一种耦合地下管网BIM模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法技术

本发明专利技术涉及一种耦合地下管网BIM模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法，旨在弥补现有挖掘机智能引导系统的不足，针对路面挖掘作业的特点，利用挖掘机智能引导装置，耦合地下管网BIM模型，提出了一种路面挖掘作业智能引导及安全预警方法，可同步实现车载端与客户端地下管网和挖掘机的BIM模型三维可视化，直观引导操作员进行挖掘作业，可对路面挖掘作业进行多级安全预警，防止挖掘机铲斗与地下管网碰撞。与现有的挖掘机智能引导技术相比较，不仅可实现路面挖掘作业可视化引导，而且具有独特的多级安全预警防碰撞功能。特的多级安全预警防碰撞功能。特的多级安全预警防碰撞功能。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合地下管网BIM模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法


[0001]本专利技术属于市政道路工程领域，涉及道路工程挖掘作业技术，尤其是一种耦合地下管网BIM模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法。

技术介绍

[0002]随着城市工业化与信息化的发展，很多基础工程设施需要重建或改造，其中涉及到大量的在地下管网密布情况下的路面挖掘作业。城市路面的挖掘作业可能造成城市地下埋管、电缆等破坏，导致生命财产损失；此外，挖掘作业易受人为因素影响，事中质量控制主要依赖操作手的操作水平和现场旁站监理，施工安全与质量难以得到保障。
[0003]目前已有挖掘机智能引导技术，实现了挖掘机施工姿态的实时感知及监控，可引导操作人员进行精准挖掘作业施工，提高了施工质量与效率。但是，缺乏有效的手段将地下管网位置信息传达给操作手，操作手对于地下管网的存在位置不可视，难以把控挖掘机铲尖与地下管网的相对距离，从而容易引发碰撞事故。所以，有必要通过预先确定的地下管网位置，在挖掘作业过程中实时感知地下管网位置信息，实时判断挖掘机铲尖与地下管网的相对距离，提高路面挖掘作业的安全性，减少安全事故的发生。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决当前挖掘机开挖作业人为因素影响大、质量难以把控、威胁地下管网安全的问题，提出一种耦合地下管网BIM模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法，依托于先进的定位技术和姿态感知技术，并耦合地下管网BIM模型，实现路面挖掘作业的智能引导及实时安全预警，对提高开挖作业的精度、效率与安全性有着十分重要的意义。
[0005]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0006]一种耦合地下管网BIM模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法，包括如下方法步骤：(1)用户登录监控客户端；(2)建立并上传场区地下管网与挖掘机BIM模型；(3)创建挖掘任务，输入挖掘机ID，并按铲尖与管道的距离，设定多级安全预警区；(4)在监控客户端发布挖掘机派遣指令；(5)数据库及应用服务器接收存储挖掘任务信息、BIM模型信息及挖掘机派遣指令；(6)车载终端开机接收挖掘任务信息并下载更新BIM模型；(7)GNSS天线采集挖掘机定位信息；(8)在挖掘机上安装倾角传感器，利用该倾角传感器采集挖掘机机械构件倾角信息，具体方法如下：
[0007]在挖掘机上安装4个倾角传感器用来采集挖掘机机械构件的倾角信息，其中3个为单轴倾角传感器，分别安装在动臂、斗杆及铲斗上，用于采集动臂、斗杆及铲斗的纵向倾斜角度，另1个倾角传感器为双轴倾角传感器，安装在挖掘机主机底盘的动臂下方，用于确定挖掘机车体的纵向及横向倾斜角度，采集的挖掘机机械构件倾角信息实时传输至车载终端，用于后续计算处理；
[0008](9)挖掘机铲尖坐标实时求解，具体方法如下：
[0009]车载终端实时接收GNSS天线采集的挖掘机定位数据及传感器采集的挖掘机机械构件倾角数据，结合挖掘机自身型号与机械尺寸，其分析计算模块实时求解挖掘机铲尖的三维空间坐标，需要测量的机械参数为：主天线定位坐标G1(X1、Y1、Z1)、辅天线定位坐标G2、动臂支点在车辆坐标系中的位置(x
d
、y
d
、z
d
)、动臂长度L1、斗杆长度L2、铲斗长度L3、铲斗宽度L4、车体横向倾斜角ζ、车体纵向倾斜角φ、动臂纵向倾斜角θ1、斗杆纵向倾斜角θ2及铲斗纵向倾斜角θ3，挖掘机铲尖坐标由挖掘机的定位坐标G1、G2、挖掘机机械构件尺寸与挖掘机工作姿态控制参数(ζ、φ、θ1、θ2、θ3)计算得出，
[0010]在车辆坐标系下挖掘机铲刀底缘中点坐标为：
[0011]x
中
＝x
d
[0012]y
中
＝y
d
+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3)
[0013]z
中
＝z
d
+L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3)
[0014]在车辆坐标系下挖掘机左铲尖坐标为：
[0015][0016]y
左
＝y
d
+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3)
[0017]z
左
＝z
d
+L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3)
[0018]在工区坐标系下挖掘机左铲尖坐标为：
[0019][0020][0021]K是应用欧拉公式获得的旋转矩阵，其中φ是车体的纵向倾斜角，ζ是车体的横向倾斜角，由双轴倾角传感器获得，是车身与正北方向的夹角，由G1与G2计算获得，
[0022]同理，也可以计算出工区坐标系下挖掘机右铲尖的坐标；
[0023](10)实时解算挖掘机铲尖与地下管网BIM模型最小空间距离S，具体方法如下：
[0024]车载终端的安全预警模块根据挖掘机的GNSS定位的工区坐标，确定挖掘机当前工作位置所属的管道分段，调用距挖掘机当前工作位置最近三个分段的地下管网BIM模型，计算管道距离，该段管道中轴线起止坐标A(x1、y1、z1)与B(x2、y2、z2)两点确定的空间直线方程为：
[0025][0026]其中向量(m,n,p)为直线AB的方向向量，
[0027]通过挖掘机左铲尖坐标C(x
左
、y
左
、z
左
)与直线AB求垂足D的坐标，可联立AB直线方程和与AB直线垂直的平面方程m(x
‑
x
左
)+n(y
‑
y
左
)+p(z
‑
z
左
)＝0进行求解，则D的坐标为(mk+x1,nk+y1,pk+z1)，其中：
[0028][0029]则左铲尖坐标C至直线AB的距离为：
[0030][0031]若垂足D位于线段AB上，则挖掘机左铲尖C与该管道BIM模型空间相对距离为：
[0032]R＝CD
‑
r
[0033]若垂足D在线段AB的延长线上，则R取挖掘机左铲尖C到管道端点A、B外壁距离的最小值，r为管道的半径；
[0034]挖掘机左铲尖C与地下管网所有管道的BIM模型的最小空间距离为：
[0035]S
左
＝min R
i i＝1,2,3
…
M
[0036]其中，M为当前工作区域所包含管道的数量；
[0037]同理，可求得挖掘机右铲尖与调用三个分区中所有管道的BIM模型的最小空间距离S
右
，S
左
与S
右
的小值，即为挖掘机铲尖与地下管网BIM模型最小空间距离S；
[0038](11)安全距离判定、多级安全预警及自动刹车，具体方法如下：
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合地下管网BIM模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法，其特征在于：包括如下方法步骤：(1)登录监控客户端；(2)建立并上传场区地下管网与挖掘机BIM模型，为方便后续模型的调取计算，其中地下管网的BIM模型按一定管道长度进行分段；(3)创建挖掘任务，输入挖掘机ID，并按铲尖与管道的距离，设定多级安全预警区，由远及近分别为安全区、低风险预警区和高风险预警区；(4)在监控客户端发布挖掘机派遣指令；(5)数据库及应用服务器接收存储挖掘任务信息、BIM模型信息及挖掘机派遣指令；(6)车载终端开机接收挖掘任务信息并下载更新BIM模型；(7)利用全球导航卫星系统GNSS天线采集挖掘机定位信息；(8)在挖掘机上安装倾角传感器，利用该倾角传感器采集挖掘机机械构件倾角信息，具体方法如下：在挖掘机上安装4个倾角传感器用来采集挖掘机机械构件的倾角信息，其中3个为单轴倾角传感器，分别安装在动臂、斗杆及铲斗上，用于采集动臂、斗杆及铲斗的纵向倾斜角度，另1个倾角传感器为双轴倾角传感器，安装在挖掘机主机底盘的动臂下方，用于确定挖掘机车体的纵向及横向倾斜角度，采集的挖掘机机械构件倾角信息实时传输至车载终端，用于后续计算处理；(9)挖掘机铲尖坐标实时求解，具体方法如下：车载终端实时接收GNSS天线采集的挖掘机定位数据及传感器采集的挖掘机机械构件倾角数据，结合挖掘机自身型号与机械尺寸，其分析计算模块实时求解挖掘机铲尖的三维空间坐标，需要测量的机械参数为：主天线定位坐标G1(X1、Y1、Z1)、辅天线定位坐标G2、动臂支点在车辆坐标系中的位置(x
d
、y
d
、z
d
)、动臂长度L1、斗杆长度L2、铲斗长度L3、铲斗宽度L4、车体横向倾斜角ζ、车体纵向倾斜角φ、动臂纵向倾斜角θ1、斗杆纵向倾斜角θ2及铲斗纵向倾斜角θ3，挖掘机铲尖坐标由挖掘机的定位坐标G1、G2、挖掘机机械构件尺寸与挖掘机工作姿态控制参数(ζ、φ、θ1、θ2、θ3)计算得出，在车辆坐标系下挖掘机铲刀底缘中点坐标为：x
中
＝x
d
y
中
＝y
d
+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3)z
中
＝z
d
+L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3)在车辆坐标系下挖掘机左铲尖坐标为：y
左
＝y
d
+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3)z
左
＝z
d
+L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3)在工区坐标系下挖掘机左铲尖坐标为：
K是应用欧拉公式获得的旋转矩阵，其中φ是车体的纵向倾斜角，ζ是车体的横向倾斜角，由双轴倾角传感器获得，是车身与正北方向的夹角，由G1与G2计算获得，同理，也可以计算出工区坐标系下挖掘机右铲尖的坐标；(10)实时解算挖掘机铲尖与地下管网BIM模型最小空间距离S，具体方法如下：车载终端的安全预警模块根据挖掘机的GNSS定位的工区坐标，确定挖掘机当前工作位置所属的管道分段，调用距挖掘机当前工作位置最近三个分段的地下管网BIM模型，计算管道距离，该段管道中轴线起止坐标A(x1、y1、z1)与B(x2、y2、z2)两点确定的空间直线方程为：其中向量(m,n,p)为直线AB的方向向量，通过挖掘机左铲尖坐标C(x
左
、y
左
、z
左
)与直线AB求垂足D的坐标，可联立AB直线方程和与AB直线垂直的平面方程m(x
‑
x
左
)+n(y
‑
y
左
)+p(z
‑
z
左
)＝0进行求解，则D的坐标为(mk+x1,nk+y1,pk+z1)，其中：则左铲尖坐标C至直线AB的距离为：若垂足D位于线段AB上，则挖掘机左铲尖C与该管道BIM模型空间相对距离为：R＝CD
‑
r若垂足D在线段AB的延长线上，则R取挖掘机左铲尖C到管道端点A、B外壁距离的最小值，r为管道的半径；挖掘机左铲尖C与地下管网所有管道的BIM模型的最小空间距离为：S
左
＝min R
i i＝1,2,3
…
M其中，M为当前工作区域所包含管道的数量；同理，可求得挖掘机右铲尖与调用三个分区中所有管道的BIM模型的最小空间距离S
右
，S
左
与S
右
的小值，即为挖掘机铲尖与地下管网BIM模型最小空间距离S；(11)安全距离判定、多级安全预警及自动刹车，具体方法如下：车载终端的安全预警模块将实时计算出的挖掘机铲尖与地下管网BIM模型空间相对距离S与设定的多级安全预警距离S
低
及S
高
进行比较，当S＞S
低
时，表明挖掘机铲尖位于安全区；当S
高
＜S＜S
低
时，则表明挖掘机铲尖进入了低风险预警区，同时语音提醒操作...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东海，孙晨阳，李欣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：