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探讨测量机器人在大悬索桥监控测量中的应用

供稿:中国工控网 2016/9/22 10:00:30

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  • 关键词: 测量机器人
  • 摘要:大悬索桥监控测量是保证施工质量和安全的重要措施,而测量精度则是监控测量中需要讨论的重点课题。测量机器人作为一种自动测量、自动目标跟踪、自动记录的测量平台,其具有在线、灵活、高效等特点,用途广泛。本文就测量机器人在大悬索桥监控测量中的应用进行分析。


  机器人测量分成直接测量和间接测量,直接测量就是机器人参与测试和数据处理,间接测量就是机器人模拟人的动作将测量工具或传感器移到测量位置,由测量仪器完成测量任务和数据传输任务。在大型悬索桥施工过程中,其受到风力、日照、温度、湿度等外界环境带来的影响,可能使结构发生一些误差,些微误差的积累会给主索安装初始垂度和随后施工阶段带来一定影响,必须做好施工监控测量工作。 
  1 测量机器人概述 
  测量机器人又称自动全站仪,是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。其坐标系统为球面坐标系统,望远镜能绕仪器的横纵轴旋转,在水平面360°、竖面180°范围内寻找目标。能监控测量二维、三维坐标信息,得到被测物体的形态以及其随着时间的变化曲线。另外,也有的测量机器人为用户提供一个二次开发平台,将开发出来的软件直接在测量机器人上使用,利用软件实现测量过程、数据存储、数据处理、报表输出的全自动化,从而真正实现监控测量自动化和一体化。 
  在测量过程中,若是前方出现影响目标被测点的障碍物,如:高大树木、高层建筑物等,仪器能锁定被测目标,确保测量工作的顺利进行。若被测目标出现失锁现象,只需要发出相关的搜索指令便可以重新锁定目标,不会造成误差。在大悬索桥的监控测量中,为监控索塔的位移情况,在两个索塔的顶端分别设置一个全方位观测棱镜,而测量机器人则在两岸确定的两个控制点进行观测,获取索塔的位移、扭转信息,为施工活动提供准确的数据资料。 
  2 测量机器人在大悬索桥监控测量中的测量精度 
  某大型悬索桥具有非常大的主梁预拱度,其钢箱梁高程控制至关重要,必须对其进行精准的测量监控。下面就以钢箱梁的监控测量为例,分析TM30测量机器人的测量精度,TM30是专为监测系统开发的测量机器人,具有高精度、高可靠性、坚固耐用等特点,利用长距离目标识别技术,有效延长监测半径,避开危险点,得到精确的测量结果。首先,确定工作基点,利用三角高程确定悬索桥南北索塔下方横梁处的固定水准点的高程,以此为工作基点。安装钢箱梁段的时候,在两端的合适位置设定固定观测点。 
  2.1 主梁轴线的定位精度 
  主梁轴线定位采用索塔下方横梁处具有强制对中底座的轴线点测定,采用测小角法来测量,测量出梁段中心点与轴线之间的偏差度。测小角法的偏距精度估算公式为: ;式中,n表示测回数,D表示机器与测点之间的距离。假设D=314m,mβ=±0.5",当n=2时,得出的测量精度为±0.54mm,误差在允许范围内,说明利用TAC2003测量机器人进行测小角法测定偏移值,能满足主梁轴线的定位精度。 
  2.2 索塔的位移以及坐标的测定精度 
  为测量索塔的位移情况,在索塔的顶部设置三个监测点:A、B、C,前两个测点设置全站仪棱镜,并在距两岸150m处设置两个基准站,进行监测点的坐标测量。我们根据坐标精度的估算公式可以得出索塔的位移量: 
  式中,β表示后视夹角,当其为60°,S=300m,mβ=±0.5",ms=±1.3mm时,计算得出的mx=±0.91mm,my=±1.81mm,mp=±1.5mm,误差在允许范围内,说明利用TM30测量机器人进行索塔位移量的测量是可行的,它能将误差控制在20mm范围内。 
  2.3 起始梁段的误差控制 
  起始梁段的误差控制对后面梁段的施工具有重要影响,若这两块起始梁段的定位不精确,则后面梁段的定位也不精确,必须重视起始梁段安装施工的定位误差控制。一般来说,首先用轴线点定位,然后再借助控制网点的边角交接,利用严密平差法计算出坐标的实际值。现假设δx、δy为未知数,利用误差方差求解未知数:V=aδx+bδy+L=AX+L,X=-(ATPA)-1(ATPL);根据观测图像可知,其中定位最弱的位置是南塔的S2梁段,定位误差在0.51mm范围内,误差小,符合施工要求。 
  3 测量机器人在大悬索桥监控测量中的应用 
  在悬索桥的施工监控测量中,其监控测量步骤如图1所示,需要先对结构进行分析计算,开展辅助性实验,识别监控测量参数并进行误差分析,进行跟踪测量,提供准确的施工数据资料,为下一工序的施工提供准确资料。每施工一步就进行一次误差分析,为将来的微调提供数据支持。 
  
  3.1 平面控制网的布设 
  在该索桥平面控制网的布设过程中,既需要考虑到索桥的施工控制情况,也要考虑到两端的隧道施工,故此设立三等平面控制网,如图2所示。大桥两岸的索塔上分别布设六个变形观测点,使用两台测量机器人进行同步观测,每个观测点均安装棱镜。 
  
  3.2 数据处理与分析 
  采用双差固定解来确定基线解算的最终结果,双差固定解采用整周模糊度来检验倍率Ratio和单位权中误差Rms,Ratio值越大,则双差固定解的结果越可靠。当基线长度在5km范围以内时,Ratio值>2.5;基线长度在5-10km时,Ratio值>2.1;基线长度>10km时,Ratio>2.0。进行基线解算之后,进行基线的边检验,同步多边形的闭合差检验,最后再是两端隧道口与路线的控制连接。在三等平面控制网中,选择的是高程为600m的坐标,解决了施工中的桥梁和隧道工程变形问题。 
  为避免风力、日照、温差等对施工产生不良影响,在早上、晚上、上午、下午的各个时段进行精准观测,然后取其平均值。结果表明,其中测角的最大误差为1.6",基准控制网的最大误差为1.7",精度符合要求。 
  结束语 
  测量机器人在大型悬索桥施工监控测量中的应用能充分发挥其自动化、智能化、高精度优点,能有效减少施工监控测量难度,提供准确的数据资料,促使相关人员做好施工控制工作,确保施工质量和安全。本文简单论述测量机器人在大型悬索桥监控测量中的应用,具体介绍其监测精度,证明测量机器人在大悬索桥监控测量中应用的重要作用,值得推广应用。 
  参考文献: 
  [1]张永超.测量机器人在矮寨特大悬索桥监控测量中的应用[J].东方企业文化,2011(8):135. 
  [2]孙娅彬.测量机器人在大悬索桥监控测量中的应用[J].计算机测量与控制,2011,19(12):2945-2947. 
  [3]郑平,胡奇.悬索桥监控的方法和内容的几点探讨[J].商品与质量:学术观察,2012(4):233. 
  [4]牛家杰.浅谈某悬索桥上部结构的施工监控[J].科技信息,2013(24):356.

审核编辑(王静)
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