無人機(jī)+移動機(jī)器人測量高鐵橋梁新技術(shù)

【摘要】高鐵橋梁上部墊石精密測量是確保橋梁精準(zhǔn)架設(shè)的關(guān)鍵性工作，對后期高鐵平穩(wěn)安全運行起到?jīng)Q定性作用。為了解決目前人工測量效益低，安全風(fēng)險高，精度受人為因素影響大等諸多問題，創(chuàng)新設(shè)計了無人機(jī)+移動機(jī)器人測量系統(tǒng)[1]，實現(xiàn)地空自由移動，精確導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位;移動機(jī)器人模擬橋墩結(jié)構(gòu)模型，精準(zhǔn)設(shè)計機(jī)架結(jié)構(gòu)上各測量器件之間幾何關(guān)系，實現(xiàn)一次測量，同步獲取橋墩頂面多點空間數(shù)據(jù)，移動定位系統(tǒng)將定位偏差值轉(zhuǎn)換為機(jī)器人上麥克納母輪全向PID運動數(shù)值;機(jī)芯智能控制運動模塊、測量模塊和標(biāo)識模塊形成有機(jī)配合整體，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和高效測量。經(jīng)過現(xiàn)場實施，移動機(jī)器人的測量效率為傳統(tǒng)人工方法4倍以上，內(nèi)符合精度3mm以內(nèi)，測量質(zhì)量穩(wěn)定可靠，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價值。

【關(guān)鍵詞】高鐵橋梁;無人機(jī);移動機(jī)器人;遠(yuǎn)程測量;自動標(biāo)識

【Abstract】 High-speed Railway Bridge upper cushion stone precision measurement is the key to ensure the accurate erection of the bridge， and plays a decisive role in the smooth and safe operation of high-speed railway in the later period. In order to solve the problems of low benefit， high risk and high precision of manual measurement， the UAV + mobile robot measurement system is innovatively designed to realize ground-to-air free movement， precise navigation and precise positioning The mobile robot simulates the structural model of the bridge pier， designs precisely the geometric relations among the measuring devices on the structure of the machine frame， realizes the measurement once， simultaneously obtains the multi-point spatial data on the top of the bridge pier， the Mobile Positioning System Converts the position deviation value into the Omnidirectional PID motion value of the McKenna master wheel on the robot; the movement module， the measuring module and the marking module of the intelligent control of the movement of the machine core form an organic whole; To achieve accurate positioning and efficient measurement. The measuring efficiency of the mobile robot is more than 4 times of the traditional manual method， the measuring accuracy is less than 3mm， the measuring quality is stable and reliable， and the mobile robot has considerable economic benefit and popularization value.

【Keywords】 High-speed railway bridge;Unmanned aerial vehicle;Mobile robot;Remote measurement;Auto identity

1、前言

高架橋梁以少占土地、綠色環(huán)保等優(yōu)勢在鐵路建設(shè)中占居較大比重，特別是在平原、軟土、江河及人口和建筑密集地區(qū)鐵路通常采用高架橋通過，如京滬高鐵橋梁占比為80.5%，廣珠城際鐵路為94.0%，然而鐵路高架橋梁建造過程中，墩頂上部的墊石施工測量任務(wù)量巨大，目前國內(nèi)外測量方法[2-3]，主要是吊運設(shè)備輔助人工測量，通過吊運設(shè)備將人員和測量儀器吊裝到橋墩頂上，人工在墩頂上進(jìn)行測量作業(yè)，空間小、儀器操作難度大、測量效率低，安全風(fēng)險高，已不適用快速發(fā)展的高鐵橋梁建設(shè)需求。

隨著無人機(jī)運用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展成熟，研究“無人機(jī)+智能移動機(jī)器人”創(chuàng)新技術(shù)，應(yīng)用在橋梁施工建造中，將具備廣闊的前景[4-6]。

2、無人機(jī)+移動機(jī)器人智能化快速測量新技術(shù)

2.1 測量原理

無人機(jī)+移動機(jī)器人測量橋梁墊石新技術(shù)集遠(yuǎn)程控制技術(shù)、無人機(jī)載重飛行技術(shù)、GNSS定位技術(shù)、移動機(jī)器人智能測量技術(shù)、無線通訊技術(shù)及軟件快速計算技術(shù)等多項技術(shù)于一體。以無人機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法中的吊運設(shè)備，以機(jī)器人代替人工，在智能控制系統(tǒng)[7]指揮協(xié)調(diào)下，完成橋墩墊石的快速測量。

無人機(jī)+移動機(jī)器人測量橋梁墊石新技術(shù)系統(tǒng)效果設(shè)計如圖2所示。

2.2 測量系統(tǒng)設(shè)計

測量系統(tǒng)主要由地面控制系統(tǒng)、地面測量系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)、智能測量機(jī)器人系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。地面測量系統(tǒng)、無人機(jī)飛行系統(tǒng)、測量機(jī)器人系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)之間無線連接，相互之間數(shù)據(jù)及信息指令采用無線通訊傳輸[8]。具體設(shè)計如圖3所示。

（1）地面控制系統(tǒng)是由控制終端和通訊模塊組成，控制終端內(nèi)置測量控制系統(tǒng)軟件和無人機(jī)控制系統(tǒng)軟件，測量控制系統(tǒng)軟件集成了全站儀遠(yuǎn)程測量軟件、GNSS定位軟件、數(shù)據(jù)計算分析軟件、機(jī)器人控制軟件、通訊軟件等多個軟件模塊。無人機(jī)控制系統(tǒng)軟件集成了無人機(jī)航線規(guī)劃設(shè)計軟件、無人機(jī)導(dǎo)航及定位軟件等模塊。地面全站儀自由建站、遠(yuǎn)程測量、數(shù)據(jù)計算分析，無人機(jī)飛行、停落，以及機(jī)器人測量放樣等，統(tǒng)一在地面控制系統(tǒng)指令下完成的。

（2）地面測量系統(tǒng)由全站儀、棱鏡組、GNSS參考站、通訊模塊等組成。全站儀完成建站、跟蹤機(jī)器人實時測量。GNSS參考站為無人機(jī)提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航與定位。

（3）無人機(jī)為測量機(jī)器人的載體，由飛行機(jī)、攝像頭、RTK、電池以及通訊電臺等模塊組成。在地面控制系統(tǒng)作用下，完成對測量機(jī)器人的安全搭載。

（4）移動機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人框架、輪系、控制器、全向測量標(biāo)志、點位標(biāo)識裝置、雙軸傾斜傳感器、通訊模塊等組成。機(jī)身框架結(jié)構(gòu)模擬高鐵雙線橋墩頂部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計，如圖4所示。

42-雙軸傾斜傳感器 43-縱向連接梁 44-機(jī)身框架 45-輪系 46-控制器 47-通訊模塊 48-精密棱鏡組 49-標(biāo)識裝置

2.3 機(jī)器人輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動算法

機(jī)器人輪系由2對行走輪組成，前后對稱設(shè)計安裝，每個行走輪由多個自由旋轉(zhuǎn)橢圓柱形的輥子組成，輥子軸線與輪子軸線設(shè)計成α角，行走輪前行時，輪子上的橢圓柱形輥子隨行走輪一起前行，同時帶動自身轉(zhuǎn)動，通過輥子的自身轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了行走輪前行時，同步可以側(cè)向移動，通過2對行走輪前后對稱設(shè)計，組合使用，以及各輪子轉(zhuǎn)動方向和速度的協(xié)調(diào)控制[9-11]，可以使機(jī)器人在行進(jìn)中，同步可以向任意方向移動。其運動方式設(shè)計如圖5所示。

以機(jī)器人機(jī)身的中點O為原點在機(jī)身上建立一個相對坐標(biāo)系ΣO，機(jī)器人的前進(jìn)方向為x軸方向，向左行駛的方向為y軸方向。機(jī)身長為2L，寬為2 l，行走輪轂軸線和輥子軸線夾角為α，相應(yīng)地Vi （i = 1，2，3，4） 是4個輪子由電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)生的線速度， Vi =RW×θi，其中RW是輪子的半徑，θi是對應(yīng)輪子的旋轉(zhuǎn)角速度。根據(jù)運動學(xué)分析結(jié)果，4個輪子的線速度Vi （i = 1，2，3，4） 可分別由下式（1）、（2）、（3）、（4）計算得到：

V1=Vx-Vy?tanα-（L?tanα+l）?ωz ? ?（1）

V2=Vx+Vy?tanα+（L?tanα+l）?ωz ? ?（2）

V3=Vx-Vy?tanα+（L?tanα+l）?ωz ? ?（3）

V4=Vx+Vy?tanα-（L?tanα+l）?ωz ? ?（4）

上式中， Vx、Vy、ωz分別為各輪系在相對坐標(biāo)系ΣO中，沿X方向移動的速度、Y方向移動的速度、以及繞中心點O垂直軸轉(zhuǎn)動角速度，可以通過這4個輪子的旋轉(zhuǎn)角速度獲得輪子全方位移動，機(jī)器人在相對坐標(biāo)系ΣO中的運動速度計算公式如（5）、（6）、（7）所示：

通過對測量機(jī)器人輪系創(chuàng)新設(shè)計、機(jī)器人行走速度與輪系的自轉(zhuǎn)速度自動化控制理論計算方法研究，實現(xiàn)了測量機(jī)器人在行進(jìn)的同時可以實時調(diào)整機(jī)身的方向和姿態(tài)，提高了測量機(jī)器人在橋墩頂面上姿態(tài)調(diào)整的功效。

2.4 機(jī)器人測點標(biāo)識裝置設(shè)計

機(jī)器人測點標(biāo)識裝置由十字分劃板、墨筒、液壓推桿組成，分別安裝在機(jī)器人框架的4個拐角位置，其功能是對機(jī)器人測量放樣的點位進(jìn)行標(biāo)識。墨筒中裝入紅色油漆，在液壓系統(tǒng)推桿的推力作用下，紅色油漆通過分劃板的十字絲縫而噴射在墩頂?shù)幕炷撩嫔?，十字絲中心點即為放樣的橋梁墊石角點。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

2.5 機(jī)器人測量標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計及垂直度控制方法

測量標(biāo)志選用360度全向精密棱鏡2組，對稱安裝在機(jī)身框架兩側(cè)，棱鏡桿設(shè)計可伸縮，伸縮高度由控制器遠(yuǎn)程控制，便于地面全站儀任意位置均能觀測棱鏡。

考慮橋墩頂面不是一個理想水平面，存在機(jī)器人框架整體傾斜現(xiàn)象，從而帶來棱鏡桿傾斜誤差。為此在兩個棱鏡桿底部安裝兩個雙軸傾角傳感器，用于對框架平整度的補償修正，得到棱鏡桿底部（框架面）準(zhǔn)確的坐標(biāo)值。

2.6 機(jī)器人定位技術(shù)計算方法

機(jī)器人由初始位置移動調(diào)整到設(shè)計位置，是根據(jù)測量數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)通過軟件計算分析得出的移動調(diào)整值信息。移動調(diào)整值具體計算方法[12-13]：先計算機(jī)器人初始位置時2個棱鏡中心線方位角與橋墩橫軸線設(shè)計方位角之差值φ，為機(jī)器人調(diào)整的旋轉(zhuǎn)角度;再計算2個棱鏡連線中心O點位置偏離墩中心的橫向距離和縱向距離，即偏距（d）和里程差（Sk）。

（1）方位角偏差值φ計算方法

式（8）中，分別為機(jī)器人初始位置時2個棱鏡中心實測坐標(biāo);式（9）中，（x1，y1）、（x2，y2）分別為墩橫軸線與墊石邊線交點O1 、O2的設(shè)計坐標(biāo)。

位于曲線上的雙線鐵路橋，墩橫軸線與墊石邊線交點O1 、O2的設(shè)計坐標(biāo)計算方法如下：

選取起點A和終點B，對應(yīng)線路里程分別為DKA和DKB，曲率分別為ρA和ρB;DKi為待求墩左線中心點O左的里程，ρi為O左點曲率，αi為O左點切線方位角：

式中，S為設(shè)計線間距，S1為墩左線中心至左側(cè)墊石內(nèi)邊線中點距離。

（2）偏距（d）和里程差（Sk）計算方法

橫向偏距和里程差值采用逐步趨近試算法，按基本線元---直線、圓曲線、緩和曲線來判定試算點是位于哪種基本線元內(nèi)，然后根據(jù)不同線元分別計算。具體計算模型如下：

1）直線：如圖11所示，直線中計算最近點線路里程DKi和偏距差值d，過P點作直線BE的垂直線，垂直線與直線BE的交點為最近點K，包括：

式（19）至（24）中，l為初始步長，PB為P點與B點的距離，該初始步長為B點與K點的距離。

2）圓曲線：如圖11所示，圓曲線中計算最近點線路里程DKi和偏距差值d，設(shè)定B和E所在圓弧的圓心為C，C點坐標(biāo)（xc，yc）， C點與P點的連線與圓弧的交點為K，包括：

式（25）至（30）中， R為圓曲線單元 中的半徑，l為初始步長，PC為P點與C點的距離，α為圓弧所對應(yīng)的圓心角。該初始步長為B點到K點的弧長，τcp為CP方向上C點的切向角。

3）緩和曲線：如圖11所示，緩和曲線中計算最近點線路里程DKi和橫向偏差值d，包括（a）和（b）：

（a）首先確定最近點K的位置，包括：

估計曲線BE上靠近最近點K的一點;

設(shè)定初始步長l，通過不完整回旋線計算得到和點的切向τ并計算得到直線P與τ的夾角α，通過步驟S32，判斷出最近點K處于的相對區(qū)域M;

通過不完整回旋線計算曲線BE的區(qū)域M上靠近的點和點的切向τ，并計算直線P與τ的夾角α;通過不完整回旋線循環(huán)計算靠近最近點K的多個點，最終通過無限逼近最近點K的方式，得到最近點K的位置，最近點K在允許的誤差范圍內(nèi);

（b）通過確定的最近點K的坐標(biāo)，得到最近點線路里程DKi和橫向偏差值d：

式（31）中，sb為緩和曲線起點B的里程。

若K的距離大于設(shè)定的變化步長，則按初始步長l調(diào)整K的距離，多次循環(huán)逼近最近點，直到K的距離小于設(shè)定的變化步長。

3、實驗結(jié)果與分析

本創(chuàng)新技術(shù)依托安九高鐵長江特大橋和廬山特大橋施工項目進(jìn)行研發(fā)與應(yīng)用，通過測量500個水中墩的數(shù)據(jù)分析，測量效率是傳統(tǒng)人工方法4倍以上，內(nèi)符合精度小于3mm，檢核精度小于5mm。滿足鐵路橋梁施工測量控制精度要求[14-15]。具體分析見表1、表2：

結(jié)語：

本文創(chuàng)新研究的鐵路高架橋墩墊石智能快速測量新技術(shù)打破了傳統(tǒng)人工測量的繁雜模式，首創(chuàng)了具有智能循跡、精準(zhǔn)定位、快速測量和自動計算分析功能的橋梁智能測量機(jī)器人系統(tǒng)。提高了測量可靠度和測量效率，減少了人員及配套設(shè)備投入，降低了高空作業(yè)的安全風(fēng)險。具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的推廣應(yīng)用價值。

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作者簡介：

李強(qiáng)（1970-），男，本科，教授級高級工程師，主要研究工程測量自動化、智能化及高速鐵路無砟軌道施工測量技術(shù)。