基于北斗定向定位技术的工程机械倾斜校正系统的制作方法

本实用新型涉及倾斜校正领域和北斗定位定向领域，特别涉及基于北斗定向定位技术的工程机械倾斜校正系统。

背景技术：

GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)，它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。

打桩机是工程中常见的工程机械，其主要由桩锤、桩架及附属设备等组成。桩锤依附在桩架前部两根平行的竖直导杆(俗称龙门)之间，用提升吊钩吊升。桩架为一钢结构塔架，在其后部设有卷扬机，用以起吊桩和桩锤。桩架前面有两根导杆组成的导向架，用以控制打桩方向，使桩按照设计方位准确地贯入地层。打桩机的基本技术参数是冲击部分重量、冲击动能和冲击频率。

打桩机一般根据设计要求进行打桩，有时需要根据设计打入方向进行密集的打点，确保桩点位置准确、分布均匀、打桩过程中钻孔的方向一致性，必须保证钻杆在打桩方向与设计方向在一定范围内，但由于桩机钻杆达到十几米甚至几十米的长度，桩点的分布一般又比较密集，对其的控制非常困难，严重影响施工质量。

目前通用的主要做法是：在与横向钻杆固定支架上，放置水平仪，根据水平仪并结合人眼对钻杆观察，对钻杆垂直度进行调节，使其保证对钻杆的对打桩角度的要求。虽然这种方法看似简单，但操作起来繁琐复杂、效率低下、消时较多、并引入人为因素干扰，无法实现根据需要在钻孔过程中实时调节钻杆方向要求；尤其对于施工场地的密集桩点，往往不能保证所打桩点分布的均匀性，桩孔分布杂乱无章，影响工程进度和施工质量。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了可准确快速找到设计桩点点位及调整钻杆位置和方向的校正系统。

基于上述，本实用新型提供了基于北斗定向定位技术的工程机械倾斜校正系统，安装在在带有钻杆的桩机车体上，包括：

一卫星信号接收机，安装在施工区域中选取的已知控制点，

一卫星定向接收机，所述卫星定向接收机设置有：第一北斗卫星信号接收天线R1和第二北斗卫星信号接收天线R2，所述R1安装在桩机车体的稳定平台上，R2安装在跟随钻杆运动的钻杆顶部的水平平台上，

一终端设备，安装于所述桩机车体的控制室内，

还包括：安装在所述水平平台上的双轴倾斜传感器，用以检测钻杆的旋转角度。

更进一步，所述双轴倾斜传感器被配置为置零初始化，用以量取R1到地面天线高度。

更进一步，所述卫星信号接收机包括：北斗/GNSS接收机中的一种。

更进一步，所述卫星定向接收机包括：北斗/GNSS定向接收机中的一种。

更进一步，卫星信号接收机是被配置为：基准站base工作模式下的向外发送差分改正信号的卫星信号接收机。

更进一步，所述钻杆与所述桩机车体呈90°夹角，所述钻杆在竖直方向上运动。

更进一步，所述终端设备为：平板电脑。

更进一步，系统还包括供电装置，通过与终端设备、双轴倾斜传感器以及卫星定向接收机分别连接。

更进一步，所述钻杆的方向和位置被配置为采用所述终端调整。

更进一步，所述终端设备包括多台。

本实用新型的有益效果：

由于卫星定向接收机，所述卫星定向接收机设置有：第一北斗卫星信号接收天线R1和第二北斗卫星信号接收天线R2，所述R1安装在桩机车体的稳定平台上，R2安装在跟随钻杆运动的钻杆顶部的水平平台上，另外还包括：安装在所述水平平台上的双轴倾斜传感器，用以检测钻杆的旋转角度。从而能够准确快速找到设计桩点点位及调整钻杆位置和方向，此外保证密集桩孔区域的桩孔分布均匀，具有较高的一致性。由于包括终端设备，安装于所述桩机车体的控制室内，能够实时监控、控制和调节钻杆方向和位置。本实用新型中的系统具有自动化、实时性、高效率、易操作的优点，另外可节约人力、提高工程进度、保证施工质量。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中的系统组成结构示意图；

图2是图1中传感器的安装位置示意图；

图3是天线高度测量方式示意图；

图4是倾斜校准示意图；

图5是Y方向倾斜剖面示意图；

图6是差值投影示意图。

具体实施方式

现在将参考一些示例实施例描述本公开的原理。可以理解，这些实施例仅出于说明并且帮助本领域的技术人员理解和实施例本公开的目的而描述，而非建议对本公开的范围的任何限制。在此描述的本公开的内容可以以下文描述的方式之外的各种方式实施。

如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“基于”可以被理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”可以被理解为“至少一个其它实施例”。

在本申请中定义如下的名词：

施工放样，(setting out)把设计图纸上工程建筑物的平面位置和高程，用一定的测量仪器和方法测设到实地上去的测量工作称为施工放样(也称施工放线)。测图工作是利用控制点测定地面上地形特征点，缩绘到图上。施工放样则与此相反，是根据建筑物的设计尺寸，找出建筑物各部分特征点与控制点之间位置的几何关系，算得距离、角度、高程、坐标等放样数据，然后利用控制点，在实地上定出建筑物的特征点，据以施工。

工程坐标系亦称建筑坐标系，其坐标轴与主要建筑物主轴线平行或垂直，以便用直角坐标法进行建筑物的放样。

施工控制测量的建筑基线和建筑方格网一般采用工程坐标系，而工程坐标系与测量坐标系往往不一致，因此，施工测量前常常需要进行施工坐标系与测量坐标系的坐标换算。

请参考图1是本实用新型一实施例中的系统组成结构示意图，本实施例中的基于北斗定向定位技术的工程机械倾斜校正系统，安装在在带有钻杆的桩机车体上，包括：一卫星信号接收机1，安装在施工区域中选取的已知控制点，一卫星定向接收机2，所述卫星定向接收机2设置有：第一北斗卫星信号接收天线21R1和第二北斗卫星信号接收天线22R2，所述R1安装在桩机车体的稳定平台上，R2安装在跟随钻杆运动的钻杆顶部的水平平台上，一终端设备3，安装于所述桩机车体的控制室内，还包括：安装在所述水平平台上的双轴倾斜传感器4，用以检测钻杆的旋转角度。整个系统在使用时首先需要在施工区域中选取一个已知控制点安装一台北斗/GNSS接收机并将其设为基准站base工作模式，向外发送差分改正信号。在桩机上安装北斗/GNSS定向接收机R1和R2，其中R1安装在车体稳定处，R2安装在钻杆顶部上的小平台上(该平台会随着钻杆而运动)。在安装R2接收机的平台安装双轴倾斜传感器。桩机控制室内安装平板电脑。本实施例中由于采用卫星定向接收机2和双轴倾斜传感器4，能够准确快速找到设计桩点点位及调整钻杆位置和方向，此外保证密集桩孔区域的桩孔分布均匀，具有较高的一致性。由于包括终端设备3，安装于所述桩机车体的控制室内，能够实时监控、控制和调节钻杆方向和位置。本实用新型中的系统具有自动化、实时性、高效率、易操作的优点，另外可节约人力、提高工程进度、保证施工质量。如图3所示，作为本实施例中的优选，所述双轴倾斜传感器4被配置为置零初始化，用以量取R1到地面天线高度。作为本实施例中的优选，所述卫星信号接收机1包括：北斗/GNSS接收机中的一种。作为本实施例中的优选，所述卫星定向接收机2包括：北斗/GNSS定向接收机中的一种。作为本实施例中的优选，卫星信号接收机2是被配置为：基准站base工作模式下的向外发送差分改正信号的卫星信号接收机。作为本实施例中的优选，所述钻杆与所述桩机车体呈90°夹角，所述钻杆在竖直方向上运动，保证钻杆不倾斜。在一些实施例中，所述终端3设备为：平板电脑。当然还可以是PC或者其他带有OS操作系统的终端设备。优选地，系统还包括供电装置(未示出)，通过与终端设备、双轴倾斜传感器以及卫星定向接收机分别连接。在一些实施例中，所述钻杆的方向和位置被配置为采用所述终端调整。在一些实施例中，所述终端设备包括多台，可以进行多端控制。

本实施例是利用安装的双轴倾斜传感器提供的旋转角度对钻杆的方向和位置进行调整，保证其按设计的进行工作。本技术实施例中实现工作需要进行两步：

STEP1水平校准

1.首先在作业区域中，选择一个桩点，安置好桩机，桩机准备进入工作状态；

2.安装好北斗/GNSS定向接收机，接收机R1安装在车体稳定处，接收机R2安装在钻杆顶部上的小平台上；

3.对钻杆顶部上的小平台的水平度进行调整，使其处于水平状态；

4.水平面为基准面建立二维直角坐标系O-XY，R1接收天线几何中心为起点O，R2接收天线几何中心为终点，建立Y轴；垂直X轴方向建立Y轴。安装L2双轴倾斜传感器，使传感器上标记的y轴与Y轴平行，且与其重合；传感器上标记的x轴与X轴平行，如图2所示；

5.安装的设备进行供电启动，设备进入正常工作状态；

6.采集北斗/GNSS接收机的定向定位结果数据，获得Y轴在工程施工坐标系O-XgYg中的初始方位角α，如图2所示。

7.对双轴倾斜传感器进行置零初始化，量取R1接收天线到地面天线高h，如图3所示；

8.以上即为水平校准的方法。

STEP2倾斜校正

完成第一步水平校准后桩机就可以进入正常工作的状态，根据设计位置，利用安装的设备寻找点位，根据双轴倾斜传感器和北斗/GNSS定向接收机的桩机点位进行打桩工作。控制软件利用校准算法进行倾斜校准，校准方法如下：

1.Pi点为桩机钻杆底端在放置地面点，面M为水平面，如图4所示。

2.若放置钻杆处于铅垂状态，则钻杆顶端位于O点且与钻杆垂直的平面处于水平状态，以O为原点建立三维空间直角左边系O-XYZ，在该坐标系中，坐标轴X与双轴倾斜传感器x方向平行，坐标轴Y与双轴倾斜传感器y方向平行，坐标轴Z与铅垂线(钻杆中轴线)重合。平面坐标系O-XY即为第一步建立的二维直角坐标系“O-XY”，如图4所示。

3.若放置钻杆倾斜，导致钻杆顶端位于O1点且与钻杆垂直的水平面M会有倾斜，以O1为原点建立三维空间直角坐标系O1-X1Y1Z1，在该坐标系中，坐标轴X1与双轴倾斜传感器x方向平行，坐标轴Y1与双轴倾斜传感器y方向平行，坐标轴Z1与钻杆中轴线重合，如图4所示。

4.对点O1沿铅垂方向向地面投影至点O0，使O0点与Pi在同一水平面上，以O0为原点，建立三维空间直角坐标系O0-X0Y0Z0，此坐标系与O-XYZ坐标轴平行，如图4所示。

5.坐标系O1-X1Y1Z1与O-XYZ的差异是由于钻杆与实际需要按放的角度差异而产生，由于已经安置了双轴倾斜传感器，通过双轴倾斜传感器便可以获得Y轴旋转角度αx和X轴旋转角度αy，如图4所示。

6.由O1-X1Y1Z1倾斜引起的钻杆在O-XYZ坐标系中产生的X轴方向距离差值为lx，Y轴方向距离差值为ly，如图4所示。

7.利用北斗/GNSS接收机R2和北斗/GNSS接收R1天线到地面天线高h，可以精确获得点O1与点O0之间的距离ho，为便于理解，如图5所示，利用二维平面坐标系O-YZ，计算距离差值ly，同理可以获得距离差值lx，计算公式如下：

8.在桩机移动到不同的桩点时，会导致所建立的平面坐标系O-XY与工程施工坐标系O-XgYg中产生相应的方位角α，为满足在工作中使用统一的施工坐标系的要求，需要将以平面坐标系O-XY为基础的偏差距离ly和lx转换为O-XgYg中的距离gy和gx，如图6所示。

9.利用北斗/GNSS定向接收机可以获得方位角此α，使用旋转矩阵对偏差进行投影旋转即可获得O-XgYg中的距离gy和gx，计算公式如下：

10.根据计算出来的在O-XgYg中的距离gy和gx，便可以对桩机和钻杆根据需要进行调整。

11.以上即为倾斜校正的原理和计算方法，此算法内置到平板电脑中安装的控制软件中，操作人员根据软件的提示即可实现对桩机钻杆的实时调整.

应当理解，本实用新型的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

总体而言，本公开的各种实施例可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任意组合实施。一些方面可以以硬件实施，而其它一些方面可以以固件或软件实施，该固件或软件可以由控制器、微处理器或其它计算设备执行。虽然本公开的各种方面被示出和描述为框图、流程图或使用其它一些绘图表示，但是可以理解本文描述的框、设备、系统、技术或方法可以以非限制性的方式以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其它计算设备或其一些组合实施。

此外，虽然操作以特定顺序描述，但是这不应被理解为要求这类操作以所示的顺序执行或是以顺序序列执行，或是要求所有所示的操作被执行以实现期望结果。在一些情形下，多任务或并行处理可以是有利的。类似地，虽然若干具体实现方式的细节在上面的讨论中被包含，但是这些不应被解释为对本公开的范围的任何限制，而是特征的描述仅是针对具体实施例。在分离的一些实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地执行。相反对，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分离地实施或是以任何合适的子组合的方式实施。