一种海上钢管桩沉桩测量定位方法技术

本发明专利技术是一种海上钢管桩沉桩测量定位方法，具体为：在打桩船上构建定位系统，定位系统包括三台GPS定位仪、四台激光扫描仪、两台倾斜仪和一台摄像机；系统的预定位，利用打桩船上三台GPS定位仪和两台倾斜仪确定船体的位置和姿态，通过对船体参数的测定、船体坐标系统与工程坐标系统的转换关系得到钢管桩导向架抱桩器中心的绝对位置，用以引导打桩船进入作业位置抛锚驻位，进行吊桩、立桩；系统的精确定位，利用三台GPS定位仪实时定位的基础上，利用四台激光扫描仪的线扫描功能实现了钢管桩垂直度实时监测。本发明专利技术改进优化后的定位系统具备全面、实时、自动监测打桩定位功能；自动监测船体姿态，显示已沉桩位位置，防止碰桩；测量精度高。度高。度高。

【技术实现步骤摘要】
一种海上钢管桩沉桩测量定位方法


[0001]本专利技术涉及海上作业测量的
，尤其涉及一种海上钢管桩沉桩测量定位方法。

技术介绍

[0002]当前，国内海上钢管桩沉桩方法主要有两种：第一种为，在码头施工或者小直径桩基施工采用打桩船进行沉桩施工；第二种为，在大直径钢管桩沉桩时，采用起重船和振动锤进行沉桩施工。
[0003]但是对于沉桩地质为花岗岩地质，岩面起伏较大、地质情况复杂且为大潮差、浅覆盖层的施工环境，钢管桩沉桩存在的最大潮差达6.92m，长短桩差15m的条件，采用一般定位方法不能达到沉桩精度要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在解决现有技术的不足，而提供一种海上钢管桩沉桩测量定位方法。
[0005]本专利技术为实现上述目的，采用以下技术方案：
[0006]一种海上钢管桩沉桩测量定位方法，具体为：
[0007]S1、在打桩船上构建定位系统
[0008]定位系统包括布设在打桩船上的三台GPS定位仪、四台激光扫描仪、两台倾斜仪和一台摄像机；
[0009]S2、钢管桩沉桩的测量定位
[0010]S21、系统的预定位
[0011]利用打桩船上三台GPS定位仪和两台倾斜仪确定船体的位置和姿态，通过对船体参数的测定、船体坐标系统与工程坐标系统的转换关系得到钢管桩导向架抱桩器中心的绝对位置，用以引导打桩船进入作业位置抛锚驻位，进行吊桩、立桩；
[0012]S22、系统的精确定位
[0013]在利用三台GPS定位仪实时定位的基础上，利用四台激光扫描仪的线扫描功能实现钢管桩垂直度实时监测；
[0014]预定位完成后起吊钢管桩，在钢管桩进入抱桩器并在设计桩位0.5m范围时自动内切换至精确定位；精确定位是通过四台激光扫描仪的同步数据来确定当前钢管桩的位置及垂直度偏差，进而引导调节抱桩器的液压装置，使钢管桩的垂直度和位置偏差满足设计及规范要求。
[0015]步骤S21中，船体参数的测定、船体坐标系统与工程坐标系统的转换的具体步骤为：
[0016]S211、船体位置及姿态确定
[0017]通过三台GPS定位仪实时定位坐标以及两台倾斜仪可以确定船体位置及姿态，可以确定船体上任何位置的空间坐标，从而推断出钢管桩中心实时坐标；
[0018]坐标系统O
‑
XYZ对应的是三维船固坐标系统，假设船体的纵倾和横倾分别为α和β，首先绕X轴顺时针旋转β角，得到坐标系XY
″
Z
′
，该坐标系绕Y
″
轴逆时针旋转α得到过三维船固坐标系原点且位于水平面的坐标系统O
‑
X
″
Y
″
Z
″
，称该坐标系统为瞬时船体水平坐标系统，该坐标系统中的平面坐标与工程坐标系统存在平移、旋转的关系；
[0019]三维坐标系统之间的旋转矩阵如下：
[0020][0021][0022][0023]旋转角为从各个旋转轴的正向看，逆时针旋转角为正，顺时针为负；
[0024]由三维船固坐标系统O
‑
XYZ转换到瞬时船体水平坐标系统O
‑
X
″
Y
″
Z
″
的转换矩阵如下：
[0025]R＝R
X
(
‑
β)
·
R
Y
(α)
[0026]工程坐标系统xoy与瞬时船体水平坐标系统XOY之间的关系式如下：
[0027][0028]其中α为X轴逆时针旋转到x轴的角度；
[0029]S212、船体坐标系与GPS定位仪坐标系转换
[0030]由于打桩船上设备位置和桩中位置是根据船体坐标系进行计算的，而GPS定位仪的坐标为工程坐标系坐标，通过系统将桩心坐标转换至工程坐标系进行实时定位；
[0031]船体坐标系统与工程坐标系统都是平面直角坐标系统，将XB，YB转换为XP，YP的计算公式如下：
[0032][0033]其中
[0034][0035]Xp、Yp为瞬时船体坐标系坐标；
[0036]X
D
、Y
D
为WGS84坐标系坐标；
[0037]ΔXp、ΔYp为坐标平移参数；
[0038]x
p
、y
p
为现场施工坐标系坐标；
[0039]公式中的2个平移参数(ΔXp，ΔYp)和1个旋转参数(α
BP
)需要根据GPS定位仪实时定位结果计算。
[0040]打桩船上的定位系统的具体布置如下：
[0041]第一GPS定位仪安装在操作室顶部右侧，第二GPS定位仪安装在甲板右侧测量支架上，第一GPS定位仪、第二GPS定位仪通过电缆、差分天线与操作室的主机相连，第三GPS定位仪在甲板左侧测量支架顶部，第三GPS定位仪通过电缆、差分天线与室外防护箱内主机相连；
[0042]第一激光扫描仪、第二激光扫描仪布置在钢管桩导向架的抱桩器左右侧船舷边上，第三激光扫描仪布置在甲板左侧测量支架的中层，第四激光扫描仪布置在甲板左侧测量支架的上层，第一激光扫描仪、第二激光扫描仪、第三激光扫描仪、第四激光扫描仪通过网线接入室外防护箱内的无线路由器并与操作室的主机进行连接；
[0043]第一倾斜仪布置在操作室，数据直接接入操作室的主机，第二倾斜仪布置在甲板左侧测量支架的上层，第二倾斜仪与第四激光扫描仪位置对应；
[0044]摄像机布置在第一激光扫描仪处，通过网线和室外防护箱内主机连接。
[0045]甲板右侧测量支架、甲板左侧测量支架的高度为8.5m。
[0046]第一激光扫描仪、第二激光扫描仪位置低于甲板面高度0.5m，第三激光扫描仪距离甲板高度为3.5m；第四激光扫描仪距离甲板高度为7.5m。
[0047]室外防护箱布置在甲板左侧测量支架上，距离甲板高度1.3m；室外防护箱内布置有与第三GPS定位仪3相连的主机、串口服务器、与四台扫描仪连接的无线路由器及接线柱，通过综合线和操作室内主机连接。
[0048]步骤S22中系统的精确定位包括：
[0049]第一激光扫描仪、第二激光扫描仪确定出钢管桩下部的桩中心坐标，第三激光扫描仪可以确定钢管桩的中部桩中心坐标，第四激光扫描仪可以确定钢管桩的上部桩中心坐标，根据同一根钢管桩任意上下两个平面位置偏差值和相应扫描仪的高差，可以确定出每根桩的垂直度。
[0050]步骤S22中系统的精确定位时：
[0051]在高潮位时利用下层和中层的第一激光扫描仪、第二激光扫描仪、第三激光扫描仪控制调节钢管桩的垂直度；在低潮位时可以先利用下层和上层的第一激光扫描仪、第二激光扫描仪、第四激光扫描仪控制，待钢管顶标高低于上层的第四激光扫描仪时，再利用第一激光扫描仪、第二激光扫描仪、第三激光扫描仪控制其垂直度。
[0052]在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上钢管桩沉桩测量定位方法，其特征在于，具体为：S1、在打桩船上构建定位系统定位系统包括布设在打桩船上的三台GPS定位仪、四台激光扫描仪、两台倾斜仪和一台摄像机；S2、钢管桩沉桩的测量定位S21、系统的预定位利用打桩船上三台GPS定位仪和两台倾斜仪确定船体的位置和姿态，通过对船体参数的测定、船体坐标系统与工程坐标系统的转换关系得到钢管桩导向架抱桩器中心的绝对位置，用以引导打桩船进入作业位置抛锚驻位，进行吊桩、立桩；S22、系统的精确定位在利用三台GPS定位仪实时定位的基础上，利用四台激光扫描仪的线扫描功能实现钢管桩垂直度实时监测；预定位完成后起吊钢管桩，在钢管桩进入抱桩器并在设计桩位0.5m范围时自动内切换至精确定位；精确定位是通过四台激光扫描仪的同步数据来确定当前钢管桩的位置及垂直度偏差，进而引导调节抱桩器的液压装置，使钢管桩的垂直度和位置偏差满足设计及规范要求。2.根据权利要求1所述的一种海上钢管桩沉桩测量定位方法，其特征在于，步骤S21中，船体参数的测定、船体坐标系统与工程坐标系统的转换的具体步骤为：S211、船体位置及姿态确定通过三台GPS定位仪实时定位坐标以及两台倾斜仪可以确定船体位置及姿态，可以确定船体上任何位置的空间坐标，从而推断出钢管桩中心实时坐标；坐标系统O
‑
XYZ对应的是三维船固坐标系统，假设船体的纵倾和横倾分别为α和β，首先绕X轴顺时针旋转β角，得到坐标系XY
″
Z
′
，该坐标系绕Y
″
轴逆时针旋转α得到过三维船固坐标系原点且位于水平面的坐标系统O
‑
X
″
Y
″
Z
″
，称该坐标系统为瞬时船体水平坐标系统，该坐标系统中的平面坐标与工程坐标系统存在平移、旋转的关系；三维坐标系统之间的旋转矩阵如下：三维坐标系统之间的旋转矩阵如下：三维坐标系统之间的旋转矩阵如下：旋转角为从各个旋转轴的正向看，逆时针旋转角为正，顺时针为负；由三维船固坐标系统O
‑
XYZ转换到瞬时船体水平坐标系统O
‑
X
″
Y
″
Z
″
的转换矩阵如下：R＝R
X
(
‑
β)
·
R
Y
(α)
工程坐标系统xoy与瞬时船体水平坐标系统XOY之间的关系式如下：其中α为X轴逆时针旋转到x轴的角度；S212、船体坐标系与GPS定位仪坐标系转换由于打桩船上设备位置和桩中位置是根据船体坐标系进行计算的，而GPS定位仪的坐标为工程坐标系坐标，通过系统将桩心坐标转换至工程坐标系进行实时定位；船体坐标系统与工程坐标系统都是平面直角坐标系统，将(XB，YB)转换为(XP，YP)的计算公式如下：其中α
BP
为工程坐标系统到船体坐标系统的旋转参数；Xp、Yp为瞬时船体坐标系坐标；X
D
、Y
D
为WGS84坐标系坐标；ΔXp、ΔYp为坐标平移参数；x
p

【专利技术属性】
技术研发人员：李建如，林路宇，林柏新，钞强，常青，索穆，岳磊，方超，祝自梁，范宇佳，王冲，孙卫晓，宁泽峰，李乐，陈嘉伟，
申请(专利权)人：中交一航局第一工程有限公司，
类型：发明
国别省市：