車載式柴油打樁機設計【柴油錘】,柴油錘,車載式柴油打樁機設計【柴油錘】,車載,柴油,打樁機,設計 附錄 1：外文翻譯 精確高效的樁驅動器定位系統(tǒng)使用激光測距儀 黃湘琦，竹崎篤，橋本秀樹，井井富郎，博正，池田正五，池口松井 1 東京大學工業(yè)科學研究所 2Shibaura 理工學院 3 中央大學 4 小林公司技術研究所 5 國 家先進工業(yè)科技研究所 摘要：對于現(xiàn)代施工基礎工作，實時定位樁是理想的，但由于測量儀器手工用于標記樁位置，其精度在很大程度上取決于工人的經驗，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)不足。本文通過提出使用激光測距儀（LRF）的高效定位系統(tǒng)來解決這個問題。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，我們的優(yōu)點是可以高精度地實時地自動檢測樁或打樁機的位置。為此，我們首先開發(fā)基于 LRF 的測量系統(tǒng)實時掃描施工現(xiàn)場，并收集 2D 激光點數(shù)據(jù)。然后，我們通過快速擬合 的圓形幾何模型來檢測目標對象，如樁或打樁機，基于最大似然估計（MLE）推理的數(shù) 據(jù)。算法的性能由合成數(shù)據(jù)集合和實數(shù)數(shù)據(jù)集合進行驗證。結果表明我們的方法在未來施工領域的可行性。 1 介紹 動機 如今，各種打樁機在施工現(xiàn)場廣泛應用。堆是一個最重要的部分之一，一旦在正確的位置被驅入土壤時，就為建筑物提供基礎支持。 因此，一種準確有效的樁驅動方法，對于現(xiàn)代化的建筑場地來說，總是令人滿意的。 最常見的打樁方法是基于預先定位使用測量儀器。然而，由于手動程序，它是不足的：1）放置使用測量儀器設計的樁位上的標記，2）用一個挖孔在標記位置具有一定的半徑公差，以及 3）將樁驅動到孔中。該該程序的主要優(yōu)點是：i）至少需要 3 名 工作人員和 1 名操作員用于測量和調整樁位置; ii）他們被要求訓練有素合作提高工作效率; iii）操作時間長這可能會降低工人的準確性和安全性。 在本文中，我們提出了一種高效準確的打樁機定位系統(tǒng) TEM。 我們建議不要使用傳統(tǒng)儀器來測量預設標記使用激光測距儀的精確高效的樁驅動器定位系統(tǒng)利用高精度激光測距儀（LRF）掃描整個構造場同時從掃描范圍同時檢測移動的樁位置。圖 1 示出了我們的系統(tǒng)，其中僅需要一個操作者來操作樁駕駛員調整樁位置，由顯示動畫樁的顯示器導航施工現(xiàn)場地圖上的定位。 該系統(tǒng)提供了更方便的方式幫助運營商全面評估收縮圖上的錯誤，無需任何幫助的額外工人。因此，我們的系統(tǒng)大大提高了效率打樁精度。 1.2 相關工作 25 車載式柴油打樁機設計（一） 一方面，在施工現(xiàn)場，調查技術及其工具，在很短的時間內快速發(fā)展。 具有先進 的測量儀器包括自動化傳輸和全站儀采用光波距離法，測量時間顯著縮短，定位精度以達到到毫米級[1]。此外，在工作區(qū)非常的土木工程全球有很少的建筑物，全球定位系統(tǒng)（GPS）經常被用于足夠的調查準確性和有效的工作[2]。然而它們存在缺點：i） 這些儀器是昂貴的，ii）由于環(huán)境條件，某些地方可能無法使用，iii）不能同時跟蹤多個物體，vi）不可能跟蹤目標實時和 v）測量需要至少兩名工作人員。 另一方面，近來消費級傳感器的發(fā)展已經吸引增加對定位系統(tǒng)的適用性。使用分 布式設備的時間定位系統(tǒng)包括攝像機[3-5]，超聲波傳感器[6,7]和激光測距儀（LRF） [8,9]。 在這些當中測量設備，LRF 在諸如實時掃描，高精度，大覆蓋區(qū)域，不良照明 的魯棒性，低噪聲到信號比例和簡單安裝[10-12]。例如，LRF 已經被實時使用了在大型戶外區(qū)域進行位置測量[13]。 自 20 世紀 90 年代中期以來，激光掃描儀已廣泛應用于工程勘察，如高層建筑的地面測量[14]。 最近在施工現(xiàn)場，一些研究人員正在努力實時使用 LRF 來改善工作安 全和效率。 [15,16]構建基于激光掃描儀的繩索跟蹤系統(tǒng)，ELS。 這些系統(tǒng)在短距離內工作，并給予本地相對位置機器和對象。 [17]使用 LRF 進行測量任務。 1.3 概述和貢獻 我們的系統(tǒng)由三個主要過程組成：1）LRF 的數(shù)據(jù)采集，2）位置估計過程和 3）結果的可視化。 它首先從 a 收集 2D LRF 數(shù)據(jù)施工現(xiàn)場實時; 然后同時估計樁位置最后的建筑地圖可視化與設計的一起，協(xié)助工人決定樁作業(yè)。 數(shù)據(jù)采集后，我們的挑戰(zhàn)是實時位置估計的難度從范圍掃描的移動。 為了超越，定位過程包括兩個主要子步驟：1）基于圓模型 聚類的目標檢測;2）使用最大似然估計（MLE）的中心位置細化。 以傳統(tǒng)的定位方式，我們系統(tǒng)的主要貢獻是：1）我們采用傳統(tǒng)工具提前進行調查，時間測量系統(tǒng)采用高精度 LRF; 2）我們提出快速檢測算法用于從距離數(shù)據(jù)實時和準確的樁定位; 3）我們的系統(tǒng)同時跟蹤和導航打樁機提供了更高效，更安全，更便宜和更簡單的打樁任務的方式。 本文的組織結構如下：第 2 節(jié)介紹了系統(tǒng)配置第 3 節(jié)中位置估計的詳細算法。第 4 節(jié)顯示實驗結果在模擬和實際數(shù)據(jù)，其次是第 5 節(jié)的結論。 2 LRF 感應系統(tǒng)的配置 我們首先使用 LRF 設計一種高精度定位樁的傳感系統(tǒng)為此，我們在深度方向上采用了高精度的 UMT-30LX LRF [18]表 1）水平掃描施工場地的特定區(qū)域。不過我們挑戰(zhàn) 在于，由于范圍掃描的稀疏性，準確性難以實現(xiàn)。如如圖 1 所示。1（c），原始掃描線（從左到右以粗體顯示紅色箭頭）太稀疏，只有一點可以在達到圓柱體時返回。這 26 車載式柴油打樁機設計（一） 種稀疏點云數(shù)據(jù)難以用于準確的位置估計。使用激光測距儀的精確高效的樁驅動器定 位系統(tǒng)。 為了克服這個問題，我們建議將 UMT-30LX LRF 安裝到一個平臺上密集掃描[17]。 如圖所示。如圖 1（b）所示，我們將 LRF 安裝在 SPU-01 平底鍋上單元[19]，其可以驅動 LRF 以非常小的角度旋轉（例如，0,015 度這種情況）LRF 的后續(xù)掃描。因此，可以通過組合獲得密點在單位盤的不同旋轉角度捕獲的掃描。如圖所示。如圖 1（c）所示，所得到的數(shù)據(jù)點可以被視為每個 0.015 度采樣，其中與 0.25 中的原始掃描比密度 大大提高（最多 17 倍）度。該系統(tǒng)工作在 2Hz 至 40Hz 之間的數(shù)據(jù)采集率。該打樁機的工作速度在 0-2×103mm/s 之間。在最后階段的速度的打樁程序，特別需要高定位精度 0-50mm /秒。對于這種慢動作，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率滿足對于打樁機輔助應用的實時要求。 3 樁位檢測 鑒于上述傳感系統(tǒng)捕獲的密點數(shù)據(jù)，我們的下一個任務是如何精確有效地跟蹤樁 位置。這種位置估計方法包括兩個主要步驟：1）樁位檢測，2）中心細化。前者通過投票算法快速和粗略地檢測范圍掃描中的圓形模型。該稍后通過使用 MLE 算法的細化來準確地估計圓心。我們分別描述以下小節(jié)中的這兩個主要步驟。 3.1 樁檢測 由于樁總是垂直于地面并被水平的 LRF 掃描，掃描平面的交點始終是一個圓。 我們設計一個圓模型聚類算法用于快速但粗略地檢測樁位置（參見算法 1）。由于參考目 標是樁，從 LRF 的角度來看，樁是凸的，這意味著物體的中心不應該被觀察的。 3.2 精確位置估計精度 由于 Algorithm1 只提供樁邊界點的提案集，我們需要根據(jù)這些建議準確估算樁位。 所以下一個任務可以被視為：給定邊界點 A = {x i，y i} K 的建議 1 和一個圓圈模（x-a）2 +（y-b）2 = r 2，我們如何準確地估計參數(shù) a 和 b。為此，一個常見但有效的選擇是使用最大似然估計（MLE）算法，估計可以最大化可能性的參數(shù)每個提案。 在我們的系統(tǒng)中，應該估計的參數(shù)只有 a 和 b，因為半徑的參考目標是提前給出的。 然而，在這種情況下，MLE 變成了非線性問題。為了解決這個非線性方程，我們應用了 Newton-Raphson 方法，因為它比其他漸變方法具有更快的收斂性，如共軛梯度或 Levenberg-Marquardt，如果其初始值接近 a 和 b 的真值[17]。 這里我們使用從前一個檢測到的中心位置檢測結果作為 Newton-Raphson 方法的初始值。 27 車載式柴油打樁機設計（一） 值得一提的是進一步推進兩個簡單的前處理在我們的方法中：1）假設背景場景是 靜態(tài)的，移動的數(shù)據(jù)部分是使用背景減法算法提取為前景對象，然后 2）所有的前景數(shù)據(jù)點都使用區(qū)域驗證方法進行聚類。 4 實驗結果 為了驗證我們提出的圓檢測和擬合算法，我們首先用 sim 仿真實驗。在實際施工現(xiàn)場實驗之前，我們進行一次對室內小型實驗模型的打樁機進行了測試，提出了定位系統(tǒng)。最后，在實際施工現(xiàn)場進行戶外實驗。 4.1 仿真實驗 在這種模擬中，我們模擬和設計了前面的實驗施工現(xiàn)場[20]通過結合圓和線。我們假定，對于圓柱形參考目標，還有其他對象的橫截面形狀如矩形和其輪廓類似于弧形的梯形，特別是大型傳感器噪聲。 依賴于高分辨率的高分辨率在距離 d max = 30×10 3 mm 的范圍內的偏 σ=50mm。 角度分辨率的 LRF 為 θreso = 0.05?。圓柱參考目標的半徑為 R = 1350mm。該從 LRF 到氣缸中心的距離為 d = 9000mm。使用的閾值在算法 1（行 7,9,11）中經驗確定為 σ。 所有的結果是平均值為 1000 次模擬。使系統(tǒng)工作實時且始終處理最新數(shù)據(jù)，算法將中止并考慮作為失敗的檢測，如果在最大次迭代之前不能建立可接受的模型時間。 圓檢測算法的評估。為了評估算法，誤檢率，隨機抽樣迭代次數(shù)和估計誤差這里使用中心。圖 2（a）顯示，當投票為 2 和 3 時，檢測率為幾乎 100％。但是，當需要更多的票數(shù)時，價值會下降。主要原因是最大迭代時間限制性能。圖 2（b）顯示了假如果 T v 設置為大于 1，則陽性率幾乎為零。 4.2 室內實驗為了驗證我們提出的系統(tǒng)的可行性和估計誤差，在實際施工現(xiàn)場指出，我們做了 壓力學試驗。如圖所示圖 3（a）中，使用半徑為 250mm 的圓柱體作為參考桿。 兩個紙板盒子用于模擬應用場景中的打樁機。 圖 3（b）來自實驗場景的 LRF 的掃描數(shù)據(jù)的示例。 我們首先將參考欄放在一個已知位置，并估計中心位置只有使用 MLE 方法。將氣瓶保持在同一個地方，我們把另一個形狀的物體靠近它，并用建議的定位算法再次估計氣缸的位置，以查看我們是否可以估計準確度。自動重復 500mm 從 1000mm 到 7500mm。 如圖 3（c）所示，估計誤差的兩條曲線幾乎相同最大差值 3.4mm。 實驗結果證明我們提出圓檢測算法可以有效地從場景中提取圓的數(shù)據(jù)點與其他形狀的對象。 28 車載式柴油打樁機設計（一） 我們將參數(shù) T v 從 1 改為 10，以查看檢測率的影響。什么時候投票為 T v≥3， 如圖 3（d）所示，即使小的檢測率也超過 90％T n 的值。如果沒有投票程序，則意味著 T v = 1，檢測率為勉強可以接受 這種低檢測率是由三角形的連接引起的矩形框，其輪廓類似于弧。這個結果證明了可行性的提出的樁檢測算法，并顯示它仍然可以工的可能性良好的閉塞或大噪音存在。 4.3 施工現(xiàn)場實驗 我們在實際施工現(xiàn)場對所提出的系統(tǒng)進行了測試。我們的目的是測量堆放在鉆孔 中的位置。樁的位置跟蹤可以幫助將其定位在預期的位置，這需要 100mm 的精度。 如 如圖 1（a）所示，樁被打樁機抬起，慢慢放下那個洞。目前在大多數(shù)施工領域，樁保持在預期的位置通過手工工作。需要三名訓練有素的工人用棍棒來衡量是否樁是否在正確的地方。 如圖所示。如圖 4（a）所示，LRF 和鍋單元放置在三腳架上調整以保持 LRF 的掃描平面水平。三腳架的高度也有幫助保持其他移動物體，如人類，從掃描范圍。對象 是 mea-固定的是圖 1（a）所示的樁，半徑為 200mm。受施工現(xiàn)場的距離是測量對象與 LRF 之間的距離 15×10 3 mm。 為了校準 LRF，一個薄金屬棒（橫截面：30mm×1mm）具有一個高度反射能力的表面被使用。我們首先使用全站儀來定位幾個點精度約 2mm / km。然后將校準棒放在些點上并獲得來自 LRF 的棒的掃描數(shù)據(jù)。我們使用棒的掃描數(shù)據(jù)的平均值來估計它的位置。可以使用最小二乘估計法計算世界坐標與 LRF 坐標之間的變換矩陣。 施工現(xiàn)場試驗結果。打樁的程序是由 LRF 記錄。當樁移動到預期位置附近時，它就開始了約 1m 在抵達洞的頂部后，堆放在一個位置誤差在 50mm 左右。樁的放置調整為更準確最后 10 秒。工人崗位調整見圖 4（b）。這里的錯誤在 X L 定義為（X L- a），Y L 的誤差為（Y L-b）。測量之間的誤差樁的中心位置和預期設計位置如（c） 所示。決賽提出的系統(tǒng)給出的位置誤差為 25mm 左右。 目前沒有其他直接的方式來測量樁的中心位置它移動。傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的精度 10mm。 另外，從這個實驗確定了樁在允許的范圍內被驅動。我們可以估計施工誤差在 15 -35mm 的范圍內?？紤]到手動調整過程中，我們系統(tǒng)的結果被認為是合理的。系統(tǒng) 可以直接測量不能測量的打樁位置通過常規(guī)測量儀器。 5 結論和未來工作 在本文中，基于樁檢測和擬合，提出了一種新穎的實時樁駕駛員定位系統(tǒng)使用激光瞄準器.LRF 的優(yōu)勢，如高精度，快速數(shù)據(jù)采集和覆蓋面積大，并利用圓柱形目標的 取向不變性，新的測量技術是呈現(xiàn)。為了從打樁機中提取樁目標，我們提出了樁檢測算法，基于圓模型聚類的算法。然后采用 MLE 方法準確估計樁位。 29 車載式柴油打樁機設計（一） 模擬和室內實驗證明了可靠性和靈活性，提出檢測算法。實際施工現(xiàn)場實驗表明 該系統(tǒng)可以在實時的時間內打包安全位置作品，這對傳統(tǒng)的測量方法是不可能的。 為了驗證提出的系統(tǒng)的可行性，我們只使用數(shù)據(jù)目前一個 LRF。由于多個傳感器可以增加信息量，并擴大定位范圍，多傳感器系統(tǒng)將進行調查實現(xiàn)。在目前的實施中，所需票數(shù)是經驗性的關鍵。該參數(shù)的誤差性應予以研究。 30 車載式柴油打樁機設計（一） 附錄 2：外文文獻原文 31 車載式柴油打樁機設計（一） 32 車載式柴油打樁機設計（一） 33 車載式柴油打樁機設計（一） 34 車載式柴油打樁機設計（一） 35 車載式柴油打樁機設計（一） 36 車載式柴油打樁機設計（一） 37 車載式柴油打樁機設計（一） 38 車載式柴油打樁機設計（一） 39 車載式柴油打樁機設計（一） 40 車載式柴油打樁機設計（一）