一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法技术

本发明专利技术公开了一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，包括以下步骤：在转体桥梁上布置基准点并建立对应的三维空间坐标系，采集所述基准点的初始坐标A0和转体变化后的坐标A1；基于刚体空间位置变换基本理论以及所述基准点的初始坐标A0和转体变化后的坐标A1，计算刚性变换矩阵H，确定结构运动特征；获取梁体的关键位置测点的初始坐标值B0，根据结构运动特征，计算所述梁体的关键位置测点在转体过程中任意时刻的坐标值B1，实现所述转体桥梁的空间位置的高精度实时预测。本发明专利技术的优点是：具有操作方便快捷的优点，可以节省大量人力物力财力，有效提高转体桥梁空间位置实时预测的精确性和鲁棒性。精确性和鲁棒性。精确性和鲁棒性。

A high-precision real-time prediction method for the spatial position of large rotating bridges

【技术实现步骤摘要】
一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法


[0001]本专利技术涉及桥梁的
，尤其是一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法。

技术介绍

[0002]随着我国交通事业的发展，立体交叉线路不断增多，如何避免施工对既有线路的干扰成为目前桥梁工程领域的研究重点。桥梁转体技术本质上是利用桥梁本身的结构来做支撑，以避免在河道或交通线上搭设支架，待修建完成后再旋转到位。桥梁转体施工对交通干线造成的干扰小，交通运输部明确规定存在跨越的地方必须转体施工。因此，进一步研究和完善桥梁转体施工技术，实现“转得动，转得稳，转得准”的目标对于桥梁工程发展具有重要意义。现有的转体施工控制主要采用牵引索牵拉转体，若转体超过设计角度，则只能采用千斤顶顶推回位，因此对精准转体提出了较高的要求。另一方面，由于固定在上部结构（上转盘）的撑脚与滑道之间存在空隙，转体过程中梁体在绕竖轴转动的同时，还存在绕结构纵、横向的转动，导致转体结构的空间位置在一定范围内具有不确定性。因此，要确保“转得准”，实现转体桥梁跨越障碍、穿越指定空间等精准动作，对桥梁转体全过程进行监测是重要的环节。转体过程监控主要包括结构变形监控与转体角度监控，监测设备和方法包括转盘指针、全站仪、卫星定位等。
[0003]转盘指针法是目前最广泛应用的转体角度监测方法，分为激光投线仪法与机械转盘指针法，二者原理相同，利用各类“指针”对位来实现对桥梁转体过程中的位置监测，能够防止转体过度。但这类方法对精度控制较差，少量的角度指示误差就可导致梁体悬臂端产生明显偏差；另一方面单一的角度监测而忽略对结构竖向位移量测，不利于桥梁转体的顺利实施。卫星定位系统监控可实现全自动的测量，但其设备使用有较高的条件要求，且通信信号受外界干扰较大、稳定性差，不利于精准转体的实施，这类方法目前还处于探索阶段。全站仪观测法操作简单、方法成熟，对于大多数转体桥梁，只要找到一个可进行全过程监测的测站点就可进行关键点坐标直接量测，故受到广泛青睐。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，可根据刚体基准点的初始坐标和变化后坐标计算出刚性变换矩阵，并将其与控制点初始姿态结合以得到控制点的目标形态，有效提高转体桥梁空间位置实时预测的精确性和鲁棒性。
[0005]本专利技术目的实现由以下技术方案完成：一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：（S1）在转体桥梁上布置基准点并建立对应的三维空间坐标系，采集所述基准点的初始坐标A0和转体变化后的坐标A1；
（S2）基于刚体空间位置变换基本理论以及所述基准点的初始坐标A0和转体变化后的坐标A1，计算刚性变换矩阵H，确定结构运动特征；（S3）获取梁体的关键位置测点的初始坐标值B0，根据结构运动特征，计算所述梁体的关键位置测点在转体过程中任意时刻的坐标值B1，实现所述转体桥梁的空间位置的高精度实时预测。
[0006]在步骤S1中，在所述转体桥梁的上转盘上选取所述基准点的位置。
[0007]在步骤S2中，空间中一组点集P={p
i |p
i
∈R,i=1,2,
…
n}通过空间变换为点集Q={q
i |q
i
∈R,i=1,2,
…
n}，按下式（1）计算从P到Q的坐标变换：q
i
=Hp
i
（1），式中，q
i
和p
i
为空间点集P和Q中的四维列向量，表示P和Q中每个点的三个位置坐标，p
i
=[x
i
，y
i
，z
i
，1]T
、q
i
=[x
i
′
，y
i
′
，z
i
′
，1]T
；H为空间物体坐标变换矩阵；按下式（2）计算空间物体坐标变换矩阵H：
ꢀꢀꢀꢀ
（2），式中，R为旋转变换矩阵，t为平移向量，v为透视变换向量，S为整体比例因子；对于空间刚体，为保证其变换后形状大小保持不变，在式（2）中，设v为0向量，S为1，按下式（3）和式（4）计算旋转变换矩阵R和平移向量t：
ꢀꢀ
（3），
ꢀꢀꢀꢀ
（4），式中，α、β、γ分别为物体绕x、y、z三轴的旋转角度，t
x
、t
y
、t
z
分别为物体沿三轴方向的位移；此时空间物体坐标变换矩阵H称为刚性变换矩阵，当不考虑形状大小变化时，由三个转角和三个位移参数可形成该刚性变换矩阵；对于刚体位置变换，可结合坐标点的变化来识别空间物体坐标变换矩阵H；按下式（5）和式（6）计算旋转变换矩阵R：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（5），
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（6），
式中，a
i
=[x
i
，y
i
，z
i
]T
，i=1~3为实体点集P中选取三个不共线的关键点，其运动后对应的点为b
i
=[x
i
′
，y
i
′
，z
i
′
]T
，i=1~3；η
i
和η
i
′
为对应向量间的向量方向；按下式（7）计算平移向量t：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7），式中，[x
i
，y
i
，z
i
]T
和[x
i
′
，y
i
′
，z
i
′
]T
分别为关键点变化前、变化后坐标，R为旋转变换矩阵；按下式（8）计算刚性变换矩阵H：
ꢀꢀꢀ
（8），式中，R为旋转变换矩阵，t为平移向量，O为0向量；根据上述刚体空间位置变换基本理论及计算公式，由所述基准点的初始坐标A0和转体变化后的坐标A1可得刚性变换矩阵H，作为结构运动特征。
[0008]在步骤S3中，按下式（9）计算关键位置测点在转体过程中任意时刻的坐标值B1：B1=HB
0 （9），式中，B0为梁体关键位置测点初始坐标值，H为刚性变换矩阵。
[0009]本专利技术的优点是：可根据刚体基准点的初始坐标和变化后坐标计算出刚性变换矩阵，并将其与控制点初始姿态结合以得到控制点的目标形态；只需监测转体中心附近基准点坐标，而不用对悬臂端控制点坐标进行直接监测，即可预测桥梁在转体过程中任意时刻的空间位置；具有操作方便快捷的优点，可以节省大量人力物力财力，有效提高转体桥梁空间位置实时预测的精确性和鲁棒性。
附图说明
[0010]图1为本专利技术大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法的流程示意图；图2为本专利技术转体桥上转盘局部坐标监测点图；图3为本专利技术转体桥观测站位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：（S1）在转体桥梁上布置基准点并建立对应的三维空间坐标系，采集所述基准点的初始坐标A0和转体变化后的坐标A1；（S2）基于刚体空间位置变换基本理论以及所述基准点的初始坐标A0和转体变化后的坐标A1，计算刚性变换矩阵H，确定结构运动特征；（S3）获取梁体的关键位置测点的初始坐标值B0，根据结构运动特征，计算所述梁体的关键位置测点在转体过程中任意时刻的坐标值B1，实现所述转体桥梁的空间位置的高精度实时预测。2.如权利要求1所述的一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，其特征在于，在步骤S1中，在所述转体桥梁的上转盘上选取所述基准点的位置。3.如权利要求2所述的一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，其特征在于，在步骤S2中，空间中一组点集P={p
i |p
i
∈R,i=1,2,
…
n}通过空间变换为点集Q={q
i |q
i
∈R,i=1,2,
…
n}，按下式（1）计算从P到Q的坐标变换：q
i
=Hp
i
（1），式中，q
i
和p
i
为空间点集P和Q中的四维列向量，表示P和Q中每个点的三个位置坐标，p
i
=[x
i
，y
i
，z
i
，1]
T
、q
i
=[x
i
′
，y
i
′
，z
i
′
，1]
T
；H为空间物体坐标变换矩阵；按下式（2）计算空间物体坐标变换矩阵H：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（2），式中，R为旋转变换矩阵，t为平移向量，v为透视变换向量，S为整体比例因子；对于空间刚体，为保证其变换后形状大小保持不变，在式（2）中，设v为0向量，S为1，按下式（3）和式（4）计算旋转变换矩阵R和平移向量t：
ꢀꢀꢀ
（3），
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4），式中，α、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋，朱克宏，刘亚帅，吴永煌，李厚荣，张绳忠，翟云锋，徐作林，李江龙，
申请(专利权)人：中铁二十四局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：