本發(fā)明涉及水利水電工程施工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自主組網(wǎng)的碾壓車輛施工三維定位方法。

背景技術(shù)：

大壩施工過程直接影響工程質(zhì)量和大壩安全。對于碾壓式大壩(包括土石壩和碾壓混凝土壩)，碾壓過程的控制是保障碾壓施工質(zhì)量的關(guān)鍵，因此人們都非常重視碾壓施工過程的控制，以保證碾壓過程符合規(guī)范和工藝的要求。

碾壓車的工作狀態(tài)包括空間位置、運動方向、振動狀態(tài)等幾項核心監(jiān)控內(nèi)容，其中，運動方向通過三維電子羅盤來進行監(jiān)測，振動狀態(tài)通過振動監(jiān)測儀來獲取。

關(guān)于空間位置的獲取，國內(nèi)鐘登華院士、陳祖煜院士等在大型土石壩、混凝土壩工程的質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)開發(fā)方面取得了大量成果，但主要是基于gps、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)來對碾壓車位置進行監(jiān)控。衛(wèi)星信號受地形、地貌條件約束較大，且易受天氣影響，特別是位于高山峽谷中的水利工程施工現(xiàn)場，使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)受到較大限制。gps定位技術(shù)還因服務(wù)器位于國外，存在一定的數(shù)據(jù)泄密風險。

因此，現(xiàn)有的大壩施工過程中的碾壓過程的控制方法仍有諸多改善的必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

超寬帶(ultrawideband，uwb)無線通信技術(shù)是一種采用時間間隔極短(小于1ns)的脈沖進行通信的方式。利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，uwb能在10米左右的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百mbit/s至數(shù)gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

超寬帶的測距原理為雙向飛行時間法：每個終端從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳，如圖1所示，一次測距過程為：

終端a于ta1發(fā)射請求脈沖信號；

終端b于tb1接收到該脈沖信號；

終端b于tb2將處理后的響應(yīng)信號返回給終端a；

終端a于ta2時刻接收終端b的響應(yīng)信號。

通過計算脈沖信號在兩個模塊間的飛行時間，求得飛行距離s：

s＝c*((ta2-ta1)-(tb2-tb1))

其中，c為光速。

超寬帶無線通信技術(shù)抗干擾性能強，傳輸速率高，系統(tǒng)容量大，且發(fā)送功率非常小。uwb通信設(shè)備可以用小于1mw的發(fā)射功率就能實現(xiàn)通信。低發(fā)射功率大大延長系統(tǒng)電源工作時間，其電磁波輻射對人體的影響也很小，便于應(yīng)用。超寬帶終端設(shè)備測距和通訊模塊可提供點對點、精度為2厘米的測距能力，測量室外距離最遠可達2-4km。

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于自主組網(wǎng)的碾壓車輛施工三維定位方法，包括如下步驟：

s1：在欲定位的壩體區(qū)域附近設(shè)三個固定基站，該三個固定基站處于與壩體平面相平行的同一平面上，且該三個固定基站構(gòu)成的空間三角形的投影面積覆蓋整個壩體施工區(qū)域，該三個固定基站的定位坐標分別為101(x1,y1,z1)、102(x2,y2,z2)、103(x3,y3,z3)；

s2：在欲定位的碾壓車上方安裝一個移動基站，使移動基站與三個固定基站之間連續(xù)通信，實時獲得移動基站與三個固定基站之間的距離；

s3：根據(jù)下述公式得出移動基站的實時位置信息(xm,ym,zm)：

(xm-x1)²+(ym-y1)²+(zm-z1)²＝l1²；(1)

(xm-x2)²+(ym-y2)²+(zm-z2)²＝l2²；(2)

(xm-x3)²+(ym-y3)²+(zm-z3)²＝l3²；(3)

其中，l1為移動基站與固定基站101(x1,y1,z1)之間的實時距離，l2為移動基站與固定基站102(x2,y2,z2)之間的實時距離；l3為移動基站與固定基站103(x3,y3,z3)之間的實時距離；

x向沿壩體軸線方向，指向右岸為正，零點在左岸樁號0處；

y向垂直于壩體軸線方向，指向下游為正，零點在左岸樁號0處；

z向為高程方向，取值為當前高程。

其中，在所述步驟s3，通過取所解出的兩個(xm,ym,zm)值中zm較高的一組得出移動基站的實時位置信息。

其中，所述移動基站安裝于碾壓車頂端的中軸線上。

其中，還包括通過如下步驟獲得碾壓車的施工軌跡：

s4：取碾壓車的輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點，根據(jù)幾何關(guān)系得出輪輥左側(cè)點與移動基站的坐標軸差距△x左及△y左，以及，輪輥右側(cè)點與移動基站的坐標軸差距△x右及△y右；

s5：根據(jù)下述公式得到輪輥左側(cè)點(x左,y左,z左)及輪輥右側(cè)點(x右,y右,z右)的實時位置信息：

x左＝xm+△x左；x右＝xm+△x右；

y左＝y(tǒng)m+△y左；y右＝y(tǒng)m+△y右；

z左＝zm-h；z右＝zm-h；

其中，h為碾壓車的高度，△x左及△x右分別為輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點相對于移動基站沿壩體軸線方向向壩體右岸偏離的距離；△y左及△x右分別為輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點相對于移動基站沿與壩體軸線垂直的方向向壩體下游偏離的距離；

s6：根據(jù)所獲取的輪輥左側(cè)點(x左,y左,z左)及輪輥右側(cè)點(x右,y右,z右)的實時位置信息，得到碾壓車的施工軌跡。

其中，還包括下述步驟：

s7：對所獲得的輪輥左側(cè)點(x左,y左,z左)及輪輥右側(cè)點(x右,y右,z右)的實時位置信息中的超限點進行剔除；

s8：對剔除過超限點的輪輥左側(cè)點(x左,y左,z左)及輪輥右側(cè)點(x右,y右,z右)的實時位置信息進行平滑處理，得到連續(xù)變化的碾壓車的運行軌跡。

其中，碾壓車的車頭方向通過三維電子羅盤實時測量得到的車頭運動方向的磁偏角換算得到。

其中，所述輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點為碾壓車前方左右兩側(cè)的車輪與壩體相切的點，或者為碾壓車后方左右兩側(cè)的車輪與壩體相切的點，輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點共同處于碾壓車的前方或后方。

本發(fā)明提供的基于自主組網(wǎng)的碾壓車輛施工三維定位方法，可在衛(wèi)星信號缺乏、移動網(wǎng)絡(luò)不通、不能連接互聯(lián)網(wǎng)等情況下，實現(xiàn)被監(jiān)控對象的三維定位，且精度達到5cm以內(nèi)。整個方法具有信號穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、定位準確、抗干擾能力強、無數(shù)據(jù)泄密風險、實施費用低等優(yōu)點。

附圖說明

圖1：超寬帶測距的雙向飛行法原理示意圖；

圖2：本發(fā)明的方法對應(yīng)的移動基站和固定基站的設(shè)定關(guān)系圖；

圖3：本發(fā)明的固定基站三遍定位法則的二維測距原理示意圖；

圖4：本發(fā)明的方法對應(yīng)的施工軌跡換算方法的幾何原理圖。

附圖標記說明

101固定基站

102固定基站

103固定基站

20移動基站

30壩體

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)方案及有益效果有更進一步的了解，下面配合附圖詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案及其產(chǎn)生的有益效果。

本發(fā)明提供的基于自主組網(wǎng)的碾壓車輛施工三維定位方法，主要基于超寬帶技術(shù)無線通信技術(shù)，通過布設(shè)固定基站，并利用固定基站和移動基站之間的距離測量組合以及移動基站與碾壓車輪幾何關(guān)系，得到壩體上碾壓車的實時位置及施工軌跡，具體包括如下步驟：

s1：如圖2所示，為本發(fā)明的方法對應(yīng)的移動基站和固定基站的設(shè)定關(guān)系圖：在欲定位的壩體區(qū)域附近設(shè)三個固定基站101、102、103，該三個固定基站101、102、103處于與壩體30平面相平行的同一平面上，且該三個固定基站101、102、103構(gòu)成的空間三角形的投影面積覆蓋整個壩體30施工區(qū)域，該三個固定基站101、102、103的定位坐標分別為101(x1,y1,z1)、102(x2,y2,z2)、103(x3,y3,z3)。

s2：請配合參閱圖3所示：在欲定位的碾壓車頂端的中軸線上安裝一個移動基站20，使移動基站20與三個固定基站101、102、103之間連續(xù)通信，實時獲得移動基站20與三個固定基站101、102、103之間的距離；通過“球面相交算法”解算，將距離值實時轉(zhuǎn)換為三維定位坐標，并可與大壩工程坐標無縫連接。

s3：具體的，根據(jù)下述公式得出移動基站20的實時位置信息(xm,ym,zm)：

(xm-x1)²+(ym-y1)²+(zm-z1)²＝l1²；(1)

(xm-x2)²+(ym-y2)²+(zm-z2)²＝l2²；(2)

(xm-x3)²+(ym-y3)²+(zm-z3)²＝l3²；(3)

其中，l1為移動基站20與固定基站101(x1,y1,z1)之間的實時距離，l2為移動基站20與固定基站102(x2,y2,z2)之間的實時距離；l3為移動基站20與固定基站103(x3,y3,z3)之間的實時距離；

x向沿壩體軸線方向，指向右岸為正，零點在左岸樁號0處；

y向垂直于壩體軸線方向，指向下游為正，零點在左岸樁號0處；

z向為高程方向，取值為當前高程。

本發(fā)明中，所謂的左岸樁號0處為人為取定的一個點，通常位于壩體左側(cè)上游(以正對上游至下游方向的左手邊為左側(cè))處。

上述方程經(jīng)整理可變換為下述形式：

xm²+ym²+zm²-2x1xm-2y1ym-2z1zm＝l1²-x1²-y1²-z1²；(4)

xm²+ym²+zm²-2x2xm-2y2ym-2z2zm＝l2²-x2²-y2²-z2²；(5)

xm²+ym²+zm²-2x3xm-2y3ym-2z3zm＝l3²-x3²-y3²-z3²；(6)

該方程組有3個方程、3個未知數(shù)，方程可解。然而，方程組若有解，可以想象，移動基站與三個固定基站形成的三角形面逐點連接形成四面體，應(yīng)具有確定的兩個關(guān)于三角形平面對稱的兩個解，特殊情況只有一個解，及該點在三角形平面內(nèi)。根據(jù)工程特點，基站三角形幾乎為壩頂?shù)乃矫?，因此正確解的高程坐標應(yīng)該是較低的那個。

因此，解上述方程組的思路為先解出zm。根據(jù)方程特點，先視zm為已知數(shù)，可采用降次法和消元法解出xm、ym相對于zm的表達式，最后解關(guān)于zm(取取值較大的值)的二元一次方程即可求解整個方程組。

本發(fā)明中，由于采用自主組網(wǎng)的超寬帶定位技術(shù)來實現(xiàn)碾壓車的三維動態(tài)定位，鑒于超寬帶終端設(shè)備測距及通訊模塊可提供點對點、精度為2厘米的測距能力，測量室外距離最遠可達2-4km。通過3個固定基站和1個移動基站之間的距離測量組合就可以通過三維定位算法計算位置坐標。利用超寬帶定位技術(shù)實時定位碾壓車位置，具有原理簡單直接、定位精度高、數(shù)據(jù)安全性好、抗干擾能力強、受復(fù)雜地形環(huán)境影響較小的特點，且可根據(jù)地理環(huán)境靈活架設(shè)基站，適用范圍廣。

然而，上述計算結(jié)果僅能得到移動基站的實時空間位置信息，碾壓車的施工軌跡需要具體到車輪的運動軌跡，為獲得碾壓車的施工軌跡、計算施工遍數(shù)，還需進行空間位置換算。

圖4為本發(fā)明的方法對應(yīng)的施工軌跡換算方法的幾何原理圖，設(shè)移動基站安放位置為o點，實際碾壓位置為碾壓車輪輥與倉面相切線，即mn線，m點為輪輥左側(cè)點，n點為輪輥右側(cè)點，由于移動基站所處的o點位于碾壓車上方的中軸線上，因此man三點構(gòu)成等腰三角形。根據(jù)車型的實際參數(shù)，m、n點的高程低于o點的高度為碾壓車車身高，水平面坐標位于o點在倉面的垂直投影點的左前方和右前方，根據(jù)輪輥長度等幾何關(guān)系可以求出。

為方便計算輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點與移動基站之間的幾何關(guān)系，較佳設(shè)置所述輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點為碾壓車前方左右兩側(cè)的車輪與壩體相切的點，或者為碾壓車后方左右兩側(cè)的車輪與壩體相切的點，輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點共同處于碾壓車的前方或后方(圖2中以設(shè)置于碾壓車前方為例)。

本發(fā)明中，具體通過下述步驟將移動基站的實時位置信息換算為碾壓車的施工軌跡：

s4：取碾壓車的輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點，根據(jù)幾何關(guān)系及車頭方向得出輪輥左側(cè)點與移動基站的坐標軸差距△x左及△y左，以及，輪輥右側(cè)點與移動基站的坐標軸差距△x右及△y右。

s5：根據(jù)公式得到輪輥左側(cè)點(x左,y左,z左)及輪輥右側(cè)點(x右,y右,z右)的實時位置信息：

x左＝xm+△x左；x右＝xm+△x右；

y左＝y(tǒng)m+△y左；y右＝y(tǒng)m+△y右；

z左＝zm-h；z右＝zm-h；

其中，h為碾壓車的高度，△x左及△x右分別為輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點相對于移動基站沿壩體軸線方向向壩體右岸偏離的距離；△y左及△x右分別為輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點相對于移動基站沿與壩體軸線垂直的方向向壩體下游偏離的距離。

s6：根據(jù)所獲取的輪輥左側(cè)點(x左,y左,z左)及輪輥右側(cè)點(x右,y右,z右)的實時位置信息，得到碾壓車的施工軌跡。

輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點與移動基站的坐標軸差距之間的換算需要涉及到碾壓車的車頭方向，本發(fā)明中，較佳采用三維電子羅盤實時測量車頭運動方向的磁偏角，計算得出車頭方向，進而得到輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點與移動基站之間的等腰三角形(同時還可結(jié)合判斷碾壓車的前進、后退、轉(zhuǎn)彎等行為)，通過等腰三角形的幾何關(guān)系，得到輪輥左側(cè)點和輪輥右側(cè)點與移動基站的坐標軸差距。

由于碾壓車在運行過程中，速度、運動方向、倉面高程等都應(yīng)該為連續(xù)變化，為得到平滑的碾壓車運行軌跡，針對碾壓車行進運動的特點，可通過將所獲得的輪輥左側(cè)點(x左,y左,z左)及輪輥右側(cè)點(x右,y右,z右)的實時位置信息中的超限點進行剔除，以將計算過程中產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)剔除。

最后，將剔除過超限點的輪輥左側(cè)點(x左,y左,z左)及輪輥右側(cè)點(x右,y右,z右)的實時位置信息進行平滑處理，可得到連續(xù)變化的碾壓車的運行軌跡。通過對計算結(jié)果進行進一步修正，最后得到的數(shù)據(jù)即為表征碾壓車當前位置及運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

發(fā)明人經(jīng)實驗研究證明，將系統(tǒng)三維定位精度指標設(shè)為水平向和垂直向均在±5cm之內(nèi)，可以滿足碾壓施工過程監(jiān)控的定位精度需求。

本發(fā)明提供的基于自主組網(wǎng)的碾壓車輛施工三維定位方法，在某一應(yīng)用實例中，通過使用于某水庫施工工地，對倉面碾壓全過程進行監(jiān)控，對超速、漏碾、欠碾及不規(guī)范的碾壓行為及時進行預(yù)警，保障了工程施工順利進行。

具體的，本發(fā)明于具體實施時，將移動基站與固定基站與一控制系統(tǒng)實現(xiàn)無線連接，由控制系統(tǒng)完成對碾壓車的碾壓軌跡監(jiān)控，經(jīng)過計算，倉面施工時碾壓車速主要在1.9-3.7km/h之間。

控制系統(tǒng)提供實時監(jiān)控功能，也可進行軌跡回放，并能與視頻監(jiān)控錄像對照分析詳細的碾壓過程。經(jīng)分析，絕大多數(shù)區(qū)域振動碾壓都在8遍以上，其余少數(shù)區(qū)域碾壓遍數(shù)也在6遍以上，振動碾壓條帶清晰，主體部分未發(fā)現(xiàn)有漏碾和欠碾現(xiàn)象，振動碾壓條帶之間搭接符合要求。

綜上，本發(fā)明以自主組網(wǎng)為指導(dǎo)思想，采用基于超寬帶的通信技術(shù)來實現(xiàn)碾壓車的三維動態(tài)定位，該技術(shù)在國內(nèi)及國際上均未見報導(dǎo)，相比較現(xiàn)有技術(shù)，具備如下優(yōu)點：

1、解決了現(xiàn)有的gps定位的施工監(jiān)控技術(shù)在狹窄河谷、位置偏僻等中小工程的施工場地由于gps信號強度和穩(wěn)定性不夠而難以發(fā)揮作用的缺陷，本發(fā)明提供的自主組網(wǎng)超寬帶三維定位技術(shù)，可不受地形限制，在有效監(jiān)控范圍內(nèi)具有信號穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、定位準確、抗干擾能力強、無數(shù)據(jù)泄密風險。

2、本發(fā)明提供的基于自主組網(wǎng)超寬帶的三維定位技術(shù)無需借助衛(wèi)星，不受外界干擾，可直接獲得工程坐標，精度高、反應(yīng)快、投資小，非常適用于碾壓式筑壩的廣大中小工程的施工質(zhì)量控制。

3、本發(fā)明通過3個固定基站和1個移動站之間的距離測量組合就可以通過三維定位算法計算位置坐標，原理簡單直接。

雖然本發(fā)明已利用上述較佳實施例進行說明，然其并非用以限定本發(fā)明的保護范圍，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)，相對上述實施例進行各種變動與修改仍屬本發(fā)明所保護的范圍，因此本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書所界定的為準。