建造自动化

第1页建造自动化高精度GPS应用领域的实时定位设备摘要在道桥中央研究室的研究框架中，关于道路建设的定位和实时控制设备在1996年进行了一项研究，为了了解实时运动（RTK）全球定位系统（GPS）传感器在工地的条件下可能达到的实际垂直精度。这项研究已经广泛使用的专用测试设备称为SESSYL，建立定位系统进行高精度的实时评估测试。它一直在法国道路承包商COLAS和高等地形测绘学院（ESGT）合作中体现出来。首先，提出了适用的大地测量变换程序，符合高精度要求。然后，给出了一个特殊的SESSYL测试程序的主要结果，把几个影响参数对垂直精度的影响进行仔细检查。本篇论文的核心部分是对典型的RTKGPS的数据集进行分析，从中我们试图提取到两种不同组成部分：一种比较容易滤波的高频噪声和一种低频偏置。这种偏置，鉴于其良好的可重复性，可以模拟和预测，以提高实时数据的原始精度。作为我们研究的一个全面的验证，现场测试是最后的描述，进行了这一次测验的设备（沥青摊铺机）在实际中的施工。关键字：精确定位全球定位系统道路施工设备指导1.引言最近形成的实时定位系统的市场是打开一扇在建造地点施工的完全崭新方法的门。由于这些新的系统，现在我们可以克服在建造地点的弱点，例如：高度电脑化的设计阶段和本身将所有数据还原为木桩的工作地点的巨大差距。LCPC是一个处理所有土木工程活动的公共应用研究中心，从土力学到道路第2页施工与养护，包括交通基础设施的环境和安全方面。鉴于它的历史背景，它的活动在新的建设方法，并在特定的实时定位和控制的设备，它是集中在道路施工机械。许多技术的答案存在于这些机器的定位问题，主要取决于工作的类型。粗略地说，我们可以将公共工程建设机械分为三个主要群体，不同的是根据不同的需求来定位：·土方和采矿设备，例如，大土方机器像铲子、钻、铲运机、推土机、挖掘机等；·所谓的“堆焊设备”，也就是说，移动在地面上的机器，在高度上没有明显的变化：压实机、水泥摊铺机、搅拌机等；·所谓的“分析设备”，也就是说，机器加工工作地点的外部通过添加或去除材料：摊铺机，autogrades，铣床等本篇论文将处理第三组的设备的布置，这是最苛刻的精度方面，特别是在海拔（坐标）的定位方面。目前，为了解决这个问题，出于光解决方案（激光平面，自动经纬仪…）的高精度，人们选择了它们。全球定位系统（全球定位系统）技术可能会导致非常有竞争力的解决方案，尽可能达到所需的精度，并解决了阴影问题。其主要的并且相当显著的优势，是在现场安装的方便，实际上对终端用户是非常有吸引力的，例如，土木工程施工企业。新的实时动态GPS（RTK），能够在1赫兹的频率以上提供厘米级精度的三维坐标的任何移动点，似乎我们尤其对研究这项应用感兴趣。2.绝对定位的摊铺机的要求2.1.在海拔方面1．示意图显示了沥青混凝土摊铺机或修整器第3页图1.沥青摊铺机的示意图本机的动作非常缓慢（几米/分钟），一直向前，但传递非常顺利和准确平层材料。物料从料斗带的拖拉机后采用的浮动熨平板前分配螺杆地面输送和扩散。熨平板还配备压实和振动机制较好地预紧的材料。这是直接由该工具的位置（所谓的“浮动熨平板”连接到拖拉机在两关节称为两点的两平臂的中间）。熨平板的平衡，在两点自由旋转取决于几个参数。他们中的两个是两液压执行器的长度（即移动两点上下），而其他的是设备内部的参数（振动器、打夯机、速度）和材料（组成、粘度）。高精度的水平，从合同公差的水平和交叉斜坡目前所需的路面的上层，通常为3厘米的子基地，为基础，为基础，为1.5厘米和1厘米的磨损过程为基础的2厘米。表1在欧洲目前使用的高程和横坡上给出了合同公差。表1.欧洲路面层的公差层的类型材料公差等级(cm)横坡公差底基层沥青结合分级粒料±1~±3±1.5cm/m(±0.86°)水泥结合分级粒料±3或[−2~+0.5]±1.5cm/m(±0.86°)基层沥青结合分级粒料±1~±2±1cm/m(±0.57°)水泥结合分级粒料±2±1cm/m(±0.57°)结合层柏油路±1±0.5cm/m(±0.3°)磨耗层柏油路±1±0.5cm/m(±0.3°)第4页绝对控制的高层是必不可少的扩展的子基地（有时基）层，以遵守的高度和横向的设计规定的设计。这种控制是目前使用的字符串线（也叫做钢丝绳）安装在道路和机械偏差传感器。这些电线安装很昂贵，对工人很危险，对工作地点的卡车流量造成问题。有时，在大的工作场所，弦线是由旋转的激光束和传感器产生的平面取代光电[2]。该设备只提供一个参考面，并且不太方便控制工具沿着起伏的轮廓，正如大多数的道路。全球定位系统，相比于这两者的技术，可以带来显着的优势：·易于使用和安装（只有一个基站将需要几公里长的网站）；·高度自动化的位置，保证可靠性（几乎没有手动设置和检查程序，许多人为错误的来源）；·同时提供三个空间坐标系，与它们之间的完美一致性。其他的一些控制方法时所使用的上一层是正确稳定当为当前层控制的基本参数是厚度。在这种情况下，使用全球定位系统的绝对定位是没有这么大的利益相比其他方法使用板上测量之间的工具和地面。2.2.在平面位置得到平面坐标x和y也是必不可少的，它对计算机器的当前坐标是必要的，以提供高程控制系统的参考高度和这个横坐标对应的斜率。它可能是有趣的，也可以设想一个飞机导航系统的拖拉机，这可以是完全自动或形式的智能人机界面的驱动程序。然而，这两个功能所需要的精度（约10cm）不是很严格，相比于RTKGPS的精度，因此我们集中研究对高程精度。3.利用GPSRTK定位3.1.全球定位系统GPS的广泛应用：航海、航空和陆地导航、大地测量、土木工程设备的定第5页位，等[3]。这些不同的应用精度要求小于一厘米到100米的基本测量接收机和一定数量的卫星的位置应该在每个时刻之间的距离变化。使用相关技术应用到特定的伪随机码，由全球定位系统的波：（粗/收购）代码，和标准（精度）代码计算的距离。他们被称为«伪距离»因为它们包括卫星的原子钟和接收机的时钟之间的时间延迟带来的误差。由于有四个未知参数，至少有四个卫星是必要的，计算一三个坐标点。一个标准的民用接收器，在所谓的“自然”模式，可以计算出它的位置与一个典型的精度约100米的平面。为了得到度量或子度量的精度，单一的全球定位系统接收器是不足够的，而不是一对接收器进行测量与普通卫星和操作的差分模式。差分GPS星历的影响可以大幅减少，无线电波的传播延迟和时钟漂移卫星和接收机之间的。动态定位，差分GPS的原理可以应用在两种不同的方式：使用范围测量差模，所以叫做DGPS和差模采用相位测量，所谓的“GPS”。在差分GPS，一个接收器措施的一个固定点的坐标，称为基地，其地位是用GPS大地测量系统完全已知的参考。测量和实际位置的基础，这将是大致相等的测量误差在一个未知的点（“月球车”）的测量和实际位置之间的三维偏差，是用来纠正的位置，计算后者。此校正可以在后处理或在实时，当从基座的误差信号可以被发送到月球车通过任何合适的链接。在运动的全球定位系统，所有的原始测量，包括测量的信号载波相位，从两个基地和月球车接收器，用于计算两个天线之间的三维矢量。的位置是已知的以厘米级的精度。此精度可以提高到1毫米时，在几个小时的平均计算。随着DGPS、运动学计算可以在后处理或实时执行。后一种模式，所谓的RTKGPS，是唯一一个真的很有兴趣为我们的应用[4]。一个向量的计算，在这种模式下，至少每秒钟（1赫兹）；最新的仪器执行的高频率，高达5或10赫兹。无线电链路的性能，一个重要的组成部分的过程中，是至关重要的全球定位系统接收第6页器的性能。3.2.大地参考文献[5]为了实现对工作现场的厘米级的精度，从GPS参考系变换（世界大地测量系统84或WGS84，其中基本位置计算）局部参考系必须非常精确。3.2.1.局部系统CAD路项目目前在平面上的投影（平面）和建立在垂直投影沿局部垂直正交的重力等位面（测）。在这些国家系统中，一个特定的点，根据当地的参考，有十个坐标等于零。一零级也被定义。面积法和测高不一定包含在同一系统中；它不是一个真正的三维系统，但我们可以把一个二维+1系统。这些系统也被称为地面参考系统，因为他们已经确定的地面调查。在法国，当地的基准是由所谓的Lambert投影（圆锥投影）和神经生长因子69（法国总平）高度（投影方向垂直）。兰伯特X和Y在巴黎都等于零，在马赛的平均海平面定义了海拔零水平。在其他国家，墨卡托投影（圆柱正形投影）是经常使用的。地球重力场的等势面，对应于平均海平面称为大地水准面。它是一种非数学的曲面，很难准确地定义各处。3.2.2.全球系统相反，一个三维的全球参考系统WGS84，是从一个椭圆形的定义。许多椭球体存在，依附于不同的参考系统。他们当然是完美的数学表面，由两个常量定义，这不完全符合的大地水准面。任何一点可以使用三个直角处（X，Y，Z）或三大地（L，J，H）1坐标的转换，或逆，由数学公式确定，考虑到椭球的几何参数。在这个系统中表示的一个有限数量的参考点的一组坐标称为一个参考帧，它是一个实现，通过反对的定义。这些系统也被称为空间参考系统，因为他们已经确定的空间调查。3.2.3..全球定位系统第7页GPS数据在全球基准WGS84计算，必须从WGS84转化为局部参考。不能直接应用一般变换公式，因为两个主要来源的错误：非独立性和非恒定的精度的地面调查（相反的空间调查），一般已被执行的作品网站上使用的古迹，和非恒定距离WGS84椭球和大地水准面（取决于当地的重力）。一般变换参数是足够的应用程序需要约5厘米的精度，但不为我们的应用程序。我们提出了一种方法来变换的全球定位系统的数据，用一个新的局部参数，而不是一般参数的测定。3.2.4.一个合适的方法的建议我们的方法包括测量几个纪念碑附近的工地在空间参考坐标计算（WGS84）。该方法需要差分全球定位系统和后处理。被调查的纪念碑当然也必须在当地的参考。足够的古迹附近的网站，这是说至少三古迹（最小均方）在每一个领域的5公里，将使我们能够计算出一系列的本地参数全部沿工程。这些参数的梯度是在连续的区域之间使用。局部大地水准面高度h和WGS84椭球面高度h比较给了我们正确的和适应的大地水准面–椭球差异N=H−H的手段，不是作为一个恒定的了。在这些区域和从一个区域到另一个区域的一个梯度。这里介绍的方法，其必然出现明显的厘米级的GPS测量和应用，是目前应用于SESSYL网站（定位系统的测试床），用来比较该设备[6]进行GPS和参考轨迹。在法国，美国国家地理杂志所设的新纪念碑现在使用GPS（称为法国的大地测量网络或空气），我们的方法是非常有用的。我们已经使用了一些我们的网站实验。它们位于每20公里进行WGS84与1厘米的精度。这种准确性在法国随处可见。第8页该方法的组成，每个基本区域：·一个静态或动态的测量站点参考点，使用本地可用的RGF建筑；·在WGS84系统中计算它们的坐标；·计算两个椭球之间的局部变换参数（WGS84和地方）；·在调查点计算地方椭球和大地水准面之间的高度差的地方。在现场工作时，自动导航系统的机器上，将必有应用；·从原始的全球定位系统测量的区域转换先到当地的椭球体系统，然后到当地的平面投影系统，为X和Y坐标；·沿着场地的曲线横坐标的比例高度校正，为纵坐标，H。图2总结了不同的坐标变换。原始数据和最终数据是灰色的，醒目的箭头显示数据流和醒目的框架用我们的方法转换本地参数。图2.全球定位系统与本地工作地点参考系统的大地测量4.几个参数对垂直坐标精度的影响在解决了从全球定位系统到工作现场参考数据转换的问题之后，研究了几个参数对垂直精度的影响。SESSYL是设施的LCPC南特中心，建立支持的研究和评估，进行了在现场的机器人和建筑设备[6]动态定位领域。它主要为我们的测试提供了贡献。进行四类测试，和我们在座的RTKGPS轨迹和内部传感器第9页获得的SESSYL参考轨迹差异的统计分析。GPS接收机已用于这些测试是Trimble7400微星。4.1.A类测试他们的目标是提高我们的知识的垂直精度，在稳定性，可靠性，准确性