一种建筑工地室内定位的智能装置及其控制方法与流程

本发明涉及机械建筑的技术领域，具体涉及一种建筑工地室内定位的智能装置，同时还涉及该智能装置的控制方法。

背景技术：

近年来，我国建筑工地工人老龄化愈演愈烈，工人老龄化制约着建筑行业发展，并且老龄化的建筑工人从业时最大的问题就是安全问题。随着科技的进步及建筑行业的发展，建造自动化、智能化是必然趋势，因此建筑机器人进驻施工场地，进行精密精确和高效的施工，是建造智能化的重要方向。与此同时，建筑机器人的施工自动化需要高精度定位的支持，在建造过程中，如何高精度测量和高精度定位是智能建造的关键问题。基于gps和地图的位置服务虽然在室外成为各种移动设备的主流应用，但是在室内定位中，其精度较差，不适合室内精确定位，尤其是在建筑工地等复杂环境中。

目前常见的室内定位技术包括红外线定位、超声波定位、射频识别定位、蓝牙室内定位、wifi室内定位、zigbee定位以及超宽带定位等，具体缺陷如下：红外室内定位技术：这种方法在空旷的室内容易实现较高精度，可实现对红外辐射源的被动定位，但红外很容易被障碍物遮挡，传输距离也不长，因此需要大量密集部署传感器，造成较高的硬件和施工成本。此外，红外易受热源、灯光等干扰，造成定位精度和准确度下降。wifi室内定位技术：wifi室内定位的精度只能达到2米左右，接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，并且需要部署至少3个接入点，部署复杂。同时，容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗较高；超声波室内定位技术：由于声波的速率比较低，传送相同的内容需要的时间比较长，只有通过类似tdoa的方式才能获得较大的系统容量，且容易受多径效应和非视距传播的影响，降低定位精度；同时，仍需要大量的底层硬件设施投资，总体成本较高；蓝牙室内定位技术：蓝牙定位主要应用于小范围定位，例如：单层大厅或仓库。对于复杂的空间环境，蓝牙定位系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。并且需要部署至少3个接入点，部署复杂：zigbee室内定位技术：zigbee的工作效率非常高。但zigbee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性，造成定位软件的成本较高；uwb室内定位技术：超宽带定位技术具有穿透力强、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，前景相当广阔。但由于新加入的盲节点也需要主动通信使得功耗较高，且事先也需要布局，使得成本无法降低。rfid技术：几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围大、成本较低，但rfid不便于整合到移动设备之中。航位推算法：主要利用终端惯性传感器采集的运动数据，如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息，基于航位推测法，经过各种运算得到物体的位置信息。但随着行走时间增加，惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。

另一种实现室内定位的方式是通过同步定位与地图构建(slam)技术。但是，由于采用slam算法，首先需要先扫描和采集环境数据，再结合slam算法进行精细定位，操作复杂，同时与室内整体环境数据进行匹配需要进行大量的迭代运算，算法的时间复杂度较高，进而不利于机器人实时定位。同时，slam算法自身在数据匹配过程中存在累计误差，使定位精度和导航的准确性均降低。

综上可见，现阶段常用的定位方法由于复杂性、精确度等原因，不能满足建筑自动化和智能化的要求。在建筑工地中较多情况下只需要对封闭空间或者半封闭空间进行精确的定位即可，可以结合建筑几何信息和指向装置的特点，研发出一款适合建筑工地使用的室内定位的智能装置。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种使用方便、结构简单、控制精准的建筑工地室内定位的智能装置。

本发明的第二目的在于提供一种建筑工地室内定位的智能装置的控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种建筑工地室内定位的智能装置，所述的智能装置包括：

一将智能装置安装在施工机器人本体上的连接部分1；

一设置在连接部分1下端的用于设置激光收发装置的激光定位测距部分2；

所述的连接部分1与激光定位测距部分2之间通过一水平旋转机构3相连；

所述的连接部分1内设置有用于控制激光定位测距部分2和水平旋转机构3工作的控制中心4；

在所述的激光定位测距部分2上设有一用于指示定位智能装置水平朝向的指南针装置7。

所述的建筑工地室内定位的智能装置，所述的激光定位测距部分2包括：激光测距收发装置外壳21，在所述的激光测距收发装置外壳21内设置激光测距装置，所述的激光测距装置包括：可按照竖直方向上下旋转90度的竖直旋转机构5和通过激光收发来测量与墙面的距离的激光测距收发装置6；所述的激光测距收发装置6包括激光的发射源和接收端，发射源发射激光，接收端接收反射的激光，激光发射接收用于计算装置到墙面之间的距离。

所述的建筑工地室内定位的智能装置，所述的激光测距收发装置6设置在所述的竖直旋转机构5上，随竖直旋转机构5竖直方向上下旋转90度。

所述的建筑工地室内定位的智能装置，所述的竖直旋转机构5可转动的、可拆卸的设置在激光测距收发装置外壳21内部，在竖直旋转机构5的两端设有转轴51，所述的转轴51插接或卡接在激光测距收发装置外壳21内部。

所述的建筑工地室内定位的智能装置，所述的水平旋转机构3改变定位装置的朝向，可以按照水平方向进行顺时针或逆时针旋转360度。

所述的建筑工地室内定位的智能装置，所述的指南针装置7为电子指南针，电子指南针为基于单片机的数字指南针，也可以是霍尼韦尔三轴磁场传感器，或者，电子罗盘；所述的控制中心4包括内置控制器、运算器以及存放房间几何图形信息的存储模块的plc或者工控机。

所述的建筑工地室内定位的智能装置，所述的控制中心4通过串口通信分别与水平旋转机构3、竖直旋转机构5和激光测距收发装置6、数字指南针7信号连接，所述的串口通信可采用串口232或者485接口的方式。

所述的建筑工地室内定位的智能装置，所述的连接部分1将智能装置与机器人本体之间可采用可拆卸的方式连接，如卡槽、套接或者通过螺母方式连接。

一种建筑工地室内定位的智能装置的控制方法，所述的控制中心4的主要控制方法如下：

s1.控制中心4加载所处房间的几何信息，获取面向墙面的方向，标记为c0；

s2.控制中心4通过串口获取指向装置指向数据，即当前朝向，标记为c1；

s3.判断朝向是否为面向墙面方向即c0＝c1？如果是，执行步骤s4，如果不是，执行步骤s5；

s4.调整初始位姿，开始数据测量，调整第二位姿，开始数据测量，继续调整多次位姿，并进行多次数据测量后，进行计算，获得定位智能装置与墙面距离；

s5.控制中心4调整水平旋转机构3，使当前朝向接近c0，再返回步骤s2；

s6.由当前位置距离墙面的精确位置，可得定位智能装置在当前房间的精确定位。

所述的建筑工地室内定位的智能装置的控制方法，在步骤s4中，其详细步骤如下：

s40.控制中心调整竖直旋转机构，根据数字指南针调整初始位姿，使定位智能装置面向墙面方向，建立以所在位置为中心的平面坐标系，定义该垂直面为平面坐标的y轴；

s41.初始位姿测量：控制中心调整水平旋转机构，使定位智能装置与垂直墙面成一定的夹角，标记为θ1(由于数字指南针存在一定误差，该夹角为机器人的估计夹角，并非真实夹角)，测量与墙面的距离，记为c；

s42.第二位姿数据测量：控制中心调整水平旋转机构，朝垂直墙面方向旋转θ度，使定位智能装置与垂直墙面夹角为θ2度，再次测量与墙面的距离，记为b，

s43.控制中心根据测量数据，获得定位智能装置与墙面的距离，记为d；

获得两次测量在墙面的距离，记为a，根据余弦定理，

定位智能装置当前位置与墙面的距离，记为d，计算可得：

s44.误差消除，得到当前位置距离墙面的精确位置，即为准确的y轴方向垂直距离：

为了消除偶然误差，采用n种不同的θ度进行测量，一般采用三次测量，按照步骤s40到步骤s43的方式计算出三个d1,d2,d3值，取平均值y＝(d1+d2+d3)/3；

s45.控制中心调整水平旋转机构，旋转90度并避开门窗，当前方向记为x轴；

s46.初始位姿测量：控制中心调整水平旋转机构，使定位智能装置与垂直墙面成一定的夹角，标记为θ1(由于数字指南针存在一定误差，该夹角为机器人的估计夹角，并非真实夹角)，测量与墙面的距离，记为c；

s47.第二位姿测量：控制中心调整水平旋转机构，朝垂直墙面方向旋转θ度，使定位智能装置与垂直墙面夹角为θ2度，再次测量与墙面的距离，记为b；

s48.控制中心根据测量数据，获得定位智能装置与墙面的距离，记为h；

获得两次测量在墙面的距离，记为a，根据余弦定理，

定位智能装置当前位置与墙面的距离，记为h，计算可得：

s49.误差消除，得到当前位置距离墙面的精确位置，即为准确的x轴方向垂直距离：

为了消除偶然误差，采用n种不同的θ度进行测量，一般采用三次测量，按照步骤s45到步骤s48的方式计算出三个h1,h2,h3值，取平均值x＝(h1+h2+h3)/3。

使用本发明的有益效果在于：本发明相比现有定位方法，能提供更精确的建筑工地室内定位；本发明通过激光测距装置进行定位，无需部署额外的站点，部署简单方便；本发明可以安装在建筑施工机器人，随机器人施工一起工作，自动化智能化水平高。

附图说明

图1为本发明建筑工地室内高精度定位智能装置立体结构示意图；

图1a为图1的主视结构示意图；

图1b为图1的俯视结构示意图；

图2为本发明建筑工地室内高精度定位智能装置控制逻辑示意图；

图3为发明定位智能装置的整体控制流程图；

图4为本发明定位智能装置的精准测距详细流程图；

图5为本发明定位智能装置在待测房间的几何形态示意图；

图6为本发明定位智能装置精确定位示意图；

图7为本发明具体实施例测量时精确定位示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“前”、“后”、“左”、“右”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。“进而”在执行某动作之时的时刻，文中出现多个进而，均为随时间流逝中实时记录。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至如2所示，为一种建筑工地室内定位的智能装置的结构示意图，所述的智能装置包括：

一将智能装置安装在施工机器人本体上的连接部分1；一设置在连接部分1下端的用于设置激光收发装置的激光定位测距部分2；所述的连接部分1与激光定位测距部分2之间通过一水平旋转机构3相连；所述的连接部分1内设置有用于控制激光定位测距部分2和水平旋转机构3工作的控制中心4；在所述的激光定位测距部分2上设有一用于指示定位智能装置水平朝向的指南针装置7。

所述的连接部分1将智能装置与机器人本体之间可采用可拆卸的方式连接，如卡槽、套接或者通过螺母方式连接；所述的激光定位测距部分2包括：激光测距收发装置外壳21，在所述的激光测距收发装置外壳21内设置激光测距装置，所述的激光测距装置包括：可按照竖直方向上下旋转90度的竖直旋转机构5和通过激光收发来测量与墙面的距离的激光测距收发装置6；所述的激光测距收发装置6包括激光的发射源和接收端，发射源发射激光，接收端接收反射的激光，激光发射接收用于计算装置到墙面之间的距离；所述的激光测距收发装置6设置在所述的竖直旋转机构5上，随竖直旋转机构5竖直方向上下旋转90度；所述的竖直旋转机构5可转动的、可拆卸的设置在激光测距收发装置外壳21内部，在竖直旋转机构5的两端设有转轴51，所述的转轴51插接或卡接在激光测距收发装置外壳21内部；所述的激光测距收发装置外壳21主要是提供保护作用，保护设置在其内部的激光测距收发装置6，其可以是塑料壳子、铝合金壳子等；所述的水平旋转机构3改变定位装置的朝向，可以按照水平方向进行顺时针或逆时针旋转360度；所述的指南针装置7为电子指南针，电子指南针为基于单片机的数字指南针，也可以是霍尼韦尔三轴磁场传感器，或者，电子罗盘，数字指南针的产品型号为：ws64-cp2产品编号：46664，也可以选用德国百瑞高barigo数字指南针；如图1、图1a所示，本实施例中最佳使用基于单片机的数字指南针；所述的控制中心4包括内置控制器、运算器以及存放房间几何图形信息的存储模块的plc或者工控机；控制中心还通过控制水平旋转机构和竖直旋转机构来控制定位装置的朝向；同时，控制中心还控制激光的收发，并读取数字指南针的信息；如可以采用研华工控机yw-embi67u，该工控机基本参数：3.5寸主板，板载inteli56200u处理器，主频双核2.3g，6×com，6×usb，2×lan，dc9-24v，含4g内存，128gmsata；如图2所示，所述的控制中心4通过串口通信分别与水平旋转机构3、竖直旋转机构5和激光测距收发装置6、数字指南针7信号连接，所述的串口通信可采用串口232或者485接口的方式；通过串口通信，控制中心控制水平旋转机构和竖直旋转机构的旋转动作，控制激光收发装置的激光操作并读取测量数据，读取数字指南针的指向信息。

如图5、图6所示，图5为待测房间的几何形态，可以看到该房间呈长方形，有两个出入口。当装配定位装置的施工机器人至图中测量点时，需要精确定位装置在该房间的位置。如图5所示，当机器人处于a点时，其具体的精确定位步骤如下：

如图3所示，一种建筑工地室内定位的智能装置的控制方法，所述的控制中心4的主要控制方法如下：

s1.控制中心4加载所处房间的几何信息，获取面向墙面的方向，标记为c0；

s2.控制中心4通过串口获取指向装置指向数据，即当前朝向，标记为c1；

s3.判断朝向是否为面向墙面方向即c0＝c1？如果是，执行步骤s4，如果不是，执行步骤s5；

s4.调整初始位姿，开始数据测量，调整第二位姿，开始数据测量，继续调整多次位姿，并进行多次数据测量后，进行计算，获得定位智能装置与墙面距离；

s5.控制中心4调整水平旋转机构3，使当前朝向接近c0，再返回步骤s2；

s6.由当前位置距离墙面的精确位置，可得定位智能装置在当前房间的精确定位。

如图4所示，所述的建筑工地室内定位的智能装置的控制方法，在步骤s4中，其详细步骤如下：

s40.控制中心调整竖直旋转机构，根据数字指南针调整初始位姿，使定位智能装置面向墙面方向，建立以所在位置为中心的平面坐标系，定义该垂直面为平面坐标的y轴；

s41.初始位姿测量：控制中心调整水平旋转机构，使定位智能装置与垂直墙面成一定的夹角，标记为θ1(由于数字指南针存在一定误差，该夹角为机器人的估计夹角，并非真实夹角)，测量与墙面的距离，记为c；

s42.第二位姿数据测量：控制中心调整水平旋转机构，朝垂直墙面方向旋转θ度，使定位智能装置与垂直墙面夹角为θ2度，再次测量与墙面的距离，记为b；

s43.控制中心根据测量数据，获得定位智能装置与墙面的距离，记为d；

获得两次测量在墙面的距离，记为a，根据余弦定理，

定位智能装置当前位置与墙面的距离，记为d，计算可得：

s44.误差消除，得到当前位置距离墙面的精确位置，即为准确的y轴方向垂直距离：

为了消除偶然误差，采用n种不同的θ度进行测量，一般采用三次测量，按照步骤s40到步骤s43的方式计算出三个d1,d2,d3值，取平均值y＝(d1+d2+d3)/3；

s45.控制中心调整水平旋转机构，旋转90度并避开门窗，当前方向记为x轴；

s46.初始位姿测量：控制中心调整水平旋转机构，使定位智能装置与垂直墙面成一定的夹角，标记为θ1(由于数字指南针存在一定误差，该夹角为机器人的估计夹角，并非真实夹角)，测量与墙面的距离，记为c；

s47.第二位姿测量：控制中心调整水平旋转机构，朝垂直墙面方向旋转θ度，使定位智能装置与垂直墙面夹角为θ2度，再次测量与墙面的距离，记为b；

s48.控制中心根据测量数据，获得定位智能装置与墙面的距离，记为h；

获得两次测量在墙面的距离，记为a，根据余弦定理，(θ＝θ1+θ2)；

定位智能装置当前位置与墙面的距离，记为h，计算可得：

s49.误差消除，得到当前位置距离墙面的精确位置，即为准确的x轴方向垂直距离：

为了消除偶然误差，采用n种不同的θ度进行测量，一般采用三次测量，按照步骤s45到步骤s48的方式计算出三个h1,h2,h3值，取平均值x＝(h1+h2+h3)/3。

实施例1：

设一个南北长4米，东西宽3米的房间，智能装置所在位置在如图7所示的测量点。第一位姿朝向东方(e)，测量与墙面的距离b＝2，朝墙面方向旋转60度，测量与墙面的距离c＝2。获得两次测量在墙面的距离，记为a。根据余弦定理，

计算机器人当前位置与墙面的距离，记为d。计算可得：

因此，当前定位装置距离东面墙面的距离为米。

当定位装置向南方向旋转，然后测量与墙面的距离m＝2米，朝墙面方向旋转60度，测量与墙面的距离n＝2。采用同样的方法计算可得因此当前定位装置距离南面墙面的距离为米。

由此可得，当前定位装置的位置在距离东面墙面米，距离西面墙面米，距离南面墙面米，距离北面墙面米。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。