田 亮

(中鐵建設(shè)集團(tuán)中南建設(shè)有限公司 湖北武漢 430000)

1 引言

截止到目前，我們國(guó)家在裝配式結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)上已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是在其實(shí)施的過程中裝配式結(jié)構(gòu)在實(shí)際的生產(chǎn)過程中依舊還有不少技術(shù)難題，因此目前這種施工質(zhì)量不高。在這些技術(shù)難題中，特別是在實(shí)際施工過程中的豎向裝配式構(gòu)件吊裝時(shí)的定位問題最為突出[1]。本文開發(fā)一種特殊的定位系統(tǒng)，協(xié)助裝配式豎向構(gòu)件的安裝，達(dá)到安裝快捷、準(zhǔn)確的目的。

裝配式結(jié)構(gòu)所需的建筑構(gòu)件需要提前在工廠完成加工，然后把施工所需要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地，將各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件用機(jī)械吊裝，再使用安全可靠的連接方式連接拼裝而成[2]。由于實(shí)際生產(chǎn)中使用了機(jī)械化的生產(chǎn)方式，施工的質(zhì)量和效率都有比較大的提升，以往生產(chǎn)方式中的“脹包、開裂、滲水”等質(zhì)量問題取得了較大的改善[3]，再配合上裝配式裝修，在很大程度上提升了住宅房屋品質(zhì)；另外一方面，這種綠色經(jīng)濟(jì)環(huán)保，而且降低人力成本的生產(chǎn)方式也會(huì)取得很不錯(cuò)的行業(yè)效益。

在以往的裝配式吊裝施工過程中，需要吊塔上的操作人員在吊塔上觀察豎向構(gòu)件的大致位置，而且需要地面上的工作人員通過對(duì)講機(jī)實(shí)時(shí)指揮吊塔操作員進(jìn)行吊裝作業(yè)[4]，這一操作對(duì)施工人員要求較高，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，人員安全也得不到保障。因此我們?cè)O(shè)想通過高清攝像頭和超聲波光電傳感器等電子設(shè)備在塔吊設(shè)備和裝配式構(gòu)件上的應(yīng)用，讓塔吊操作員在電腦上能實(shí)時(shí)看見吊裝構(gòu)件的具體位置以及構(gòu)件離固定點(diǎn)的距離，這套系統(tǒng)很大程度上加快了施工速度，降低了操作風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)省了人力[5]。

將該技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑施工，一方面可以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證施工質(zhì)量；一方面可以優(yōu)化施工模式，降低人力和施工運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)還響應(yīng)了綠色節(jié)能的號(hào)召[6]。本文從系統(tǒng)框架、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理等方面詳盡介紹了自主開發(fā)的新型定位系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置能夠?yàn)樗跛緳C(jī)收集安裝裝配式構(gòu)件所需的數(shù)據(jù)，提供可視化的模塊安裝場(chǎng)景、裝置的位置信息；并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容疊加在可視化內(nèi)容上，繪出安裝導(dǎo)引線，輔助塔吊司機(jī)高效完成裝配式模塊的吊裝；也方便施工方對(duì)裝置進(jìn)行管理。

本裝置也為塔吊司機(jī)提供了遠(yuǎn)程手動(dòng)控制裝置姿態(tài)的功能，拓寬了裝置的適用范圍，同時(shí)也可以通過更換攝像頭、傳感器的類型來適應(yīng)某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，整體光電測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)擁有很高的適用性[7]。

2.1 系統(tǒng)框架

本裝置由市電或電池供電，開機(jī)時(shí)進(jìn)入整姿模式，先由核心微處理器開啟雙目攝像頭進(jìn)行快速三維重構(gòu)，找到接近畫面中央的中距墻面區(qū)域。通過微控制器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)整姿舵機(jī)改變本裝置姿態(tài)，使精密舵機(jī)與隨動(dòng)的高精度激光傳感器的掃描范圍落入墻面，之后通過驅(qū)動(dòng)精密舵機(jī)使激光傳感器對(duì)吊裝墻體橫向掃描，依據(jù)其數(shù)據(jù)確定機(jī)身姿勢(shì)后，再通過驅(qū)動(dòng)兩個(gè)整姿舵機(jī)將本機(jī)調(diào)整至與所要吊裝墻面垂直的位置，并進(jìn)入數(shù)據(jù)測(cè)量模式。

這套系統(tǒng)需要分別收集陀螺儀、激光傳感器和雙目攝像頭的數(shù)據(jù)結(jié)果，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵奈⑻幚砥魃?。處理器首先利用攝像頭采集到的圖像信息進(jìn)行三維空間的重構(gòu)，從而得到視野各距離范圍的相對(duì)比例關(guān)系，而后結(jié)合陀螺儀、激光傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將視野畫面上的點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)，跟視野上識(shí)別的物體畫面相重疊得到最終的圖像，最終的圖像被圖傳部分通過無線的方式傳送到接收終端。

如果畫面中的視野不理想，塔吊司機(jī)也可從塔吊端通過接收裝置上的軟件發(fā)送控制指令來控制本裝置的橫縱姿態(tài)。本裝置分為兩個(gè)主要部分，一部分為吊裝現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算裝置，另一部分為吊車控制臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)吊裝裝置框圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)吊裝裝置框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本裝置具備便攜、智能等特點(diǎn)，其底部配備了一個(gè)三角支架。我們將其放置在地上時(shí)，裝置中各傳感器協(xié)同作用，控制云臺(tái)保持裝置水平，并自動(dòng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各類標(biāo)定線的數(shù)據(jù)[8]。該部分一共包含了兩個(gè)子模塊來實(shí)現(xiàn)此裝置的監(jiān)測(cè)目的:

(1)精密舵機(jī)、隨動(dòng)激光雷達(dá)模塊與陀螺儀模塊

本裝置的云臺(tái)中搭載有一組精密舵機(jī)與隨動(dòng)TOF激光雷達(dá)來測(cè)距。其測(cè)距的基本原理是通過測(cè)算發(fā)射激光信號(hào)與接受回波信號(hào)的飛行時(shí)間差，來計(jì)算目標(biāo)物體與雷達(dá)的距離。此激光雷達(dá)能很好捕捉檢測(cè)目標(biāo)(包括動(dòng)態(tài)目標(biāo))，誤差極小。通過精密舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度與激光雷達(dá)的返回?cái)?shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行范圍內(nèi)的扇形掃描，根據(jù)三角算法獲得橫向角度偏移量以及相對(duì)目標(biāo)的垂直距離。

云臺(tái)上安裝有兩個(gè)MPU6050六軸傳感器，采用高達(dá)400 kHz的IIC型通信接口，精度為0.1°，可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量當(dāng)前裝置的傾斜角度。激光雷達(dá)測(cè)量的側(cè)向距離信息與MPU6050陀螺儀測(cè)量的角度信息返回給STM32單片機(jī)的主控芯片，操控云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置的姿態(tài)調(diào)整。

(2)橫縱向舵機(jī)云臺(tái)

本裝置采用三維、二自由度云臺(tái)，搭載了水平、垂直方向兩個(gè)自由度的舵機(jī)。選用HT垂直621CG磁感應(yīng)技術(shù)無接觸式舵機(jī)，具有極高精度和分辨率。橫縱向舵機(jī)云臺(tái)實(shí)現(xiàn)了裝置在水平、垂直兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)和定位，可以根據(jù)指令準(zhǔn)確調(diào)整姿態(tài)，使裝置在正式啟用之前需對(duì)正標(biāo)定板。

(3)視頻采集模塊

本裝配輔助裝置搭載KS型高清攝像頭，用以采集裝配現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)視頻信號(hào)，這些視頻信息會(huì)跟采集到的距離信息相融合，視頻信息和距離信息組合成最終畫面，實(shí)時(shí)顯示畫面里物體的距離，并作為塔吊司機(jī)在接收端看到的主要畫面，向塔吊駕駛艙回傳。

采用精密舵機(jī)與隨動(dòng)TOF型激光雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，可以獲得如上文所述的裝置到目標(biāo)墻面的垂直距離，作為最初的距離數(shù)據(jù)，即攝像頭采集的畫面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其測(cè)距原理是:左右兩幅視圖上目標(biāo)點(diǎn)的成像的橫坐標(biāo)存在視覺誤差[9]，橫坐標(biāo)的視覺誤差的大小與目標(biāo)點(diǎn)跟成像平面之間的距離成反比，從而極為準(zhǔn)確地采集相對(duì)位置信息，如圖2所示。

圖2 光電掃描的吊裝構(gòu)件識(shí)別測(cè)試示意

3 軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用了NanoPC T4嵌入式Linux型開發(fā)板，其搭載了RK3399型微芯片，該芯片采用大核加小核的架構(gòu)，其中包括雙核Cortex-A72＋四核Cortex-A53，處理器性能強(qiáng)勁，其內(nèi)部還集成了Mail-T860 GPU，很大程度上提升了系統(tǒng)三維重構(gòu)的效率，如圖3所示。

圖3 接收處理模塊系統(tǒng)流程

(1)雷達(dá)數(shù)據(jù)融合。以攝像機(jī)畫面為基礎(chǔ)畫面，結(jié)合高精度激光雷達(dá)的測(cè)距數(shù)據(jù)，在攝像機(jī)畫面中疊加激光雷達(dá)測(cè)量到的距離信息，便于對(duì)待裝配墻體進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)測(cè)距。雷達(dá)數(shù)據(jù)融合演示圖，如圖4所示。

圖4 雷達(dá)數(shù)據(jù)融合演示

(2)墻體識(shí)別。將施工現(xiàn)場(chǎng)采集的圖片進(jìn)行標(biāo)定，使用標(biāo)定后的圖片對(duì)目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行訓(xùn)練。使用的yolo-V4 tiny系統(tǒng)算法能夠快速準(zhǔn)確地在攝像機(jī)畫面中識(shí)別出待裝配的墻體，并對(duì)墻體距離進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。墻體識(shí)別示意圖，如圖5所示。

圖5 待裝配墻體識(shí)別示意

(3)三維空間定位。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的空間信息和待裝配墻體的三維定位坐標(biāo)[10]，顯示器上能實(shí)時(shí)顯示出墻體在三維空間中位置。物體在三維空間實(shí)時(shí)定位示意圖，如圖6所示。

圖6 三維空間定位示意

3.2 數(shù)據(jù)與視頻圖像發(fā)送接收模塊

本模塊采用5.8 GHz圖像傳輸與4G或5G兩個(gè)模塊的傳輸，可將吊裝現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像快速發(fā)送到吊裝操作人員的接收端上，并呈現(xiàn)在顯示器上。吊車司機(jī)可以通過接收端設(shè)備利用Lora遠(yuǎn)程控制裝置的姿態(tài)。本模塊共用包含視頻信息傳輸和控制命令傳輸兩種無線傳輸模塊，來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能:

(1)圖傳模塊

圖傳模塊采用5.8 GHz高速圖傳芯片，擁有32個(gè)頻道自動(dòng)調(diào)頻，將吊裝現(xiàn)場(chǎng)采集并處理的圖像以10～40 ms的傳輸延時(shí)發(fā)送到司機(jī)的接收端。此圖傳模塊的工作范圍為3～5 km，支持720 p、1 080 p、2K圖像。

(2)4G或5G通信模塊

4G無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊我們采用ATK-M750型無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊，支持NET/HTTP/MQTT/RNDIS工作模式，我們通過架設(shè)云平臺(tái)服務(wù)器上傳下載實(shí)時(shí)視頻信息，可將延遲控制在43 ms延遲以內(nèi)。

(3)基于Lora系統(tǒng)的433 MHz的低功耗雙向指令傳輸模塊。此模塊采用ATK-LORA-01型模塊作為數(shù)據(jù)收發(fā)器。我們將各傳感器采集上來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息打包，通過Lora系統(tǒng)將信息從吊裝現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送到司機(jī)接收端。經(jīng)過處理后，數(shù)據(jù)將被呈現(xiàn)給吊車司機(jī)。此模塊傳輸距離大于3 km，具備低成本、低功耗、低延遲、遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)[11]。

3.3 吊裝現(xiàn)場(chǎng)的三維重構(gòu)

三維重構(gòu)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與否取決于采用怎么樣的匹配算法[12]，我們需要利用立體匹配算法將攝像機(jī)采集到的二維圖像信息重構(gòu)成三維圖像信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，其步驟主要分為以下幾步:

(1)圖像獲取。利用攝像機(jī)將物體立體數(shù)據(jù)采集成平面數(shù)據(jù)。由于光照條件、相機(jī)的幾何特性等對(duì)后續(xù)的圖像處理造成很大的影響，攝像機(jī)傳感器選擇成像效果更好的CCD型傳感器。

(2)攝像機(jī)的標(biāo)定。通過我們自己的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定求解出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，利用采集的圖像信息進(jìn)行深度匹配，進(jìn)而獲取物體的三維空間坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)三維空間的重構(gòu)，將圖像進(jìn)行三維重建。

(3)特征提取。以特征點(diǎn)為匹配基元，匹配算法采用BM算法，對(duì)比其他算法具有更快的運(yùn)算速度[13]。

(4)立體匹配。利用上述算法所提取的特征來構(gòu)建不同畫面之間的相應(yīng)關(guān)系，將同一個(gè)物理點(diǎn)在不同畫面中的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)起來。

(5)三維重建。利用以上方法將獲取的物體圖像重建成三維場(chǎng)景。

3.4 人機(jī)交互界面與嵌入式控制

人機(jī)交互界面在可視化界面中融入了多道智能測(cè)繪輔助線，在控制界面中加入了各類傳感器經(jīng)過處理后上傳的吊裝配件三維信息，以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)在界面中。在界面的右上角我們還加入了吊裝現(xiàn)場(chǎng)GPS定位地圖，吊車司機(jī)可以通過此界面精確快速地控制吊車吊裝的方向以及距離。同時(shí)，司機(jī)可以通過遠(yuǎn)程的無線方式操控本裝置的姿態(tài)，更便于司機(jī)對(duì)畫面的掌控。

4 結(jié)論

本文基于遠(yuǎn)距離光電識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了新型定位系統(tǒng)。硬件方面設(shè)計(jì)了精密舵機(jī)、隨動(dòng)激光雷達(dá)、陀螺儀、橫縱向舵機(jī)云臺(tái)以及視頻采集等模塊。軟件方面設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)與視頻圖像發(fā)送接收、現(xiàn)場(chǎng)三維重構(gòu)等模塊。該系統(tǒng)具有操作便捷，定位準(zhǔn)確，并針對(duì)吊繩長(zhǎng)度、載重質(zhì)量變化有良好的適應(yīng)性，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)裝配式建筑施工的智能化運(yùn)營(yíng)，對(duì)推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展具有積極意義，使用前景也十分廣闊。