一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术技术方案

本发明专利技术提供一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术，使用安装在理坡机械挖掘机上的固态角度传感器、航向传感器和GPS卫星接收器及机载电台收集数据，通过控制器解算机械物理模型准确定位，并结合预设参数，在控制器的屏幕上实时形成机械模型与设计坡面相对位置的三维模拟图像，操作手对比规范要求对坡面选择削平或填充处理，实现水下坡面的准确成型。本发明专利技术有效的解决大型深水斜坡式抛石防波堤水下理坡抛理距离远、水下可视条件差、精度要求高、风浪影响大等问题，保障工程施工的技术和质量满足要求，同时实时成像可以有效指导操作手进行一次性准确操作，大幅的提高工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术
本专利技术涉及防波堤理坡施工
，特别是涉及一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术。
技术介绍
在防波堤理坡施工中，水下部分的施工历来是质量控制的难点。该部分施工在人的肉眼观察范围之外，不确定因素较多。传统的水坨/测杆水深测量、单波束声纳水深测量虽然可以为该部分的质量控制提供参考，但测量的精度容易受风浪及水流影响，且这些方法只能在施工前后进行，不能提供实时的图像及测量数据作为指导。在施工精度要求高的情况下使用这些传统方法进行控制，不仅占用时间长，且质量效果也不理想。加纳特码新集装箱码头工程，位于非洲最大的人造海港加纳特马港西侧。该工程防波堤全长3558米，为斜坡式抛石堤结构，最大水深16m，设计高水位+1.50m，设计低水位+0.20m。防波堤采用1-1000kg块石作为堤心，内侧坡面依次为300-500kg垫层块石及2-5t护面块石；外侧斜坡面依次为300kg-500kg垫层块石、2-5t护面块石和2m3护面块体。防波堤堤心高度+2.5m(900m-3858m里程)，外侧垫层坡顶+4.50m，坡底-7.60m，坡面大部分都位于水面以下，最大理坡长度21.8m，最大理坡深度11.5m，水下理坡深度约8m。该工程所用护面块体为ACCROPODEII型护面块体，该型护面块体对防波堤理坡精度要求很高，根据技术规格书要求，2m3护面块体下的垫层石理坡整体误差小于18cm，局部误差小于31cm，坡角线偏差小于31cm。对质量的严格要求给该部分施工带来了巨大的挑战。同时，在水下采用了垫层石和压脚棱体构成V字形的坡面设计，该设计能够为坡面块体提供充分支撑，初始安装定位方便，块体安装效果更好，由于免去了护坦上的两层块体，也更经济。但这样的V字形设计加大了水下施工的难度，使用传统的控制方法难以实现。此外，特码港常年受长周期波影响，近岸波浪大，加上每年5-10月的雨季期间海况恶劣，传统的测量控制技术难以实现要求的水下施工精度。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种有效的解决大型深水斜坡式抛石防波堤水下理坡抛理距离远、水下可视条件差、精度要求高、风浪影响大等问题，保障工程施工的技术和质量满足要求，同时实时成像可以有效指导操作手进行一次性准确操作，大幅的提高工作效率、节约测量时间的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统及其应用技术。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统，包括GPS基准站，固态角度传感器，航向传感器，GPS卫星接收器，机载电台，通信网关，带屏幕的控制器，所述GPS基准站用于向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，所述固态角度传感器安装于挖掘机上，用于感知所述挖掘机摇杆、斗杆、动臂及机身的转动角度，所述航向传感器用于感知所述挖掘机机臂相对坐标系的航向角，所述GPS卫星接收器用于接收全球导航卫星系统的卫星信号，所述机载电台与所述GPS基准站通信，用于接收来自所述GPS基准站的位置修正信号，所述通信网关用于负责所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器、所述机载电台及所述控制器之间的通信，所述控制器根据预设参数和从所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器及所述机载电台获取的数据，解算出所述挖掘机斗齿的三维坐标以及所述挖掘机斗齿当前位置距离设计坡面的偏差值，并在所述屏幕上形成施工的三维模拟图象。进一步，所述固态角度传感器设有四个，分别安装于所述挖掘机机身、所述挖掘机机臂的摇杆中部、斗杆及动臂根部。进一步，所述固态角度传感器被可密封的不锈钢盒密封，所述不锈钢盒与所述挖掘机的液压泵相连。进一步，所述航向传感器设有两个，分别安装在所述挖掘机机尾的左右两侧。进一步，根据GPS卫星接收器接收的全球导航卫星系统的卫星信号和所述机载电台接收的来自所述GPS基准站的位置修正信号，使用载波相位动态实时差分法解算出厘米级精度的定位坐标。进一步，所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器、所述机载电台、所述通信网关及所述控制器均安装在所述挖掘机上，采用所述挖掘机自身的电力系统供电。进一步，所述控制器的预设参数包括所述挖掘机型号、预先输入的设计坡面三维图的各参数。本专利技术的有益效果：(1)使用安装在挖掘机上的固态角度传感器和航向传感器持续收集数据，并根据GPS卫星接收器接收的卫星信号数据及机载电台获取的来自GPS基准站的位置修正信号数据，通过控制器解算出挖掘机斗齿的三维坐标以及挖掘机斗齿当前位置距离设计坡面的偏差值，并在控制器的屏幕上实时成像，并附带参数指导，实现水下理坡的可视化，通过挖掘机斗齿接触坡面时的显示，可以了解实际坡面与设计的偏差情况；(2)可以对挖掘机的工作状态及挖掘机斗齿的坐标进行实时检测，能实时指导操作手对坡面选择削平或填充处理，实现水下坡面的准确成型，保障工程施工的技术和质量满足要求，同时实时成像可以有效指导操作手进行一次性准确操作，大幅的提高工作效率；(3)挖掘机理坡工程中需要经常撞击坡面块石，挖掘机机臂受到的冲击力很大，本专利技术采用的固态角度传感器在强大的冲力和振动下依然能保持灵敏准确，且配套的不锈钢盒增强了传感器的耐用性；(4)本专利技术的施工不需要放置坡度架和水下测量等环节，避免了一些不安全因素。采用固态角度传感器、GPS卫星接收器及GPS基准站，使用载波相位动态实时差分法，能够将斗齿坐标误差控制在厘米级，确保结果准确可靠；(5)控制器记录并显示施工过的区域图像，使用不同颜色表示实际坡面与设计的不同偏差值，使用软件可以将实际坡面数据导出作为理坡验收和竣工图绘制的依据。本专利技术有效的解决了大型深水斜坡式抛石防波堤水下理坡抛理距离远、水下可视条件差、精度要求高、风浪影响大等问题，不但为解决水下部分理坡施工的精度问题提供了新的思路，提高了挖掘机施工效率，且使传统方法难以实现的设计施工成为可能。附图说明图1为本专利技术用于深水防波堤的可视化坡度控制系统的结构示意图；图2为本专利技术用于深水防波堤的可视化坡度控制系统的原理框图；图3为本专利技术用于深水防波堤的可视化坡度控制系统应用于大型深水防波堤理坡施工的工艺流程图；图4为图3中V字形区域理坡时840m防波堤断面图；图中，1—第一固态角度传感器、2—第二固态角度传感器、3—第三固态角度传感器、4—第四固态角度传感器、5—航向传感器、6—GPS卫星接收器、7—机载电台、8—通信网关、9—电池、10—控制器、11—电缆、12—挖掘机、13—斗齿、14—摇杆、15—斗杆、16—动臂、17—机身。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本专利技术中涉及“第一”、“第二”本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统，其特征在于，包括：GPS基准站，固态角度传感器，航向传感器，GPS卫星接收器，机载电台，通信网关，带屏幕的控制器，所述GPS基准站用于向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，所述固态角度传感器安装于挖掘机上，用于感知所述挖掘机摇杆、斗杆、动臂及机身的转动角度，所述航向传感器用于感知所述挖掘机机臂相对坐标系的航向角，所述GPS卫星接收器用于接收全球导航卫星系统的卫星信号，所述机载电台与所述GPS基准站通信，用于接收来自所述GPS基准站的位置修正信号，所述通信网关用于负责所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器、所述机载电台及所述控制器之间的通信，所述控制器根据预设参数和从所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器及所述机载电台获取的数据，解算出所述挖掘机斗齿的三维坐标以及所述挖掘机斗齿当前位置距离设计坡面的偏差值，并在所述屏幕上形成施工的三维模拟图象。

【技术特征摘要】
1.一种用于深水防波堤的可视化坡度控制系统，其特征在于，包括：GPS基准站，固态角度传感器，航向传感器，GPS卫星接收器，机载电台，通信网关，带屏幕的控制器，所述GPS基准站用于向流动站发送自身收集的载波相位观测值及测站坐标信息作为位置修正信号，所述固态角度传感器安装于挖掘机上，用于感知所述挖掘机摇杆、斗杆、动臂及机身的转动角度，所述航向传感器用于感知所述挖掘机机臂相对坐标系的航向角，所述GPS卫星接收器用于接收全球导航卫星系统的卫星信号，所述机载电台与所述GPS基准站通信，用于接收来自所述GPS基准站的位置修正信号，所述通信网关用于负责所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器、所述机载电台及所述控制器之间的通信，所述控制器根据预设参数和从所述固态角度传感器、所述航向传感器、所述GPS卫星接收器及所述机载电台获取的数据，解算出所述挖掘机斗齿的三维坐标以及所述挖掘机斗齿当前位置距离设计坡面的偏差值，并在所述屏幕上形成施工的三维模拟图象。2.根据权利要求1所述的用于深水防波堤的可视化坡度控制系统,其特征在于：所述固态角度传感器设有四...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖维，吴云鹏，杨建冲，毕莉莉，唐明刚，陈新，张芮，
申请(专利权)人：中交四航局第三工程有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44