机场指廊钢梁就位校正系统的制作方法

本发明属于钢结构施工测量与自动控制，尤其是涉及一种机场指廊钢梁就位校正系统。

背景技术：

1、大型机场航站楼指廊通常包括大跨度钢梁、钢柱、桁架和节点构件。钢构件安装时需要同时控制轴线位置、标高和空间姿态。由于构件质量大、吊装状态与支承状态不断变化，风荷载、温度变化、临时支撑沉降以及液压执行器不同步均可能导致构件在校正过程中出现平移、偏转或者振荡。

2、传统施工通常由测量人员利用全站仪、激光测距设备或者倾角仪周期性测量，技术人员根据测量结果指挥多个液压千斤顶动作，再进行复测。该方式的测量、判断、执行和复核相互分离，难以根据构件运动状态连续调整各千斤顶的出力。

3、现有自动校正方案中，有的利用单一传感器反馈构件位置，有的将多种传感器数据进行固定权重平均，还有的通过固定参数pid控制或者分段参数控制千斤顶动作。不同传感器的测量精度、输出维度和失效条件并不相同。例如，全站仪精度较高但依赖通视，gnss能够连续提供绝对坐标但容易受到钢结构遮挡和多路径效应影响，激光测距仪输出的是距离而非直接坐标，倾角传感器主要反映相对于重力方向的局部姿态。若不区分观测模型、设备状态和实时测量质量，可能将异常观测直接写入位姿结果。

4、另外，钢构件由远离目标位置逐步进入精细就位区时，构件、支撑体系和执行机构形成的等效刚度会发生变化。固定刚度或者固定阻尼难以同时满足快速趋近和稳定收敛的要求。即使根据位姿偏差分段切换控制参数，若未考虑偏差变化趋势、振荡状态以及相邻控制周期之间的参数变化限制，仍可能在阶段边界产生参数突变，或者在构件尚未稳定时提前进入精细调整阶段。

5、在多个千斤顶共同作用的情况下，由控制器计算得到的空间合力和合力矩还需要转换为各千斤顶的目标出力。各千斤顶具有安装方向、作用位置、单向顶推、额定出力、行程和出力变化率等约束，不能仅通过简单比例分配或者未经维度核对的矩阵转置完成力分配。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种机场指廊钢梁就位校正系统，以至少解决背景技术中的一个问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、机场指廊钢梁就位校正系统，包括多传感器感知单元、智能决策单元和执行机构单元；

4、所述多传感器感知单元用于获取待校正钢梁的多源观测数据、各传感器的工作状态以及所述执行机构单元的执行机构状态；

5、所述智能决策单元用于获取所述待校正钢梁的目标位姿，对所述多源观测数据进行时间同步和坐标转换，根据各传感器的工作状态以及各传感器的当前观测数据相对于当前采样时刻位姿预测结果的偏差，更新各传感器对应位姿分量的测量方差，根据所述测量方差确定各传感器的融合权重，并对有效观测数据进行加权融合，得到所述待校正钢梁在施工坐标系下的当前空间位姿；

6、所述智能决策单元还用于根据所述目标位姿和所述当前空间位姿确定各位姿分量的位姿偏差和偏差变化率，根据所述位姿偏差及所述偏差变化率确定当前校正阶段，根据所述当前校正阶段确定刚度参数和阻尼参数，并根据所述刚度参数、所述阻尼参数、所述位姿偏差及所述偏差变化率确定待施加于所述待校正钢梁的校正力和校正力矩；

7、所述智能决策单元还用于根据多个伺服液压千斤顶相对于钢梁参考点的作用位置和出力方向，确定各伺服液压千斤顶的出力与所述校正力及所述校正力矩之间的出力分配关系，根据所述出力分配关系确定各伺服液压千斤顶的初始目标出力，并根据各伺服液压千斤顶的额定出力、当前行程及单个控制周期允许的出力变化量对所述初始目标出力进行限制，得到各伺服液压千斤顶的目标出力；

8、所述执行机构单元包括多个所述伺服液压千斤顶及对应的本地控制器，所述本地控制器用于根据对应伺服液压千斤顶的目标出力和实际出力之间的差值控制所述伺服液压千斤顶动作，以调整所述待校正钢梁的位姿；

9、所述智能决策单元按照控制周期重复执行空间位姿确定、校正阶段确定、刚度参数和阻尼参数确定、校正力和校正力矩确定以及目标出力确定，直至连续预设数量的控制周期满足校正完成条件。

10、进一步的，所述多传感器感知单元包括全球卫星导航系统接收机、全站仪、多个激光测距仪和至少一个倾角传感器；

11、所述全球卫星导航系统接收机用于输出大地坐标及卫星定位解状态；

12、所述全站仪用于观测设置于所述待校正钢梁上的至少两个相互间隔的视觉靶标，并输出各视觉靶标在全站仪坐标系下的三维坐标；

13、所述激光测距仪用于测量设置于所述待校正钢梁上的钢梁测量点至多个施工基准点的距离；

14、所述倾角传感器用于输出所述待校正钢梁相对于重力方向的倾斜角；

15、所述智能决策单元用于根据预先标定的坐标转换关系，将所述全球卫星导航系统接收机、所述全站仪和所述倾角传感器的观测数据转换至施工坐标系，并根据各传感器相对于所述钢梁参考点的安装位置，将不同传感器的观测数据转换为对应于所述钢梁参考点的位姿观测数据。

16、进一步的，所述当前空间位姿包括施工坐标系下的三个位置分量、横滚角、俯仰角和偏航角；

17、所述三个位置分量根据所述全球卫星导航系统接收机输出的位置观测数据、所述全站仪输出的位置观测数据以及根据所述激光测距仪的测量距离进行空间距离交会得到的位置观测数据确定；

18、所述横滚角和所述俯仰角根据所述倾角传感器输出的倾斜角确定；

19、所述偏航角根据至少两个所述视觉靶标之间的空间连线方向与所述待校正钢梁的设计方向之间的差异确定。

20、进一步的，针对各传感器所观测的每一位姿分量，所述智能决策单元根据传感器的标称测量精度确定对应位姿分量的初始测量方差；

21、在当前采样时刻，所述智能决策单元根据上一采样时刻的测量方差以及当前观测数据与当前采样时刻位姿预测结果之间的偏差更新当前测量方差，其中，以遗忘因子对应的比例保留上一采样时刻的测量方差，并以其余比例引入所述偏差的平方；

22、所述智能决策单元按照测量方差越小、对应融合权重越大的关系确定各传感器对应位姿分量的融合权重，并将参与同一位姿分量融合的各融合权重进行归一化；

23、当传感器的工作状态由正常状态变为降级状态或者异常状态或者当前观测数据与当前采样时刻位姿预测结果之间的偏差超过异常阈值时，所述智能决策单元增大对应位姿分量的测量方差，以降低对应观测数据的融合权重；当所述偏差连续预设数量的采样时刻超过所述异常阈值时，暂停使用对应观测数据。

24、进一步的，所述当前校正阶段包括快速趋近阶段、平稳过渡阶段、振荡消除阶段和精细调整阶段；

25、所述智能决策单元分别将各位置分量的位姿偏差与对应位置分量的允许偏差进行比较，并将各姿态角的位姿偏差与对应姿态角的允许偏差进行比较，根据比较结果确定综合位置偏差和综合姿态偏差，所述综合位置偏差为三个位置分量的位姿偏差平方和的均方根，所述综合姿态偏差为横滚角、俯仰角和偏航角的位姿偏差平方和的均方根；

26、当所述综合位置偏差或者所述综合姿态偏差处于第一偏差范围时，确定所述当前校正阶段为所述快速趋近阶段；

27、当所述综合位置偏差和所述综合姿态偏差处于第二偏差范围时，确定所述当前校正阶段为所述平稳过渡阶段；

28、当所述综合位置偏差和所述综合姿态偏差处于第三偏差范围，或者所述位姿偏差的变化方向在预设时间段内多次改变时，确定所述当前校正阶段为所述振荡消除阶段；

29、当所述综合位置偏差和所述综合姿态偏差均处于第四偏差范围，并且各位姿分量的偏差变化率均小于对应变化率阈值时，确定所述当前校正阶段为所述精细调整阶段；

30、其中，所述第一偏差范围、所述第二偏差范围、所述第三偏差范围和所述第四偏差范围依次减小。

31、进一步的，所述智能决策单元为每一校正阶段分别设置对应的基础刚度参数和基础阻尼参数；

32、所述快速趋近阶段对应的基础刚度参数大于所述平稳过渡阶段、所述振荡消除阶段和所述精细调整阶段对应的基础刚度参数，所述快速趋近阶段对应的基础阻尼参数小于所述振荡消除阶段和所述精细调整阶段对应的基础阻尼参数；

33、所述振荡消除阶段对应的基础阻尼参数大于所述快速趋近阶段和所述平稳过渡阶段对应的基础阻尼参数；

34、所述精细调整阶段对应的基础刚度参数小于所述快速趋近阶段对应的基础刚度参数，且所述精细调整阶段对应的基础阻尼参数大于所述快速趋近阶段对应的基础阻尼参数；

35、所述智能决策单元根据当前校正阶段对应的基础刚度参数和基础阻尼参数确定当前刚度参数和当前阻尼参数，并限制相邻控制周期之间的刚度参数变化量和阻尼参数变化量；

36、所述智能决策单元根据所述当前刚度参数和所述位姿偏差确定刚度校正分量，根据所述当前阻尼参数和所述偏差变化率确定阻尼校正分量，并将所述刚度校正分量和所述阻尼校正分量合成为所述校正力和所述校正力矩。

37、进一步的，针对任一伺服液压千斤顶，所述智能决策单元根据该伺服液压千斤顶的出力方向确定其单位出力产生的力分量，并根据该伺服液压千斤顶的作用位置相对于所述钢梁参考点的位置以及所述出力方向，确定其单位出力产生的力矩分量；

38、所述智能决策单元将各伺服液压千斤顶对应的力分量和力矩分量按照对应关系组合，形成所述出力分配关系；

39、所述智能决策单元按照减小多个伺服液压千斤顶共同产生的力和力矩与所述校正力及所述校正力矩之间差异的原则，确定各伺服液压千斤顶的初始目标出力；

40、所述智能决策单元将各初始目标出力限制在零至对应额定出力之间，并限制当前控制周期的目标出力相对于上一控制周期的目标出力的变化量；

41、当任一伺服液压千斤顶的当前行程接近对应行程边界时，限制该伺服液压千斤顶继续沿接近所述行程边界的方向增大目标出力；

42、当根据当前校正力和当前校正力矩不能得到满足所述额定出力、所述当前行程和所述出力变化量限制的目标出力组合时，降低所述校正力和所述校正力矩后重新确定各伺服液压千斤顶的目标出力。

43、进一步的，所述本地控制器用于根据对应伺服液压千斤顶的目标出力与实际出力之间的差值，调节液压阀开度、液压泵转速或者驱动电机电流；

44、当任一伺服液压千斤顶的实际出力、行程、出力变化率或者通信状态超过对应安全阈值时，暂停该伺服液压千斤顶动作，并根据其余伺服液压千斤顶重新确定目标出力；

45、所述校正完成条件包括各位姿分量的位姿偏差均处于对应允许范围、各位姿分量的偏差变化率均低于对应变化率阈值以及各伺服液压千斤顶的实际出力变化量和行程变化量均低于对应稳定阈值；

46、所述智能决策单元在所述校正完成条件连续满足预设数量的控制周期后，判定所述待校正钢梁完成就位校正。

47、进一步的，校正系统的校正方法包括：

48、获取待校正钢梁的目标位姿、多源观测数据、各传感器的工作状态以及多个伺服液压千斤顶的执行机构状态；

49、对所述多源观测数据进行时间同步和坐标转换，根据各传感器的工作状态以及各传感器的当前观测数据相对于当前采样时刻位姿预测结果的偏差，更新各传感器对应位姿分量的测量方差，根据所述测量方差确定各传感器的融合权重，并对有效观测数据进行加权融合，得到所述待校正钢梁在施工坐标系下的当前空间位姿；

50、根据所述目标位姿和所述当前空间位姿确定各位姿分量的位姿偏差和偏差变化率，根据所述位姿偏差及所述偏差变化率确定当前校正阶段；

51、根据所述当前校正阶段确定刚度参数和阻尼参数，并根据所述刚度参数、所述阻尼参数、所述位姿偏差及所述偏差变化率确定待施加于所述待校正钢梁的校正力和校正力矩；

52、根据多个伺服液压千斤顶相对于钢梁参考点的作用位置和出力方向，确定各伺服液压千斤顶的出力与所述校正力及所述校正力矩之间的出力分配关系，根据所述出力分配关系确定各伺服液压千斤顶的初始目标出力，并根据各伺服液压千斤顶的额定出力、当前行程及单个控制周期允许的出力变化量对所述初始目标出力进行限制，得到各伺服液压千斤顶的目标出力；

53、根据所述目标出力控制多个伺服液压千斤顶动作，以调整所述待校正钢梁的位姿，并重新获取所述多源观测数据和所述执行机构状态，循环执行空间位姿确定、校正阶段确定、刚度参数和阻尼参数确定、校正力和校正力矩确定以及目标出力确定，直至连续预设数量的控制周期满足校正完成条件。

54、相对于现有技术，本发明所述的机场指廊钢梁就位校正系统具有以下优势：

55、（1）本发明将传感器当前观测数据相对于当前采样时刻位姿预测结果的偏差、传感器工作状态和动态更新的有效测量方差共同用于融合权重确定，使全站仪失去通视、全球卫星导航系统定位解状态下降、激光测距仪回波异常等状态能够直接影响当前位姿解算，降低异常观测对钢梁位姿结果的影响；

56、（2）本发明根据综合位置偏差、综合姿态偏差、各位姿分量的偏差变化率及偏差变化方向确定当前校正阶段，并在综合位置偏差与综合姿态偏差分别对应不同校正阶段时选择偏差程度较大的校正阶段，有利于避免钢梁尚未达到稳定状态时提前进入精细调整阶段。