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        大型裝配式建筑遠(yuǎn)距離光電識(shí)別安裝定位系統(tǒng)研究

        2021-12-10 10:22:20
        鐵道建筑技術(shù) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:舵機(jī)激光雷達(dá)吊裝

        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(guò)程中裝配式結(jié)構(gòu)在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中的豎向裝配式構(gòu)件吊裝時(shí)的定位問(wèn)題最為突出[1]。本文開(kāi)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(kāi)裂、滲水”等質(zhì)量問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(kāi)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(guò)更換攝像頭、傳感器的類型來(lái)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(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)入整姿模式,先由核心微處理器開(kāi)啟雙目攝像頭進(jìn)行快速三維重構(gòu),找到接近畫(huà)面中央的中距墻面區(qū)域。通過(guò)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(guò)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(guò)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幚砥魃稀L幚砥魇紫壤脭z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(huà)面上的點(diǎn)的距離數(shù)據(jù),跟視野上識(shí)別的物體畫(huà)面相重疊得到最終的圖像,最終的圖像被圖傳部分通過(guò)無(wú)線的方式傳送到接收終端。

        如果畫(huà)面中的視野不理想,塔吊司機(jī)也可從塔吊端通過(guò)接收裝置上的軟件發(fā)送控制指令來(lái)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(lái)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(lái)測(cè)距。其測(cè)距的基本原理是通過(guò)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(lái)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(guò)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(wú)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(huà)面,實(shí)時(shí)顯示畫(huà)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(huà)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(huà)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(jué)誤差[9],橫坐標(biāo)的視覺(jué)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(kāi)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(huà)面為基礎(chǔ)畫(huà)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(huà)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(huà)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(guò)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(wú)線傳輸模塊,來(lái)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊我們采用ATK-M750型無(wú)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(guò)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(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息打包,通過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)構(gòu)建不同畫(huà)面之間的相應(yīng)關(guān)系,將同一個(gè)物理點(diǎn)在不同畫(huà)面中的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)起來(lái)。

        (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(guò)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(guò)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(guò)遠(yuǎn)程的無(wú)線方式操控本裝置的姿態(tài),更便于司機(jī)對(duì)畫(huà)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(kāi)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。

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