車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)【柴油錘】

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最常見的打樁方法是基于預(yù)先定位使用測量儀器。然而，由于手動(dòng)程序，它是不足的：1）放置使用測量儀器設(shè)計(jì)的樁位上的標(biāo)記，2）用一個(gè)挖孔在標(biāo)記位置具有一定的半徑公差，以及 3）將樁驅(qū)動(dòng)到孔中。該該程序的主要優(yōu)點(diǎn)是：i）至少需要 3 名 工作人員和 1 名操作員用于測量和調(diào)整樁位置; ii）他們被要求訓(xùn)練有素合作提高工作效率; iii）操作時(shí)間長這可能會(huì)降低工人的準(zhǔn)確性和安全性。 在本文中，我們提出了一種高效準(zhǔn)確的打樁機(jī)定位系統(tǒng) TEM。 我們建議不要使用傳統(tǒng)儀器來測量預(yù)設(shè)標(biāo)記使用激光測距儀的精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)利用高精度激光測距儀（LRF）掃描整個(gè)構(gòu)造場同時(shí)從掃描范圍同時(shí)檢測移動(dòng)的樁位置。圖 1 示出了我們的系統(tǒng)，其中僅需要一個(gè)操作者來操作樁駕駛員調(diào)整樁位置，由顯示動(dòng)畫樁的顯示器導(dǎo)航施工現(xiàn)場地圖上的定位。 該系統(tǒng)提供了更方便的方式幫助運(yùn)營商全面評(píng)估收縮圖上的錯(cuò)誤，無需任何幫助的額外工人。因此，我們的系統(tǒng)大大提高了效率打樁精度。 1.2 相關(guān)工作 25 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 一方面，在施工現(xiàn)場，調(diào)查技術(shù)及其工具，在很短的時(shí)間內(nèi)快速發(fā)展。 具有先進(jìn) 的測量儀器包括自動(dòng)化傳輸和全站儀采用光波距離法，測量時(shí)間顯著縮短，定位精度以達(dá)到到毫米級(jí)[1]。此外，在工作區(qū)非常的土木工程全球有很少的建筑物，全球定位系統(tǒng)（GPS）經(jīng)常被用于足夠的調(diào)查準(zhǔn)確性和有效的工作[2]。然而它們存在缺點(diǎn)：i） 這些儀器是昂貴的，ii）由于環(huán)境條件，某些地方可能無法使用，iii）不能同時(shí)跟蹤多個(gè)物體，vi）不可能跟蹤目標(biāo)實(shí)時(shí)和 v）測量需要至少兩名工作人員。 另一方面，近來消費(fèi)級(jí)傳感器的發(fā)展已經(jīng)吸引增加對(duì)定位系統(tǒng)的適用性。使用分 布式設(shè)備的時(shí)間定位系統(tǒng)包括攝像機(jī)[3-5]，超聲波傳感器[6,7]和激光測距儀（LRF） [8,9]。 在這些當(dāng)中測量設(shè)備，LRF 在諸如實(shí)時(shí)掃描，高精度，大覆蓋區(qū)域，不良照明 的魯棒性，低噪聲到信號(hào)比例和簡單安裝[10-12]。例如，LRF 已經(jīng)被實(shí)時(shí)使用了在大型戶外區(qū)域進(jìn)行位置測量[13]。 自 20 世紀(jì) 90 年代中期以來，激光掃描儀已廣泛應(yīng)用于工程勘察，如高層建筑的地面測量[14]。 最近在施工現(xiàn)場，一些研究人員正在努力實(shí)時(shí)使用 LRF 來改善工作安 全和效率。 [15,16]構(gòu)建基于激光掃描儀的繩索跟蹤系統(tǒng)，ELS。 這些系統(tǒng)在短距離內(nèi)工作，并給予本地相對(duì)位置機(jī)器和對(duì)象。 [17]使用 LRF 進(jìn)行測量任務(wù)。 1.3 概述和貢獻(xiàn) 我們的系統(tǒng)由三個(gè)主要過程組成：1）LRF 的數(shù)據(jù)采集，2）位置估計(jì)過程和 3）結(jié)果的可視化。 它首先從 a 收集 2D LRF 數(shù)據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)時(shí); 然后同時(shí)估計(jì)樁位置最后的建筑地圖可視化與設(shè)計(jì)的一起，協(xié)助工人決定樁作業(yè)。 數(shù)據(jù)采集后，我們的挑戰(zhàn)是實(shí)時(shí)位置估計(jì)的難度從范圍掃描的移動(dòng)。 為了超越，定位過程包括兩個(gè)主要子步驟：1）基于圓模型 聚類的目標(biāo)檢測;2）使用最大似然估計(jì)（MLE）的中心位置細(xì)化。 以傳統(tǒng)的定位方式，我們系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)是：1）我們采用傳統(tǒng)工具提前進(jìn)行調(diào)查，時(shí)間測量系統(tǒng)采用高精度 LRF; 2）我們提出快速檢測算法用于從距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的樁定位; 3）我們的系統(tǒng)同時(shí)跟蹤和導(dǎo)航打樁機(jī)提供了更高效，更安全，更便宜和更簡單的打樁任務(wù)的方式。 本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第 2 節(jié)介紹了系統(tǒng)配置第 3 節(jié)中位置估計(jì)的詳細(xì)算法。第 4 節(jié)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果在模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)，其次是第 5 節(jié)的結(jié)論。 2 LRF 感應(yīng)系統(tǒng)的配置 我們首先使用 LRF 設(shè)計(jì)一種高精度定位樁的傳感系統(tǒng)為此，我們?cè)谏疃确较蛏喜捎昧烁呔鹊?UMT-30LX LRF [18]表 1）水平掃描施工場地的特定區(qū)域。不過我們挑戰(zhàn) 在于，由于范圍掃描的稀疏性，準(zhǔn)確性難以實(shí)現(xiàn)。如如圖 1 所示。1（c），原始掃描線（從左到右以粗體顯示紅色箭頭）太稀疏，只有一點(diǎn)可以在達(dá)到圓柱體時(shí)返回。這 26 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 種稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)難以用于準(zhǔn)確的位置估計(jì)。使用激光測距儀的精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定 位系統(tǒng)。 為了克服這個(gè)問題，我們建議將 UMT-30LX LRF 安裝到一個(gè)平臺(tái)上密集掃描[17]。 如圖所示。如圖 1（b）所示，我們將 LRF 安裝在 SPU-01 平底鍋上單元[19]，其可以驅(qū)動(dòng) LRF 以非常小的角度旋轉(zhuǎn)（例如，0,015 度這種情況）LRF 的后續(xù)掃描。因此，可以通過組合獲得密點(diǎn)在單位盤的不同旋轉(zhuǎn)角度捕獲的掃描。如圖所示。如圖 1（c）所示，所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以被視為每個(gè) 0.015 度采樣，其中與 0.25 中的原始掃描比密度 大大提高（最多 17 倍）度。該系統(tǒng)工作在 2Hz 至 40Hz 之間的數(shù)據(jù)采集率。該打樁機(jī)的工作速度在 0-2×103mm/s 之間。在最后階段的速度的打樁程序，特別需要高定位精度 0-50mm /秒。對(duì)于這種慢動(dòng)作，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率滿足對(duì)于打樁機(jī)輔助應(yīng)用的實(shí)時(shí)要求。 3 樁位檢測 鑒于上述傳感系統(tǒng)捕獲的密點(diǎn)數(shù)據(jù)，我們的下一個(gè)任務(wù)是如何精確有效地跟蹤樁 位置。這種位置估計(jì)方法包括兩個(gè)主要步驟：1）樁位檢測，2）中心細(xì)化。前者通過投票算法快速和粗略地檢測范圍掃描中的圓形模型。該稍后通過使用 MLE 算法的細(xì)化來準(zhǔn)確地估計(jì)圓心。我們分別描述以下小節(jié)中的這兩個(gè)主要步驟。 3.1 樁檢測 由于樁總是垂直于地面并被水平的 LRF 掃描，掃描平面的交點(diǎn)始終是一個(gè)圓。 我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)圓模型聚類算法用于快速但粗略地檢測樁位置（參見算法 1）。由于參考目 標(biāo)是樁，從 LRF 的角度來看，樁是凸的，這意味著物體的中心不應(yīng)該被觀察的。 3.2 精確位置估計(jì)精度 由于 Algorithm1 只提供樁邊界點(diǎn)的提案集，我們需要根據(jù)這些建議準(zhǔn)確估算樁位。 所以下一個(gè)任務(wù)可以被視為：給定邊界點(diǎn) A = {x i，y i} K 的建議 1 和一個(gè)圓圈模（x-a）2 +（y-b）2 = r 2，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確地估計(jì)參數(shù) a 和 b。為此，一個(gè)常見但有效的選擇是使用最大似然估計(jì)（MLE）算法，估計(jì)可以最大化可能性的參數(shù)每個(gè)提案。 在我們的系統(tǒng)中，應(yīng)該估計(jì)的參數(shù)只有 a 和 b，因?yàn)榘霃降膮⒖寄繕?biāo)是提前給出的。 然而，在這種情況下，MLE 變成了非線性問題。為了解決這個(gè)非線性方程，我們應(yīng)用了 Newton-Raphson 方法，因?yàn)樗绕渌麧u變方法具有更快的收斂性，如共軛梯度或 Levenberg-Marquardt，如果其初始值接近 a 和 b 的真值[17]。 這里我們使用從前一個(gè)檢測到的中心位置檢測結(jié)果作為 Newton-Raphson 方法的初始值。 27 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 值得一提的是進(jìn)一步推進(jìn)兩個(gè)簡單的前處理在我們的方法中：1）假設(shè)背景場景是 靜態(tài)的，移動(dòng)的數(shù)據(jù)部分是使用背景減法算法提取為前景對(duì)象，然后 2）所有的前景數(shù)據(jù)點(diǎn)都使用區(qū)域驗(yàn)證方法進(jìn)行聚類。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了驗(yàn)證我們提出的圓檢測和擬合算法，我們首先用 sim 仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際施工現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)之前，我們進(jìn)行一次對(duì)室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇驑稒C(jī)進(jìn)行了測試，提出了定位系統(tǒng)。最后，在實(shí)際施工現(xiàn)場進(jìn)行戶外實(shí)驗(yàn)。 4.1 仿真實(shí)驗(yàn) 在這種模擬中，我們模擬和設(shè)計(jì)了前面的實(shí)驗(yàn)施工現(xiàn)場[20]通過結(jié)合圓和線。我們假定，對(duì)于圓柱形參考目標(biāo)，還有其他對(duì)象的橫截面形狀如矩形和其輪廓類似于弧形的梯形，特別是大型傳感器噪聲。 依賴于高分辨率的高分辨率在距離 d max = 30×10 3 mm 的范圍內(nèi)的偏 σ=50mm。 角度分辨率的 LRF 為 θreso = 0.05?。圓柱參考目標(biāo)的半徑為 R = 1350mm。該從 LRF 到氣缸中心的距離為 d = 9000mm。使用的閾值在算法 1（行 7,9,11）中經(jīng)驗(yàn)確定為 σ。 所有的結(jié)果是平均值為 1000 次模擬。使系統(tǒng)工作實(shí)時(shí)且始終處理最新數(shù)據(jù)，算法將中止并考慮作為失敗的檢測，如果在最大次迭代之前不能建立可接受的模型時(shí)間。 圓檢測算法的評(píng)估。為了評(píng)估算法，誤檢率，隨機(jī)抽樣迭代次數(shù)和估計(jì)誤差這里使用中心。圖 2（a）顯示，當(dāng)投票為 2 和 3 時(shí)，檢測率為幾乎 100％。但是，當(dāng)需要更多的票數(shù)時(shí)，價(jià)值會(huì)下降。主要原因是最大迭代時(shí)間限制性能。圖 2（b）顯示了假如果 T v 設(shè)置為大于 1，則陽性率幾乎為零。 4.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證我們提出的系統(tǒng)的可行性和估計(jì)誤差，在實(shí)際施工現(xiàn)場指出，我們做了 壓力學(xué)試驗(yàn)。如圖所示圖 3（a）中，使用半徑為 250mm 的圓柱體作為參考桿。 兩個(gè)紙板盒子用于模擬應(yīng)用場景中的打樁機(jī)。 圖 3（b）來自實(shí)驗(yàn)場景的 LRF 的掃描數(shù)據(jù)的示例。 我們首先將參考欄放在一個(gè)已知位置，并估計(jì)中心位置只有使用 MLE 方法。將氣瓶保持在同一個(gè)地方，我們把另一個(gè)形狀的物體靠近它，并用建議的定位算法再次估計(jì)氣缸的位置，以查看我們是否可以估計(jì)準(zhǔn)確度。自動(dòng)重復(fù) 500mm 從 1000mm 到 7500mm。 如圖 3（c）所示，估計(jì)誤差的兩條曲線幾乎相同最大差值 3.4mm。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明我們提出圓檢測算法可以有效地從場景中提取圓的數(shù)據(jù)點(diǎn)與其他形狀的對(duì)象。 28 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 我們將參數(shù) T v 從 1 改為 10，以查看檢測率的影響。什么時(shí)候投票為 T v≥3， 如圖 3（d）所示，即使小的檢測率也超過 90％T n 的值。如果沒有投票程序，則意味著 T v = 1，檢測率為勉強(qiáng)可以接受 這種低檢測率是由三角形的連接引起的矩形框，其輪廓類似于弧。這個(gè)結(jié)果證明了可行性的提出的樁檢測算法，并顯示它仍然可以工的可能性良好的閉塞或大噪音存在。 4.3 施工現(xiàn)場實(shí)驗(yàn) 我們?cè)趯?shí)際施工現(xiàn)場對(duì)所提出的系統(tǒng)進(jìn)行了測試。我們的目的是測量堆放在鉆孔 中的位置。樁的位置跟蹤可以幫助將其定位在預(yù)期的位置，這需要 100mm 的精度。 如 如圖 1（a）所示，樁被打樁機(jī)抬起，慢慢放下那個(gè)洞。目前在大多數(shù)施工領(lǐng)域，樁保持在預(yù)期的位置通過手工工作。需要三名訓(xùn)練有素的工人用棍棒來衡量是否樁是否在正確的地方。 如圖所示。如圖 4（a）所示，LRF 和鍋單元放置在三腳架上調(diào)整以保持 LRF 的掃描平面水平。三腳架的高度也有幫助保持其他移動(dòng)物體，如人類，從掃描范圍。對(duì)象 是 mea-固定的是圖 1（a）所示的樁，半徑為 200mm。受施工現(xiàn)場的距離是測量對(duì)象與 LRF 之間的距離 15×10 3 mm。 為了校準(zhǔn) LRF，一個(gè)薄金屬棒（橫截面：30mm×1mm）具有一個(gè)高度反射能力的表面被使用。我們首先使用全站儀來定位幾個(gè)點(diǎn)精度約 2mm / km。然后將校準(zhǔn)棒放在些點(diǎn)上并獲得來自 LRF 的棒的掃描數(shù)據(jù)。我們使用棒的掃描數(shù)據(jù)的平均值來估計(jì)它的位置。可以使用最小二乘估計(jì)法計(jì)算世界坐標(biāo)與 LRF 坐標(biāo)之間的變換矩陣。 施工現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果。打樁的程序是由 LRF 記錄。當(dāng)樁移動(dòng)到預(yù)期位置附近時(shí)，它就開始了約 1m 在抵達(dá)洞的頂部后，堆放在一個(gè)位置誤差在 50mm 左右。樁的放置調(diào)整為更準(zhǔn)確最后 10 秒。工人崗位調(diào)整見圖 4（b）。這里的錯(cuò)誤在 X L 定義為（X L- a），Y L 的誤差為（Y L-b）。測量之間的誤差樁的中心位置和預(yù)期設(shè)計(jì)位置如（c） 所示。決賽提出的系統(tǒng)給出的位置誤差為 25mm 左右。 目前沒有其他直接的方式來測量樁的中心位置它移動(dòng)。傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的精度 10mm。 另外，從這個(gè)實(shí)驗(yàn)確定了樁在允許的范圍內(nèi)被驅(qū)動(dòng)。我們可以估計(jì)施工誤差在 15 -35mm 的范圍內(nèi)?？紤]到手動(dòng)調(diào)整過程中，我們系統(tǒng)的結(jié)果被認(rèn)為是合理的。系統(tǒng) 可以直接測量不能測量的打樁位置通過常規(guī)測量儀器。 5 結(jié)論和未來工作 在本文中，基于樁檢測和擬合，提出了一種新穎的實(shí)時(shí)樁駕駛員定位系統(tǒng)使用激光瞄準(zhǔn)器.LRF 的優(yōu)勢，如高精度，快速數(shù)據(jù)采集和覆蓋面積大，并利用圓柱形目標(biāo)的 取向不變性，新的測量技術(shù)是呈現(xiàn)。為了從打樁機(jī)中提取樁目標(biāo)，我們提出了樁檢測算法，基于圓模型聚類的算法。然后采用 MLE 方法準(zhǔn)確估計(jì)樁位。 29 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了可靠性和靈活性，提出檢測算法。實(shí)際施工現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明 該系統(tǒng)可以在實(shí)時(shí)的時(shí)間內(nèi)打包安全位置作品，這對(duì)傳統(tǒng)的測量方法是不可能的。 為了驗(yàn)證提出的系統(tǒng)的可行性，我們只使用數(shù)據(jù)目前一個(gè) LRF。由于多個(gè)傳感器可以增加信息量，并擴(kuò)大定位范圍，多傳感器系統(tǒng)將進(jìn)行調(diào)查實(shí)現(xiàn)。在目前的實(shí)施中，所需票數(shù)是經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)鍵。該參數(shù)的誤差性應(yīng)予以研究。 30 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 附錄 2：外文文獻(xiàn)原文 31 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 32 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 33 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 34 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 35 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 36 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 37 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 38 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 39 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一） 40 車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）