陸萬柱，陳偉，雷俊，田璐璐，夏春陽

(中建科技集團有限公司深圳分公司，廣東，深圳 518000）

1 引言

近年來，部分發(fā)達國家，如日本、德國、瑞士等已經開始以自動化施工機械代替人工操作。作為自動機械輔助施工的一部分，日本、瑞士等國在探索施工自動化的同時，也已經開始進行質量檢測和安全監(jiān)控及管理自動化的探索。日本已經開始嘗試進行可移動機器人結合自動檢測和監(jiān)測設備完成對施工現(xiàn)場的施工質量檢測及安全巡邏及管理[1]。

在我國，目前移動式底盤及點云掃描技術已較為成熟，其中全地形移動式底盤技術多用于搜救機器人、排彈機器人以及服務行業(yè)的配送機器人等，一些成熟的解決方案在地形通過及穩(wěn)定性方面具有很大的設計參考價值[2]。雖然全地形底盤技術較為成熟，但市場上仍未出現(xiàn)面向建筑工地場景下使用的移動式底盤，在機械磨損以及越障能力方面很難達到建筑工地的使用要求。點云掃描技術在三維重建領域較為成熟，但在建筑工程中的實際應用較少，部分工地在塔吊等建筑施工設備上安裝了攝像設備，實現(xiàn)了部分的安全監(jiān)控，但仍有死角存在拍攝盲區(qū)，不能完全做到安全監(jiān)管及智能監(jiān)管。

全自主移動式實測實量機器人的研究與應用符合國家政策和戰(zhàn)略目標，滿足高密度負載、建筑空間感知、適應復雜地面、多配件搭載等需求，適應更多的建筑場景。面對復雜的任務時，搭載點云掃描儀及高清攝像儀等不同的設備，實現(xiàn)施工過程的自動化安全監(jiān)管和質量檢測，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中的質量問題及不安全行為或不安全狀態(tài)，滿足工廠和工地的多場景化應用，推動智慧工地的實現(xiàn)，發(fā)展前景廣闊[3]。

2 研發(fā)思路及創(chuàng)新點

2.1 功能設計

實測實量機器人由點云掃描儀、高性能處理器、升降調平模塊、雙目視覺導航模塊、全地形履帶式底盤5大硬件系統(tǒng)組成，見圖1。機器人可通過視覺算法和路徑規(guī)劃實現(xiàn)機器人在施工現(xiàn)場建筑物內的高精度定位和自主移動，并對在建建筑物進行全自動實測實量。

圖1 點云機器人

點云掃描儀可對周圍環(huán)境進行360°旋轉掃描，以360000點/s的掃描速率對室內60 m范圍內的建筑表面進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)100%覆蓋，檢測精度達到±2 mm，檢測效率提升20倍以上。高性能處理器能夠對采集到的點云數(shù)據(jù)進行拼接處理并與BIM模型構件信息進行匹配，及時輸出測量結果。升降調平模塊可以為點云掃描儀提供良好的工作高度與水平度，保證點云數(shù)據(jù)采集質量。雙目視覺導航模塊由兩臺工業(yè)相機和一塊慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)組成，自主研發(fā)了機械定位結構和控制板，可輸出時間幀對齊的雙目圖像和IMU傳感器數(shù)據(jù)，使機器人導航工作穩(wěn)定，定位精度與市面上現(xiàn)有的模組比較，具有更高的精度，實現(xiàn)全自動移動功能。全地形履帶式底盤由兩個直流伺服電機、伺服控制器及經過減震設計的履帶式結構組成，直流伺服電機使用電流環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán)三環(huán)的pid控制算法，保證了機器人在行走過程中的直行、爬坡、越障性能。減震結構降低了底盤在高速行走的過程中不會由于地面不平整產生的震動幅度和震動頻率，底盤最高可以爬30°傾斜的陡坡。

2.2 創(chuàng)新性能

實測實量機器人融合了基于空間點云智能分析技術、大數(shù)據(jù)處理技術、云計算技術和機器人技術等新一代自動化、智能化和數(shù)字化的實測實量技術，是新一代建筑施工質量全過程數(shù)字化實測實量解決方案，其創(chuàng)新性能主要體現(xiàn)在以下4個方面：

1）機器人自動導航技術創(chuàng)新與突破。機器人導航系統(tǒng)通過雙目視覺與慣性導航融合型導航技術，首創(chuàng)基于BIM輕量化模型的自動路徑規(guī)劃技術，可應用于復雜地形的全地形巡航。

2）機器人定位輔助多片3D點云拼接技術創(chuàng)新與突破。處于施工階段的建筑物內存在區(qū)域面積大、隔間多等特點。為了滿足大范圍的測量工作要求，需要將建筑物分為多個測量站點，并將多個測量站點的數(shù)據(jù)進行自動化的拼接，將多片點云轉換為一片完整的點云用于計算。自動拼接功能通過自動導航系統(tǒng)提供的機器人三維位姿信息進行多組點云的粗定位，再采用網(wǎng)絡內容服務商（Internet Content Provider，ICP）算法對點云位置進行修正，最終達到高精度點云拼接的效果。

3）自動化。機器人一鍵啟停，自動導航避障，自動掃描、計算、輸出實測成果，全流程自動化實現(xiàn)。杜絕了人為干擾，保證數(shù)據(jù)準確性。減少了人工作業(yè)，工作效率高?？蓪崿F(xiàn)施工現(xiàn)場質量測量的簡單化、自動化及無紙化作業(yè)。

4）基于云端的監(jiān)控管理技術創(chuàng)新。可實現(xiàn)機器人與智慧建造平臺的信息交互，實現(xiàn)智能化、數(shù)字化和信息化質量檢測。所有實測數(shù)據(jù)自動在云端保存，可以確保數(shù)據(jù)真實可信，并且可追溯、可共享、可重復利用，所有相關單位——建設單位、監(jiān)理單位、施工單位、政府主管部門、消費者都可以基于云數(shù)據(jù)進行決策和行動。

3 項目應用

3.1 項目概況

坪山生物醫(yī)藥產業(yè)加速器園區(qū)項目位于深圳市坪山區(qū)國家生物醫(yī)藥產業(yè)基地內，總用地面積為106 033.72 m2，總建筑面積689 511.32 m2，共15棟塔樓，多高層廠房12棟，為框架剪力墻結構，超高層3棟，為框架核心筒結構。建筑功能主要包括無污染廠房、研發(fā)用房、宿舍以及配套商業(yè)等。

項目多高層廠房標準層由鋼管混凝土柱+鋼梁+鋼筋桁架樓承板組成，鋼柱跨距為8.4 m，層高較高，墻面結構較少，無大型幕墻，非常適合采用點云掃描機器人進行測繪?？紤]到測試環(huán)境整體呈鏤空型，需要將建筑物分為多個測量站點，并將多個測量站點的數(shù)據(jù)進行自動化的拼接，將多片點云轉換為一片完整的點云用于計算[4]。

3.2 應用設計

根據(jù)項目特點，依靠兩種不同類型的點云掃描機器人分別完成標準層建模+實測實量指標檢測，獲得較為完整的測量結果。

首先，采用基于雙目視覺的點云機器人的自主定位和導航功能，適用于建筑工地的工況。通過安裝在機器人前方的兩個工業(yè)相機進行畫面采集，識別并跟蹤畫面內的有效特征，通過特征點的運動軌跡估計出機器人的運動距離及方向。實現(xiàn)了機器人在無GPS和網(wǎng)絡的情況下實時得到自身相對于初始點的位置及姿態(tài)。以建筑平面CAD圖紙為先驗信息的機器人移動路徑輸入方式，并研發(fā)了相應的算法，去除了人為遙控機器人的示教過程。

其次，采用精度為毫米級的萊卡BLK360三維點云掃描儀搭載慣性傳感器，通過一鍵式操作，360°旋轉掃描，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)100%覆蓋，每站數(shù)據(jù)檢測精度達到±2 mm。由小車完成建模點云拼接，根據(jù)BIM模型匹配結果分析出報表，再由實測實量測量機器人完成分站點墻面實測實量計算。

以項目8棟標準層為例，單層建筑面積約3 800 m2，根據(jù)測距設置28個測點，見圖2。

圖2 8棟標準層平面圖掃描站路徑規(guī)劃示意圖

3.3 測量過程

點云小車工作流程：（1）路徑生成：打開建筑CAD平面圖紙，將機器人分站坐標點作為行走路線畫在平面圖上，使用CAD轉路徑軟件將圖紙解析為專用路徑文件，傳送給機器人。（2）BIM圖紙載入：打開對應樓層的.rvt文件，由插件獲取用于模型拼接的.log文件。將以上文件存儲在機載SD卡中完成掃描前的準備工作。（3）將機器人放置在項目現(xiàn)場的起點處并開啟點云掃描儀開關，使用遙控器上的撥碼開關控制機器人開啟自動模式，機器人會根據(jù)設定好的行走路線在室內進行自動化的點云掃描及對比測量工作。

實測實量機器人工作流程：（1）任務創(chuàng)建與發(fā)布，通過管理平臺創(chuàng)建任務類型，設置施工階段的對應測量標準；（2）打開設備下載任務；（3）測量，攜帶設備到任務測量點完成指標檢測；（4）獲取結果，通過導出二維碼和Excel表格獲取單站點測量結果報表。

3.4 測量結果

通過測量機器人測量工作，對測量數(shù)據(jù)進行建模及點云拼接，形成整體模型，同時可自動生成墻面、樓板平整度、垂直度等測量結果分布圖，詳見圖3和圖4。由圖3和圖4可知，測量機器人通過合理設置測點，可實現(xiàn)整層全方位測量，其數(shù)據(jù)相對于傳統(tǒng)人工測量而言，更加嚴格，也更為精確，當然，進行合格判別時應充分與規(guī)范進行融合，將數(shù)據(jù)簡化調整

圖3 標準層點云拼接后模型

圖4 墻體分站點平整度、垂直度測量結果等高線圖

4 總結與展望

隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展，機器代人已成為大趨勢。圍繞建筑業(yè)高質量發(fā)展，以數(shù)字化、智能化為目標，技術融合與創(chuàng)新為驅動力，全方位提升工程質量、數(shù)字化全流程管理，把控施工成本，是建筑行業(yè)步入智能化的關鍵突破點。隨著技術的不斷完善和發(fā)展，相信測量機器人也將成為建筑施工項目實測實量的主要手段之一。