一种高精度地面平整度测量系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度地面平整度测量系统和方法。激光定位地面站布置在地面上，和无人机飞行平台通信产生虚拟水平面；无人机飞行平台飞行在被测地面上方空间中，对被测地面进行扫描和逐点测试；高程测量载荷装在无人机飞行平台，朝下测量到被测地面的垂直距离；方法是利用无人机飞行平台和高程测量载荷，结合无人机位置得到地面标高数据，通过数据处理和数据校正，得到被测地面的平整度信息。本发明专利技术对被测地面高度进行高精度测量，也对施工过程中的未凝结水泥面进行测量，从而为浇筑表面平整度的修整提供参考数据，支持自动铺砖机的应用，不需重新找平和自流平工艺，提高了建筑施工效率。工效率。工效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度地面平整度测量系统和方法


[0001]本专利技术属于精密测量
中的一种表面测量系统方法，尤其是涉及了一种高精度地面平整度测量系统和方法，可用于建筑机器人领域。

技术介绍

[0002]我国是世界上基建水平最高的国家之一，前期得益于人工费用优势，发展迅速；近期随着人工费用的提高以及建筑效率的需求，对基建自动化的要求不断提高，这里面需要不同的建筑机器人以及对应的建筑测量仪器等。
[0003]建设机器人从首个专利技术至今有多年的历史，先后经历了机械传动和液压到机器人化三代，其中建设机器人发展的里程碑是能遥控、自动和半自动控制，可在自然环境中进行多种作业。典型建设机器人的机种按其共性技术可分为三种：操作高技术、节能高技术和故障自行诊断技术。其研究内容丰富，技术覆盖面广，随着机器人技术的发展，高可靠性、高效率的建设机器人已经进入市场，并且具备广阔的发展和应用前景。
[0004]建设机器人从专利技术到现今已经历了一百多年的历史，先后经历了机械传动和液压传到两代。现机器人化的工程机械被称为第三代，称为工程机械发展的里程碑。建设机器人能遥控、自动和半自动控制，可以在自然环境中进行多种作业，其中以自然作业为最大特征。建设机器人的机种很多，按其共性技术可归纳为三种：操作高技术、节能高技术和故障自行诊断技术。其研究内容丰富，技术覆盖面广，随着机器人技术的发展，高可靠性、高效率的建设机器人已经进入市场，并且具备广阔的发展和应用前景。典型的建筑机器人包括施工机器人、运输及上料机器人、集中工作站等，其配套实现多机协同装修施工作业，可以实现装修阶段端到端的智能建造，构建了完整的全周期施工闭环，提高建筑施工效率和效果。
[0005]在施工过程中，对于已摊铺地面的检测是一个重要的功能，通过对未凝固水泥地面高低测量，和水平面进行对比，可以得到施工地面的平面度，未地面在凝固前的修整提供重要的信息。
[0006]在大面积的混凝土摊铺施工过程中，需要对摊铺机等自动化施工机器人完成的施工面进行复检。目前采用的是人工单点测量的方法，由测量人员手持激光标高探测装置进入指定位置，接收基准激光，给出标高数据。采用这种已有方法测量，会破坏施工面，测量效率低、精度差、大面积测量结果实时性差，而且需要人工参与，严重影响了建筑施工的标准化、自动化程度。目前亟需一种能克服上述缺点的测量系统，完成自动化摊铺施工中“实时、高精度、自动化复测”这一十分重要的过程。
[0007]针对以上情况，有两种潜在的无损测量方案：
[0008]第一种采用定点高精度扫描的方式，即在待测量地面的边缘位置，架设高精度三维扫描系统，对地面进行扫描。该方案实施简单，但是存在测量范围小的缺点。首先扫描仪测距精度随着距离增大而下降，10米处标称测距误差已大于
±
1mm(faro focus)，而一般三维扫描系统的架设高度，不会超过待测地面2 米，大部分情况架设高度在一人高左右，在10米处的对地面的入射角约为80 度，相当于掠射入射，测距误差迅速增大，远超标称误差。此
方案只适合小范围地面测量，如入射角60度以内，即相对架设点位置周围4米之内。
[0009]第二种采用激光跟踪仪，跟踪飞行平台，携带激光扫描仪的方式，有效解决了激光扫描仪的距离和入射角问题，一直使激光扫描仪测距工作在近距离范围(如2米)，入射角极小(几乎垂直入射地面)模式。此方案激光跟踪仪成本较高，跟踪测量带宽可能无法消除飞行平台的振动问题。同时作为激光跟踪仪设备，无法实时获取测量数据，没有与飞行平台形成实时联动反馈。
[0010]另外对于施工地面测量中，传统技术是通过人力结合入场测量的方式，这种方式主要由几个问题：
[0011]首先是浸入式测量，会破坏浇筑尚未凝结的地面；
[0012]其次是测量采样点少、速度慢，只能完成有限点数的测量；
[0013]最后测量精度一般，难以指导后续的修整工作，无法达到自流平精度，在此基础上无法直接实现瓷砖铺贴等工作。

技术实现思路

[0014]针对建筑施工过程中对摊铺面等对地面平整度的高精度测量需求，为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种高精度地面平整度测量系统和方法，是利用无人机技术配合测距模块实现地面平整度高精度测量的方案，充分利用现有无人机技术和基于TOF的高精度测距构成测量系统，实现高精度无接触测量，实现对地面的高精度测量，结合拟合算法，实现对地面平整度等关键参数的快速高精度测量，从而未地面修整提供核心传感器，可以满足建筑等领域的应用，提高建筑效率和施工效能。
[0015]同时，可以进一步通过在无人机上增加ccd，线性PSD等光电探测器，通过对激光定位地面站的虚拟水平面的探测，探测无人机的和其相对的位置信息，作为校正参数，从而可以降低对无人机位置控制的精度要求和控制带宽的要求。
[0016]本专利技术所采用的技术方案的该方法的步骤如下：
[0017]一、一种高精度地面平整度测量系统：
[0018]包括激光定位地面站，布置在地面上，和无人机飞行平台交互通信，用于产生控制无人机飞行平台水平的虚拟水平面；
[0019]包括无人机飞行平台，飞行在被测地面上方的空间中，且对被测地面进行扫描和逐点的垂直高度测试；
[0020]包括高程测量载荷，安装布置在无人机飞行平台，用于朝下测量到被测地面之间的垂直距离。
[0021]所述的高程测量载荷为高精度宽频激光测距模块。
[0022]所述的激光定位地面站产生激光脉冲形式的激光束或激光面，由激光束或激光面组成虚拟水准面。
[0023]所述的激光定位地面站内部具有二维水平仪，通过二维水平仪提供水平方向并通过调整激光束或激光面是否处于水平位置，通过光束扫描方式由扫描激光提供虚拟的虚拟水准面作为高度测量的基准。
[0024]所述的激光定位地面站具体主要由光路系统和虚拟水准面控制单元构成，
[0025]光路系统包括依次连接的激光光源、驱动电路和光束控制光路，用于产生测量范
围内的激光脉冲；
[0026]虚拟水准面控制单元主要由二维倾角测量单元和调平执行机构的两部分组成，二维倾角测量单元作为二维水平仪测量脉冲激光平台倾斜角度，并控制调平执行机构调整至水平位置，以保证出射的激光脉冲的水平度，提供形成虚拟水平面。
[0027]所述的高程测量载荷包括用于单点测距的单点激光测距模块和基于飞行时间测量原理的用于多点阵列测距的面阵激光测距模块中的一种或者两种结合。
[0028]其中单点激光测距模块具有测量速度快、精度高，通过额外附加一维扫描装置，测量室内墙壁与地面的角落；面阵激光测距可解决墙面与地面连接处判别问题；两种模块根据测量需求选定。
[0029]所述的无人机飞行平台主要由含飞控模块的无人机、光电探测模块构成；高程测量载荷安装在无人机上，无人机携带高程测量载荷完成对地垂直方向的相对距离测量；光电探测模块用于配合测量激光定位地面站发出的激光脉冲构成的虚拟水平面。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度地面平整度测量系统，其特征在于：包括激光定位地面站，布置在地面上，和无人机飞行平台交互通信，用于产生控制无人机飞行平台水平的虚拟水平面；包括无人机飞行平台，飞行在被测地面上方的空间中，且对被测地面进行扫描和逐点测试；包括高程测量载荷，安装布置在无人机飞行平台，用于朝下测量到被测地面之间的垂直距离。2.根据权利要求1所述的一种高精度地面平整度测量系统，其特征在于：所述的激光定位地面站产生激光脉冲形式的激光束或激光面，由激光束或激光面组成虚拟水准面。3.根据权利要求1所述的一种高精度地面平整度测量系统，其特征在于：所述的激光定位地面站内部具有二维水平仪，通过二维水平仪提供水平方向并通过调整激光束或激光面是否处于水平位置。4.根据权利要求1所述的一种高精度地面平整度测量系统，其特征在于：所述的激光定位地面站具体主要由光路系统和虚拟水准面控制单元构成，光路系统包括依次连接的激光光源、驱动电路和光束控制光路，用于产生测量范围内的激光脉冲；虚拟水准面控制单元主要由二维倾角测量单元和调平执行机构的两部分组成，二维倾角测量单元测量脉冲激光平台倾斜角度，并控制调平执行机构调整至水平位置，以保证出射的激光脉冲的水平度，提供形成虚拟水平面。5.根据权利要求1所述的高精度地面平整度测量系统和方法，其特征在于：所述的高程测量载荷包括用于单点测距的单点激光测距模块和用于多点阵列测距的面阵激光测距模块中的一种或者两种结合。6.根据权利要求1所述的高精度地面平整度测量系统和方法，其特征在于：所述的无人机飞行平台主要由含飞控模块的无人机、光电探测模块构成；高程测量载荷安装在无人机上，无人机携带高程测量载荷完成对地垂直方向的相对距离测量；光电探测模块用于配合测量激光定位地面站发出的激光脉冲构成的虚拟水平面。7.应用于权利要求1所述系统的一种高精度地面平整度测量方法，其特征在于：所述方法按照如下步骤进行：(1)首先根据用户需求生成测试序列：根据预先输入的被测地面的范围区域R和二维测量步长生成测试序列；(2)控制无人机飞到一个测试点T(i,j)，在高度方向利用激光定位地面站稳定在虚拟水平面上；(3)启动高程测量载荷进行垂直距离测量，在每一测试点位置按照预设采样频率连续测试l次，每次测试获得垂直距离z(i,j,k)，其中k表示测试次数序数，取值范围为1～l，l为最大测试点数；每一测试点位置下的所有垂直距离z(i,j,k)得到对应于测试点T(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)；(4)对每个测试点T(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)进行滤波，得到测试点T(i,j)的测试结果值h(i,j)；
(5)重复步骤(2)～(4)，直到所有测试点均完成测试，由所有测试点T(i,j)的测试结果值h(i,j)组成二维数据阵列；(6)根据二维数据阵列的所有测试结果值h(i,j)进行处理获得两个正交方向上的倾角以及与地面的实际平面度。8.根据权利要求7所述的一种高精度地面平整度测量方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：二维测量步长在预先选定的两个正交方向上的步长分量分别为dx0和dy0；在被测地面的范围区域R内的两个正交方向上分别以步长分量dx0和dy0进行间隔阵列设置多个测试点T(i,j)，T(i,j)表示被测地面的范围区域R内的第i行第j列的测试点，T(i,j)＝[x(i)，y(j)]，其中x(i)、y(j)分别表示测试点...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杏藩，洪桂杰，费宇明，
申请(专利权)人：杭州灵瞳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：