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变形监测系统;
测量数据处理
ABSTRACT
Alongwiththedevelopmentofthesurveyingandmappinginstruments,ByelectricmotorandprogramcontroltachometercombinationoflasercommunicationandCCDtechnology,MeasuringrobotCanrealizetheautomaticmeasurement,integratingautomatictargetrecognition,automaticapprove,automaticmeasuringAngle,automaticrecords.MeasuringrobotthroughtheCCDimagesensorsandothersensorstomeasuretherealityoftheworld"
target"
identification,analysis,andjudgmenttomakerapidandreasoning,realizeselfcontrol,andautomaticallyapprove,readingoperationtocompletelyreplacethemanualoperation.Measuringrobotcanmakeplanswithagainmeasurement,controlmeasurementprocessmeasurement,dataprocessingandanalysissoftwaresystem,combiningcancompletelyreplacepeoplecompletedmanymeasurementtask.Inengineeringbuildingdeformationmonitoringautomation,measuringrobotisbecomingapreferredautomationmeasurementtechnologyequipment.Fixedautomaticdeformationmonitoringsystemhasthehighefficiency,fullyautomatic,accurate,goodreal-time,simplestructure,easyoperationandothercharacteristics,especiallysuitableforsmallareasofthedeformationmonitoring,canrealizetheautomaticunattendeddeformationmonitoring.Andmobilesemi-automaticdeformationmonitoringsystemforitsuseofthedeformationmonitoringnetworkwiththetraditionalcompletelyconsistentobservedquantity,butthantraditionalwayhasamuchhigherefficiency.
Keywords:
Measuringrobot;
Measurementofthefullautomation;
Deformationmonitoringsystem;
Measurementdataprocessing
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1变形监测的目的和意义 1
1.2国内外的研究现状 2
1.2.1测量机器人的发展 2
1.2.2测量机器人的应用现状及趋势 3
1.3本文的研究内容 5
第2章测量机器人及其工作原理的介绍 6
2.1测量机器人的结构组成 6
2.2测量机器人的软件功能模块 8
2.3测量机器人工作的基本原理 9
2.3.1自动目标识别与照准 9
2.3.2导向光EGL 9
2.4测量机器人测距与测角原理 10
2.4.1测距原理 10
2.4.2测角原理 11
2.5本章小结 11
第3章测量机器人系统的开发环境 12
3.1典型测量机器人 12
3.2TPS系统 12
3.3GeoBasic简介 13
3.4GeoBasic的编程框架 14
3.5VB6.0简介 16
3.6本章小结 17
第4章变形自动化监测系统的数据处理研究 18
4.1变形监测网 18
4.1.1相对网 18
4.1.2绝对网 18
4.2监测网平差模型 18
4.2.1经典自由网平差模型 19
4.2.2自由网拟稳平差模型 20
4.2.3秩亏自由网平差模型 22
4.3本章小结 24
第5章测量机器人在实地变形监测中的的应用 26
5.1以某矿山为例测量机器人的应用和分析 26
5.1.1监测网布设 26
5.1.2施测方案 27
5.1.3监测过程及数据处理 28
5.2测量机器人在高寒地区水电建筑的变形监测 30
5.2.1工程概况 30
5.2.2观测仪器 30
5.2.3水平位移观测 31
5.2.4观测结果分析 31
5.3本章小结 32
结论 33
参考文献 34
致谢 35
IV
第1章绪论
1.1变形监测的目的和意义
变形是自然界普遍存在的现象,它是指变形体在各种荷载作用下,其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。
变形体的范畴非常广泛,包括:
地壳板块运动、地壳变形、地震引发的岩层及地表位置的变化、海底扩张、大盐湖湖水蒸发以后造成的地面上升、滑坡位移、工程建筑物的变形、桥梁基础的位移与倾斜、桥梁上部构造受动荷载及温度和风力影响下的挠度、水工大坝受水库水位变化及温度变化而产生的周期性变化和不可逆变化等自然现象;
也包括人类开发利用自然资源的活动影响地壳上部土层的结构,从而造成地面变形,例如:
地下采矿与油田采油引起的地面下沉、局部范围的城市地下大量抽水和回灌引起的地面沉降和回升、工程建筑物基坑开挖时的回弹、隧道开挖时及建成后受山体压力的变形与错位或整段滑动。
变形监测是利用测量仪器与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。
其任务是确定在各种荷载和外力作用下,变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征,并且根据变形体的性质与地基情况,重点全面的反映变形体的变化情况,了解变形规律,监测变形体的安全。
人类社会的快速发展,加快了工程建设的进程,而工程建筑物在施工和运用期间,由于受到多种主观和客观因素的影响,会产生变形。
变形在一定范围内被认为是允许的,如果超出规定的限度,就会影响建筑物的正常使用,严重时还会危及建筑物的安全:
甚至发生灾害,威胁人民的生命,使财产带来巨大的损失。
尽管工程建筑物在设计时考虑多种内因和外荷载的影响,但是由于设计和施工中不可能完全准确的估计所有因素,工程在运行过程中受到各种内因和外因的影响,可能发生某些不利的变化因素,使得一些工程出现事故。
例如:
美国93米高的提堂(Teton)土坝1976年溃决;
法国67米高的马尔巴塞(Malpasset)拱坝1959年垮坝。
我国河南省板桥和石漫滩两座土坝1975年8月洪水漫坝失事;
2004年10月25日,上海中环线某地铁工程发生基坑坍塌事故,坍塌范围长近40米,深约10米;
2005年7月2l广州海珠城由于基坑存在安全隐患发生坍塌事件。
2005年11月,北京市地铁十号线22标段发生坍塌事故,造成至少400平方米范围内的基坑塌陷10余米。
特别是板块运动引起的地壳变形,而发生的地震,更是灾难巨大,如:
2008年5月12日,发生在四川汶川8.0级特大地震,给人民生命和国家财产带来了巨大的损失。
因此,变形监测工作显的非常重要,要预防这些灾害的发生就必须对变形体进行监测,总结变形体发生变形的原因和规律,对于可以控制的变形,控制其变形的发展方向,对于不可控制的变形,通过不同时期监测的变形资料,预测变形体变形的方向和大小,分析变形造成的影响,提前采取有效的措施,使可能发生的灾害造成的损失降到最小。
总之,变形监测就是科学、准确的获取变形体的变形信息,结合实际工程特点,对已有的变形分析模型进行科学的改进,建立新的变形分析及预测模型,选出最适合的变形模型,使之能够快速、精确的反映变形体的变形规律,并反馈指导工程的设计、安全施工和运营,以及建立更加有效的变形预测模型。
1.2国内外的研究现状
1.2.1测量机器人的发展
随着科学技术的飞速发展,测量仪器也发生了翻天覆地的变化。
测量机器人(MeasurementRobot)是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并且获取其角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪,它是在全站仪基础上集成步进马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统,并且配置智能化的控制及应用软件发展而形成的。
测量机器人的技术组成包括坐标系统、操纵器、换能器、计算机和控制器、闭路控制传感器、决定制作、目标捕获和集成传感器等8大部分。
坐标系统采用球面坐标系统,即望远镜能绕仪器的纵轴和横轴旋转,能在水平面360。
和在竖面180。
范围内寻找目标;
操纵器主要是控制机器人的转动;
换能器可将电能转化为机械能驱动步进马达运动;
计算机和控制器的功能是从设计开始到终止操纵系统、存储观测数据并与其他系统接口,控制方式多采用连续路径或点到点的伺服控制系统;
闭路控制传感器将反馈信号传送给操纵器和控制器,以进行跟踪测量或精密定位:
决定制作主要用于发现目标,如采用模拟人识别图像的方法(称试探分析)或对目标局部特征分析的方法(称句法分析)进行影像匹配;
目标获取用于精确地照准目标,常采用开窗法、阀值法、区域分割法、回光信号最强法以及方形螺旋式扫描法等;
集成传感器包括采用距离、角度、温度、气压等传感器获取各种观测值。
由影像传感器构成的视频成像系统通过影像生成、影像获取和影像处理,在计算机和控制器的操纵下实现自动跟踪和精确照准目标,从而获取物体或物体某部分的长度、厚度、宽度、方位2维和3维坐标等信息,进而得到物体的形态及其随时间的变化。
测量机器人的出现是以瑞士Leica集团的TCA2003上市为标志的(其代表型仪器为测角精度士0.5’,测距精度Imm+IPPM的TCA2003,以及测角精度士l’,测距精度lmm+2PPM的TCAl800)。
Leica集团专门配套开发有TCA+APSWin系统。
目前测量机器人的制造水平有了更大的进步,其典型的代表是瑞士Leica集团的TPSll00Powersearch系列(包括TcRAl105-plus-5"
,TcRAl103-plus-3”,TcRAl102-plus-2'
'
,TcRAl101-plus-l”),TPS的含义是TotalstationPositionSystem,同时,瑞士Leica集团还开发有RCSll00遥控系统可对所有的徕卡电子测量仪器进行遥控测量。
测量机器人的发展可3个阶段:
①需在被测物体上设置标志,主要是以反射棱镜为合作目标,称为被动式三角测量或极坐标法测量:
②以结构光作为照准标志,即用结构光形成的点、线、栅格扫描被测物体,通过空间前方角度交会法来确定被测点的坐标,称为主动式三角测量,由两台带步进马达和CCD传感器的视频电子经纬仪和计算机组成:
③目前正在进行研制的测量机器人亦不需合作目标,根据物体的特征点、轮廓线和纹理,用影像处理的方法自动识别、匹配和照准目标,仍采用空间前方交会的原理获取物体的三维坐标及形状。
综上所述,测量机器人完全可以替代人完成许多测量任务,具有全自动、遥测、实时、动态、精确、快速等优点。
1.2.2测量机器人的应用现状及趋势
智能型全站仪出现以来,国内外陆续将其与现代计算机通信技术及数据库等软件技术集成到一起,并且在大型建筑物自动化变形监测中获得快速应用和发展。
瑞士徕卡公司在1990年专为非接触的点位检查和监测工作,成功地开发了自动极坐标测量系统一APS(AutomaticPolarSystem),为利用大地测量方法进行自动变形监测做出了开创性贡献。
1991年Leica公司成功地将WILD/LDSV/D应用到意大利北部阿尔卑斯山区的水电站坝体监测中。
1995年香港MTRC铁路公司在地铁九龙塘车站上方兴建大型商场,为监测该工程对地铁隧道的影响,MTRC公司邀请徕卡仪器有限公司(香港)运用APSWIN系统对该段隧道进行了连续的、长期监测,同时为了检验APSWIN的精度及可靠性,MTRC公司另派出自己的测量队,进行同期人工监测。
自1995年8月仪器组装完成到1997年4月,进行了历时近两年的自动监测。
通过监测结果分析,APSWIN进行的24小时连续自动观测成果与MTRC公司测量队人工监测成果相比较,在变形方向和数量上完全吻合,充分说明了基于测量机器人的自动化监测系统的可靠性。
瑞士徕卡公司在APSWIN系统成功研制的基础上,于2002年推出了它的升级换代产品GeoMoS自动监测系统。
该系统所能控制的传感器不再局限于大地测量所用的全站仪,将全球定位系统(GPS,GlobalPositioningSystem)、气象传感器、地质监测传感器,甚至用户需要的任何第3方传感器都纳入到连接选项中。
GeoMoS的Professional版本可以支持大型数据库SQLServer,提供Email告警和在线命令功能。
而GeoMoS的Server版则允许控制多个Professional版软件并行运行,使其集成为一个标准的客户/服务器型(C/S)自动化测量系统。
目前徕卡GeoMoS自动监测系统已经在美国华盛顿DULLES机场等处得以应用,并获得良好效益。
国内基于智能型全站仪的研究,最早是中南工业大学的张学庄教授于1997年lO月在湖南五强溪水力发电站的大坝变形监测系统。
张教授开发研制了“SMDAMS亚毫米级精度大坝变形自动监测系统”,系统采用空间三边交会的原理测量监测目标点的坐标,提出了“以基线边实时校准解决亚毫米级精度测距”的思想。
该系统为了确保亚毫米级的测距精度,集成了计算机控制的测距仪频率校准仪、高精度温度计、气压计与湿度计等。
由徕卡郑州欧亚测量系统有限公司与解放军信息工程大学测绘学院联合开发的ADMS自动变形监测软件(“APSWIN+MRDiff自动极坐标实时差分监测系统”),是在学习、消化和吸收瑞士Leica公司研制的自动极坐标测量系统APSWIN的基础上,通过实际的工程应用,并结合国内用户的实际需求成功研制的。
目前,该系统己在新疆三屯河水库大坝外部变形监测等工程中发挥作用。
武汉大学测绘学院张正禄、梅文盛教授也于2002年开发研制了测量机器人变形监测系统GRT-DEMOS(GeoRobotDeformationMonitoringSystem),并在三峡工程库区巴东滑坡段进行了成功试验。
同时,为了使学生很好地理解和掌握测量机器人自动化测量系统的整体特点和优势,使基于智能型全站仪的自动化测量系统得到更多更好的应用,武汉大学测绘科学与技术学院开发研制了测量机器人的自动测量教学实践系统。
测量机器人目前在国内的应用主要有:
1997年10月在五强溪水力发电站大坝,进行了测量机器人自动变形监测系统(SMAMS)的现场实验(张学庄等,1999),系统监测精度可达到亚毫米级。
1999年11月在新疆三屯河水库大坝(马伟明,2004),2000年6月在小浪底大坝(渠守尚等,2001)的外部变形监测中分别采用了由TCA2003、TCAl800和APSWin组成的极坐标自动变形监测系统,实现了大坝的无人值守全自动监测。
2001年8月在广州地铁陈家祠站(包欢等,2003),进行地铁运行时的持续自动化极坐标变形监测试验,与其它传感器监测的结果相比取得了较好效果。
2004年在广州地铁陈黄沙站(卫健东等,2005),基于6台测量机器人建立了监测网络系统,运行取得了较好效果。
2006年在云南溪洛渡水电站(李双平等,2007)的变形监测网中采用TcA2003进行了边长和方向观测,投资省、自动化程度高、可靠性强。
在上海罗泾港宝钢矿石堆场(张晓日,2007),利用TCAl800和GeoMos软件组成的结构监测解决方案,实现了对堆场吊车轨道的监测,效果极佳。
测量仪器的新产品在不断改进和革新,徕卡公司推出了TPSl200和TPS2000系列,改进了仪器结构,提升了操作模式;
拓普康公司推出了GPT9000系列,采用触摸式屏幕,集成WinCE操作系统:
Trimble在收购蔡司等公司后推出了集成磁悬浮技术的S6和S8测量机器人。
未来测量机器人的概念已提出(H.Kahmen),未来的测量机器人不需要合作目标,将可根据物体的特征点、轮廓线和纹理,用影像处理的方法自动识别、匹配和照准目标,采用空间前方交会的原理获取物体的三维坐标及形状,且将在人工智能方面得到进一步发展,其应用范围将进一步扩大。
1.3本文的研究内容
本文的研究内容本文主要内容为:
1、概述了测量机器人的形成和发展历程,以及测量机器人的现状和发展趋势,详细的叙述了测量机器人的基本理论,并且对现在比较成熟的几种测量机器人作了简单介绍。
2、对GeoBasic开发测量程序的特点作了详细的叙述,并对其编程框架进行了简单介绍。
对系统中用到的主要GeoBasic函数做了列表说明其功能。
3、对变形监测网进行分析和总结,对三种模型进行解析,为测量机器人在变形监测中的应用做好铺垫
4、以某矿山为例和某高寒地区水电建筑为例,对其进行变形监测,得出数据进行分析,比较出测量机器人的高效性,稳定性。
测量机器人完全可以替代人完成许多测量任务,具有全自动、遥测、实时、动态、精确、快速等优点。
第2章测量机器人及其工作原理的介绍
2.1测量机器人的结构组成
机器人是我们人类仿照自己的思维行为方式制造出来的,它也主要由三部分组成,即控制器、动力源和机械操纵装置。
测量机器人是机器人的一种,只是由于测量工作的需要,其机械操纵装置相对特殊而称之为测量机器人。
测量机器人组成的三部分简要描述如下。
1、控制器
控制器是机器人的大脑,它可以简单到一个带有一系列模块的定序结构,也可以复杂到一组分层式计算机。
现代控制器有如下几个特点:
(1)有记忆装置,用以存储程序和数据;
(2)有驱动元件,用于实现机器人的各个自由度;
(3)有接口元件,使机器人能够接受外部信号;
(4)有专用的微处理器,是可编程序的;
一般来说,控制系统可分为两种类型,称为开环系统和闭环系统,再结合“伺服”和“非伺服”这两个概念(所谓“伺服”是指对动作位置等的连续控制,“非伺服”通常是由机械限位机构控制),常采用的控制系统有:
开环控制系统、非伺服控制系统、伺服闭环控制系统、整体型闭环控制系统、智能型闭环控制系统,在这5种系统中,最复杂的就是智能型闭环控制系统了,这种控制器目前还处于开发和研究阶段。
测量机器人的视觉传感器用来比较目标的实际和设计位置,并产生误差信号,在闭环控制系统中,误差信号被最小化,从而实现高精度的目标定位,即精密定位,所以现在的测量机器人都是采用闭环控制系统的。
2、动力系统
没有动力,机器人就将是一堆废物。
用作机器人的动力源通常有电动、液动和气动。
液压动力源通常用于搬运较重负荷的机器人,或用于易爆环境中,如喷漆机器人。
电力驱动的机器人适合中等负荷且要求精度高的场合。
气压动力源常用于执行简单的“抓.放”动作的机器人。
测量机器人荷载小,只有自身的机身,要求使用方便,容易控制,测量毕竟是一门非常细致的工作,精度要求高。
测量机器人经常要求在垂直面和水平面上旋转,需要较高的回转力。
另外,相对于常规机器人来说,测量机器人尺寸小,重量轻,造价一般。
综合这些因素,一般情况下,测量机器人利用电能驱动步进马达。
3、机械操纵装置
常规机器人的外形本来就模仿人类而来,那么其机械操纵装置也就跟人类的四肢很相似,主要包括机械手、机械手腕、手端器具(包括顺应性手端器具)。
而就测量机器人来说,这些东西都是多余的。
如果非要有这些东西的话,那么,测量机器人中继承于经纬仪的横轴和竖轴就相当于机械手腕,集成的CCD传感器就相当于手端器具。
基于其重要结构,这里着重介绍下测量机器人的坐标系统。
为了完成一项任务,我们通常要求机器人能够运动到期望的空间位置,而这些空间位置通常是用点的坐标表示出来的。
机器人可以通过向前向后、向左向有、向前向后的运动到达目的地。
根据机器人的不同运动方式,描述机器人运动常用的几种几何坐标系统如图2-1所示
图2—1常用机器人运动的坐标系统
类型a:
笛卡尔直角坐标系
其特点是做上下、左右、前后的运动,机器人的活动空间是个长方体,所执行的动作是在有限的长方体空间以内。
这种机器人活动范用较小,不够灵活。
类型b:
圆枉面坐标系
其特点是做上下、前后(左右)的运动且可以在水平面内做旋转运动,所执行的动作是在个圆柱体空间以内。
这种机器人活动范围一般,较灵活。
类型c:
球面坐标系
其特点类似于经纬仪的结构.机器人可绕垂直轴和水平轴做旋转运动,外部手臂还可做前后运动(测量机器人中被光学距离传感器代替)。
现在的测量机器人都是采用这种坐标系统。
这种机器人活动范围较大
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