一种浇筑设备的定位方法与流程

本发明用于智能浇筑设备领域，特别是涉及一种浇筑设备的定位方法。

背景技术：

自密实混凝土是指在自身重力作用下能够流动、密实并且不需要附加震动的混凝土。随着我国海底隧道技术逐渐成熟以及自密实混凝土不断应用于实际工程中，国内的海底隧道多采用钢壳智能沉管建成，钢壳智能沉管具有多段管节，钢壳智能管节具有“三明治”结构，即在内外层钢板中填充自密实混凝土。为保证结构受力的合理性，在沉管内外钢板中间设置了大量的纵横隔板及肋板，将管节又分为彼此连接的很多个独立仓格，而使用智能浇筑设备对仓格进行“自动寻孔”和“自动浇筑”是确保自密实混凝土浇筑质量的重要措施。

设备的自动定位是智能浇筑设备实现自动寻孔的前提，一般定位均采用gps定位，而gps定位精度一般都是米级，无法满足施工项目中智能浇筑设备的寻孔精度要求，而市场上现有的uwb定位技术也只能做到厘米级的精度，亦无法满足使用要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种浇筑设备的定位方法，其能计算出浇筑设备中心点坐标以及主臂初始角，保证浇筑设备自身的定位精度达到毫米级，提高生产效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，一种浇筑设备的定位方法，包括

步骤一：示教并录入数据，控制浇筑设备的末端管对任意3个仓格浇筑孔进行示教，控制系统录入浇筑设备的示教点坐标、主臂回转角度θ和副臂回转角度所述示教点坐标为仓格浇筑孔的坐标，所述主臂回转角度θ为所述浇筑设备的主臂初始位置与示教时主臂位置之间的夹角，所述副臂回转角度为示教时所述浇筑设备的主臂位置与副臂位置之间的夹角；

步骤二：确定设备初始中心点坐标，首先设置相交圆，所述相交圆分别以所述示教点为圆心、以所述主臂和副臂覆盖范围内的任一点与所述圆心的距离为半径，所述相交圆之间相交形成的点设为相交点，选取3个相交点坐标分别作为所述设备初始中心点坐标；

步骤三：求解设备最终中心点坐标，3个所述设备初始中心点坐标形成的三角形重心点设为设备最终中心点坐标；

步骤四：求解主臂初始角度，3个所述设备初始中心点坐标分别与相对应的所述示教点相连的直线形成3条示教连线，所述示教连线与测量坐标x轴的夹角形成第一初始角度α，所述示教连线与所述主臂之间形成第二初始角度β，所述主臂初始角度θ0分别为对应的所述第一初始角度α与所述主臂回转角度、所述第二初始角度β两者之和的差值；

步骤五：求解主臂初始化角度，所述主臂初始化角度为3个所述主臂初始角度的平均值；

步骤六：所述控制系统根据主臂初始化角度补偿修正，并将建立的坐标系转换为测量坐标系；

步骤七：输入指定的仓格编号，所述控制系统驱动末端管定位到仓格浇筑孔进行浇筑。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在步骤一的示教过程中，设备底盘处于水平状态。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述浇筑孔坐标的测量误差不得超过2mm。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，在步骤一的示教过程中，副臂回转角度不大于180°。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，在步骤二中，选取彼此之间相距最近的3个相交点坐标作为设备初始中心点坐标。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：通过示教录入示教点坐标、主臂回转角度和副臂回转角度，从而设置相交圆以确定设备初始中心点坐标，再通过设备初始中心点坐标求解出设备最终中心点坐标、主臂初始角度，最终求出主臂初始化角度并对控制系统进行角度补偿修正，将控制系统建立的坐标系转换为测量坐标系，实现了浇筑设备自身的定位精度达到毫米级，满足控制系统自动寻孔的精度要求，即可根据输入的仓格编号来控制浇筑设备进行自动寻孔和自动浇筑，提高了混凝土浇筑的自动化程度，提高生产效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明一个实施例示教点a示意图；

图2是本发明一个实施例示教点b示意图；

图3是本发明一个实施例示教点c示意图；

图4是图1至图3所示的一个实施例相交圆示意图；

图5是图1至图4所示的一个实施例设备初始中心点坐标和设备最终中心点坐标示意图；

图6是本发明一个实施例浇筑设备结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参见图1至图6，本发明的实施例提供了一种浇筑设备的定位方法，包括步骤一：示教并录入数据，通过伺服控制系统手动控制浇筑设备的末端管对任意3个仓格浇筑孔进行示教，控制系统录入浇筑设备的示教点坐标、主臂回转角度θ和副臂回转角度示教点坐标为仓格浇筑孔的坐标，浇筑孔坐标的测量误差不得超过2mm范围，有利于保证示教点坐标的准确性，从而保证浇筑设备定位的精确程度，主臂回转角度θ为浇筑设备的主臂初始位置与示教时主臂位置之间的夹角，副臂回转角度为示教时浇筑设备的主臂位置与副臂位置之间的夹角，示教时控制副臂回转角度不大于180°，可保证一个示教点只出现一种副臂回转角度从而减少伺服系统的计算负担。示教过程需保证设备底盘处于水平状态，从而保证多个示教点示教时主臂和副臂的长度前后保持一致，避免示教过程出现主臂长和副臂长前后不一的情况，从而避免每次示教点得出的设备最终中心点坐标与实际的浇筑设备中心点坐标出现偏差，以保证自动寻孔的精度要求。

在示教过程中，示教点的数量越多，得到的设备自身定位精度也相对越高，所需的时间也越长，从而影响自动定位的效率，在实际情况中，示教的个数往往需要考虑自身定位的精度要求和定位效率等综合因素。参见图1至图3，通过“三点示教”的方法进行示教，即通过伺服系统控制浇筑设备的末端管对准任意三个仓格浇筑孔a、b、c进行示教，已经能够满足系统自动寻孔的精度要求，保证浇筑设备自身的定位精度达到毫米级，从而在满足精度要求的情况下达到最快的自动定位效果，提高生产效率。在示教过程中，伺服控制系统分别记录并保存示教点主臂回转角度θ、副臂回转角度和示教点坐标,相对应的，a点的主臂回转角度为θ1、副臂回转角度为示教点为a(x1,y1)，b点的主臂回转角度为θ2、副臂回转角度为示教点为b(x2,y2)，c点的主臂回转角度为θ3、副臂回转角度为示教点为c(x3,y3)。

参见图4，在步骤二中，根据“相交圆法”原理确定设备初始中心点坐标，首先设置相交圆，相交圆分别以示教点为圆心、以主臂和副臂覆盖范围内的任一点与圆心的距离为半径，示教点a(x1,y1)作为相交圆a的圆心、ao1作为相交圆a的半径，b(x2,y2)作为相交圆b的圆心、bo2作为相交圆b的半径，c(x3,y3)作为相交圆c的圆心、co3作为相交圆c的半径，其中，o1、o2、o3分别为示教时主臂和副臂覆盖范围内的任一点。相交圆之间相交形成的点设为相交点，每两个圆之间相交可形成两个相交点，伺服系统根据几何关系和坐标的关系求解相交圆a、b、c的相交点坐标，其中，主臂的长度为a、副臂的长度为b，可得：

从而得出相交圆a、相交圆b、相交圆c形成的6个相交点坐标o1(x01,y01)、o'1(x'01,y'01)、o2(x02,y02)、o'2(x'02,y'02)、o3(x03,y03)、o'3(x'03,y'03),其中，相交点彼此之间相离最近的3个坐标是最接近实际浇筑设备的中心点坐标，系统将进行自动对比和筛选，剔除相交点彼此之间相离较远的3个相交点o'1(x'01,y'01)、o'2(x'02,y'02)、o'3(x'03,y'03)，选取彼此之间坐标最近的3个相交点o1(x01,y01)、o2(x02,y02)、o3(x03,y03)作为设备初始中心点坐标，保证后续计算的设备最终中心点坐标最接近实际的浇注设备中心点，从而保证自动定位的精度。

参见图5，在步骤3中，根据“三角形重心法”求解设备最终中心点坐标，3个设备初始中心点坐标形成的三角形重心点设为设备最终中心点坐标，三角形重心即为三角形的三条中线的交点。在平面直角坐标系中，重心的坐标是顶点坐标的算术平均值，则三角形中心点坐标为x0＝(x01+x02+x03)/3，y0＝(y01+y02+y03)/3，故设备最终中心点坐标为：o((x01+x02+x03)/3，(y01+y02+y03)/3)，即可得出浇筑设备自身的定位坐标，可达到毫米级的定位精度，满足浇筑设备自动寻孔的精度要求。

参见图1至图4，在步骤四中求解主臂初始角度θ0，3个设备初始中心点坐标分别与相对应的示教点相连的直线形成3条示教连线，相对应地，设备初始中心点坐标o1(x01,y01)与示教点a(x1,y1)相连形成ao1示教连线、设备初始中心点坐标o2(x02,y02)与示教点b(x2,y2)相连形成bo2示教连线、设备初始中心点坐标o3(x03,y03)与示教点c(x3,y3)相连形成co3示教连线，其中，图1至图3中o1、o2和o3的位置标注仅为示意设备初始中心点坐标与示教点间的关系，而不可理解为a、b、c三点示教时浇筑设备的实际中心点坐标。示教连线与测量坐标x轴的夹角形成第一初始角度α，示教连线与主臂之间形成第二初始角度β，主臂初始角度θ0分别为对应的第一初始角度α与主臂回转角度、第二初始角度β两者之和的差值。相对应地，ao1示教连线与测量坐标x轴的夹角形成第一初始角度α1、与主臂之间形成第二初始角度β1，主臂初始角度θ01＝α1-β1-θ1；bo2示教连线与测量坐标x轴的夹角形成第一初始角度α2、与主臂之间形成第二初始角度β2，主臂初始角度θ02＝α2-β2-θ2；co3示教连线与测量坐标x轴的夹角形成第一初始角度α3、与主臂之间形成第二初始角度β3，主臂初始角度θ03＝α3-β3-θ3。

具体地，根据设备初始中心点坐标o1(x01,y01)，选定示教点a(x1,y1)。其中，c1为ao1示教连线的长度，根据余弦定理，有β1＝sec^-1[(a²+c1²-b²)/2ac1],根据示教点a(x1,y1)和设备初始中心点o1(x01,y01)，有α1＝tan^-1[(y1-y01)/(x1-x01)]，故可求出示教点a对应的主臂初始角度θ01＝α1-β1-θ1。

同理，根据设备初始中心点坐标o2(x02,y02)、选定示教点b(x2,y2)。其中，c2为bo2示教连线的长度，根据余弦定理，有根据示教点b(x2,y2)和设备初始中心点o2(x02,y02)、有α2＝tan^-1[(y2-y02)/(x2-x02)]，故可求出示教点b对应的主臂初始角度θ02＝α2-β2-θ2。

同理，根据设备初始中心点坐标o3(x03,y03)，选定示教点c(x3,y3)。其中，c3为co3示教连线的长度，根据余弦定理，有根据示教点c(x3,y3)和设备初始中心点o3(x03,y03)有α3＝tan^-1[(y3-y03)/(x3-x03)]，故可得出示教点b对应的主臂初始角度θ03＝α3-β3-θ3

在步骤五中，求解主臂初始化角度θ′0，主臂初始化角度θ′0为3个主臂初始角度的平均值，由“三点均值”即θ′0＝(θ01+θ02+θ03)/3,求出θ′0＝((α1+α2+α3)-(β1+β2+β3)-(θ1+θ2+θ3))/3。

通过步骤六，控制系统根据主臂初始化角度θ0'进行补偿修正，将设备最终中心点坐标o((x01+x02+x03)/3，(y01+y02+y03)/3)代入测量坐标系中，完成浇筑设备毫米级的自动定位精度。

在完成自动定位后，控制系统在步骤七中根据输入指定的仓格编号，可精确地计算出浇筑设备与仓格浇筑孔的空间距离关系，即可驱动末端管根据最优路线定位到仓格浇筑孔进行浇筑，完成自动寻孔和自动浇筑任务，提高了混凝土浇筑的自动化程度和工作效率。其中，仓格编号可根据实际施工情况来手动输入或根据事先在控制系统中预设好的仓格编号来操控浇筑设备进行浇筑工作，使各数控工序连续工作，减轻劳动强度，提高生产效率。

参见图6，在一些实施例中，浇筑设备包括主臂8、副臂10、主臂回转机构5、副臂回转机构9、行走和升降机构1、底盘罩壳2、横向泵管7和竖向泵管4。其中，横向泵管7分别沿主臂8和副臂10的长度方向进行设置，竖向泵管4设置在立柱3中，底盘罩壳2通过立柱与主臂回转机构5连接，主臂回转机构5与主臂8连接并能够控制主臂8的转动，主臂8的一端设有配重箱6，以保持浇筑设备自身的平衡性，副臂回转机构9设在主臂8和副臂10之间，能够控制副臂10的转动，从而带动横向泵管7末端的末端管11定位到浇筑孔。参见图6，行走和升降机构1设在底盘罩壳2下方，能够带动整个浇筑设备移动以进行升降或行走等动作，从而更好更快地定位到浇筑孔，最后通过浇筑设备外部的连接管12将混凝土运输到竖向泵管4后，再经过横向泵管7运输，而后由末端管11对准仓格浇筑孔进行浇筑，确保自密实混凝土的浇筑质量。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。