倾角值和锤击计数值，计算沉桩标高和贯入度的沉桩标高及贯入度计算单元。
优选的，所述沉桩标高＝(桩长-桩上目标点的桩身刻度值)*COS(桩架倾角值)+桩上目标点的高程；
所述贯入度＝区间时间内两个桩身刻度值之间的长度/区间时间内锤击计数值。
本发明的有益效果是：本发明通过控制全方位云台，实时调节载体位置，避免了固定测距仪的弊端，并通过计算桩上目标点的水平坐标以及高程，可实时控制桩顶标高，确保了打桩作业的顺利进行。并且提高测量速度，提高效率。同时，通过载体、测量装置以及全方位云台的配合设计，确保能将测距仪的红点打到桩上，并且确保能读取到桩身刻度，保证整个测量过程的顺利进行。
附图说明
图1是本发明的打桩船用打桩定位测高系统的结构图；
图2是本发明中全方位云台、载体和测量装置的连接结构图；
图3是本发明中计算机的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1-3，本发明的打桩船用打桩定位测高系统，包括：全方位云台1、控制器2、载体3、测量装置、计算机4、分线箱5、监视器6、配电箱7和串口服务器8。载体3包括：水平板31、一对第一竖杆32、一对第二竖杆33、斜板34。测量装置包括：倾斜仪91、激光测距仪92、摄像机93、接线端子排94、激光指示器95。全方位云台1、控制器2、载体3、测量装置和分线箱5安装在船头；监视器6、配电箱7和串口服务器8等安装在驾驶室。
全方位云台1通过支柱安装在船头。控制器2用于控制全方位云台1水平转动和垂直转动。载体3安装在全方位云台1上，随着一起调节位置。测量装置安装在载体3上，用于测量载体3的姿态和桩上目标点距离载体3的测距值。计算机4根据测距值计算出桩上目标点在载体坐标系的载体坐标，并根据载体3的姿态将载体坐标转换成水平坐标系的水平坐标，并计算桩上目标点的高程。从而实现实时控制桩顶标高。
另外，计算机4根据桩上目标点的高程、桩上目标点的桩身刻度值、桩架倾角值和锤击计数值，计算沉桩标高和贯入度。
水平板31固定在全方位云台1的顶部。一对第一竖杆32固定在水平板31前端。一对第二竖杆33固定在水平板31的后端。斜板34固定连接第一竖杆32和第二竖杆33。倾斜仪91安装在水平板31上，用于测量载体3的姿态，具体地测量载体相对于水平面的静态倾斜角度，通过测量静态重力加速度变化，转换成倾斜角度变化，用俯仰角和横滚角表示测量倾斜角值。激光测距仪92安装在斜板34上表面。摄像机93安装在斜板34的下表面。接线端子排94电连接倾斜仪91、激光测距仪92、摄像机93和全方位云台1。激光指示器95安装在斜板34上表面，连接接线端子排94。
分线箱5一端连接接线端子排94，另一端连接控制器2、监视器6和配电箱7。配电箱7通过串口服务器8连接计算机4。
具体地，控制器2依次通过分线箱5和接线端子排94向全方位云台1以及摄像机93发送控制指令。全方位云台1根据控制指令调整角度；摄像机93根据控制指令缩放倍率，方便寻找目标点。摄像机93将拍摄信息依次通过接线端子排94和所述分线箱5发送到监视器6。
配电箱7一方面通过分线箱5和接线端子排94给全方位云台1和测量装置供电，另一方面通过分线箱5和所述接线端子排94将来自所述倾斜仪91和激光测距仪92的信号传输给串口服务器8；所述串口服务器8与所述计算机4通信。
计算机4包括：接收单元41、载体坐标计算单元42、水平坐标计算单元43、高程计算单元44、桩身刻度值输入单元45、锤击计数单元46、沉桩标高及贯入度计算单元47。
接收单元41接收载体3的姿态和测距值。载体坐标计算单元42根据测距值计算出桩上目标点在载体坐标系的载体坐标。水平坐标计算单元43根据载体3的姿态将载体坐标转换成水平坐标系的水平坐标。高程计算单元44根据水平坐标计算桩上目标点的高程。桩身刻度值输入单元45用于输入桩身刻度值。锤击计数单元46用于获取锤击计数。沉桩标高及贯入度计算单元47根据桩上目标点的高程、桩上目标点的桩身刻度值、桩架倾角值和锤击计数值，计算沉桩标高和贯入度。
启动计算机4，打开配电箱7总开关，进行供电。操作控制器2调节全方位云台1的角度，调整摄像机93的倍率，寻找桩上目标点(激光红点)位置，如果天环境光线强，无法看见激光红点，可打开激光指示器电源开关，观察激光指示器绿光点，在其周围寻找测距仪红光点(激光指示器寿命有限，不可长时间开启)。然后，利用倾斜仪91的纵横倾角计算出载体的姿态。激光测距仪92发出的红点(桩上目标点)打在桩上，测出桩上目标点距离载体3的测距值。建立载体坐标系，根据测距值计算出桩上目标点(激光红点)的载体坐标。根据载体的姿态将载体坐标转换到水平坐标系下的水平坐标，从而计算出桩上目标点的高程。具体地，载体坐标系与水平坐标系的转换过程如下：
设定概念：
倾固系：倾固系是固定在倾斜仪上的坐标系。倾斜仪水平时，x轴从后至前；y轴从左至右；z轴从低到高。这是一个左手坐标系。
倾平系：将倾固系的x轴投影到水平面上，即是倾平系的x轴。倾平系的z轴是垂直于水平面的，它也是一个左手坐标系。
令倾固系x、y轴与水平面的夹角分别为βx、βy。这两个角度也就是倾斜仪输出的两个角度。注意正负号：坐标轴箭头比箭尾高时符号为正，否则为负。也就是说这两个角度都是仰角。
倾固系x轴在倾平系xy平面(即水平面)下的方位角为0，所以其在倾平系下的单位向量为：
Figure BDA0003203113390000051
令倾固系y轴在倾平系xy平面(即水平面)下的方位角为αy，则其在倾平系下的单位向量为：
Figure BDA0003203113390000052
倾固系x、y轴相互垂直，所以公式(1)(2)表示的两个向量其点积为零。
由此可得：
αy＝π/2+arcsin(tanβxtanβy) (3)
上式代入公式(2)即可计算出倾固系y轴在倾平系下的单位向量。
倾固系z轴在倾平系下的单位向量为：
Figure BDA0003203113390000067
即：
Figure BDA0003203113390000061
根据βx,βy按公式(1)(3)(2)(4)即可计算获得一个矩阵:
Figure BDA0003203113390000062
倾固系至倾平系的坐标变换计算公式如下：
Figure BDA0003203113390000063
倾平系至倾固系的坐标变换计算公式如下：
Figure BDA0003203113390000064
载体系是固定在载体上的坐标系。载体水平时，x轴从后至前；y轴从左至右；z轴从低到高。这是一个左手坐标系。
将倾斜仪安装到载体上，有三个安装参数：倾平系x轴在载体系xy平面内的方位角α0；倾固系x、y轴与载体系xy平面的夹角βx0、βy0；角度正负号：坐标轴箭头比箭尾高时角度为正，否则为负。
一般情况下，这三个参数均为零。
载体系坐标变换至倾固系，计算公式如下：
Figure BDA0003203113390000065
上式代入公式(6)，可得
载体系坐标变换至倾平系的计算公式如下：
Figure BDA0003203113390000066
然后，计算机4根据水平坐标计算桩上目标点的高程，再根据桩上目标点的高程、桩上目标点的桩身刻度值、桩架倾角值和锤击计数值，计算沉桩标高和贯入度。具体地：
锤击计数值和桩架倾角值均来源于打桩定位系统(打桩时，每击一锤，计数值加1)。桩架上的倾角传感器提供倾角值。激光测距仪红点打在桩架上，该红点所处的桩身刻度值即是桩上目标点的桩身刻度值，读取。
沉桩标高＝(桩长-桩上目标点的桩身刻度值)*COS(桩架倾角值)+桩上目标点的高程。贯入度＝区间时间(一段时间)内两个桩身刻度值(激光测距仪红点先后所在位置的两个刻度值)之间的长度/区间时间内锤击计数值。
本发明中，全方位云台1、控制器2、计算机4、分线箱5、监视器6、配电箱7、串口服务器8、倾斜仪91、激光测距仪92、摄像机93、接线端子排94、激光指示器95均采用市面常见且易于采购的产品实现。例如：激光测距仪采用DIMETIX激光测距传感器DAN-30-150。倾斜仪采用HDL-D60倾斜仪。全方位云台1采用金宝通/303。激光指示器95采用型号TY-007。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种打桩船用打桩定位测高系统，其特征在于，包括：
安装在船头的全方位云台；
用于控制所述全方位云台水平转动和垂直转动的控制器；
安装在所述全方位云台上的载体；
安装在所述载体上，用于测量所述载体的姿态和桩上目标点距离所述载体的测距值的测量装置；
根据测距值计算出桩上目标点在载体坐标系的载体坐标，并根据载体的姿态将载体坐标转换成水平坐标系的水平坐标，并计算桩上目标点的高程的计算机。
2.根据权利要求1所述的打桩船用打桩定位测高系统，其特征在于，所述计算机根据桩上目标点的高程、桩上目标点的桩身刻度值、桩架倾角值和锤击计数值，计算沉桩标高和贯入度。
3.根据权利要求1所述的打桩船用打桩定位测高系统，其特征在于，所述载体包括：
固定在所述全方位云台顶部的水平板；
固定在所述水平板前端的一对第一竖杆；
固定在所述水平板后端的一对第二竖杆；以及
固定连接所述第一竖杆和所述第二竖杆的斜板；
所述测量装置包括：
安装在所述水平板上，用于测量载体的姿态的倾斜仪；
安装在所述斜板上表面的激光测距仪；
安装在所述斜板下表面的摄像机；以及
电连接所述倾斜仪、激光测距仪、摄像机和全方位云台的接线端子排。
4.根据权利要求3所述的打桩船用打桩定位测高系统，其特征在于，所述测量装置还包括：安装在所述斜板上表面，连接所述接线端子排的激光指示器。
5.根据权利要求3所述的打桩船用打桩定位测高系统，其特征在于，还包括：分线箱、监视器、配电箱和串口服务器，其中，
所述分线箱一端连接接线端子排，另一端连接所述控制器、监视器和配电箱；
所述配电箱通过所述串口服务器连接所述计算机。
6.根据权利要求5所述的打桩船用打桩定位测高系统，其特征在于，所述控制器依次通过所述分线箱和所述接线端子排向所述全方位云台以及所述摄像机发送控制指令；
所述全方位云台根据控制指令调整角度；所述摄像机根据控制指令缩放倍率；
所述摄像机将拍摄信息依次通过所述接线端子排和所述分线箱发送到所述监视器；
所述配电箱一方面通过所述分线箱和所述接线端子排给所述全方位云台和所述测量装置供电，另一方面通过所述分线箱和所述接线端子排将来自所述倾斜仪和激光测距仪的信号传输给所述串口服务器；所述串口服务器与所述计算机通信。
7.根据权利要求2所述的打桩船用打桩定位测高系统，其特征在于，所述计算机包括：
接收载体的姿态和测距值的接收单元；
根据测距值计算出桩上目标点在载体坐标系的载体坐标的载体坐标计算单元；
根据载体的姿态将载体坐标转换成水平坐标系的水平坐标的水平坐标计算单元；
根据水平坐标计算桩上目标点的高程的高程计算单元；
用于输入桩身刻度值的桩身刻度值输入单元；
用于获取锤击计数的锤击计数单元；以及
根据桩上目标点的高程、桩上目标点的桩身刻度值、桩架倾角值和锤击计数值，计算沉桩标高和贯入度的沉桩标高及贯入度计算单元。
8.根据权利要求2或7所述的打桩船用打桩定位测高系统，其特征在于，所述沉桩标高＝(桩长-桩上目标点的桩身刻度值)*COS(桩架倾角值)+桩上目标点的高程；
所述贯入度＝区间时间内两个桩身刻度值之间的长度/区间时间内锤击计数值。
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