CN115031705B - 一种智能导航机器人测量***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能导航机器人测量***及测量方法，***包括：智能导航机器人、两轴运动平台和测量模块；所述智能导航机器人包括可行走移动的底盘以及安装在所述底盘上的主控制器、环境感知定位传感器和RTK模块，用于粗调对位，搭载两轴运动平台移动到放样点附近；所述两轴运动平台包含相互垂直的X轴滑台模组和Y轴滑台模组，用于精调对位，搭载测量模块移动到放样点垂线上；所述测量模块的测量方向垂直对地，用于对地垂直高度测量，进而实现放样点三维坐标值的计算。本发明通过RTK获得精确的车身三维坐标值，通过测量模块获得测量末端对地高度，结合车身刚体姿态角度，推算放样点高程，实现对施工完成面三维坐标的快速测量。

Description

一种智能导航机器人测量***及测量方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及道路、桥梁等工程施工完成面高精度三维绝对坐标数据的快速采集***。

背景技术

传统的道路完成面三维绝对坐标的测量主要依靠人工完成，通过架设和调平测量设备，测量计算放样点的高程，从而获得完成面的三维绝对坐标。这种人工逐点接触式测量方式，严重影响了施工测量放样的效率，难以满足大面积完成面的快速测量，测量精度也难以保证。

目前现有技术中有一款智能测量机器人，利用智能全站仪自动照准预先设置在已知位置的三个360°棱镜进行智能设站，然后通过自动放样和免棱镜测量方式实现对施工完成面三维坐标的快速采集与自动分析。但是其存在有诸多缺陷，例如：(1)必须依赖于控制点，对于区域内控制点不可见的情况，无法实施测量；(2)每次测量前需要通过棱镜对准实现定位定向，耗时而影响测量效率；(3)对于车身区域以外的测量点，仅能通过免棱镜测距功能放样，精度较低；(4)放样功能单一，难以完成其他的施工作业。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种智能导航机器人测量***，该***包含智能导航机器人、两轴运动平台、测量模块3部分，目的是通过粗调和精调将测量模块的末端移动到指定放样点实施测量。智能导航机器人完成粗调功能，能够根据用户的测量需求，控制机器人自动行驶到指定放样点附近；两轴运动平台完成精调功能，通过滑块的移动，精确控制测量模块末端到指定放样点；利用测量模块测量对地高度，结合车身位置和姿态，推算放样点高程。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种智能导航机器人测量***，包括：智能导航机器人、两轴运动平台和测量模块；

所述智能导航机器人包括可行走移动的底盘以及安装在所述底盘上的主控制器、环境感知定位传感器和RTK模块；所述环境感知定位传感器与所述RTK模块均与所述主控制器通信连接；所述智能导航机器人用于粗调对位，搭载两轴运动平台移动到放样点；

所述两轴运动平台安装在所述底盘的一侧并与所述主控制器通信连接，所述两轴运动平台包含相互垂直的X轴滑台模组和Y轴滑台模组，所述X轴滑台模组的滑块运动方向与所述底盘中轴线平行；所述两轴运动平台用于精调对位，搭载测量模块移动到放样点垂线上；

所述测量模块倒置安装在所述Y轴滑台模组上并与所述主控制器通信连接，所述测量模块的测量方向垂直对地；所述测量模块用于对地垂直高度测量，进而实现放样点三维坐标值的计算。

进一步的，所述测量模块通过球形云台安装在所述Y轴滑台模组的滑块上，所述球形云台的固定端与Y轴滑台模组的滑块固定连接，测量模块固定安装在所述球形云台的活动端。

进一步的，所述测量模块包括红外或激光测距仪。

进一步的，所述智能导航机器人还包括蓄电池，所述蓄电池安装于所述底盘，并为所述底盘、主控制器、环境感知定位传感器、RTK模块供电。

进一步的，所述智能导航机器人还包括移动终端，所述移动终端与所述主控制器通信连接，用于处理用户的输入作业信息，向主控制器发送控制信息及接收主控制器的作业信息。

另一方面，本发明提供一种测量方法，所述测量方法基于上述的智能导航机器人测量***实现，包括：

S1，智能导航机器人根据用户设定的放样点位置，自动规划行驶路径，避开道路上的障碍物，并控制线控车身底盘寻迹行驶到目标路径点停车，使得放样点处于两轴运动平台作业范围内；

S2，主控制器读取RTK模块的三维坐标，获得车身定位点的三维坐标值(X₀,Y₀,Z₀)；主控制器获取当前放样点的二维坐标值(X,Y)；主控制器从环境感知定位传感器读取车身姿态角度(θ_roll、θ_pitch、θ_yaw)；主控制器获取两轴运动平台的坐标原点在车身坐标系O-xyz下的坐标(a,b,c)；主控制器获取两轴运动平台与球形云台球心间的水平高度差d；主控制器计算两轴运动平台的滑块运动行程分别为m、n，并分别控制滑块移动；

其中，m、n分别为X轴滑块行程、Y轴滑块行程；r₁₁、r₁₂、r₁₃、r₂₁、r₂₂、r₂₃、r₃₁、r₃₂、r₃₃是旋转矩阵R的逆矩阵的元素，其满足：

S3，测量模块测量对地垂直高度H，并将测量值发送至主控制器，主控制器计算放样点的高程值为Z，放样点的三维坐标值为(X,Y,Z)。

进一步的，该方法还包括：将当前放样点测量数据存储和处理，然后启动下一个放样点测量过程，跳转至步骤S1，实现连续测量。

本发明的有益效果是：通过本发明，能够解决传统施工测量中普遍存在的外业测量效率低、劳动强度大等问题，同时克服了现有技术方案中存在的诸多缺陷，减少了放样测量的人力投入，提高了放样测量的效率，扩展了放样测量的区域，同时也降低了放样测量设备的成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的智能导航机器人测量***结构示意图；

图2为本发明实施例提供的智能导航机器人结构示意图；

图3为本发明实施例提供的两轴运动平台结构示意图；

图4为本发明实施例提供的智能导航机器人粗调对位方法示意图；

图5为本发明实施例提供的两轴运动平台精调对位方法示意图；

图6为本发明实施例提供的测量模块实施对地垂直高度测量方法示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、智能导航机器人，2、两轴运动平台，3、测量模块；

101、底盘，102、主控制器，103、环境感知定位传感器，104、RTK模块，105、蓄电池，106、移动终端；

201、X轴滑台模组导轨，202、X轴滑台模组滑块，203、Y轴滑台模组导轨，204、Y轴滑台模组滑块，205、球形云台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至3所示，本发明实施例提供一种智能导航机器人测量***。该***包括：智能导航机器人1、两轴运动平台2和测量模块3；

所述智能导航机器人包括可行走移动的底盘101以及安装在所述底盘上的主控制器102、环境感知定位传感器103和RTK模块104；所述环境感知定位传感器与所述RTK模块均与所述主控制器通信连接；所述智能导航机器人用于粗调对位，搭载两轴运动平台移动到放样点。本实施例中所述底盘为线控车身底盘，线控车身底盘与主控制器通过有线连接，接收主控制器的控制指令，及向主控制器发送车身状态信息。环境感知定位传感器安装于线控车身底盘，与主控制器通过有线连接，向主控制器发送感知、定位、车身姿态信息。RTK模块安装于线控车身底盘，与主控制器通过无线连接，将实时三维坐标值发送至主控制器。主控制器安装于线控车身底盘，处理所有设备的输入信息，并将控制信息发送至所有设备。

所述两轴运动平台安装在所述底盘的一侧并与所述主控制器通信连接，所述两轴运动平台包含相互垂直的X轴滑台模组、Y轴滑台模组、球形云台205，所述X轴滑台模组的运动方向与所述底盘中轴线(即前后轮中心点连线，亦即线控车身底盘前向方向)平行；所述球形云台安装于所述Y轴滑台模组上，所述测量模块安装在所述球形云台上。所述两轴运动平台用于精调对位，搭载测量模块移动到放样点垂线上。

所述X轴滑台模组包括导轨201和滑块202，Y轴滑台模组包括导轨203和滑块204，所述Y轴滑台模组的导轨203的一端于所述X轴滑台模组的滑块202固定连接；所述球形云台的固定端与Y轴滑台模组的滑块固定连接，测量模块固定安装在所述球形云台的活动端。

所述测量模块与所述主控制器以有线方式通信连接，将测量对地高度发送至主控制器；所述测量模块的测量方向垂直对地；所述测量模块用于对地垂直高度测量，进而实现放样点三维坐标值的计算。所述测量模块包括红外或激光测距仪。

优选的，所述智能导航机器人还包括蓄电池105，所述蓄电池安装于所述底盘，并为所述底盘、主控制器、环境感知定位传感器、RTK模块供电。

优选的，所述智能导航机器人还包括移动终端106，所述移动终端与所述主控制器通信连接，用于处理用户的输入作业信息，向主控制器发送控制信息及接收主控制器的作业信息。

如图4至6所示，本发明实施例还提供一种测量方法，所述测量方法基于上述的智能导航机器人测量***实现，包括：

S1，智能导航机器人实施粗调对位，搭载两轴运动平台移动到放样点附近。具体的，智能导航机器人根据用户设定的放样点位置，自动规划行驶路径，避开道路上的障碍物，并控制线控车身底盘寻迹行驶到目标路径点停车，使得放样点处于两轴运动平台作业范围内；

S2，两轴运动平台实施精调对位，搭载测量模块移动到放样点垂线上。具体的，待车辆稳定停车后，主控制器读取RTK模块的三维坐标，获得车身定位点的三维坐标值(X₀,Y₀,Z₀)；主控制器获取当前放样点的二维坐标值(X,Y)；主控制器从环境感知定位传感器读取车身姿态角度(θ_roll、θ_pitch、θ_yaw)；主控制器获取两轴运动平台的坐标原点在车身坐标系O-xyz下的坐标(a,b,c)；主控制器获取两轴运动平台与球形云台球心间的水平高度差d；主控制器计算两轴运动平台的滑块运动行程分别为m、n，并分别控制滑块移动；

其中，m、n分别为X轴滑块行程、Y轴滑块行程；r₁₁、r₁₂、r₁₃、r₂₁、r₂₂、r₂₃、r₃₁、r₃₂、r₃₃是旋转矩阵R的逆矩阵的元素，其满足：

S3，测量模块实施对地垂直高度测量，计算放样点三维坐标值。具体地，测量模块测量对地垂直高度H，并将测量值发送至主控制器，主控制器计算放样点的高程值为Z，放样点的三维坐标值为(X,Y,Z)。

其中，高程Z的计算公式为：

其中，L表示球形云台球心到测量模块末端的距离。

S4，完成当前放样点测量后，进入下一个放样点测量。具体的，将当前放样点测量数据存储和处理，然后启动下一个放样点测量过程，跳转至步骤S1，实现连续测量。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种测量方法，基于智能导航机器人测量***实现，所述智能导航机器人测量***包括：智能导航机器人、两轴运动平台和测量模块；所述智能导航机器人包括可行走移动的底盘以及安装在所述底盘上的主控制器、环境感知定位传感器和RTK模块；所述环境感知定位传感器与所述RTK模块均与所述主控制器通信连接；所述智能导航机器人用于粗调对位，搭载两轴运动平台移动到放样点；所述两轴运动平台安装在所述底盘的一侧并与所述主控制器通信连接，所述两轴运动平台包含相互垂直的X轴滑台模组和Y轴滑台模组，所述X轴滑台模组的滑块运动方向与所述底盘中轴线平行；所述两轴运动平台用于精调对位，搭载测量模块移动到放样点垂线上；所述测量模块倒置安装在所述Y轴滑台模组上并与所述主控制器通信连接，所述测量模块的测量方向垂直对地；所述测量模块用于对地垂直高度测量，进而实现放样点三维坐标值的计算；所述测量模块通过球形云台安装在所述Y轴滑台模组的滑块上，所述球形云台的固定端与Y轴滑台模组的滑块固定连接，测量模块固定安装在所述球形云台的活动端；

其特征在于，所述测量方法包括：

S1，智能导航机器人根据用户设定的放样点位置，自动规划行驶路径，避开道路上的障碍物，并控制线控车身底盘寻迹行驶到目标路径点停车，使得放样点处于两轴运动平台作业范围内；

S2，主控制器读取RTK模块的三维坐标，获得车身定位点的三维坐标值(X ₀, Y ₀, Z ₀)；主控制器获取当前放样点的二维坐标值(X, Y)；主控制器从环境感知定位传感器读取车身姿态角度(θ _roll、θ _pitch、θ _yaw)；主控制器获取两轴运动平台的坐标原点在车身坐标系O-xyz下的坐标(a, b, c)；主控制器获取两轴运动平台与球形云台的球心间的水平高度差d；主控制器计算两轴运动平台的滑块运动行程分别为m、n，并分别控制滑块移动；

其中，m、n分别为X轴滑块行程、Y轴滑块行程；r ₁₁、r ₁₂、r ₁₃、r ₂₁、r ₂₂、r ₂₃、r ₃₁、r ₃₂、r ₃₃是旋转矩阵R的逆矩阵的元素，其满足：

；

S3，测量模块测量对地垂直高度H，并将测量值发送至主控制器，主控制器计算放样点的高程值为Z，放样点的三维坐标值为(X, Y, Z)。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量模块包括激光测距仪。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述智能导航机器人还包括蓄电池，所述蓄电池安装于所述底盘，并为所述底盘、主控制器、环境感知定位传感器、RTK模块供电。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述智能导航机器人还包括移动终端，所述移动终端与所述主控制器通信连接，用于处理用户的输入作业信息，向主控制器发送控制信息及接收主控制器的作业信息。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括：将当前放样点测量数据存储和处理，然后启动下一个放样点测量过程，跳转至步骤S1，实现连续测量。