一种高精度地面平整度测量系统和方法与流程

1.本发明属于精密测量技术领域中的一种表面测量系统方法，尤其是涉及了一种高精度地面平整度测量系统和方法，可用于建筑机器人领域。


背景技术：

2.我国是世界上基建水平最高的国家之一，前期得益于人工费用优势，发展迅速；近期随着人工费用的提高以及建筑效率的需求，对基建自动化的要求不断提高，这里面需要不同的建筑机器人以及对应的建筑测量仪器等。
3.建设机器人从首个发明至今有多年的历史，先后经历了机械传动和液压到机器人化三代，其中建设机器人发展的里程碑是能遥控、自动和半自动控制，可在自然环境中进行多种作业。典型建设机器人的机种按其共性技术可分为三种：操作高技术、节能高技术和故障自行诊断技术。其研究内容丰富，技术覆盖面广，随着机器人技术的发展，高可靠性、高效率的建设机器人已经进入市场，并且具备广阔的发展和应用前景。
4.建设机器人从发明到现今已经历了一百多年的历史，先后经历了机械传动和液压传到两代。现机器人化的工程机械被称为第三代，称为工程机械发展的里程碑。建设机器人能遥控、自动和半自动控制，可以在自然环境中进行多种作业，其中以自然作业为最大特征。建设机器人的机种很多，按其共性技术可归纳为三种：操作高技术、节能高技术和故障自行诊断技术。其研究内容丰富，技术覆盖面广，随着机器人技术的发展，高可靠性、高效率的建设机器人已经进入市场，并且具备广阔的发展和应用前景。典型的建筑机器人包括施工机器人、运输及上料机器人、集中工作站等，其配套实现多机协同装修施工作业，可以实现装修阶段端到端的智能建造，构建了完整的全周期施工闭环，提高建筑施工效率和效果。
5.在施工过程中，对于已摊铺地面的检测是一个重要的功能，通过对未凝固水泥地面高低测量，和水平面进行对比，可以得到施工地面的平面度，未地面在凝固前的修整提供重要的信息。
6.在大面积的混凝土摊铺施工过程中，需要对摊铺机等自动化施工机器人完成的施工面进行复检。目前采用的是人工单点测量的方法，由测量人员手持激光标高探测装置进入指定位置，接收基准激光，给出标高数据。采用这种已有方法测量，会破坏施工面，测量效率低、精度差、大面积测量结果实时性差，而且需要人工参与，严重影响了建筑施工的标准化、自动化程度。目前亟需一种能克服上述缺点的测量系统，完成自动化摊铺施工中“实时、高精度、自动化复测”这一十分重要的过程。
7.针对以上情况，有两种潜在的无损测量方案：
8.第一种采用定点高精度扫描的方式，即在待测量地面的边缘位置，架设高精度三维扫描系统，对地面进行扫描。该方案实施简单，但是存在测量范围小的缺点。首先扫描仪测距精度随着距离增大而下降，10米处标称测距误差已大于
±
1mm(faro focus)，而一般三维扫描系统的架设高度，不会超过待测地面2 米，大部分情况架设高度在一人高左右，在10米处的对地面的入射角约为80 度，相当于掠射入射，测距误差迅速增大，远超标称误差。此
方案只适合小范围地面测量，如入射角60度以内，即相对架设点位置周围4米之内。
9.第二种采用激光跟踪仪，跟踪飞行平台，携带激光扫描仪的方式，有效解决了激光扫描仪的距离和入射角问题，一直使激光扫描仪测距工作在近距离范围(如2米)，入射角极小(几乎垂直入射地面)模式。此方案激光跟踪仪成本较高，跟踪测量带宽可能无法消除飞行平台的振动问题。同时作为激光跟踪仪设备，无法实时获取测量数据，没有与飞行平台形成实时联动反馈。
10.另外对于施工地面测量中，传统技术是通过人力结合入场测量的方式，这种方式主要由几个问题：
11.首先是浸入式测量，会破坏浇筑尚未凝结的地面；
12.其次是测量采样点少、速度慢，只能完成有限点数的测量；
13.最后测量精度一般，难以指导后续的修整工作，无法达到自流平精度，在此基础上无法直接实现瓷砖铺贴等工作。


技术实现要素：

14.针对建筑施工过程中对摊铺面等对地面平整度的高精度测量需求，为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种高精度地面平整度测量系统和方法，是利用无人机技术配合测距模块实现地面平整度高精度测量的方案，充分利用现有无人机技术和基于tof的高精度测距构成测量系统，实现高精度无接触测量，实现对地面的高精度测量，结合拟合算法，实现对地面平整度等关键参数的快速高精度测量，从而未地面修整提供核心传感器，可以满足建筑等领域的应用，提高建筑效率和施工效能。
15.同时，可以进一步通过在无人机上增加ccd，线性psd等光电探测器，通过对激光定位地面站的虚拟水平面的探测，探测无人机的和其相对的位置信息，作为校正参数，从而可以降低对无人机位置控制的精度要求和控制带宽的要求。
16.本发明所采用的技术方案的该方法的步骤如下：
17.一、一种高精度地面平整度测量系统：
18.包括激光定位地面站，布置在地面上，和无人机飞行平台交互通信，用于产生控制无人机飞行平台水平的虚拟水平面；
19.包括无人机飞行平台，飞行在被测地面上方的空间中，且对被测地面进行扫描和逐点的垂直高度测试；
20.包括高程测量载荷，安装布置在无人机飞行平台，用于朝下测量到被测地面之间的垂直距离。
21.所述的高程测量载荷为高精度宽频激光测距模块。
22.所述的激光定位地面站产生激光脉冲形式的激光束或激光面，由激光束或激光面组成虚拟水准面。
23.所述的激光定位地面站内部具有二维水平仪，通过二维水平仪提供水平方向并通过调整激光束或激光面是否处于水平位置，通过光束扫描方式由扫描激光提供虚拟的虚拟水准面作为高度测量的基准。
24.所述的激光定位地面站具体主要由光路系统和虚拟水准面控制单元构成，
25.光路系统包括依次连接的激光光源、驱动电路和光束控制光路，用于产生测量范
围内的激光脉冲；
26.虚拟水准面控制单元主要由二维倾角测量单元和调平执行机构的两部分组成，二维倾角测量单元作为二维水平仪测量脉冲激光平台倾斜角度，并控制调平执行机构调整至水平位置，以保证出射的激光脉冲的水平度，提供形成虚拟水平面。
27.所述的高程测量载荷包括用于单点测距的单点激光测距模块和基于飞行时间测量原理的用于多点阵列测距的面阵激光测距模块中的一种或者两种结合。
28.其中单点激光测距模块具有测量速度快、精度高，通过额外附加一维扫描装置，测量室内墙壁与地面的角落；面阵激光测距可解决墙面与地面连接处判别问题；两种模块根据测量需求选定。
29.所述的无人机飞行平台主要由含飞控模块的无人机、光电探测模块构成；高程测量载荷安装在无人机上，无人机携带高程测量载荷完成对地垂直方向的相对距离测量；光电探测模块用于配合测量激光定位地面站发出的激光脉冲构成的虚拟水平面。
30.所述的无人机飞行平台的一侧安装有光电探测器。
31.光电探测模块测量由激光定位地面站发出的激光脉冲构成的虚拟水平面，并提供给无人机内的飞控模块，飞控模块根据光电探测模块测量的信息调整无人机的姿态，保证测量的垂直性以及无人机自身高度处于所述的虚拟水平面内，作为高程测量的基准。
32.二、一种高精度地面平整度测量方法：
33.本发明的测量方法是利用精确定位和姿态控制的无人机飞行平台，结合安装在无人机飞行平台上的高程测量载荷，实现了对无人机和地面垂直距离的精确测量，结合无人机的位置，得到地面标高数据；通过无人机对被测范围地面进行扫描和逐点测试，从而实现地面标高的数据分布；通过数据处理和数据校正，得到被测地面的平整度信息，从而实现了高精度平整度测量。
34.所述方法按照如下步骤进行：
35.(1)首先根据用户需求生成测试序列：
36.根据预先输入的被测地面的范围区域r和二维测量步长生成测试序列；
37.(2)控制无人机飞到一个测试点t(i,j)，在高度方向利用激光定位地面站稳定在虚拟水平面上；
38.(3)启动高程测量载荷进行垂直距离测量，在每一测试点位置按照预设采样频率连续测试l次，每次测试获得垂直距离z(i,j,k)，其中k表示测试次数序数，取值范围为1～l，l为最大测试点数；每一测试点位置下的所有垂直距离z(i,j,k) 得到对应于测试点t(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)；
39.(4)对每个测试点t(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)进行滤波，得到测试点t(i,j) 的测试结果值h(i,j)；
40.(5)重复步骤(2)～(4)，直到所有测试点均完成测试，由所有测试点 t(i,j)的测试结果值h(i,j)组成二维数据阵列；
41.(6)根据二维数据阵列的所有测试结果值h(i,j)进行处理获得两个正交方向上的倾角以及与地面的实际平面度。
42.所述步骤(1)具体为：二维测量步长在预先选定的两个正交方向上的步长分量分别为dx0和dy0；在被测地面的范围区域r内的两个正交方向上分别以步长分量dx0和dy0进
行间隔阵列设置多个测试点t(i,j)，t(i,j)表示被测地面的范围区域r内的第i行第j列的测试点，t(i,j)＝[x(i)，y(j)]，其中x(i)、y(j)分别表示测试点t(i,j)下在两个正交方向上的坐标，i的取值为0～n，j取值范围为0～m， n、m分别为被测地面的范围区域r内两个正交方向上的测试点总数；然后将所有测试点按照预设的顺序生成测试序列。
[0043]
所述步骤(4)中的滤波采用l点平均的方式，表示为：
[0044]
h(i,j)＝sum(z(i,j,k))/l
[0045]
其中，sum()表示求和函数，求和之后处于l点平均即为平滑滤波；
[0046]
所述的步骤(4)中，在滤波前经过一次以下的去野点处理：
[0047]
取每个测试点t(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)的均值和方差值，分别记为m(k) 和std(k)，对满足以下公式的数据进行去除，不进入后续步骤的处理：
[0048]
|z(i,j,k)-m(k)|》6
×
std(k)
[0049]
其中，m(k)和std(k)分别表示测试点t(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)对应的均值和方差值。
[0050]
所述步骤(6)具体为：
[0051]
(6.1)根据二维数据阵列的所有测试结果值h(i,j)进行数据二维的线性拟合，拟合平面表示公式为：
[0052]
h(i,j)＝[xh(i)，yh(j)]
[0053]
f(i,j)＝a
×
x
h(i)×
dx0 b
×yh(i)×
dy0 c
[0054]
其中，xh(i)、yh(j)分别表示测试点t(i,j)的的测试结果值h(i,j)在两个正交方向上的坐标分量，dx0、dy0分别表示为在这两个正交分量上面的测量步长，对应于采样间隔，f(i,j)表示目标拟合平面参数，a,b,c分别为第一、第二、第三拟合量；
[0055]
通过采用最小二乘法进行拟合得到第一拟合量a、第二拟合量b、第三拟合量c的参数结果，分别记为第一拟合系数a0、第二拟合系数b0和第三拟合系数 c0；
[0056]
(6.2)然后将第一拟合系数a0、第二拟合系数b0和第三拟合系数c0代入以下公式，计算获得测试点t(i,j)的拟合参数f’(i,j)，进而获得所有测试点t(i,j) 的测试结果值h(i,j)和拟合参数f’(i,j)进行求差获得各个测试点t(i,j)的测试结果值偏离拟合平面的残差herr(i,j)：
[0057]
f’(i,j)＝a0
×
x
h(i)×
dx0 b0
×yh(i)×
dy0 c0
[0058]
herr(i,j)＝h(i,j)-f’(i,j)
[0059]
其中，f’(i,j)表示拟合参数，herr(i,j)表示测试点t(i,j)的测试结果值偏离拟合平面的残差；
[0060]
(6.3)以第一拟合系数a0、第二拟合系数b0分别作为被测地面的范围区域r在两个正交方向上的倾角，以残差herr(i,j)作为与地面的实际平面度，从而实现测量。
[0061]
本发明是一种非接触无损快速测量系统，由激光定位地面站、无人机飞行平台、高程测量载荷组成，利用激光定位地面站产生由激光束或激光面组成的虚拟虚拟水准面；同时辅助飞行平台实现更高精度的定位，由无人机飞行平台完成测量路径规划，初步飞行位置定位，通过无人机飞行平台实现对被测区域的扫描测量；利用高程测量载荷，具备高速高精度特点，以极高速率测量飞行平台及载荷自身相对激光虚拟水准面的高程差，以及载荷相对待测地面的高程，从而求解出待测地面相对激光虚拟水准面的高程差。同时，载荷所得
到的高精度高程差实时数据，反馈给飞行平台的飞控系统，以及云台系统，进一步提高飞行平台的飞行平稳度。
[0062]
本发明系统能够通过飞行路径规划单元，标记该测试点的测试结果，直至完成飞行路线所有点的测试，通过误差校正之后，利用所有测试点数据经过拟合和信息提取等数据处理算法，形成待测地面的全貌地形图，并显示出来。以此实现对施工面指定路径的实时、高精度、自动化复测工作。
[0063]
本发明具有的有益效果是：
[0064]
本发明系统和方法，结合了无人机技术，并利用激光定位地面基准提供虚拟平面作为其基准，在此基础上利用tof等距离测量传感器实现了距离测量，从而可获得被测面的平整度等面向消息。
[0065]
且本发明方法提高了测量精度，采用无接触方式测量方式，不会对施工面进行干扰，提高了测量效率，并可以为未凝结水泥面进行施工修整提供参考数据，有望能够改进地面浇筑等施工的性能指标，降低建筑成本；有望在建筑机器人得到应用，推荐建筑施工无人化、自动化等的技术发展。
附图说明
[0066]
图1测量系统示意图；
[0067]
图2为无人机定位原理示意图。
具体实施方式
[0068]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0069]
如图1所示，系统由激光定位地面站、无人机飞行平台和高程测量载荷组成。
[0070]
在本发明中，主要是通过无人机实现非接触测量和快速多点测量；利用激光定位地面站未无人机提供高精度定位信息，提供测量的参考平台；利用无人机飞行平台上携带的高程测量载荷实现高精度的相对位移的测量；从而实现对于被测面的表面测量，利用数据拟合等方法提取出被测面的面型信息。这里面包括三个硬件部分和一个软件部分，各部分功能分别如下：
[0071]
激光定位地面站：位于被测面外，其利用激光形成水平基准虚拟面(或称虚拟水平面、虚拟水平基准面等)，通过上面自带的水平仪，使得其输出激光处于水平位置，利用扫描装置，或者利用棱镜结构等，形成虚拟水平面。水准仪可以达到1微米/毫米的精度，对应于水平面精度优于0.2角秒，远远高于所需精度；所构成的基准平面虚拟面为无人机提供一个定位基准，无人机飞行平台通过上面自带的光电探测器，维持在该虚拟基准面内。
[0072]
无人机飞行平台核心为无人机，提供一个非接触的平台；其上带有光电探测器检测激光定位地面站提供的虚拟水平基准面，通过对激光的探测和飞控模块控制无人机始终处于该面上。具体的探测器如qpd等四象限光电探测器，其通过控制保证光点再qpd的中间而实现无人机位置的控制。同时无人机还是对测量面进行扫描的功能实现者：在飞控模块的控制下，根据预先规划好的测量路线和测量点位，无人机再完成一个测量点之后，飞至下一个测量点，并在高度控制在虚拟水平基准面之后进行距离测量。无人机飞行平台同时还带有高精度的高精度测量载荷，该载荷主要完成垂直距离的测量。无人机飞行平台还可以
增加其他功能，例如通过蓝牙模块、wifi无线模块等高速数据通道和地面定位站之间进行数据通信，将测试数据实时上传。
[0073]
高精度的高精度测量载荷是测量核心，其实现了相对距离的测量，在无人机处于虚拟平台上时，测量结果即代表了被测点的高度信息。高精度测量载荷可以采用多种不同技术方案，在本技术中，通过采用面阵tof(时间飞行测量) 作为测量传感器从而实现高精度的测量。
[0074]
本发明的系统的主控电脑实现了测量流程的控制和算法的实现，其在测量开始根据用户需求输入测量参数，包括测量范围、测量点步长等，从而生成测量序列；之后将测量序列发送无人机，作为无人机测量的顺序；之后控制激光定位地面站产生虚拟水平基准面；同时在高精度测量载荷测试完成之后或者测量每个点之后和其进行通信，完成测量数据的获取；最后利用测量数据获得每点的距离测量数据，进而得到整个被测量面的高度数据分布，最后通过这个数据分布进行拟合，得到被测面的斜度、平面度、偏差等测量信息和参数；将测量信息和参数存储和上传、显示。
[0075]
图1为测量系统构成图，图中地面站即为激光定位地面站，其利用按照在他上面的激光输出提供了虚拟水平面，如虚线所示；地面站上包括了高精度的水平仪，可以更加水平仪信息在测量开始调整地面站的姿态，从而确保激光平面构成的虚拟水平面精度达到预期要求。目前高精度水平仪精度可以达到优于 10um/m的精度，意味着在100米的范围内，其最大误差不会超过1mm。从而保证了激光虚拟水平面能够作为基准面使用。
[0076]
无人机飞行平台上同时配备了光电探测器用于位置的精确控制。无人机可以采用了现有商用的无人机，也可以通过定制等方式，其携带高程测量载荷；并根据预先设定的测量路线，将高程测量载荷分布携带并运送至各个测量点，如图1所示，无人机悬浮在空中，并通过自带的飞控模块稳定控制在激光虚拟水平面上之后，由高程测量载荷对被测面上被测点a点的相对高度的测量。重复这个过程，则可以完成所有被测面上所有预设定的被测点的数据，根据这些数据可以进行数据拟合，从而得到被测面的面型信息。
[0077]
测量数据可以通过无人机上带的通信链路和地面站进行通信，发送给地面站，由地面站提供数据处理功能；可选的链路包括wifi、蓝牙等无线方式。
[0078]
图2为无人机定位原理示意图。如图2所示，无人机上带有光电探测器，用于检测和激光构成的虚拟水平面的高低和相对位移关系。如图中所示为典型的一种基于四象限光电二极管(qpd)的探测器，也可以利用四个单光电二极管 (pd)探测器进行替代，如果将光电探测器的四个探测单元分别记为:d1，d2， d3，d4。为了示意方便，图中尺寸放大了激光水平面和qpd之间的尺寸关系。黑色虚线对应的就是表示虚拟激光面。
[0079]
图2中的左图和右图分别代表了无人机高度低于水平面、高于水平面时候的qpd探测到的光信号。从图中可见，如果检测到d1加d2信号高于d3加d4，意味此时无人机高度低于虚拟水平面，需要通过飞控使其高度抬高(左图)；放过来如果检测到d1加d2信号低于d3加d4，意味此时无人机高度高于虚拟水平面，需要通过飞控使其高度降低；通过这种方式进行反馈控制，知道d1加d2信号等于d1加d2信号，则意味着无人机悬浮在虚拟水平面上，其高度可以作为测量基准，此时可以进行对其垂直下方被测点的高程测量。
[0080]
进一步的，通过对d1和d3关系，d2和d4的信号大小关系还可以对无人机的姿态进行闭环，进一步提高测量精度。
[0081]
具体实施中，测量过程按照如下步骤进行：
[0082]
(1)首先根据用户需求生成测试序列：
[0083]
根据预先输入的被测地面的范围区域r和二维测量步长生成测试序列/测试轨迹；
[0084]
二维测量步长在预先选定的两个正交方向上的步长分量分别为dx0和dy0；在被测地面的范围区域r内的两个正交方向上分别以步长分量dx0和dy0进行间隔阵列设置多个测试点t(i,j)，t(i,j)表示被测地面的范围区域r内的第i行第 j列的测试点，t(i,j)＝[x(i)，y(j)]，其中x(i)、y(j)分别表示测试点t(i,j)下在两个正交方向上的坐标，i的取值为0～n，j取值范围为0～m，n、m分别为被测地面的范围区域r内两个正交方向上的测试点总数；然后将所有测试点按照预设的顺序生成测试序列/测试轨迹，从而按照步长dx0和dy0覆盖所需测量范围。
[0085]
(2)通过飞控模块控制无人机飞到一个测试点t(i,j)，在高度方向利用激光定位地面站稳定在虚拟水平面上；
[0086]
(3)启动高程测量载荷进行垂直距离测量，在每一测试点位置按照预设采样频率连续测试l次，每次测试获得垂直距离z(i,j,k)，其中k表示测试次数序数，取值范围为1～l，l为最大测试点数；每一测试点位置下的所有垂直距离z(i,j,k) 得到对应于测试点t(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)；
[0087]
(4)对每个测试点t(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)进行滤波，得到测试点t(i,j) 的测试结果值h(i,j)；
[0088]
具体的滤波采用l点平均的方式，表示为：
[0089]
h(i,j)＝sum(z(i,j,k))/l
[0090]
在滤波前经过一次以下的去野点处理：
[0091]
取每个测试点t(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)的均值和方差值，分别记m(k) 和std(k)，对满足以下公式的数据进行去除，不进入后续步骤的处理：
[0092]
|z(i,j,k)-m(k)|》6
×
std(k)
[0093]
其中，m(k)和std(k)分别表示测试点t(i,j)的测试结果序列z(i,j,k)对应的均值和方差值。
[0094]
(5)重复步骤(2)～(4)，直到所有测试点均完成测试，由所有测试点 t(i,j)的测试结果值h(i,j)组成高度测量结果的二维数据阵列；
[0095]
(6)根据二维数据阵列的所有测试结果值h(i,j)进行处理获得两个正交方向上的倾角以及与地面的实际平面度。
[0096]
(6.1)根据二维数据阵列的所有测试结果值h(i,j)进行数据二维的线性拟合，拟合平面表示公式为：
[0097]
h(i,j)＝[xh(i)，yh(j)]
[0098]
f(i,j)＝a
×
x
h(i)×
dx0 b
×yh(i)×
dy0 c
[0099]
通过采用最小二乘法进行拟合得到第一拟合量a、第二拟合量b、第三拟合量c的参数结果，分别作为第一拟合系数a0、第二拟合系数b0和第三拟合系数 c0；
[0100]
(6.2)然后将第一拟合系数a0、第二拟合系数b0和第三拟合系数c0代入以下公式，计算获得测试点t(i,j)的拟合参数f’(i,j)，进而获得所有测试点t(i,j) 的测试结果值h(i,j)和拟合参数f’(i,j)进行求差获得各个测试点t(i,j)的测试结果值偏离拟合平面的
残差herr(i,j)：
[0101]
f’(i,j)＝a0
×
x
h(i)×
dx0 b0
×yh(i)×
dy0 c0
[0102]
herr(i,j)＝h(i,j)-f’(i,j)
[0103]
(6.3)以第一拟合系数a0、第二拟合系数b0分别作为被测地面的范围区域r在预先选定的两个正交方向上的倾角，以残差herr(i,j)作为与地面的实际平面度，从而实现测量。将上述三种数据发送给记录设备，并通过输出设备显示出来，作为地面修整等的信号。
[0104]
由此实施可见，本发明对被测地面高度进行高精度测量，也可对施工过程中的未凝结水泥面进行测量，从而为浇筑表面平整度的修整提供参考数据。所提出的系统可成为建筑地面浇筑机器人的重要部分，支持自动铺砖机的应用，不需重新找平和自流平工艺，提高了建筑施工效率。
[0105]
图2对于虚拟水平面的探测，也可以采用ccd、线性psd等光电探测器实现，作为一个扩展，通过测量无人机和虚拟水平面之间的距离，还可以降低对无人机的位置精度的控制，利用无人机和虚拟水平面之间的距离信息，校正优于无人机位置误差导致的测量误差，同时利用ccd、psd等的测量带宽提高系统的测量速度，降低无人机控制的难度。