测量机器人运动场地全域平整度自动检测方法及装置与流程
本发明属于运动场地质量控制领域，尤其是针对运动场地平整度质量检验过程中，塑胶、木地板等运动地面铺设平整度的精细检测装置，以达到评估运动场地铺设质量的目的。具体讲,涉及基于测量机器人的运动场地全域平整度自动检测装置。
背景技术
目前，大众对于运动健身的要求逐日提高，尤其在标准运动场上的活动占比增加。运动场地的平整度直接影响运动员的安全性，也是影响场地耐久性的重要因素。
对于体育地板的板面平整度要求，除在外观上要求无裂痕、无明显凹凸感外，还有精确的量度限制。当前，对于运动场地平整度的规定为：对于体育场馆中木地板铺装平整度，可依据的国家标准有gb/t20239-2006《体育馆用木地板》和gb/t19995.2-2005《天然材料体育场地使用要求及检验方法第2部分：综合体育馆木地板场地》。如篮球馆木地板的局部平整度，gb/t20239-2006和gb/t19995.2-2005对木地板局部平整度的规定为≤2mm/2m，并要求80％以上的测试点合格，且所有测试点的平均值合格时才能判定该项目合格；在铺装后的木地板层必须用2m靠尺测量，间隙不大于2mm[1,2]。塑胶跑道、室内塑胶球场的平整合格率不小于85％，在任何方向和位置上，在每4m的丈量距离上不能超过6mm的起伏，在1m的丈量距离上不能有超过3mm的起伏。塑胶跑道的横向坡度不大于1:100，纵向坡度不大于1:1000[3]。
关于场地平整度的测量和验收，目前主要方法是3米直尺法、水准仪法、激光平整度仪法等，但这些方法存在不够完善之处：
①3米直尺法：这是用来测定路面差异沉降最简单的仪器。方法就是把直尺平放在需要测量的路面上，用楔块塞入直尺的尺底间隙，读取楔块上的测量值用以计算合格率及最大间隙平均值[4]。此方法虽简单，但效率低，且受人为因素干扰大，往往不能保证测量结果的真实性。
②水准仪法：利用水准仪测量得到精确的地面坐标信息。该方法步骤简单、易于施工，而且所得到的结果偏差较小、重复性好。然而这种方法很费工，机械化程度低，测量速度很慢，测量速度只有大约45m/h，不适合在距离较长的道路、道面上进行平整度的测量[4]。
③激光平整度仪：可以弥补现有检测技术和方法的不足，但测试车必须保持均匀恒速，到达测试终点后，不能立即减速，保持原速继续向前行驶100-200m，这样才能保证所采集数据的准确性[4]。同时，使用激光平整度仪操作难度较大，成本高，并且上述方法都只能抽样测量有限多个点位，往往不能反映整个场地区域的实际平整度情况，可能与实际情况存在偏差。
故针对上述问题，有必要研究开发一种自动化、全区域、精细的运动场地平整度测量方法与相关装置，对于提高运动场地施工质量、进而保障运动安全和场地耐久性有重要实践价值。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准.gb/t20239-2006体育馆用木质地板.中国标准出版社，2015-11-02.
[2]中华人民共和国国家标准.gb/t19995.2—2005，天然材料体育场地使用要求及检验方法第2部分：综合体育场馆木地板场地[s]，2005-11-17.
[3]中国田径协会.田径场地设施标准手册[s].北京:人民体育出版社,2002.
[4]程国勇，郭稳厚，雷亚伟.机场道面平整度评价技术进展及发展方向.中国民航大学学报，2016,34(2),36-41。
技术实现要素：
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种可实现自动化、全区域、精细的运动场地平整度测量系统，可保证运动场地平整度满足质量检测精度，对不达标的平整度情况进行标注，绘制出运动场地地面平整度图，作为相关部门进行平整度质量管理的依据。为此，本发明采用的技术方案是，测量机器人运动场地全域平整度自动检测装置，包括移动测量装置、集成控制器、数据无线发送装置、数据后台处理部分，其中：
移动测量装置
移动测量装置由移动测量小车、激光测距仪、倾角传感器、360°棱镜、测量机器人组成；
移动测量小车由橡胶万向轮、高强度铝合金车底板、用于安装360°棱镜和倾角仪的与车底板垂直的支撑柱组成，激光测距仪安装于小车底板下方，测量其到地面的距离；倾角传感器固定于支撑柱底部的四棱柱上，实时测量移动测量小车与水平面的夹角；360°棱镜通过螺旋安装于支撑柱顶端，在移动小车测量过程中，测量机器人发射出的激光通过360°棱镜的反馈，测出小车经过各点时棱镜所处的坐标位置及时刻，传输到数据后台处理部分；
集成控制器
使用模拟数字转换器adc(analog-to-digitalconverter)采集激光测距仪的距离数据，使用控制器区域网络can(controllerareanetwork)总线技术采集倾角仪的数据，为提高数据精度，在使用示波器采集白噪音后，对采集到的距离数据进行平均处理；
数据控制器通过i/o接口以固定间隔时间向倾角传感器、激光测距仪发送数据读取指令，获取移动测量小车的倾斜角、激光测距仪到运动场地的距离和采集获取以上两个数据的时刻，数据存储于ram存储器。同时，数据控制器通过i/o接口将ram存储器中的数据通过数据无线发送装置进行无线数据的传输；
数据无线发送装置
数据无线传输装置完成数据控制器与数据后台处理部分之间的数据传输，包括采集数据的时刻、激光测距仪的距离数据以及倾角传感器的角度数据；
数据后台处理部分
数据后台处理部分包括数据库模块、数据后台处理模块，数据库模块用于接收、存储如下数据：采集数据的时刻t、激光测距仪的距离数据d、倾角传感器测得的数据(xa,ya)，通过公式
测量机器人运动场地全域平整度自动检测方法，利用移动测量装置实现，移动测量装置由移动测量小车、激光测距仪、倾角传感器、360°棱镜、测量机器人组成；移动测量小车由橡胶万向轮、高强度铝合金车底板、用于安装360°棱镜和倾角仪的与车底板垂直的支撑柱组成，激光测距仪安装于小车底板下方，测量其到地面的距离；倾角传感器固定于支撑柱底部的四棱柱上，实时测量移动测量小车与水平面的夹角；360°棱镜通过螺旋安装于支撑柱顶端，在移动小车测量过程中，测量机器人发射出的激光通过360°棱镜的反馈，测出小车经过各点时棱镜所处的坐标位置及时刻；
使用adc采集激光测距仪的距离数据，使用can总线采集倾角仪的数据，为提高数据精度，在使用示波器采集白噪音后，对采集到的距离数据进行平均处理；
接收、存储如下数据：采集数据的时刻t、激光测距仪的距离数据d、倾角传感器测得的数据(xa,ya)，通过公式
还包括根据检测的测点坐标，采用虚拟靠尺的方法，对场地全域的平整度进行评估步骤，具体如下：
(1)根据获得的整个测量场地所有测量点的(x,y,z)三维坐标点，生成数字高程模型的地表栅格p，其中，像元边长取0.1m，高程z值作为栅格的属性写入属性表中，将栅格p原样复制为p’并清空属性表以备用，根据测量场地范围面积a和设定线密度ρ，来确定需要随机生成的线段即虚拟靠尺的数目n，设i＝1；
(2)线段的起点(ai,bi)和线段的角度θi均由随机数生成，线段长度依赖于虚拟靠尺的长度，将随机生成的线要素转换为靠尺栅格qi，像元边长与地表栅格一致，通过布尔叠加分析中的相交运算，得到地表栅格p与靠尺栅格qi之间重合的部分，生成新栅格ri，栅格像元数为si；
(3)通过对栅格ri的属性表中的z值进行排序，获得ri中的像元最高点坐标(x1,y1,z1)和最低点坐标(x2,y2,z2)，在实际测量场地时，靠尺与地面至少接触两点，其中一点为最高点，并且靠尺垂直投影下的所有地面点都在靠尺的同一侧，因此靠尺这条空间直线总是有绝对值最小的斜率，对最值点以外的像元(xj,yj,zj)计算通过第j个像元与最高点之间的斜率，j＝3,4,5,...,si
找到最小的kj所对应的像元点，记为(x3,y3,z3)，则靠尺的空间直线方程li为
(4)设第k个像元点(xk,yk,zk)所在的平面mk垂直于空间直线li，k＝4,5,6,...,si，则平面mk的平面方程如下：
(x1-x3)(x-xk)+(y1-y3)(y-yk)+(z1-z3)(z-zk)＝0
记li与mk的垂足点为(xck,yck,zck)，垂足点既在空间直线li上也在平面mk上，代入方程得：
求得空间直线参数t
把t代入垂足点得
第k个像元到靠尺的距离即为
假如dk超出限制值ε，则将该像元对应的p’栅格中的像元属性赋值为1，如在限制值以内则赋值为0；
(5)i＝i+1，并重复第(2)步，直至i>n，结束循环，此时经过充分的模拟分析后，根据栅格p’上的像元值进行颜色区分，像元值为1的显示红色，0的显示绿色。
本发明的特点及有益效果是：
(1)可自动采集平整度信息，取代人工测量，减少人为误差，确保测量精度。
(2)可对于刚铺设的运动场地平整度进行检测与反馈，有助于实现铺设厚度的及时控制与调整。
(3)可标示运动场地各监测点所对应的地面坐标位置，当平整度检测不合格时可定位所对应的不合格绝对位置，便于不达标处采取补救措施。
(4)可实现所采集各运动场地平整度数据的入库归档，为后续平整度结果查询提供依据，有利于提高运动场地平整度质量管理的效率。
针对现有的测量运动场地平整度方式存在的缺陷，研制开发一种革新运动场地平整度的测量方式，实现场地平整度的高效、高精度测量，并可有效避免人为因素干扰，确保平整度控制的真实有效。
附图说明：
图1本发明构成框图。
图2几何换算计算原理图。
图3装置各部分集成原理图。
图4数据后台处理计算简图。
具体实施方式
本装置组成结构见图1，包括移动测量装置、集成控制器、数据无线发送装置、数据库、数据后台处理共五部分。
1、移动测量装置
移动测量装置由移动测量小车、激光测距仪、倾角传感器、360°棱镜、测量机器人(自动全站仪)组成。
移动测量小车由橡胶万向轮、高强度铝合金车底板、用于安装360°棱镜和倾角仪的与车底板垂直的支撑柱组成。激光测距仪安装于小车底板下方，测量其到地面的距离；倾角传感器固定于支撑柱底部的四棱柱上，实时测量移动测量小车与水平面的夹角；360°棱镜通过螺旋安装于支撑柱顶端。在移动小车测量过程中，测量机器人(自动全站仪)发射出的激光通过360°棱镜的反馈，可测出小车经过各点时棱镜所处的坐标位置及时刻(按规定时间间隔的时刻记录，如1秒)，通过蓝牙传输到pc(personalcomputer)端。
2、集成控制器
该集成控制器的主要部件为数据控制器。使用adc采集激光测距仪的距离数据，使用can总线技术采集倾角仪的数据。为提高数据精度，在使用示波器采集白噪音后，对采集到的距离数据进行了平均处理。采用外部供电电源向集成控制器中的数据控制器持续供电(说明：本专利对于外部供电电压不做具体要求，可选择不同品牌及合理电压)。同时，数据控制器通过电源接口供电，分别输出电压给激光测距仪、倾角传感器和数据无线发送装置。
数据控制器通过i/o接口以固定间隔时间(如1s)向倾角传感器、激光测距仪发送数据读取指令，获取移动测量小车的倾斜角、激光测距仪到运动场地的距离和采集获取以上两个数据的时刻(精确到毫秒，通过zigbee采集pc端时刻)，数据存储于ram存储器。同时，数据控制器通过i/o接口将ram存储器中的数据通过数据无线发送装置进行无线数据的传输。装置集成原理图见图3。
3、数据无线发送装置
数据无线传输装置完成数据控制器与pc端之间的数据传输，包括采集数据的时刻(精确到毫秒级)、激光测距仪的距离数据以及倾角传感器的角度数据。上述数据从数据无线通讯装置发送端，在zigbee通讯的环境下发送至配对的另一个数据无线通讯装置接收端，并在电脑的串口上进行接收。
4、数据库
数据库主要用于接受、存储从数据无线通讯装置发送端(zigbee通讯状态下)发送过来的如下数据：采集数据的时刻(精确到毫秒级)t、激光测距仪的距离数据d、倾角传感器测得的数据(xa,ya)(通过公式
5、数据后台处理模块
数据后台处理模块主要功能是根据检测的测点坐标，采用虚拟靠尺的方法，对场地全域的平整度进行评估，计算简图见图4。具体步骤如下：
(1)根据获得的整个测量场地所有测量点的(x,y,z),三维坐标点，生成数字高程模型的地表栅格p(其中，像元边长取0.1m，高程z值作为栅格的属性写入属性表中)。将栅格p原样复制为p’并清空属性表以备用。根据测量场地范围面积a和设定线密度ρ，来确定需要随机生成的线段(即虚拟靠尺)的数目n，设i＝1。
(2)线段的起点(ai,bi)和线段的角度θi均由随机数生成,线段长度依赖于虚拟靠尺的长度(如在检测木地板场地时取2m)。将随机生成的线要素转换为靠尺栅格qi(像元边长与地表栅格一致)，通过布尔叠加分析中的相交运算，得到地表栅格p与靠尺栅格qi之间重合的部分，生成新栅格ri，栅格像元数为si。
(3)通过对栅格ri的属性表中的z值进行排序，获得ri中的像元最高点坐标(x1,y1,z1)和最低点坐标(x2,y2,z2)。在实际测量场地时，靠尺与地面至少接触两点(其中一点为最高点，已知)，并且靠尺垂直投影下的所有地面点都在靠尺的同一侧，因此靠尺这条空间直线总是有绝对值最小的斜率。对最值点以外的像元(xj,yj,zj)(j＝3,4,5,...,si)计算通过第j个像元与最高点之间的斜率
找到最小的kj所对应的像元点，记为(x3,y3,z3)，则靠尺的空间直线方程li为
(4)设第k个(k＝4,5,6,...,si)像元点(xk,yk,zk)所在的平面mk垂直于空间直线li，则平面mk的平面方程如下：
(x1-x3)(x-xk)+(y1-y3)(y-yk)+(z1-z3)(z-zk)＝0。
记li与mk的垂足点为(xck,yck,zck)，垂足点既在空间直线li上也在平面mk上，代入方程得：
求得空间直线参数t
把t代入垂足点得
第k个像元到靠尺的距离即为
假如dk超出限制值ε(如在检测木地板场地时取2mm)，则将该像元对应的p，栅格中的像元属性赋值为1，如在限制值以内则赋值为0。
(5)i＝i+1，并重复第(2)步，直至i>n，结束循环。此时经过充分的模拟分析后，根据栅格p’上的像元值进行颜色区分，像元值为1的显示红色，0的显示绿色。
从栅格p’中即可直观地看出场地中不合规范要求的的不平整区域，从而评估运动场地平整度质量，采取补救措施。
下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。
1、数据采集与集成
在运动场地范围内，移动测量小车以随机方向全域移动，在移动过程中进行场地数据采集。使用adc采集激光测距仪的距离数据，使用can总线技术采集倾角仪的数据。采用具有双10位ad精度的stc12c5a数据控制器来采集数据。外部供电电源向集成控制器中的数据控制器持续供电。此实施例中使用爱唯克思移动电源v-22000a型多电压移动电源，也可选择其他品牌的供电电源，本发明实施例对此不做限制。同时，数据控制器通过电源接口供电，输出5v电压给激光测距仪，12v电压给倾角传感器，5v给数据无线发送装置。本发明实施例倾角传感器采用rion公司的sca126t-can2.0a总线输出型双轴倾角传感器；激光测距仪采用广州市西克传感器有限公司odvalue，本发明实施例对此不做限制。
本发明实施例自动跟踪全站仪优选美国trimble公司生产的s62”drplus型高精度全站仪，也可选择其他品牌的精度达毫米级且具备自动跟踪功能的全站仪，本发明实施例对此不做限制。本发明实施例优选美国trimble公司生产的360°棱镜，本发明实施例对此不做限制。
数据控制器通过i/o接口以固定间隔时间(如1s)向倾角传感器、激光测距仪发送数据读取指令，获取移动测量小车的倾斜角θ、激光测距仪到运动场地的距离d和采集获取以上两个数据的时刻t(精确到毫秒，通过zigbee采集pc端时刻)，数据暂时存储于ram存储器。
2、数据传输
在数据从采集的同时，数据控制器通过i/o接口将ram存储器中的数据通过无线传输装置zigbee完成数据控制器与pc端之间的数据传输，包括动测量小车的倾斜角θ、激光测距仪到运动场地的距离d和采集获取以上两个数据的时刻t(精确到毫秒级)。上述数据从数据无线通讯装置发送端，在zigbee通讯的环境下(基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议)发送至配对的另一个数据无线通讯装置接收端，并在电脑的串口上进行接收。本发明实施例pc端采用华硕a555l，本发明实施例对此不做限制。
3、数据库数据处理
数据库主要用于接受、存储从数据无线发送模块(zigbee)发送过来的如下数据：采集数据的时刻(精确到毫秒级)t、激光测距仪的距离数据d、倾角传感器测得的数据(xa,ya)，通过公式
对数据记录c中的数据d、(xa,ya)、(xb,yb,zb)处理，结合小车尺寸进行几何换算，得到激光测距仪所测地面点的高程坐标集合(x,y,z)，计算原理图见图2。具体换算过程如下：360°棱镜十字叉丝到小车支撑柱底端、四棱柱上方的长度为h1，四棱柱高度为h2，小车底板厚度为h3，小车底板下部至激光测距仪激光源的距离为h4。
由倾角仪数据(xa,ya)得到小车车身支撑柱与铅直方向的夹角θ(即小车倾斜角度)：
测光测距仪所测地面点坐标设为(x,y,z)。由于运动场地平整度检测对象的平整度精细程度在毫米级甚至更小,考虑到移动测量小车的尺寸，小车因运动场地地面的凹凸而产生的倾角θ在x、y方向上的影响可忽略不计，则有
x＝xb
y＝yb
z＝z1-cosθ(h1+h2+h3+h4+d)
4、数据后台处理模块
通过arcgis将数据库中的地面点坐标集(x,y,z)绘制为地表栅格图，设置虚拟靠尺进行平整度检测，具体步骤如下：
(1)根据获得的整个测量场地所有测量点的(x,y,z)三维坐标点，在arcgis中，生成数字高程模型的地表栅格p(其中，像元边长取0.1m，高程z值作为栅格的属性写入属性表中)。将栅格p原样复制为p’并清空属性表以备用。根据测量场地范围面积a和设定线密度ρ，来确定需要随机生成的线段(即虚拟靠尺)的数目n，设i＝1。
(2)线段的起点(ai,bi)和线段的角度θi均由随机数生成,线段长度依赖于虚拟靠尺的长度(如在检测木地板场地时取2m)。将随机生成的线要素转换为靠尺栅格qi(像元边长与地表栅格一致)，通过布尔叠加分析中的相交运算，得到地表栅格p与靠尺栅格qi之间重合的部分，生成新栅格ri，栅格像元数为si。
(3)通过对栅格ri的属性表中的z值进行排序，获得ri中的像元最高点坐标(x1,y1,z1)和最低点坐标(x2,y2,z2)。在实际测量场地时，靠尺与地面至少接触两点(其中一点为最高点，已知)，并且靠尺垂直投影下的所有地面点都在靠尺的同一侧，因此靠尺这条空间直线总是有绝对值最小的斜率。对最值点以外的像元(xj,yj,zj)(j＝3,4,5,...,si)计算通过第j个像元与最高点之间的斜率
找到最小的kj所对应的像元点，记为(x3,y3,z3)，则靠尺的空间直线方程li为
(4)设第k个(k＝4,5,6,...,si)像元点(xk,yk,zk)所在的平面mk垂直于空间直线li，则平面mk的平面方程如下：
(x1-x3)(x-xk)+(y1-y3)(y-yk)+(z1-z3)(z-zk)＝0。
记li与mk的垂足点为(xck,yck,zck)，垂足点既在空间直线li上也在平面mk上，代入方程得：
求得空间直线参数t
把t代入垂足点得
第k个像元到靠尺的距离即为
假如dk超出限制值ε(如在检测木地板场地时取2mm)，则将该像元对应的p’栅格中的像元属性赋值为1，如在限制值以内则赋值为0。
(5)i＝i+1，并重复第(2)步，直至i>n，结束循环。此时经过充分的模拟分析后，根据栅格p’上的像元值进行颜色区分，像元值为1的显示红色，0的显示绿色。
从栅格p’中即可直观地看出场地中不合规范要求的的不平整区域，从而评估运动场地平整度质量，采取补救措施。
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