一种适用土方工程的无人机放样方法及系统与流程

1.本发明属于工程测量技术领域，具体涉及一种用于土方工程的无人机放样方法及系统。


背景技术：

2.在土方工程如场地平整、大型基坑开挖、河道封堵疏浚施工中涉及大量测量放样工作。由于施工作业面较大、同步作业机械(挖机、塔吊、吊车、渣土车等)多、场地受限等因素，传统的全站仪测量放样方法存在放样效率不高、仪器架设转场次数多、测量人员作业时存在安全风险等不足之处。
3.由于绝大多数的土方工程在顶部无遮蔽的露天条件下施工，或在顶部净空充裕的封闭/半封闭大棚内施工，因此可采用基于无人机的方式进行放样。现有的无人机放样方法主要包括以下功能：无人机定位、放样坐标输入、无人机飞抵放样点、引导放样。土方工程放样的特点是：1.现场地表环境变化较快，需进行多次过程控制放样、同一点位反复放样；2.放样精度要求低于钢结构、混凝土工程。
4.针对土方工程的放样，现有技术存在问题如下：
5.1、在无人机定位过程中，现有技术的无人机定位精度与土方工程需求不匹配。例如，仅采用无人机载gps模块进行卫星定位，在施工现场可能受到接收到的卫星数量、信号强度、周边信号干扰的影响，不能确保各类工况下的无人机定位精度满足放样要求。常用的gps rtk可实现厘米级定位，精度满足要求，但一是需要预先架设仪器辅助定位，且由于施工中常用的无人机续航时间较短(1小时以内)，更换电池后需要重新校准定位；二是架设仪器一般均需要在工程范围以外进行，仪器的架设受限。
6.2、在引导放样过程中，现有技术采用喷射白灰粉、颜料方式引导标记，下降过程受风力干扰，放样精度难以控制。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种适用土方工程的无人机放样方法及系统，在满足土方工程放样精度要求的同时，免去无人机定位所需的全站仪、rtk等辅助测量仪器，适合在多种工况下的土方工程应用，实现在场地平整、大型基坑开挖、河道封堵疏浚施工等土方工程中的平面放样，包括土方施工的过程控制与同一点位的快速反复放样。
8.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
9.一种适用土方工程的无人机放样方法，所述无人机搭载有相机和激光发射装置，所述方法包括：
10.步骤s1，在拟放样的土方工程范围边缘或外侧地表设置2个以上地面控制点；
11.步骤s2，将工程放样图纸导入所述无人机的飞控设备，所述飞控设备与所述相机和所述激光发射装置通信连接；
12.步骤s3，操控所述无人机依次飞抵所述地面控制点上空，并进行校准；
13.步骤s4，根据所述工程放样图纸，在所述飞控设备上输入地面放样点的坐标；
14.步骤s5，在飞控设备上启动放样，无人机自动飞抵所述地面放样点上空；
15.步骤s6，开启所述激光发射装置，发射激光至地表完成放样引导。
16.进一步的，在步骤s1中，当设置2个地面控制点时，采用对角线布置；
17.当设置3个地面控制点时，采用直角形式布置；
18.当设置4个及以上地面控制点时，根据拟放样的情况选取其中3个地面控制点用于校准。
19.进一步的，在步骤s3中，针对每一地面控制点，所述无人机飞抵该地面控制点上空后，调整所述相机的镜头朝向为正下，通过所述飞控设备以手动控制方式对无人机位置进行微调，直至在所述飞控设备的图传画面中相机中心与该地面控制点的中心重合，若所述无人机的机载经纬度与地面控制点平面坐标之间的误差小于容许误差时，记录无人机的坐标，完成该地面控制点的校准。
20.进一步的，当所有地面控制点都成功校准后，执行步骤s4，否则重新进行步骤s1～s3直至校准成功。
21.进一步的，在步骤s4中，当放样对象为单一点位时，输入该点位的平面坐标作为地面放样点的坐标；当放样对象为直线时，输入直线上两个点位的平面坐标作为地面放样点的坐标；当放样对象为直角时，输入直角的角点以及两个边上各一点共三个点位的平面坐标作为地面放样点的坐标。
22.进一步的，所述激光发射装置包括若干发射孔，所述若干发射孔中的一个或多个组合用于不同放样对象。
23.进一步的，所述激光发射装置的一端连接所述无人机，另一端呈四棱台状，所述若干发射孔呈十字排布，十字中心的发射孔设于棱台的上底面，十字四条边上的若干发射孔分别设于棱台的四个侧面，各发射孔的轴线均垂直于其所在的表面。
24.进一步的，在步骤s5中，当放样对象为直线时，无人机飞至首个输入的坐标点上空；当放样对象为直角时，无人机飞至直角角点上空。
25.进一步的，在步骤s6中，当放样对象为单一点位时，十字中心的发射孔发射激光，其他发射孔关闭；当放样对象为直线时，无人机自动旋转至十字一边与直线重合，十字中心的发射孔和该边上的若干个孔发射激光，其他发射孔关闭；当放样对象为直角时，无人机自动旋转至十字两边与直角两边重合，十字中心的发射与两边上的若干发射孔发射激光，其他发射孔关闭。
26.一种适用土方工程的无人机放样系统，包括无人机以及其上搭载的相机和激光发射装置，用于实现如上文所述的适用土方工程的无人机放样方法。
27.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
28.可用于土方施工的过程控制与同一点位的快速反复放样。在满足土方工程放样精度要求的同时，免去无人机定位所需的全站仪、rtk等辅助测量仪器，适合在多种工况下的场地平整、大型基坑开挖、河道封堵疏浚施工等土方工程需要。可实现单线、直线、直角等常见放样工作。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
30.图1为本发明一实施例提供的适用土方工程的无人机放样方法的流程图；
31.图2为本发明一实施例提供的适用土方工程的无人机放样系统的结构图；
32.图3为本发明一实施例提供的激光发射装置的结构图；
33.图4为图3所示激光发射装置的仰视图；
34.图5为图3所示激光发射装置的侧视图。
具体实施方式
35.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
36.本发明的核心思想在于提供一种适用土方工程的无人机放样方法，在满足土方工程放样精度要求的同时，免去无人机定位所需的全站仪、rtk等辅助测量仪器，适合在多种工况下的土方工程应用，实现在场地平整、大型基坑开挖、河道封堵疏浚施工等土方工程中的平面放样，包括土方施工的过程控制与同一点位的快速反复放样。
37.图1示出了本发明提供的一种适用土方工程的无人机放样方法的流程图，本发明所采用的无人机结构如图2所示，无人机100底部搭载有相机200和激光发射装置300，所述无人机100还连接一飞控设备，所述飞控设备用于测量人员手动控制所述无人机飞行，所述相机200用于采集无人机100下方地面的图像信息，并传输至所述飞控设备上进行显示，所述激光发射装置用于发射激光。
38.如图1所示，所述的适用土方工程的无人机放样方法具体包括如下步骤：
39.步骤s1，在拟放样的土方工程范围边缘或外侧地表设置2个以上地面控制点。
40.地面控制点为已知平面坐标的点位，要求易被无人机载相机200观测，表现形式包括但不限于：以点位为中心或顶底的x型、三角形、箭头喷漆标记，或在点位上架设的立杆、棱镜等。
41.所述地面控制点用于无人机100定位校准。由此，当设置2个地面控制点时，宜采用对角线布置。当设置3个地面控制点时，宜采用直角形式布置。当设置4个及以上地面控制点时，根据拟放样的情况选取其中3个地面控制点。
42.步骤s2，将工程放样图纸导入所述无人机的飞控设备。
43.将工程放样图纸导入飞控设备的作用在于，在步骤s4中，测量人员可在飞控设备的图传画面上直接查看放样图纸，可以方便、直观地掌握拟放样的对象与现状地形之间的
平面位置关系，也利于实现增设临时放样点。
44.步骤s3，操控所述无人机依次飞抵所述地面控制点上空，并进行校准。
45.具体的，启动无人机100起飞后，可由测量人员在飞控设备上手动控制飞行，或利用航线规划软件控制无人机100自动飞行，直至无人机100飞抵第1个地面控制点上空。调整机载相机200的镜头朝向为正下，以手动控制方式对无人机100位置进行微调，直至在飞控设备的图传画面中，相机200中心点与地面控制点的中心重合，完成坐标校准。当无人机100的机载经纬度与地面控制点平面坐标之间的误差小于容许误差时，记录无人机100的坐标，完成校准。
46.然后，操控无人机100飞抵第2个地面控制点上空，重复以上过程。成功校准时，进行后续步骤s4或飞抵第3个地面控制点上空，重复以上过程。当所有地面控制点都成功校准后，执行后续步骤s4，否则重新进行步骤s1～s3直至校准成功。
47.步骤s4，根据所述工程放样图纸，在所述飞控设备上输入地面放样点的坐标；
48.步骤s5，在飞控设备上启动放样，无人机自动飞抵所述地面放样点上空；
49.步骤s6，开启所述激光发射装置，发射激光至地表完成放样引导。
50.放样对象分为单一点位、直线和直角，在输入地面放样点坐标之前，测量人员需要在飞控设备上选择一种放样对象，再输入对应的坐标。当放样对象为单一点位时，输入该点位的平面坐标作为地面放样点的坐标；当放样对象为直线时，输入直线上两个点位的平面坐标作为地面放样点的坐标；当放样对象为直角时，输入直角的角点以及两个边上各一点共三个点位的平面坐标作为地面放样点的坐标。
51.进一步的，为了适用上述三种放样对象，本发明对所述激光发射装置300进行改进，在所述激光发射装置300在设置若干发射孔301，所述若干发射孔301中的一个或多个组合用于不同放样对象。如图3、4、5所示，并结合图2，所述激光发射装置300的一端连接所述无人机100，另一端呈棱台状，所述若干发射孔301呈十字排布，十字中心的发射孔301设于棱台的上底面，十字四条边上的若干发射孔301分别设于棱台的四个侧面，图中四条边上均具有两个发射孔301，在其它实施例中也可以为三个或三个以上。各发射孔301的轴线均垂直于其所在的表面，由此可以通过调节所述无人机100的高度，调节同一边上相邻两个发射孔301发射的激光投射到地表后形成的两个激光点之间的距离，从而调整该两个发射孔301所放样的直线的长度。
52.具体的，在飞控设备上启动放样后，无人机100根据地面放样点的坐标自动飞抵到地面放样点上空，当无人机100的机载经纬度与放样点平面坐标之间的误差小于容许误差时，即无人机100飞抵放样点。当放样对象为单一点位时，无人机100飞至该点位上方，十字中心的发射孔301正对该单一点位；当放样对象为直线时，无人机100飞至首个输入的坐标点上空，十字中心的发射孔301正对该坐标点；当放样对象为直角时，无人机100飞至直角角点上空，十字中心的发射孔301正对该角点。
53.当放样对象为单一点位时，激光发射装置300中十字中心的发射孔301发射激光，其他发射孔301关闭；当放样对象为直线时，无人机100自动旋转至十字一边与直线重合，十字中心的发射孔301与该边上的若干个发射孔301发射激光，其他发射孔301关闭；当放样对象为直角时，无人机100自动旋转至十字两边与直角两边重合，十字中心的发射孔301与该两边上的若干个发射孔301发射激光，其他发射孔301关闭。
54.基于同一发明构思，本发明还提供一种适用土方工程的无人机放样系统，包括无人机以及其上搭载的相机和激光发射装置，用于实现如上文所述的适用土方工程的无人机放样方法。
55.综上所述，本发明可用于土方施工的过程控制与同一点位的快速反复放样。在满足土方工程放样精度要求的同时，免去无人机定位所需的全站仪、rtk等辅助测量仪器，适合在多种工况下的场地平整、大型基坑开挖、河道封堵疏浚施工等土方工程需要。可实现单线、直线、直角等常见放样工作。
56.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
57.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。