一种渔光互补水域用水上桩基定位方法及定位系统与流程

本发明属于桩基施工，具体涉及一种渔光互补水域用水上桩基定位方法及定位系统。

背景技术：

1、光伏电站建设是清洁能源开发的重要组成部分，将光伏电站建设与水产养殖相结合的渔光互补模式，能够高效利用土地与水面资源，实现能源生产与农业生产的协同增效。在渔光互补水域的建设工程中，水上桩基施工作为基础结构施工的关键环节，其定位精度与桩体垂直度直接决定了后续光伏支架的安装精度与结构稳定性，是影响整体施工质量与工程效率的控制性工序。

2、其中，在拟建场址为养殖鱼塘、蟹塘等既有水产养殖水域的施工场景下，水上桩基定位作业面临显著的环境约束与技术挑战。此类水域的生态系统对施工扰动极为敏感，水体搅动、底泥扩散等因素均可能导致养殖物种的应激反应甚至死亡，因此施工过程须将生态保护置于优先地位，最大程度降低施工作业对水体的侵袭与干扰。常规的施工策略通常依赖于岸基或浮台搭载的全站仪、水准仪等传统测量设备，配合人工观测与指挥，引导打桩机械完成就位与姿态调整，作业人员需通过反复测量与手动校正来逼近设计桩位坐标与垂直度要求。

3、然而，在现有技术中，这种以人工测量和手动调整为主导的实施方式，在处理渔光互补水域大规模桩基施工任务时，会不可避免地暴露出深层次的技术矛盾。具体而言，水域施工环境缺乏稳固的地面基准参照，桩机的浮动式或软底质作业平台在受风浪、水流及机械自身振动影响下，始终处于动态微幅偏移状态，导致桩机机械中心的实时空间坐标与姿态处于持续变化之中。传统测量手段仅能提供离散的、非实时的点位坐标反馈，无法对桩机机械中心进行连续的、高带宽的动态跟踪。这就造成施工人员面对的是一个信息滞后的调控对象，其每次进行桩位校正与垂直度调整的决策均基于一个已经失效的坐标快照。由于感知信息的延迟与调整动作的非连续性，整个定位与校核过程演变为一个由“偏差产生、人工发现、手动消除、再次偏差”构成的振荡循环。当面对成百上千根桩基的施工规模时，这种逐桩反复进行的“测量-纠偏”循环，会导致施工效率呈现指数级衰减。更为关键的是，在追求生态保护而力求缩短单桩施工作业时间、减少施工设备频繁移动对水底搅动的约束条件下，这种低效的循环模式使得每一项桩基的施工耗时被迫延长，扰动作业时间与范围同步增加，从而将水体中悬浮物浓度提升至影响养殖生物存活的阈值以上的风险急剧增高。由此，传统方法导致了一个悖论式困境：为达到保护养殖生态环境的目的，需要精准快速施工以缩短扰动时间，但现有以人工为核心的定位技术，因其固有的动态响应迟滞和振荡式调整机制，恰恰无法在保证桩基定位精度和垂直度质量合格的前提下实现高效快速的单桩施工，反而只能以更大的时间代价和更频繁的扰动来逼近施工目标。因此，现有技术手段在施工精度、效率与生态环境保护的协同需求面前，已经形成一种系统性瓶颈，成为该领域亟待突破的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种渔光互补水域用水上桩基定位系统及定位方法，可以有效解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种渔光互补水域用水上桩基定位方法，包括以下具体步骤：

3、s1：建立施工场址的三维数字化模型，将预设的桩位设计数据导入定位控制单元，所述定位控制单元依据三维数字化模型生成每个桩位的理论坐标值；

4、s2：在水陆两栖打桩机上部署由多个北斗高精度定位接收天线组成的定位阵列，实时解算水陆两栖打桩机机械中心在施工坐标系下的三轴绝对坐标与航向角，形成机械中心实时位姿数据流；

5、s3：将机械中心实时位姿数据流与当前目标桩位的理论坐标值进行动态比对，生成包含平面位置偏差和方位角偏差的定位偏差矢量，并将定位偏差矢量转化为驱动水陆两栖打桩机行走机构的第一液压执行指令，引导水陆两栖打桩机自主行进至目标桩位点，其中，在行进过程中，定位控制单元以不低于预设频率的频率持续更新第一液压执行指令；

6、s4：在水陆两栖打桩机就位后，获取部署于桩锤导向架上的双轴倾角传感器测量的桩体在正交两个方向上的实时倾角数据，定位控制单元将实时倾角数据与垂直基准值进行比对，生成倾角偏差矢量，并将倾角偏差矢量转化为驱动桩锤导向架姿态调整机构的第二液压执行指令，对桩体垂直度进行闭环校正；

7、s5：在沉桩过程中，定位控制单元同步执行机械中心实时位姿的连续监测与桩体实时倾角的连续监测，并在机械中心实时位姿偏离预设的允许偏差带或桩体实时倾角超出预设的垂直度阈值时，生成复合纠偏指令，驱动对应的液压执行机构实施动态补偿。

8、优选的，所述步骤s1中，三维数字化模型为建筑信息模型，桩位设计数据包括每个桩位的编号、在施工坐标系下的理论平面坐标、设计桩顶高程以及设计桩长；定位控制单元根据水陆两栖打桩机的行进路径规划，将连续的多个桩位分为一个施工区段，并按该区段内的桩位施工顺序，依次调取对应桩位的理论坐标值作为动态比对的目标值。

9、优选的，所述步骤s2中，定位阵列包含至少3台北斗高精度定位接收天线，其中2台北斗高精度定位接收天线沿水陆两栖打桩机的主行进轴线方向前后间隔部署，第3台北斗高精度定位接收天线部署于偏离该主行进轴线一侧的位置，定位控制单元通过实时动态差分定位技术解算每台北斗高精度定位接收天线的天线相位中心坐标，并结合各天线在打桩机本体坐标系下的预标定坐标，通过刚体变换解算出水陆两栖打桩机机械中心在施工坐标系下的三轴绝对坐标与航向角。

10、优选的，所述步骤s2中，定位控制单元还对解算出的机械中心实时位姿数据流进行自适应卡尔曼滤波，滤波器的状态向量至少包含机械中心的位置、速度和加速度，观测噪声协方差矩阵根据当前接收到的卫星几何分布精度因子进行动态调整。

11、优选的，所述步骤s3中，定位控制单元采用分段变增益的控制策略将定位偏差矢量转化为第一液压执行指令，当平面位置偏差大于第1预设阈值时，采用高增益控制律以最大速度的预设第一比例驱动行走机构进行快速趋近；当平面位置偏差小于或等于第1预设阈值且大于第2预设阈值时，切换为低增益控制律以最大速度的预设第二比例驱动行走机构进行微动调整；当平面位置偏差小于或等于第2预设阈值且方位角偏差小于预设角度阈值时，判定水陆两栖打桩机就位。

12、优选的，所述步骤s4中，双轴倾角传感器刚性安装于桩锤导向架上，其测量轴分别与桩锤导向架的导向方向正交，双轴倾角传感器具有预设的测量范围和分辨力，且数据输出频率不低于预设频率；定位控制单元读取双轴倾角传感器的测量值，构成描述桩体姿态的二维倾角矢量，并与垂直状态下的二维倾角理论值进行矢量减法运算，得到倾角偏差矢量。

13、优选的，所述步骤s4中，将倾角偏差矢量转化为第二液压执行指令的过程，包括采用比例-积分-微分控制算法，控制器的输出量分别对应桩锤导向架在正交两个方向上的液压油缸伸缩量，通过调整液压油缸的伸缩量改变桩锤导向架的空间姿态，从而反向补偿桩体的倾斜偏差，直至双轴倾角传感器反馈的二维倾角矢量与垂直状态下的二维倾角理论值的差值收敛至预设的垂直度阈值范围内。

14、优选的，所述步骤s5中，预设的允许偏差带是以目标桩位的理论平面坐标为中心、以预设半径构成的圆形区域，预设的垂直度阈值为桩体轴线与铅垂线之间的夹角不超过预设角度值；当机械中心实时位姿在允许偏差带内且桩体实时倾角在垂直度阈值内时，沉桩过程持续进行；当机械中心实时位姿超出允许偏差带或桩体实时倾角超出垂直度阈值时，定位控制单元中断沉桩信号，并优先执行桩体垂直度的闭环校正，待桩体实时倾角恢复至垂直度阈值内后，再执行机械中心位姿的纠偏，最后重新启动沉桩信号。

15、优选的，本发明还提供一种渔光互补水域用水上桩基定位系统，该系统包含：定位控制单元、部署于水陆两栖打桩机上的由多个北斗高精度定位接收天线组成的定位阵列、刚性安装于桩锤导向架上的双轴倾角传感器、以及水陆两栖打桩机的行走机构和桩锤导向架姿态调整机构的液压执行系统；定位控制单元分别与定位阵列、双轴倾角传感器和液压执行系统电性连接，定位控制单元用于执行所述渔光互补水域用水上桩基定位方法的步骤。

16、优选的，所述定位控制单元包括数据接口模块、位姿解算模块、偏差计算模块和指令生成模块；数据接口模块用于接收三维数字化模型数据、北斗高精度定位接收天线的原始观测数据以及双轴倾角传感器的测量数据；位姿解算模块用于执行实时动态差分定位算法和刚体变换解算，输出机械中心实时位姿数据流；偏差计算模块用于执行定位偏差矢量和倾角偏差矢量的生成；指令生成模块用于执行控制律解算，输出第一液压执行指令和第二液压执行指令。

17、借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

18、1. 通过北斗高精度定位阵列与水陆两栖打桩机液压执行系统的深度融合，构建了一个从感知、决策到执行的闭环控制系统，将离散的人工测控过程转化为连续的自主定位与纠偏过程，打破了传统方法中因信息滞后导致的振荡式调整循环，实现了桩基定位精度、施工效率与生态环境保护三者的协同提升。

19、2. 实现了厘米级自主就位，依托实时动态差分定位技术与多天线刚体变换解算，能对打桩机机械中心进行高频率的动态跟踪，并依据分层控制策略自主驱动行走机构完成快速趋近和微动就位，有效克服了水面浮动平台动态偏移带来的定位难题。

20、3. 实现了沉桩过程中垂直度的实时监测与闭环校正，利用高灵敏双轴倾角传感器与比例-积分-微分控制算法驱动液压执行机构，可在沉桩作业持续进行的同时主动抑制桩体倾斜趋势，将垂直度偏差约束在预设垂直度阈值以内，保障了后续光伏支架的安装精度。

21、4. 在沉桩过程检测到位姿或垂直度超差时，能够自动中断沉桩并执行复合动态补偿，优先恢复桩体垂直度再校正平面位置，确保每一根桩基在成桩全过程中的状态均处于受控范围，从根源上减少了因返工或补救作业所产生的额外的、长时间的施工扰动，显著降低了水体中悬浮物浓度超限的生态风险，特别契合对生态扰动敏感的鱼塘、蟹塘等养殖水域的施工要求。

22、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。