无人机+移动机器人测量高铁桥梁新技术

【摘要】高铁桥梁上部垫石精密测量是确保桥梁精准架设的关键性工作，对后期高铁平稳安全运行起到决定性作用。为了解决目前人工测量效益低，安全风险高，精度受人为因素影响大等诸多问题，创新设计了无人机+移动机器人测量系统[1]，实现地空自由移动，精确导航、精准定位;移动机器人模拟桥墩结构模型，精准设计机架结构上各测量器件之间几何关系，实现一次测量，同步获取桥墩顶面多点空间数据，移动定位系统将定位偏差值转换为机器人上麦克纳母轮全向PID运动数值;机芯智能控制运动模块、测量模块和标识模块形成有机配合整体，实现精准定位和高效测量。经过现场实施，移动机器人的测量效率为传统人工方法4倍以上，内符合精度3mm以内，测量质量稳定可靠，具有可观的经济效益和推广价值。

【关键词】高铁桥梁;无人机;移动机器人;远程测量;自动标识

【Abstract】 High-speed Railway Bridge upper cushion stone precision measurement is the key to ensure the accurate erection of the bridge， and plays a decisive role in the smooth and safe operation of high-speed railway in the later period. In order to solve the problems of low benefit， high risk and high precision of manual measurement， the UAV + mobile robot measurement system is innovatively designed to realize ground-to-air free movement， precise navigation and precise positioning The mobile robot simulates the structural model of the bridge pier， designs precisely the geometric relations among the measuring devices on the structure of the machine frame， realizes the measurement once， simultaneously obtains the multi-point spatial data on the top of the bridge pier， the Mobile Positioning System Converts the position deviation value into the Omnidirectional PID motion value of the McKenna master wheel on the robot; the movement module， the measuring module and the marking module of the intelligent control of the movement of the machine core form an organic whole; To achieve accurate positioning and efficient measurement. The measuring efficiency of the mobile robot is more than 4 times of the traditional manual method， the measuring accuracy is less than 3mm， the measuring quality is stable and reliable， and the mobile robot has considerable economic benefit and popularization value.

【Keywords】 High-speed railway bridge;Unmanned aerial vehicle;Mobile robot;Remote measurement;Auto identity

1、前言

高架橋梁以少占土地、绿色环保等优势在铁路建设中占居较大比重，特别是在平原、软土、江河及人口和建筑密集地区铁路通常采用高架桥通过，如京沪高铁桥梁占比为80.5%，广珠城际铁路为94.0%，然而铁路高架桥梁建造过程中，墩顶上部的垫石施工测量任务量巨大，目前国内外测量方法[2-3]，主要是吊运设备辅助人工测量，通过吊运设备将人员和测量仪器吊装到桥墩顶上，人工在墩顶上进行测量作业，空间小、仪器操作难度大、测量效率低，安全风险高，已不适用快速发展的高铁桥梁建设需求。

随着无人机运用领域的日益扩大，智能机器人技术的发展成熟，研究“无人机+智能移动机器人”创新技术，应用在桥梁施工建造中，将具备广阔的前景[4-6]。

2、无人机+移动机器人智能化快速测量新技术

2.1 测量原理

无人机+移动机器人测量桥梁垫石新技术集远程控制技术、无人机载重飞行技术、GNSS定位技术、移动机器人智能测量技术、无线通讯技术及软件快速计算技术等多项技术于一体。以无人机代替传统方法中的吊运设备，以机器人代替人工，在智能控制系统[7]指挥协调下，完成桥墩垫石的快速测量。

无人机+移动机器人测量桥梁垫石新技术系统效果设计如图2所示。

2.2 测量系统设计

测量系统主要由地面控制系统、地面测量系统、无人机系统、智能测量机器人系统和无线传输系统构成。地面测量系统、无人机飞行系统、测量机器人系统与地面控制系统之间无线连接，相互之间数据及信息指令采用无线通讯传输[8]。具体设计如图3所示。

（1）地面控制系统是由控制终端和通讯模块组成，控制终端内置测量控制系统软件和无人机控制系统软件，测量控制系统软件集成了全站仪远程测量软件、GNSS定位软件、数据计算分析软件、机器人控制软件、通讯软件等多个软件模块。无人机控制系统软件集成了无人机航线规划设计软件、无人机导航及定位软件等模块。地面全站仪自由建站、远程测量、数据计算分析，无人机飞行、停落，以及机器人测量放样等，统一在地面控制系统指令下完成的。

（2）地面测量系统由全站仪、棱镜组、GNSS参考站、通讯模块等组成。全站仪完成建站、跟踪机器人实时测量。GNSS参考站为无人机提供准确的导航与定位。

（3）无人机为测量机器人的载体，由飞行机、摄像头、RTK、电池以及通讯电台等模块组成。在地面控制系统作用下，完成对测量机器人的安全搭载。

（4）移动机器人系统由机器人框架、轮系、控制器、全向测量标志、点位标识装置、双轴倾斜传感器、通讯模块等组成。机身框架结构模拟高铁双线桥墩顶部结构模型进行设计，如图4所示。

42-双轴倾斜传感器 43-纵向连接梁 44-机身框架 45-轮系 46-控制器 47-通讯模块 48-精密棱镜组 49-标识装置

2.3 机器人轮系结构设计及运动算法

机器人轮系由2对行走轮组成，前后对称设计安装，每个行走轮由多个自由旋转椭圆柱形的辊子组成，辊子轴线与轮子轴线设计成α角，行走轮前行时，轮子上的椭圆柱形辊子随行走轮一起前行，同时带动自身转动，通过辊子的自身转动，实现了行走轮前行时，同步可以侧向移动，通过2对行走轮前后对称設计，组合使用，以及各轮子转动方向和速度的协调控制[9-11]，可以使机器人在行进中，同步可以向任意方向移动。其运动方式设计如图5所示。

以机器人机身的中点O为原点在机身上建立一个相对坐标系ΣO，机器人的前进方向为x轴方向，向左行驶的方向为y轴方向。机身长为2L，宽为2 l，行走轮毂轴线和辊子轴线夹角为α，相应地Vi （i = 1，2，3，4） 是4个轮子由电机驱动产生的线速度， Vi =RW×θi，其中RW是轮子的半径，θi是对应轮子的旋转角速度。根据运动学分析结果，4个轮子的线速度Vi （i = 1，2，3，4） 可分别由下式（1）、（2）、（3）、（4）计算得到：

V1=Vx-Vy?tanα-（L?tanα+l）?ωz    （1）

V2=Vx+Vy?tanα+（L?tanα+l）?ωz    （2）

V3=Vx-Vy?tanα+（L?tanα+l）?ωz    （3）

V4=Vx+Vy?tanα-（L?tanα+l）?ωz    （4）

上式中， Vx、Vy、ωz分别为各轮系在相对坐标系ΣO中，沿X方向移动的速度、Y方向移动的速度、以及绕中心点O垂直轴转动角速度，可以通过这4个轮子的旋转角速度获得轮子全方位移动，机器人在相对坐标系ΣO中的运动速度计算公式如（5）、（6）、（7）所示：

通过对测量机器人轮系创新设计、机器人行走速度与轮系的自转速度自动化控制理论计算方法研究，实现了测量机器人在行进的同时可以实时调整机身的方向和姿态，提高了测量机器人在桥墩顶面上姿态调整的功效。

2.4 机器人测点标识装置设计

机器人测点标识装置由十字分划板、墨筒、液压推杆组成，分别安装在机器人框架的4个拐角位置，其功能是对机器人测量放样的点位进行标识。墨筒中装入红色油漆，在液压系统推杆的推力作用下，红色油漆通过分划板的十字丝缝而喷射在墩顶的混凝土面上，十字丝中心点即为放样的桥梁垫石角点。其结构设计如图6所示。

2.5 机器人测量标志结构设计及垂直度控制方法

测量标志选用360度全向精密棱镜2组，对称安装在机身框架两侧，棱镜杆设计可伸缩，伸缩高度由控制器远程控制，便于地面全站仪任意位置均能观测棱镜。

考虑桥墩顶面不是一个理想水平面，存在机器人框架整体倾斜现象，从而带来棱镜杆倾斜误差。为此在两个棱镜杆底部安装两个双轴倾角传感器，用于对框架平整度的补偿修正，得到棱镜杆底部（框架面）准确的坐标值。

2.6 机器人定位技术计算方法

机器人由初始位置移动调整到设计位置，是根据测量数据与设计数据通过软件计算分析得出的移动调整值信息。移动调整值具体计算方法[12-13]：先计算机器人初始位置时2个棱镜中心线方位角与桥墩横轴线设计方位角之差值φ，为机器人调整的旋转角度;再计算2个棱镜连线中心O点位置偏离墩中心的横向距离和纵向距离，即偏距（d）和里程差（Sk）。

（1）方位角偏差值φ计算方法

式（8）中，分别为机器人初始位置时2个棱镜中心实测坐标;式（9）中，（x1，y1）、（x2，y2）分别为墩横轴线与垫石边线交点O1 、O2的设计坐标。

位于曲线上的双线铁路桥，墩横轴线与垫石边线交点O1 、O2的设计坐标计算方法如下：

选取起点A和终点B，对应线路里程分别为DKA和DKB，曲率分别为ρA和ρB;DKi为待求墩左线中心点O左的里程，ρi为O左点曲率，αi为O左点切线方位角：

式中，S为设计线间距，S1为墩左线中心至左侧垫石内边线中点距离。

（2）偏距（d）和里程差（Sk）计算方法

横向偏距和里程差值采用逐步趋近试算法，按基本线元---直线、圆曲线、缓和曲线来判定试算点是位于哪种基本线元内，然后根据不同线元分别计算。具体计算模型如下：

1）直线：如图11所示，直线中计算最近点线路里程DKi和偏距差值d，过P点作直线BE的垂直线，垂直线与直线BE的交点为最近点K，包括：

式（19）至（24）中，l为初始步长，PB为P点与B点的距离，该初始步长为B点与K点的距离。

2）圆曲线：如图11所示，圆曲线中计算最近点线路里程DKi和偏距差值d，设定B和E所在圆弧的圆心为C，C点坐标（xc，yc）， C点与P点的连线与圆弧的交点为K，包括：

式（25）至（30）中， R为圆曲线单元 中的半径，l为初始步长，PC为P点与C点的距离，α为圆弧所对应的圆心角。该初始步长为B点到K点的弧长，τcp为CP方向上C点的切向角。

3）缓和曲线：如图11所示，缓和曲线中计算最近点线路里程DKi和横向偏差值d，包括（a）和（b）：

（a）首先确定最近点K的位置，包括：

估计曲线BE上靠近最近点K的一点;

设定初始步长l，通过不完整回旋线计算得到和点的切向τ并计算得到直线P与τ的夹角α，通过步骤S32，判断出最近点K处于的相对区域M;

通过不完整回旋线计算曲线BE的区域M上靠近的点和点的切向τ，并计算直线P与τ的夹角α;通过不完整回旋线循环计算靠近最近点K的多个点，最终通过无限逼近最近点K的方式，得到最近点K的位置，最近点K在允许的误差范围内;

（b）通过确定的最近点K的坐标，得到最近点线路里程DKi和横向偏差值d：

式（31）中，sb为缓和曲线起点B的里程。

若K的距离大于设定的变化步长，则按初始步长l调整K的距离，多次循环逼近最近点，直到K的距离小于设定的变化步长。

3、实验结果与分析

本创新技术依托安九高铁长江特大桥和庐山特大桥施工项目进行研发与应用，通过测量500个水中墩的数据分析，测量效率是传统人工方法4倍以上，内符合精度小于3mm，检核精度小于5mm。满足铁路桥梁施工测量控制精度要求[14-15]。具体分析见表1、表2：

结语：

本文创新研究的铁路高架桥墩垫石智能快速测量新技术打破了传统人工测量的繁杂模式，首创了具有智能循迹、精准定位、快速测量和自动计算分析功能的桥梁智能测量机器人系统。提高了测量可靠度和测量效率，减少了人员及配套设备投入，降低了高空作业的安全风险。具有广阔的应用前景和较大的推广应用价值。

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作者简介：

李强（1970-），男，本科，教授级高级工程师，主要研究工程测量自动化、智能化及高速铁路无砟轨道施工测量技术。