CN103105158B - 海上抛石夯平定位*** - Google Patents

Abstract

一种海上抛石夯平定位***，是由GPS定位***、高精度激光测距仪、霍尔传感器、倾角传感器、多通道测深仪、计算机组成的定位监测***，该***在施工船上建立船体设备坐标系，在此坐标系下确定GPS定位天线、高精度激光测距仪安装参数；在抛石料车上安装霍尔传感器，抛石管壁的下端安装多通道测深仪；根据船体坐标系各关键点的平面几何关系，以及对船体坐标系下各关键点坐标值的倾斜修正，计算整理出船体坐标系与工程坐标系的夹角、定位点平面工程坐标、船体坐标系下各高程参考点的倾斜修正、工程坐标系下各高程参考点高程坐标等数据，最终准确定位。在满足使用要求的前提下减少***的复杂程度，以提高可靠性。

Description

海上抛石夯平定位***

技术领域

本发明属于港口工程GPS施工定位***，特别涉及一种海上抛石夯平定位***。

背景技术

我局新近承接了港珠澳大桥人工岛施工工程，在该项目中，有长达7400多米的沉管隧道，施工难度居世界前列，采用碎石垫层作为沉管基础，不仅铺设整平总方量巨大，而且施工水深、铺设宽度、整平精度等都前所未有。因此，亟需研制一套利用GPS***的海上抛石夯平施工定位监测***。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海上抛石夯平定位***，该***采用全新的设计思路，解决了海上抛石夯平远离海岸施工的难题，通过使用工业级激光测距仪加以防水外壳，配合镜头遮光罩，防水挡板，解决了激光测距仪在露天环境下防水防强反光的问题。使用抗冲击倾角传感器，解决了在强振动环境中角度测量的问题。使用由霍尔传感器、铜轮、钢丝绳组成的位移测试***，通过被测点位移差值，计算出角度，解决了料筒无法安装倾角传感器的问题。使用多通道测深仪，解决了水下测量高程的问题。该监测***在港珠澳大桥项目的应用，很好的验证了定位精度，对现场恶略的环境表现出很高的适应性和可靠性。

本发明的技术方案是：

一种海上抛石夯平定位***，其特征在于：是主要由GPS定位***、高精度激光测距仪、霍尔传感器、倾角传感器、多通道测深仪、计算机上位机、计算机下位机组成的定位监测***；海上抛石夯平定位***在施工船上建立船体设备坐标系，在此坐标系下确定GPS定位天线、高精度激光测距仪安装参数；在抛石料车上安装霍尔传感器，抛石管壁的下端安装多通道测深仪；

GPS定位天线测得WGS84坐标，根据坐标转换参数求得GPS定位天线点的工程坐标；结合GPS定位天线、倾角传感器、霍尔传感器、激光测距仪设备的安装参数以及激光测距仪测定的抛石料车参数、夯平锤车参数，解算出抛石管中心点的工程坐标，通过多通道测深仪测试出抛石管管口与抛石平面的距离，即可求出抛石平面的高程；

在第一抛石料车、第二抛石料车、夯平锤车上分别安装激光反射靶，确定激光测距仪在施工船上的安装位置，在施工过程中，实时监测移动中的抛石料车和夯平锤车；

在第一抛石料车和第二抛石料车上分别安装由霍尔传感器、铜轮、钢丝绳组成的位移测量***，以矫正抛石料车料斗的倾斜角度；

在施工船上安装倾角传感器，通过对船体坐标X轴、Y轴倾斜角度的实时监控，以修正船体坐标系下各参考点的倾斜；

根据船体坐标系各关键点的平面几何关系，以及对船体坐标系下各关键点坐标值的倾斜修正，计算整理出船体坐标系与工程坐标系的夹角、定位点平面工程坐标、船体坐标系下各高程参考点的倾斜修正、工程坐标系下各高程参考点高程坐标，最终准确定位。

所述计算机上位机由台式电脑配合八通道多串口采集卡组成；在计算机接口上连接：三个供电及转换接口、两个多通道测深仪；一个供电及转换接口分别连接：左GPS定位***、右GPS定位***、船体倾角传感器、第一抛石定位高精度激光测距仪、第一抛石管倾斜倾角传感器、抛石高程检测***；另一个供电及转换接口分别连接：第二抛石定位高精度激光测距仪、第二抛石管倾斜倾角传感器、抛石高程检测***；再一个供电及转换接口分别连接：夯实定位高精度激光测距仪、三个夯实倾斜检测***、夯实高程检测***；两个多通道测深仪分别各连接一个测探转换箱，每个测探转换箱分别连接多个测探探头。

所述计算机下位机由工控机箱、开关电源、串口转换电路构成。

所述高精度激光测距仪为工业级别激光测距仪，其外有防水外壳、镜头遮光罩、镜头防水挡板，底板有角度可调装置。

由所述霍尔传感器和铜轮及钢丝绳组成位移测量***，通过测试点的高度差推算出抛石管的倾斜角度。

本发明特点优点：

海上抛石夯平定位***是根据实际施工的工况、船机设备特点、监测内容及定位精度要求，确定***的组成方案。在满足使用要求的前提下减少***的复杂程度，以提高可靠性。该***选用了工业级激光测距仪、抗冲击倾角传感器、霍尔传感器等配合GPS实现了远离海岸的抛石夯平定位。定位***软件的编制，充分征求了现场施工人员的意见，各种监测数据一目了然，操作非常人性化。激光测距仪的防水机构，通过防水胶圈、防水挡板、防水密封盖实现了对测距仪的全方位防护。抗冲击传感器的选择，充分考虑施工现场振动强度和精度要求，该倾角传感器分辨率达到0.001°，内置高精度16bitA/D差分转换器，通过5阶滤波滤波算法，最终输出双方向的倾角值。接口可选RS485；RS232或TTL电平。由于内置了ADI公司的高精度数字温感器，所以输出角度在工作温度范围内都得到了再次修正，保证产品在低温与高置环境下的高重复性。输出速度可达20次/秒,抗冲击指标为：20000g、0.5ms、3次/轴,产品属于真正工业级产品。多通道测深仪HY1600是基于Windows操作***的多通道测深仪。征集采用高可靠性嵌入式主板，XP操作***，15英寸大屏幕液晶显示，具有多种外部数据输入输出接口，能实现多通道测深数据实时三维显示，是大范围浅水测深的理想工具。测深通道具有领号的可扩展性，采用了先进的通道控制、图形显示、水深判底等先进技术。

附图说明

图1是海上抛石夯平定位***接口图

图2是海上抛石夯平定位***各关键点的平面几何关系

图3-12是计算机定位界面图

具体实施方式

如图1所示的海上抛石夯平定位***：所述计算机上位机由台式电脑配合八通道多串口采集卡组成；在计算机接口上连接：三个供电及转换接口、两个多通道测深仪；一个供电及转换接口分别连接：左GPS定位***、右GPS定位***、船体倾角传感器、抛石定位高精度激光测距仪、抛石导管倾斜倾角传感器、抛石高程检测***；另一个供电及转换接口分别连接：抛石定位高精度激光测距仪、抛石导管倾斜倾角传感器、抛石高程检测***；再一个供电及转换接口分别连接：夯实定位高精度激光测距仪、三个夯实倾斜检测***，夯实高程检测***；两个多通道测深仪分别各连接一个测探转换箱，每个测探转换箱分别连接多个测探探头。

如图2所示海上抛石夯平定位***，定位***涉及施工船、第一抛石料车、第二抛石料车、夯平锤车。在施工船上建立船体设备坐标系，在此坐标系下确定GPS定位天线、激光测距仪和倾角传感器的安装位置。

定位船上有专门为定位***准备的控制室，在控制室里安置有监测***的上位机(由台式机和多串口卡组成，负责测控软件的运行、显示，各种设备的串口的调配)、下位机(由工控机箱，串口转换电路和开关电源组成)、倾角传感器(负责监控施工船双轴向的倾斜角度)、在线式不间断电源(UPS电源，定位船上的供电是发电机供电，有时需要切换发电机，换电的过程中会有短暂的无供电状态，为保证监控***的实时性以及停电后重要数据的备份安全，必须配备UPS电源，UPS电源还能有效避免因停电、压降、持续欠压、持续过压、线噪、频率漂移、开关瞬态、谐波等各种电力问题)。

在料斗上安装多通道测设仪(负责实时监测料斗口与抛石层之间的距离)、在抛石料车上安装由霍尔传感器和铜轮、钢丝绳组成的位移传感器(通过对被测点位移的变化转换为角度以监测料斗的倾斜情况)、在船体上安装工业级激光测距仪(负责监控抛石料车和夯平车的位移距离)。

海上抛石夯平定位***计算公式：

一.各关键点的平面几何关系

如图2所示

二.船体坐标系与工程坐标系的夹角SAd

已知左定位天线GPS_L、右定位天线GPS_R的工程坐标(X,Y,Z)

1 $\mathrm{GSAd}=\frac{{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{Ry}}-{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{Ly}}}{{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{Rx}}-{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{Lx}}}-\frac{{({\mathrm{GPS}}_{\mathrm{Ry}}-{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{Ly}})}^3}{3\×{({\mathrm{GPS}}_{\mathrm{Rx}}-{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{Lx}})}^3}$

2.当GPS_RY>GPS_LY

$\mathrm{SAd}=\frac{{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{LX}}-{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{RX}}}{{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{RY}}-{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{LY}}}-\frac{{({\mathrm{GPS}}_{\mathrm{LX}}-{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{RX}})}^3}{3\×{({\mathrm{GPS}}_{\mathrm{RY}}-{\mathrm{GPS}}_{\mathrm{LY}})}^3}+\mathrm{GSAd}$

当GPS_RY＝GPS_LY且GPS_RX>GPS_LX

SAd＝270°+GSAd

当GPS_RY<GPS_LY

当GPS_RY＝GPS_LY且GPS_RX<GPS_LX

SAd＝90°+GSAd

三.定位点平面工程坐标

1.夯平点(HP)中心坐标

$\mathrm{HPSAd}=\frac{{\mathrm{HPG}}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{HPG}}_d}{{\mathrm{HP}}_y-{\mathrm{GL}}_y}-\frac{{({\mathrm{HPG}}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{HPG}}_d)}^3}{3\&times;{({\mathrm{HP}}_y-{\mathrm{GL}}_y)}^3}$

$D=\sqrt{{({\mathrm{HPG}}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{HPG}}_d)}^2+{({\mathrm{HP}}_y-{\mathrm{GL}}_y)}^2}$

HP0_X＝D×cos(SAd+HPSAd)+GPS_LX

HP0_Y＝D×sin(SAd+HPSAd)+GPS_LY

2.抛石点1(PS1)中心坐标

$\mathrm{PS}1\mathrm{SAd}=\frac{{\mathrm{PS}1G}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{PS}1G}_d}{\mathrm{PS}1y-{\mathrm{GL}}_y}-\frac{{({\mathrm{PS}1G}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{PS}1G}_d)}^3}{3\&times;{(\mathrm{PS}1y-{\mathrm{GL}}_y)}^3}$

$D=\sqrt{{({\mathrm{PS}1G}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{PS}1G}_d)}^2+{({\mathrm{PS}1}_y-{\mathrm{GL}}_y)}^2}$

PS10_X＝D×cos(SAd+PS1SAd)+GPS_LX

PS10_Y＝D×sin(SAd+PS1SAd)+GPS_LY

3.抛石点2(PS2)中心坐标

$\mathrm{PS}2\mathrm{SAd}=\frac{{\mathrm{PS}2G}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{PS}2G}_d}{\mathrm{PS}2y-{\mathrm{GL}}_y}-\frac{{({\mathrm{PS}2G}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{PS}2G}_d)}^3}{3\&times;{(\mathrm{PS}2y-{\mathrm{GL}}_y)}^3}$

$D=\sqrt{{({\mathrm{PS}2G}_x-{\mathrm{GL}}_x+{\mathrm{PS}2G}_d)}^2+{({\mathrm{PS}2}_y-{\mathrm{GL}}_y)}^2}$

PS20_X＝D×cos(SAd+PS2SAd)+GPS_LX

PS20_Y＝D×sin(SAd+PS2SAd)+GPS_LY

四.船体坐标系下各高程参考点的倾斜修正

设α、β为船体的纵、横向倾角，船体前部上仰时α为“+”，船体右倾时β为“+”。当时α、β不等于0时，各高程参考点的高程坐标修正值为：

1.GPS_L高程坐标

GL_Z'＝-(β-β³/6)×GLx+(α-α³/6)×(1-β²/2)×GLy+(1-α²/2)×(1-β²/2)×GLz

2.夯平点(HP)高程参考点高程坐标

HP_z'＝-(β-β³/6)×(HPGx+HPGd)+(α-α³/6)×(1-β²/2)×HPy+(1-α²/2)×(1-β²/2)×HPz

3.抛石点1(PS1)高程参考点高程坐标

PS1_z'＝-(β-β³/6)×(PS1Gx+PS1Gd)+(α-α³/6)×(1-β²/2)×PS1y+(1-α²/2)×(1-β²/2)×PS1z

4.抛石点2(PS2)高程参考点高程坐标

PS2_z'＝-(β-β³/6)×(PS2Gx+PS2Gd)+(α-α³/6)×(1-β²/2)×PS2y+(1-α²/2)×(1-β²/2)×PS2z

五.工程坐标系下各高程参考点高程坐标

1.夯平点(HP)高程参考点高程坐标

HP_H＝GPS_LZ-GLz'+HP_z'

2.抛石点1(PS1)高程参考点高程坐标

PS1_H＝GPS_LZ-GLz'+PS1_z'

3.抛石点2(PS2)高程参考点高程坐标

PS2_H＝GPS_LZ-GLz'+PS2_z'

定位计算机界面

1、欢迎界面如图3所示。

2、主界面如图4所示。

主界面包含图形显示区(提供PS1倾角、HS倾角、PS2倾角、PS1偏差、HS偏差、PS2偏差、船首方位、基线方位等参数)，参数显示区(提供GPS状态、PS1点坐标、HS点坐标、PS2点坐标、船体倾斜等参数)，控制区(提供***设置、验算工具、打印报表、建立桩位、定位参数、开始监测、退出等控制按钮)。

3、***设置界面如图5所示。

***设置界面包括：设备安装参数、倾角校正、数据平滑次数、测深3位移比例系数等参数。

4、定位参数界面如图6所示。

定位参数界面包括：坐标转换方式、基准椭球、定位基线参数、转换7参数、高斯投影、工程名称、定位坐标、数据记录文件等参数。

5、验算工具界面如图7所示。

验算工具界面包括：角度换算、坐标验算等功能。

6、PS1点设置及扩展数据界面如图8所示。

PS1点设置及扩展数据界面包括：测深点平面坐标、超声波探测、测深位移、预定坐标、基线偏距等参数。

7、PS2点设置及扩展数据界面如图9所示。

8、PS2点设置及扩展数据界面同PS1点设置及扩展数据界面。

9、夯实点扩展数据界面如图10所示。

夯实点扩展数据界面包括：测深位移、夯板倾斜、基线偏距、预定坐标等参数。

10、GPS工程坐标界面如图11所示。

11、数据文件选择界面如图12所示。

Claims (5)

1.一种海上抛石夯平定位***，其特征在于：是主要由GPS定位***、高精度激光测距仪、霍尔传感器、倾角传感器、多通道测深仪、计算机上位机、计算机下位机组成的定位监测***；海上抛石夯平定位***在施工船上建立船体设备坐标系，在此坐标系下确定GPS定位天线、高精度激光测距仪安装参数；在抛石料车上安装霍尔传感器，抛石管壁的下端安装多通道测深仪；

GPS定位天线测得WGS84坐标，根据坐标转换参数求得GPS定位天线点的工程坐标；结合GPS定位天线、倾角传感器、霍尔传感器、激光测距仪设备的安装参数以及激光测距仪测定的抛石料车参数、夯平锤车参数，解算出抛石管中心点的工程坐标，通过多通道测深仪测试出抛石管管口与抛石平面的距离，即可求出抛石平面的高程；

在第一抛石料车、第二抛石料车、夯平锤车上分别安装激光反射靶，确定激光测距仪在施工船上的安装位置，在施工过程中，实时监测移动中的抛石料车和夯平锤车；

在第一抛石料车和第二抛石料车上分别安装由霍尔传感器、铜轮、钢丝绳组成的位移测量***，以矫正抛石料车料斗的倾斜角度；

在施工船上安装倾角传感器，通过对船体坐标X轴、Y轴倾斜角度的实时监控，以修正船体坐标系下各参考点的倾斜；

根据船体坐标系各关键点的平面几何关系，以及对船体坐标系下各关键点坐标值的倾斜修正，计算整理出船体坐标系与工程坐标系的夹角、定位点平面工程坐标、船体坐标系下各高程参考点的倾斜修正、工程坐标系下各高程参考点高程坐标，最终准确定位。

2.根据权利要求1所述的海上抛石夯平定位***，其特征在于：所述计算机上位机由台式电脑配合八通道多串口采集卡组成；在计算机接口上连接：三个供电及转换接口、两个多通道测深仪；一个供电及转换接口分别连接：左GPS定位***、右GPS定位***、船体倾角传感器、第一抛石定位高精度激光测距仪、第一抛石管倾斜倾角传感器、抛石高程检测***；另一个供电及转换接口分别连接：第二抛石定位高精度激光测距仪、第二抛石管倾斜倾角传感器、抛石高程检测***；再一个供电及转换接口分别连接：夯实定位高精度激光测距仪、三个夯实倾斜检测***、夯实高程检测***；两个多通道测深仪分别各连接一个测探转换箱，每个测探转换箱分别连接多个测探探头。

3.根据权利要求1所述的海上抛石夯平定位***，其特征在于：所述计算机下位机由工控机箱、开关电源、串口转换电路构成。

4.根据权利要求1所述的海上抛石夯平定位***，其特征在于：所述高精度激光测距仪为工业级别激光测距仪，其外有防水外壳、镜头遮光罩、镜头防水挡板，底板有角度可调装置。

5.根据权利要求1所述的海上抛石夯平定位***，其特征在于：由所述霍尔传感器和铜轮及钢丝绳组成位移测量***，通过测试点的高度差推算出抛石管的倾斜角度。