淺談3D GPS控制技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

劉廣

摘要： MC1200作為徠卡公司推出的世界首臺(tái)通用型機(jī)械控制系統(tǒng)，其除了能夠很好的應(yīng)用于各類推土機(jī)、平地機(jī)、攤鋪機(jī)以及銑刨機(jī)等自動(dòng)控制外，還能夠有效的應(yīng)用于不同種類的設(shè)備。徠卡公司在對(duì)傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行革命性改進(jìn)的基礎(chǔ)上推出的3D GPS控制系統(tǒng)由于具有先進(jìn)的三維控制方法，十分適合應(yīng)用于平地機(jī)以及推土機(jī)等從事土方施工的機(jī)械上，并且尤其適用于大型土木工程、道路工程以及機(jī)場(chǎng)和露天采礦等項(xiàng)目。

Abstract： As the world's first general machinery control system launched by Leica Inc， MC1200 can be well applied in all kinds of bulldozers， graders， pavers and milling machine， automatic control， and it also can be effectively applied to different kinds of equipment. Based on the revolutionary improvement to the traditional construction technology， Leica Inc launched the 3D GPS control system， which has advanced three-dimensional control method， and is very suitable for application of grader and bulldozers in earthwork construction machinery， and is especially suitable for large civil engineering， road and airport engineering and open pit mining projects.

關(guān)鍵詞： 3D GPS控制技術(shù)；工程機(jī)械；應(yīng)用

Key words： 3D GPS control technology；mechanical engineering；application

中圖分類號(hào)：K826.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）28-0036-02

1 概述

隨著工程測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用GPS以及PTK技術(shù)的成熟，GPS定位的精度已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度，一些國際的知名公司開始在工程機(jī)械自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用GPS技術(shù)，尤其是應(yīng)用的3D控制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的施工方法產(chǎn)生了革命性的改進(jìn)。在精確定位運(yùn)動(dòng)中的測(cè)量目標(biāo)的時(shí)候，采用的PTK技術(shù)需要兩個(gè)GPS接收器來共同完成，一個(gè)固定在控制點(diǎn)作為參考站，即GPS基站；另一個(gè)安裝在推土機(jī)或挖掘機(jī)等工程機(jī)械上，即GPS接收器。

徠卡公司推出的世界首臺(tái)通用型機(jī)械控制系統(tǒng)MC1200具有以下獨(dú)特的性能：由于平地機(jī)鏟刀平移控制技術(shù)能夠?qū)︾P刀的平移進(jìn)行自由的而控制從而加速了整平工作的進(jìn)程；橫坡固定技術(shù)能夠使操作手通過此系統(tǒng)對(duì)橫坡的坡度保持恒定，尤其適用于公路路肩以及公路斷鏈等處的施工；平地機(jī)桅桿傾斜技術(shù)由于能夠計(jì)算出桅桿各個(gè)方向和角度的傾斜，從而能夠?qū)Φ镀奈恢眠M(jìn)行精確定位；GPS和TPS（全站儀）互換技術(shù)，用戶可以把GPS天線取下，換上自動(dòng)全站儀即PS后對(duì)設(shè)備進(jìn)行3D控制的精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3D GPS系統(tǒng)，其適用于需要精確整平的公路以及機(jī)場(chǎng)等項(xiàng)目。由于目前徠卡公司最新的GPS1200系統(tǒng)的測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到了毫米級(jí)，從而使得GPS技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械控制領(lǐng)域已經(jīng)成為可能。

2 GPS定位的基本原理

GPS定位的基本原理為：將高速運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星的瞬間位置作為已知起算數(shù)據(jù)，然后采用空間距離后方交會(huì)的方法確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖1：假設(shè)在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)的時(shí)間為t時(shí)刻，那么就能給測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式：

[（X1-X）2+（Y1-Y）2+（Z1-Z）2]1/2+C（Vt1-Vt0）=d1

[（X2-X）2+（Y2-Y）2+（Z2-Z）2]1/2+C（Vt2-Vt0）=d2

[（X3-X）2+（Y3-Y）2+（Z3-Z）2]1/2+C（Vt3-Vt0）=d3

[（X4-X）2+（Y4-Y）2+（Z4-Z）2]1/2+C（Vt4-Vt0）=d4

上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)x、y、z和Vt0為未知參數(shù)，其中di=c△ti（i=1、2、3、4）

di（i=1、2、3、4）分別為1-4號(hào)衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離。

△ti（i=1、2、3、4）分別為1-4號(hào)衛(wèi)星的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。

c為GPS信號(hào)的傳播速度（即光速）。

四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：

x、y、z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。

xi、yi、zi（i=1、2、3、4）分別為1-4號(hào)衛(wèi)星在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)。

可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得

Vti（i=1、2、3、4）分別為1-4號(hào)衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。

Vt0為接收機(jī)的鐘差。

由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)的鐘差Vt0。

3 徠卡3D控制系統(tǒng)簡介

使用3D控制系統(tǒng)之所以能夠使機(jī)械通過一兩次往返施工就能給達(dá)到設(shè)計(jì)位置，這是由于其能夠?qū)⒅苯虞斎霗C(jī)械計(jì)算機(jī)的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維數(shù)字模型，并且對(duì)工程機(jī)械上鏟刀的當(dāng)前位置和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較后輸出校正控制信號(hào)來對(duì)鏟刀進(jìn)行控制。這種以絕對(duì)坐標(biāo)X、Y、Z為基準(zhǔn)的全新的控制方式由于摒棄了測(cè)量、打樁以及放樣等傳統(tǒng)的工序，從而能夠?qū)Ω叱炭刂?、平整度控制以及坡度控制等問題進(jìn)行一次性的解決。此系統(tǒng)主要由以下四部分組成。endprint

第一，通訊設(shè)備：此通訊設(shè)備由無線發(fā)射裝置和調(diào)制解調(diào)器組成，其有效地實(shí)現(xiàn)了定位設(shè)備和機(jī)載計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

第二，控制設(shè)備：此設(shè)備是由一系列控制器和傳感器組成的。為了達(dá)到施工的設(shè)計(jì)位置，此設(shè)備會(huì)根據(jù)安裝部位的不同對(duì)控制機(jī)械自身以及鏟刀的橫縱坡以及傾斜度等進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)傳來的校正信息來控制機(jī)械鏟刀。

第三，定位設(shè)備：此設(shè)備由GPS或TPS組成，其分為的3DGPS控制系統(tǒng)和3DTPS控制系統(tǒng)分布適用于對(duì)精度要求不同的工程。

第四，記在計(jì)算機(jī)：輸入的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠通過機(jī)載計(jì)算機(jī)生產(chǎn)三維數(shù)字地形模型，根據(jù)收到的測(cè)量數(shù)據(jù)算出工程機(jī)械的實(shí)際位置和方向后并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，同時(shí)將校正信息輸出到控制設(shè)備來調(diào)整機(jī)械。

4 徠卡3D GPS控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

第一，與傳統(tǒng)施工方法比較：傳統(tǒng)的施工方法要求先對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初測(cè)，然后項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)地打樁放樣、工程機(jī)械施工以及測(cè)量打樁放養(yǎng)、施工然后再次測(cè)量打樁放養(yǎng)，如此反復(fù)直至施工到設(shè)計(jì)位置。這種方法具有以下缺點(diǎn)：測(cè)量人員工作量大；反復(fù)進(jìn)行測(cè)量打樁放樣造成了機(jī)械的閑置；機(jī)械駕駛員在駕駛機(jī)械的同時(shí)還要以打好的樁為參照物，由于需要反復(fù)調(diào)整機(jī)械鏟刀，不僅要求駕駛員具有較高的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)造成了安全隱患。而使用徠卡3DGPS控制系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了無樁施工從而省去了測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)打樁放樣的工作，并且減少了機(jī)械的閑置時(shí)間；駕駛員專注于機(jī)械駕駛并且由3D系統(tǒng)對(duì)鏟刀進(jìn)行控制，不僅降低了駕駛員的工作強(qiáng)度和對(duì)其技能的要求，同時(shí)能夠短時(shí)間內(nèi)精確地達(dá)到最終設(shè)計(jì)的位置；實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無縫鏈接。經(jīng)實(shí)際工程項(xiàng)目檢驗(yàn)，使用此系統(tǒng)能夠至少提高30%的施工效率。

第二，在解決方案時(shí)采用GPS的優(yōu)勢(shì)：由于系統(tǒng)的精確度達(dá)到了30MM，從而在節(jié)約施工材料的同時(shí)提高施工質(zhì)量；由于在GPS基站和施工機(jī)械之間不需要保持通視，從而適用于大型土木工程項(xiàng)目；經(jīng)過一次性設(shè)置后就能給保證連續(xù)施工；由于工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠直接應(yīng)用于項(xiàng)目施工中，因此減少了不必要的誤差；利用一個(gè)基站可以同時(shí)控制多臺(tái)設(shè)備；由于提高了施工效率而顯著縮短了工期；此系統(tǒng)由于不受天氣和光線的影響從而能夠進(jìn)行全天候施工；徠卡3D GPS控制系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了無樁施工，大大減少了工作量，同時(shí)GPS接收器還可以單獨(dú)用于施工前后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，是全站儀之外的一個(gè)高端測(cè)量儀器。

5 徠卡3D GPS系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用

國外目前已經(jīng)將GPS控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域，除了實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的三維定位外，還大大提高了功效效率以及降低了機(jī)械操作成本。其特點(diǎn)為：

第一，減少重復(fù)工作。使用此系統(tǒng)能夠第一時(shí)間在控制室內(nèi)得到設(shè)計(jì)的反饋消息，并且據(jù)此進(jìn)行修改，從而在降低重復(fù)工作的同時(shí)減少了工作成本。

第二，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全控制。在室內(nèi)由于實(shí)現(xiàn)了3D顯示和機(jī)械控制從而大大降低了測(cè)量和檢查土地平整的工作量，因此，有效提高了機(jī)械的利用率。通過3D顯示，操作手不僅能在無樁的情況下導(dǎo)航機(jī)械，并且還能夠?qū)C(jī)械是否在設(shè)計(jì)和施工范圍內(nèi)進(jìn)行工作進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

第三，加快工作循環(huán)。由于在進(jìn)行較少檢測(cè)的情況下，操作手就能給知道下一步的施工，因此，減少了不必要環(huán)節(jié)的工作量，在加快工作循環(huán)的同時(shí)縮短了工期。

第四，改善材料的利用率。由于對(duì)土方的平整度能夠進(jìn)行精確的計(jì)算從而保證不浪費(fèi)基層材料而大大提高了收益。

第五，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的功能。裝有GPS的工程機(jī)械會(huì)將專用的控制箱和顯示器裝在控制室內(nèi)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的雙向交換。

人工處理和經(jīng)常性返工以及測(cè)量設(shè)計(jì)和建筑過程被分為不同階段進(jìn)行處理是傳統(tǒng)工作方法最明顯的缺陷，這些都造成了設(shè)計(jì)變更。而機(jī)械裝有GPS后能夠?qū)崿F(xiàn)無放樣坡度控制和導(dǎo)航，從而使得建筑土方的工作方式發(fā)生了顯著的變化。

GPS3D不僅實(shí)現(xiàn)了土地的平整控制，更有效的實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)設(shè)計(jì)和平整土地?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。此外，通過GPS和激光的結(jié)合使用能夠有效提高土地平整的精度，尤其對(duì)于施工初期土方工作量非常大的情況下，通過GPS對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行導(dǎo)航能夠在完全遵守設(shè)計(jì)圖紙的情況下實(shí)現(xiàn)無樁施工，這就減少了很多工作量。

6 徠卡3D GPS控制系統(tǒng)在中國的應(yīng)用前景

在美國、澳大利亞以及歐洲許多國家的大型項(xiàng)目和施工企業(yè)都廣泛應(yīng)用徠卡公司的3DGPS控制系統(tǒng)，并且取得了良好的效果。我國的施工機(jī)械生產(chǎn)廠家和施工企業(yè)都在積極的學(xué)習(xí)和引進(jìn)最新技術(shù)，但是在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用GPS還需要解決一些問題。為了降低價(jià)格保證市場(chǎng)份額，國內(nèi)的施工機(jī)械廠家都在對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行控制，但是這并沒有提高投資機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置的積極性，從而限制的3D技術(shù)的普及。此外，很多項(xiàng)目并沒有在工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完全采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，從而在使用3D技術(shù)時(shí)存在數(shù)字化原始設(shè)計(jì)資料的過程，這也制約了3D技術(shù)的快速普及。

7 結(jié)語

工程設(shè)計(jì)工作隨著CAD的廣泛應(yīng)用以及數(shù)字地形模型DTH技術(shù)的發(fā)展也在向著無紙化和數(shù)字化的方向發(fā)展，3DGPS技術(shù)不僅革命性的改進(jìn)了傳統(tǒng)的施工方法，并且也為將來的數(shù)字化施工奠定了基礎(chǔ)。因此，隨著GPS和TPS的發(fā)展，這種技術(shù)必然成為今后機(jī)械自動(dòng)控制的主流。

參考文獻(xiàn)：

[1]金梅珍.帶有GPS自動(dòng)控制系統(tǒng)施工機(jī)械的構(gòu)成及優(yōu)越性[J].科技資訊，2006（19）.

[2]劉衛(wèi)軍，李占民，文顯武.基于GPS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在工程機(jī)械上的應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007（06）.

[3]黃健，初長祥.GPS智能管理系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用[J].工程機(jī)械與維修，2008（09）.endprint

第一，通訊設(shè)備：此通訊設(shè)備由無線發(fā)射裝置和調(diào)制解調(diào)器組成，其有效地實(shí)現(xiàn)了定位設(shè)備和機(jī)載計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

第二，控制設(shè)備：此設(shè)備是由一系列控制器和傳感器組成的。為了達(dá)到施工的設(shè)計(jì)位置，此設(shè)備會(huì)根據(jù)安裝部位的不同對(duì)控制機(jī)械自身以及鏟刀的橫縱坡以及傾斜度等進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)傳來的校正信息來控制機(jī)械鏟刀。

第三，定位設(shè)備：此設(shè)備由GPS或TPS組成，其分為的3DGPS控制系統(tǒng)和3DTPS控制系統(tǒng)分布適用于對(duì)精度要求不同的工程。

第四，記在計(jì)算機(jī)：輸入的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠通過機(jī)載計(jì)算機(jī)生產(chǎn)三維數(shù)字地形模型，根據(jù)收到的測(cè)量數(shù)據(jù)算出工程機(jī)械的實(shí)際位置和方向后并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，同時(shí)將校正信息輸出到控制設(shè)備來調(diào)整機(jī)械。

4 徠卡3D GPS控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

第一，與傳統(tǒng)施工方法比較：傳統(tǒng)的施工方法要求先對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初測(cè)，然后項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)地打樁放樣、工程機(jī)械施工以及測(cè)量打樁放養(yǎng)、施工然后再次測(cè)量打樁放養(yǎng)，如此反復(fù)直至施工到設(shè)計(jì)位置。這種方法具有以下缺點(diǎn)：測(cè)量人員工作量大；反復(fù)進(jìn)行測(cè)量打樁放樣造成了機(jī)械的閑置；機(jī)械駕駛員在駕駛機(jī)械的同時(shí)還要以打好的樁為參照物，由于需要反復(fù)調(diào)整機(jī)械鏟刀，不僅要求駕駛員具有較高的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)造成了安全隱患。而使用徠卡3DGPS控制系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了無樁施工從而省去了測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)打樁放樣的工作，并且減少了機(jī)械的閑置時(shí)間；駕駛員專注于機(jī)械駕駛并且由3D系統(tǒng)對(duì)鏟刀進(jìn)行控制，不僅降低了駕駛員的工作強(qiáng)度和對(duì)其技能的要求，同時(shí)能夠短時(shí)間內(nèi)精確地達(dá)到最終設(shè)計(jì)的位置；實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無縫鏈接。經(jīng)實(shí)際工程項(xiàng)目檢驗(yàn)，使用此系統(tǒng)能夠至少提高30%的施工效率。

第二，在解決方案時(shí)采用GPS的優(yōu)勢(shì)：由于系統(tǒng)的精確度達(dá)到了30MM，從而在節(jié)約施工材料的同時(shí)提高施工質(zhì)量；由于在GPS基站和施工機(jī)械之間不需要保持通視，從而適用于大型土木工程項(xiàng)目；經(jīng)過一次性設(shè)置后就能給保證連續(xù)施工；由于工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠直接應(yīng)用于項(xiàng)目施工中，因此減少了不必要的誤差；利用一個(gè)基站可以同時(shí)控制多臺(tái)設(shè)備；由于提高了施工效率而顯著縮短了工期；此系統(tǒng)由于不受天氣和光線的影響從而能夠進(jìn)行全天候施工；徠卡3D GPS控制系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了無樁施工，大大減少了工作量，同時(shí)GPS接收器還可以單獨(dú)用于施工前后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，是全站儀之外的一個(gè)高端測(cè)量儀器。

5 徠卡3D GPS系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用

國外目前已經(jīng)將GPS控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域，除了實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的三維定位外，還大大提高了功效效率以及降低了機(jī)械操作成本。其特點(diǎn)為：

第一，減少重復(fù)工作。使用此系統(tǒng)能夠第一時(shí)間在控制室內(nèi)得到設(shè)計(jì)的反饋消息，并且據(jù)此進(jìn)行修改，從而在降低重復(fù)工作的同時(shí)減少了工作成本。

第二，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全控制。在室內(nèi)由于實(shí)現(xiàn)了3D顯示和機(jī)械控制從而大大降低了測(cè)量和檢查土地平整的工作量，因此，有效提高了機(jī)械的利用率。通過3D顯示，操作手不僅能在無樁的情況下導(dǎo)航機(jī)械，并且還能夠?qū)C(jī)械是否在設(shè)計(jì)和施工范圍內(nèi)進(jìn)行工作進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

第三，加快工作循環(huán)。由于在進(jìn)行較少檢測(cè)的情況下，操作手就能給知道下一步的施工，因此，減少了不必要環(huán)節(jié)的工作量，在加快工作循環(huán)的同時(shí)縮短了工期。

第四，改善材料的利用率。由于對(duì)土方的平整度能夠進(jìn)行精確的計(jì)算從而保證不浪費(fèi)基層材料而大大提高了收益。

第五，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的功能。裝有GPS的工程機(jī)械會(huì)將專用的控制箱和顯示器裝在控制室內(nèi)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的雙向交換。

人工處理和經(jīng)常性返工以及測(cè)量設(shè)計(jì)和建筑過程被分為不同階段進(jìn)行處理是傳統(tǒng)工作方法最明顯的缺陷，這些都造成了設(shè)計(jì)變更。而機(jī)械裝有GPS后能夠?qū)崿F(xiàn)無放樣坡度控制和導(dǎo)航，從而使得建筑土方的工作方式發(fā)生了顯著的變化。

GPS3D不僅實(shí)現(xiàn)了土地的平整控制，更有效的實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)設(shè)計(jì)和平整土地?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。此外，通過GPS和激光的結(jié)合使用能夠有效提高土地平整的精度，尤其對(duì)于施工初期土方工作量非常大的情況下，通過GPS對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行導(dǎo)航能夠在完全遵守設(shè)計(jì)圖紙的情況下實(shí)現(xiàn)無樁施工，這就減少了很多工作量。

6 徠卡3D GPS控制系統(tǒng)在中國的應(yīng)用前景

在美國、澳大利亞以及歐洲許多國家的大型項(xiàng)目和施工企業(yè)都廣泛應(yīng)用徠卡公司的3DGPS控制系統(tǒng)，并且取得了良好的效果。我國的施工機(jī)械生產(chǎn)廠家和施工企業(yè)都在積極的學(xué)習(xí)和引進(jìn)最新技術(shù)，但是在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用GPS還需要解決一些問題。為了降低價(jià)格保證市場(chǎng)份額，國內(nèi)的施工機(jī)械廠家都在對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行控制，但是這并沒有提高投資機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置的積極性，從而限制的3D技術(shù)的普及。此外，很多項(xiàng)目并沒有在工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完全采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，從而在使用3D技術(shù)時(shí)存在數(shù)字化原始設(shè)計(jì)資料的過程，這也制約了3D技術(shù)的快速普及。

7 結(jié)語

工程設(shè)計(jì)工作隨著CAD的廣泛應(yīng)用以及數(shù)字地形模型DTH技術(shù)的發(fā)展也在向著無紙化和數(shù)字化的方向發(fā)展，3DGPS技術(shù)不僅革命性的改進(jìn)了傳統(tǒng)的施工方法，并且也為將來的數(shù)字化施工奠定了基礎(chǔ)。因此，隨著GPS和TPS的發(fā)展，這種技術(shù)必然成為今后機(jī)械自動(dòng)控制的主流。

參考文獻(xiàn)：

[1]金梅珍.帶有GPS自動(dòng)控制系統(tǒng)施工機(jī)械的構(gòu)成及優(yōu)越性[J].科技資訊，2006（19）.

[2]劉衛(wèi)軍，李占民，文顯武.基于GPS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在工程機(jī)械上的應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007（06）.

[3]黃健，初長祥.GPS智能管理系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用[J].工程機(jī)械與維修，2008（09）.endprint

第一，通訊設(shè)備：此通訊設(shè)備由無線發(fā)射裝置和調(diào)制解調(diào)器組成，其有效地實(shí)現(xiàn)了定位設(shè)備和機(jī)載計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

第二，控制設(shè)備：此設(shè)備是由一系列控制器和傳感器組成的。為了達(dá)到施工的設(shè)計(jì)位置，此設(shè)備會(huì)根據(jù)安裝部位的不同對(duì)控制機(jī)械自身以及鏟刀的橫縱坡以及傾斜度等進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)傳來的校正信息來控制機(jī)械鏟刀。

第三，定位設(shè)備：此設(shè)備由GPS或TPS組成，其分為的3DGPS控制系統(tǒng)和3DTPS控制系統(tǒng)分布適用于對(duì)精度要求不同的工程。

第四，記在計(jì)算機(jī)：輸入的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠通過機(jī)載計(jì)算機(jī)生產(chǎn)三維數(shù)字地形模型，根據(jù)收到的測(cè)量數(shù)據(jù)算出工程機(jī)械的實(shí)際位置和方向后并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，同時(shí)將校正信息輸出到控制設(shè)備來調(diào)整機(jī)械。

4 徠卡3D GPS控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

第一，與傳統(tǒng)施工方法比較：傳統(tǒng)的施工方法要求先對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初測(cè)，然后項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)地打樁放樣、工程機(jī)械施工以及測(cè)量打樁放養(yǎng)、施工然后再次測(cè)量打樁放養(yǎng)，如此反復(fù)直至施工到設(shè)計(jì)位置。這種方法具有以下缺點(diǎn)：測(cè)量人員工作量大；反復(fù)進(jìn)行測(cè)量打樁放樣造成了機(jī)械的閑置；機(jī)械駕駛員在駕駛機(jī)械的同時(shí)還要以打好的樁為參照物，由于需要反復(fù)調(diào)整機(jī)械鏟刀，不僅要求駕駛員具有較高的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)造成了安全隱患。而使用徠卡3DGPS控制系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了無樁施工從而省去了測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)打樁放樣的工作，并且減少了機(jī)械的閑置時(shí)間；駕駛員專注于機(jī)械駕駛并且由3D系統(tǒng)對(duì)鏟刀進(jìn)行控制，不僅降低了駕駛員的工作強(qiáng)度和對(duì)其技能的要求，同時(shí)能夠短時(shí)間內(nèi)精確地達(dá)到最終設(shè)計(jì)的位置；實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無縫鏈接。經(jīng)實(shí)際工程項(xiàng)目檢驗(yàn)，使用此系統(tǒng)能夠至少提高30%的施工效率。

第二，在解決方案時(shí)采用GPS的優(yōu)勢(shì)：由于系統(tǒng)的精確度達(dá)到了30MM，從而在節(jié)約施工材料的同時(shí)提高施工質(zhì)量；由于在GPS基站和施工機(jī)械之間不需要保持通視，從而適用于大型土木工程項(xiàng)目；經(jīng)過一次性設(shè)置后就能給保證連續(xù)施工；由于工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠直接應(yīng)用于項(xiàng)目施工中，因此減少了不必要的誤差；利用一個(gè)基站可以同時(shí)控制多臺(tái)設(shè)備；由于提高了施工效率而顯著縮短了工期；此系統(tǒng)由于不受天氣和光線的影響從而能夠進(jìn)行全天候施工；徠卡3D GPS控制系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了無樁施工，大大減少了工作量，同時(shí)GPS接收器還可以單獨(dú)用于施工前后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，是全站儀之外的一個(gè)高端測(cè)量儀器。

5 徠卡3D GPS系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用

國外目前已經(jīng)將GPS控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域，除了實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的三維定位外，還大大提高了功效效率以及降低了機(jī)械操作成本。其特點(diǎn)為：

第一，減少重復(fù)工作。使用此系統(tǒng)能夠第一時(shí)間在控制室內(nèi)得到設(shè)計(jì)的反饋消息，并且據(jù)此進(jìn)行修改，從而在降低重復(fù)工作的同時(shí)減少了工作成本。

第二，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全控制。在室內(nèi)由于實(shí)現(xiàn)了3D顯示和機(jī)械控制從而大大降低了測(cè)量和檢查土地平整的工作量，因此，有效提高了機(jī)械的利用率。通過3D顯示，操作手不僅能在無樁的情況下導(dǎo)航機(jī)械，并且還能夠?qū)C(jī)械是否在設(shè)計(jì)和施工范圍內(nèi)進(jìn)行工作進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

第三，加快工作循環(huán)。由于在進(jìn)行較少檢測(cè)的情況下，操作手就能給知道下一步的施工，因此，減少了不必要環(huán)節(jié)的工作量，在加快工作循環(huán)的同時(shí)縮短了工期。

第四，改善材料的利用率。由于對(duì)土方的平整度能夠進(jìn)行精確的計(jì)算從而保證不浪費(fèi)基層材料而大大提高了收益。

第五，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的功能。裝有GPS的工程機(jī)械會(huì)將專用的控制箱和顯示器裝在控制室內(nèi)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的雙向交換。

人工處理和經(jīng)常性返工以及測(cè)量設(shè)計(jì)和建筑過程被分為不同階段進(jìn)行處理是傳統(tǒng)工作方法最明顯的缺陷，這些都造成了設(shè)計(jì)變更。而機(jī)械裝有GPS后能夠?qū)崿F(xiàn)無放樣坡度控制和導(dǎo)航，從而使得建筑土方的工作方式發(fā)生了顯著的變化。

GPS3D不僅實(shí)現(xiàn)了土地的平整控制，更有效的實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)設(shè)計(jì)和平整土地?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。此外，通過GPS和激光的結(jié)合使用能夠有效提高土地平整的精度，尤其對(duì)于施工初期土方工作量非常大的情況下，通過GPS對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行導(dǎo)航能夠在完全遵守設(shè)計(jì)圖紙的情況下實(shí)現(xiàn)無樁施工，這就減少了很多工作量。

6 徠卡3D GPS控制系統(tǒng)在中國的應(yīng)用前景

在美國、澳大利亞以及歐洲許多國家的大型項(xiàng)目和施工企業(yè)都廣泛應(yīng)用徠卡公司的3DGPS控制系統(tǒng)，并且取得了良好的效果。我國的施工機(jī)械生產(chǎn)廠家和施工企業(yè)都在積極的學(xué)習(xí)和引進(jìn)最新技術(shù)，但是在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用GPS還需要解決一些問題。為了降低價(jià)格保證市場(chǎng)份額，國內(nèi)的施工機(jī)械廠家都在對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行控制，但是這并沒有提高投資機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置的積極性，從而限制的3D技術(shù)的普及。此外，很多項(xiàng)目并沒有在工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完全采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，從而在使用3D技術(shù)時(shí)存在數(shù)字化原始設(shè)計(jì)資料的過程，這也制約了3D技術(shù)的快速普及。

7 結(jié)語

工程設(shè)計(jì)工作隨著CAD的廣泛應(yīng)用以及數(shù)字地形模型DTH技術(shù)的發(fā)展也在向著無紙化和數(shù)字化的方向發(fā)展，3DGPS技術(shù)不僅革命性的改進(jìn)了傳統(tǒng)的施工方法，并且也為將來的數(shù)字化施工奠定了基礎(chǔ)。因此，隨著GPS和TPS的發(fā)展，這種技術(shù)必然成為今后機(jī)械自動(dòng)控制的主流。

參考文獻(xiàn)：

[1]金梅珍.帶有GPS自動(dòng)控制系統(tǒng)施工機(jī)械的構(gòu)成及優(yōu)越性[J].科技資訊，2006（19）.

[2]劉衛(wèi)軍，李占民，文顯武.基于GPS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在工程機(jī)械上的應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007（06）.

[3]黃健，初長祥.GPS智能管理系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用[J].工程機(jī)械與維修，2008（09）.endprint