CN115233549B - 一种基于测量机器人的拱肋定位施工方法 - Google Patents

一种基于测量机器人的拱肋定位施工方法 Download PDF

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CN115233549B CN202210774339.1A CN202210774339A CN115233549B CN 115233549 B CN115233549 B CN 115233549B CN 202210774339 A CN202210774339 A CN 202210774339A CN 115233549 B CN115233549 B CN 115233549B
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Abstract

本发明涉及一种基于测量机器人的拱肋定位施工方法，涉及桥梁施工技术领域，包括：步骤S1、建立测量控制网及统一坐标系；步骤S2、获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选出用于转换矩阵求解的标记点数据；步骤S3、获取拱肋表面棱镜点坐标数据并转换到统一坐标系下；步骤S4、将控制点坐标和棱镜点坐标上传至测量机器人的计算机软件中，待钢箱拱初就位后可自动测得各棱镜点位置坐标，计算可得各棱镜点位偏差值，本发明通过在基于常规的拱肋定位方法上，通过过程控制拱肋表面标记点筛选，提高了坐标转换的精度，进而提高了拱肋安装的精度。

Description

一种基于测量机器人的拱肋定位施工方法
技术领域
本发明涉及桥梁施工技术领域，尤其涉及一种基于测量机器人的拱肋定位施工方法。
背景技术
钢箱拱桥的拱肋节段吊装过程中，需要实时测量各个拱肋节段偏差值来达到设计坐标位置处，以保障最后整个成桥状态下的线形符合设计标准。
要保证拱肋节段安装过程中的线形控制，涉及环节众多，其主要分为以下几个方面：一是控制网的布置，需要选取合理的位置来达到最佳观测效果；二是统一坐标系，需要把拱肋上棱镜点位转换到设定的独立坐标系下，所以如何在拱肋表面布置标记点及筛选合适的标记点数据是提高坐标转换精度的关键，这关系到拱肋是否达到设计坐标下的最佳位置。三是现场观测阶段，从拱肋初就位到精确就位需要多次测量拱肋表面棱镜点位坐标，将测量结果反馈给施工人员，从而保证拱肋节段安装的精度。
现有技术的缺点：
1.在大跨径钢箱拱桥节段安装过程中，通常采用全站仪进行测量放样拱肋，所以受到人工的因素影响较大，从而导致耗时长、效率低、易出错等问题，这对于拱桥安装阶段非常不利。
2.现有技术对于拱肋安装过程中精度控制没有明确标准，尤其是统一坐标系环节，拱肋表面如何布置标记点(用于坐标转换)以及如何筛选符合条件的标记点是着重考虑的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种基于测量机器人的拱肋定位施工方法，用以克服现有技术中对于拱肋安装过程中精度控制没有明确标准，尤其是统一坐标系环节，拱肋表面如何布置标记点(用于坐标转换)以及如何筛选符合条件的标记点是着重考虑的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于测量机器人的拱肋定位施工方法，包括：
步骤S1、建立测量控制网及统一坐标系；
步骤S2、获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选出用于转换矩阵求解的标记点数据；
步骤S3、获取拱肋表面棱镜点坐标数据并转换到统一坐标系下；
步骤S4、将控制点坐标和棱镜点坐标上传至测量机器人的计算机软件中，待钢箱拱初就位后可自动测得各棱镜点位置坐标，计算可得各棱镜点位偏差值。
进一步地，当建立测量控制网及统一坐标系时，根据所述拱肋设计宽度H和预设设计宽度的比对结果初步确定所述控制网的控制点数量，
其中，所述预设设计宽度包括第一预设设计宽度H1、第二预设设计宽度H2、第一控制点数量R1、第二控制点数量R2以及第三控制点数量R3，其中H1＜H2，R1＜R2＜R3，
当H≤H1时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R1；
当H1＜H≤H2时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R2；
当H＞H2时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R3。
进一步地，当确定所述控制点数量完成时，在各所述控制点放置棱镜或测量机器人的基座并安装棱镜或测量机器人，一组所述棱镜和测量机器人形成通视。
进一步地，在所述步骤S2中，当获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选用于转换矩阵求解的标记点数据时，分别计算所述标记点和设计点各自坐标系两点间的欧氏距离，设定两标记点间的欧氏距离为
Figure BDA0003726057680000021
设定量设计点间的欧氏距离为
Figure BDA0003726057680000022
计算所述标记点和设计点对应点对距离差值Δdij和均值Δdmij，设定
Figure BDA0003726057680000023
将该距离差值与均值进行比对，并根据比对结果确定是否保留该点对，若Δdij≤Δdmij，则将该点对保留，若Δdij＞Δdmij，则将该点对剔除。
进一步地，在所述步骤S2中，当获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选用于转换矩阵求解的标记点数据时，计算所述标记点和设计点对应点对相关性参数，相关性参数计算公式为
Figure BDA0003726057680000031
其中，Dmij为Dij的均值，Cor表示点对间距离差值越小且点对间设计距离越大，相关性越强。
进一步地，在所述步骤S2中，当确定所述相关性参数完成时，将所述点对的相关性参数进行大小排序，并选取预设比例Y的点对的相关性参数求解得到坐标转换矩阵R和T；
计算转换前后对应点间均方根误差，均方根误差公式为
Figure BDA0003726057680000032
f(xi)为转换后坐标值的(Xi,Yi,Zi)，yi为转换前的坐标值(xi,yi,zi)，i为第i个坐标点，N为坐标点个数。
进一步地，当计算所述均方根误差完成时，计算转换前后所述对应点间均方根误差的比值B，并将该比值B与预设比值B0进行比对，根据该比对结果确定所述坐标转换矩阵转换完成，若B＜B0，则确定转换未完成，若B≥B0，则确定转换完成。
进一步地，当确定转换未完成时，计算所述比值B和预设比值B0的比值差ΔB，设定ΔB＝B0-B，并根据该比值差与预设比值差的比对结果选取对应的调节系数对所述预设比例Y进行调节，
其中，所述预设比值差包括第一预设比值差ΔB1和第二预设比值差ΔB2，所述调节系数包括第一调节系数K1、第二调节系数K2以及第三调节系数K3，其中ΔB1＜ΔB2，设定1＜K1＜K2＜K3＜1.5，
当ΔB≤ΔB1时，选取第一调节系数K1对所述预设比例进行调节；
当ΔB1＜ΔB≤ΔB2时，选取第二调节系数对所述预设比例进行调节；
当ΔB＞ΔB2时，选取第三调节系数对所述预设比例进行调节；
当选取第w调节系数Kw对所述预设比例进行调节时，设定w＝1，2，3，将调节后的预设比例设置为Y′，设定Y＝Y×Kw。
进一步地，在所述步骤S3中，当获取拱肋表面棱镜点坐标数据并转换到统一坐标系下时，采用空间直角坐标转换模型，公式为
Figure BDA0003726057680000041
其中，λ为尺度因子。
进一步地，当比对所有所述点对完成时，统计保留的所述点对数量Q，并选取预设点对数量Q0的点对进行棱镜点位偏差计算，其中Q0＜Q，若计算转换前后的对应点间均方根误差值P,若该均方根误差值大于全部所述点对的均方根误差值，则确定所述点对数量不合格，则增加所述点对数量参与计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过在基于常规的拱肋定位方法上，通过过程控制(拱肋表面标记点筛选)，提高了坐标转换的精度，进而提高了拱肋安装的精度。
进一步地，通过棱镜、控制点以及智能测量机器人相结合的方式配合作业，实现拱肋表面棱镜点位坐标的全自动测量，并计算出拱肋安装偏差，提高拱肋吊装的施工效率。
进一步地，对于现有阶段拱肋安装精度问题(即棱镜点位坐标精度)，拱肋表面标记点的精度是最大的影响因素，本发明提出了一种方法筛选出了最合适的拱肋标记点，提高拱肋的安装精度。
附图说明
图1所示，为本发明实施例基于测量机器人的拱肋定位施工方法的流程图；
图2为本发明实施例基于测量机器人的拱肋定位施工方法的测量控制网结构示意图；
图3为本发明实施例基于测量机器人的拱肋定位施工方法的统一独立坐标系结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，为本发明实施例基于测量机器人的拱肋定位施工方法的流程图。
本发明实施例基于测量机器人的拱肋定位施工方法，包括：
步骤S1、建立测量控制网及统一坐标系；
步骤S2、获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选出用于转换矩阵求解的标记点数据；
步骤S3、获取拱肋表面棱镜点坐标数据并转换到统一坐标系下；
步骤S4、将控制点坐标和棱镜点坐标上传至测量机器人的计算机软件中，待钢箱拱初就位后可自动测得各棱镜点位置坐标，计算可得各棱镜点位偏差值。
具体而言，当建立测量控制网及统一坐标系时，根据所述拱肋设计宽度H和预设设计宽度的比对结果初步确定所述控制网的控制点数量，
其中，所述预设设计宽度包括第一预设设计宽度H1、第二预设设计宽度H2、第一控制点数量R1、第二控制点数量R2以及第三控制点数量R3，其中H1＜H2，R1＜R2＜R3，
当H≤H1时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R1；
当H1＜H≤H2时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R2；
当H＞H2时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R3。
具体而言，当确定所述控制点数量完成时，在各所述控制点放置棱镜或测量机器人的基座并安装棱镜或测量机器人，一组所述棱镜和测量机器人形成通视。
具体而言，在所述步骤S2中，当获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选用于转换矩阵求解的标记点数据时，分别计算所述标记点和设计点各自坐标系两点间的欧氏距离，设定两标记点间的欧氏距离为
Figure BDA0003726057680000061
设定两设计点间的欧氏距离为
Figure BDA0003726057680000062
计算所述标记点和设计点对应点对距离差值Δdij和均值Δdmij，设定
Figure BDA0003726057680000063
将该距离差值与均值进行比对，并根据比对结果确定是否保留该点对，若Δdij≤Δdmij，则将该点对保留，若Δdij＞Δdmij，则将该点对剔除。
具体而言，在所述步骤S2中，当获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选用于转换矩阵求解的标记点数据时，计算所述标记点和设计点对应点对相关性参数，相关性参数计算公式为
Figure BDA0003726057680000064
其中，Dmij为Dij的均值，Cor表示点对间距离差值越小且点对间设计距离越大，相关性越强。
具体而言，在所述步骤S2中，当确定所述相关性参数完成时，将所述点对的相关性参数进行大小排序，并选取预设比例Y的点对的相关性参数求解得到坐标转换矩阵R和T；
计算转换前后对应点间均方根误差，均方根误差公式为
Figure BDA0003726057680000071
f(xi)为转换后坐标值的(Xi,Yi,Zi)，yi为转换前的坐标值(xi,yi,zi)，i为第i个坐标点，N为坐标点个数。
具体而言，当计算所述均方根误差完成时，计算转换前后所述对应点间均方根误差的比值B，并将该比值B与预设比值B0进行比对，根据该比对结果确定所述坐标转换矩阵转换完成，若B＜B0，则确定转换未完成，若B≥B0，则确定转换完成。
具体而言，当确定转换未完成时，计算所述比值B和预设比值B0的比值差ΔB，设定ΔB＝B0-B，并根据该比值差与预设比值差的比对结果选取对应的调节系数对所述预设比例Y进行调节，
其中，所述预设比值差包括第一预设比值差ΔB1和第二预设比值差ΔB2，所述调节系数包括第一调节系数K1、第二调节系数K2以及第三调节系数K3，其中ΔB1＜ΔB2，设定1＜K1＜K2＜K3＜1.5，
当ΔB≤ΔB1时，选取第一调节系数K1对所述预设比例进行调节；
当ΔB1＜ΔB≤ΔB2时，选取第二调节系数对所述预设比例进行调节；
当ΔB＞ΔB2时，选取第三调节系数对所述预设比例进行调节；
当选取第w调节系数Kw对所述预设比例进行调节时，设定w＝1，2，3，将调节后的预设比例设置为Y′，设定Y＝Y×Kw。
具体而言，在所述步骤S3中，当获取拱肋表面棱镜点坐标数据并转换到统一坐标系下时，采用空间直角坐标转换模型，公式为
Figure BDA0003726057680000072
其中，λ为尺度因子。
具体而言，当比对所有所述点对完成时，统计保留的所述点对数量Q，并选取预设点对数量Q0的点对进行棱镜点位偏差计算，其中Q0＜Q，若计算转换前后的对应点间均方根误差值P,若该均方根误差值大于全部所述点对的均方根误差值，则确定所述点对数量不合格，则增加所述点对数量参与计算。
请参阅图2和3所示，图2为本发明实施例基于测量机器人的拱肋定位施工方法的测量控制网结构示意图；图3为本发明实施例基于测量机器人的拱肋定位施工方法的统一独立坐标系结构示意图。
实施例一：
分别设置由A1、A2、A3、A4共计4个控制点组成的工程测量控制网，该4个控制点分别位于南北岸塔楼楼顶平面上，两两可形成通视。控制点采用钢筋砼墩柱的形式，墩柱顶部安装了放置棱镜或者测量机器人的基座。坐标系采用桥梁独立坐标系，以大小里程方向为X轴，上下游方向为Y轴，H为高程。
根据桥梁工程图纸获取设计点JD坐标数据与标记点YC测量坐标数据，设计点JD和标记点YC在空间中能找到对应关系。
分别计算标记点YC和设计点JD各自坐标系两点间欧氏距离
Figure BDA0003726057680000081
计算标记点YC和设计点JD对应点对的距离差值Δdij＝Dij-dij与均值
Figure BDA0003726057680000082
对于Δdij≤Δdmij的点对保留，反之去除。
计算标记点YC和设计点JD对应点对相关性参数
Figure BDA0003726057680000083
其中Dmij为Dij的均值，Cor表示点对间距离差值越小且点对间设计距离越大，则相关性Cor越强。
由于三维转换坐标只需要3组点对，但是为了转换后坐标精度，往往需要3组以上的点对，可根据实际工程选取。本工程根据计算相关性参数Cor大小进行排序，从9组点对中选取了5组求点对求得坐标转换矩阵R、T。
其5组点对相关性参数Cor大小进行排序如下：
点编号 设计距离(m) 实际距离(m) 误差(mm) 相关性cor
YC2,YC8 32.4103 32.4099 0.3738 4.49
YC2,YC5 46.3675 46.3657 1.8043 1.33
YC6,YC9 33.4644 33.4657 1.3265 1.30
计算转换前后对应点间均方根误差
Figure BDA0003726057680000091
对比结果如下：
Figure BDA0003726057680000092
其坐标转换采用空间直角坐标系转换模型，公式为：
Figure BDA0003726057680000093
λ为尺度因子，本工程涉及的坐标转换λ＝1；R、T分别为所需要求解的3×3旋转矩阵与1×3平移矩阵；[X Y Z]T为转换后棱镜点位坐标，[x y z]T为转换前棱镜点位测量坐标。
在拱肋吊装时，测量机器人(徕卡Nova MS60)可根据不同的拱肋节段安装在合适的塔楼控制点上(A1、A2、A3、A4)，后视点则位于另一个塔楼控制点上。以本工程为例，为例便于观测，L型小棱镜安装拱肋节段顶板左右两侧，均匀覆盖整个顶板。测量机器人能够向L型小棱镜发射红外激光，并通过其接收装置接收反射回来的光束，通过处理后可以得出小棱镜实际坐标数据。
计算机通过GEV234或GEV261电缆线与仪器的lemo接口相连接，利用编写的软件控制测量机器人进行实时测量拱肋顶板棱镜点位坐标，并计算出各个点位偏差值Δx，Δy，Δz，通过可视化的结果反馈给施工人员进行调整，直到拱肋位置调整到设计坐标符合的误差范围内时即停止测量，表示此拱肋节段定位完成。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于测量机器人的拱肋定位施工方法，其特征在于，包括：
步骤S1、建立测量控制网及统一坐标系；
步骤S2、获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选出用于转换矩阵求解的标记点数据；
步骤S3、获取拱肋表面棱镜点坐标数据并转换到统一坐标系下；
步骤S4、将控制点坐标和棱镜点坐标上传至测量机器人的计算机软件中，待钢箱拱初就位后自动测得各棱镜点位置坐标，计算可得各棱镜点位偏差值；
当建立测量控制网及统一坐标系时，根据所述拱肋设计宽度H和预设设计宽度的比对结果初步确定所述控制网的控制点数量，
其中，所述预设设计宽度包括第一预设设计宽度H1、第二预设设计宽度H2、第一控制点数量R1、第二控制点数量R2以及第三控制点数量R3，其中H1＜H2，R1＜R2＜R3，
当H≤H1时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R1；
当H1＜H≤H2时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R2；
当H＞H2时，则初步确定所述控制网的控制点数量为R3；
在所述步骤S2中，当获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选用于转换矩阵求解的标记点数据时，分别计算所述标记点和设计点各自坐标系两点间的欧氏距离，设定两标记点间的欧氏距离为
Figure QLYQS_1
，
设定两设计点间的欧氏距离为
Figure QLYQS_2
，
并计算所述标记点和设计点对应点对距离差值Δdij和均值Δdmij，设定
Figure QLYQS_3
，/>
Figure QLYQS_4
，将该距离差值与均值进行比对，并根据比对结果确定是否保留该点对，若Δdij≤Δdmij，则将该点对保留，若Δdij＞Δdmij，则将该点对剔除；
在所述步骤S2中，当获取拱肋标记点测量数据并与设计点坐标进行比对，筛选用于转换矩阵求解的标记点数据时，计算所述标记点和设计点对应点对相关性参数，相关性参数计算公式为
Figure QLYQS_5
其中，Dmij为Dij的均值，Cor表示点对间距离差值越小且点对间设计距离越大，相关性越强。
2.根据权利要求1所述的基于测量机器人的拱肋定位施工方法，其特征在于，当确定所述控制点数量完成时，在各所述控制点放置棱镜或测量机器人的基座并安装棱镜或测量机器人，一组所述棱镜和测量机器人形成通视。
3.根据权利要求1所述的基于测量机器人的拱肋定位施工方法，其特征在于，在所述步骤S2中，当确定所述相关性参数完成时，将所述点对的相关性参数进行大小排序，并选取预设比例Y的点对的相关性参数求解得到坐标转换矩阵R和T，
计算转换前后对应点间均方根误差，均方根误差公式为
Figure QLYQS_6
，
f(xi)为转换后坐标值的(Xi,Yi,Zi)，yi为转换前的坐标值(xi,yi,zi)，i为第i个坐标点，N为坐标点个数。
4.根据权利要求3所述的基于测量机器人的拱肋定位施工方法，其特征在于，当计算所述均方根误差完成时，计算转换前后所述对应点间均方根误差的比值B，并将该比值B与预设比值B0进行比对，根据该比对结果确定所述坐标转换矩阵转换完成，若B＜B0，则确定转换未完成，若B≥B0，则确定转换完成。
5.根据权利要求4所述的基于测量机器人的拱肋定位施工方法，其特征在于，当确定转换未完成时，计算所述比值B和预设比值B0的比值差ΔB，设定ΔB=B0-B，并根据该比值差与预设比值差的比对结果选取对应的调节系数对所述预设比例Y进行调节，
其中，所述预设比值差包括第一预设比值差ΔB1和第二预设比值差ΔB2，所述调节系数包括第一调节系数K1、第二调节系数K2以及第三调节系数K3，其中ΔB1＜ΔB2，设定1＜K1＜K2＜K3＜1.5，
当ΔB≤ΔB1时，选取第一调节系数K1对所述预设比例进行调节；
当ΔB1＜ΔB≤ΔB2时，选取第二调节系数对所述预设比例进行调节；
当ΔB＞ΔB2时，选取第三调节系数对所述预设比例进行调节；
当选取第w调节系数Kw对所述预设比例进行调节时，设定w=1，2，3，将调节后的预设比例设置为Y´，设定Y´=Y×Kw。
6.根据权利要求5所述的基于测量机器人的拱肋定位施工方法，其特征在于，在所述步骤S3中，当获取拱肋表面棱镜点坐标数据并转换到统一坐标系下时，采用空间直角坐标转换模型，公式为
Figure QLYQS_7
其中，
Figure QLYQS_8
为尺度因子。
7.根据权利要求5所述的基于测量机器人的拱肋定位施工方法，其特征在于，当比对所有所述点对完成时，统计保留的所述点对数量Q，并选取预设点对数量Q0的点对进行棱镜点位偏差计算，其中Q0＜Q，若计算转换前后的对应点间均方根误差值P,若该均方根误差值大于全部所述点对的均方根误差值，则确定所述点对数量不合格，则增加所述点对数量参与计算。
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