一种基于加速度传感器的智能压实质量监控系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，包括数据处理模块及均与该数据处理模块信号传输的碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块、图像采集模块以及显示模块；碾轮振动状态采集模块用于采集碾轮横向及纵向加速度信号；碾压机位姿采集模块用于采集碾压机的位置和姿态数据；图像采集模块用于采集碾压机周围施工现场图像；显示模块用于显示数据处理模块输出的数据；数据处理模块，其接收来自碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块以及图像采集模块的采集信号，其将处理后得到的数据发送至显示模块进行显示。本发明专利技术还公开了一种基于加速度传感器的智能压实质量监控方法。本发明专利技术提供了一种更直观的碾压施工作业监控方式。

【技术实现步骤摘要】
一种基于加速度传感器的智能压实质量监控系统及方法
本专利技术涉及一种碾压施工质量控制领域，特别涉及一种基于加速度传感器的智能压实质量监控系统及方法。
技术介绍
目前，随着一批300m级高心墙堆石坝的研发和兴建，坝体体型的扩大对大坝的安全性带来了新的考验，施工质量的好坏直接关系到大坝运行期的坝体安全。因此对大坝施工质量进行全方位的控制具有重要的实际意义。其中碾压作业过程的施工质量是决定土石坝工程整体施工质量的关键。压实作业的施工过程主要采用通过相应型号的碾压机对土石料进行多次碾压的方法来实现对土石坝坝体的压实。目前对碾压施工作业过程的控制主要经历了传统压实控制、数字化压实控制和智能压实控制三个阶段。传统压实控制方法：在碾压施工过程中，首先通过现场的碾压实验来确定碾压参数如：铺料厚度，碾压遍数，行车速度和碾轮激振力等，然后通过现场施工组织人员与碾压机驾驶员的配合来对指定碾压面进行施工作业，之后对施工后的碾压面的压实度进行抽样检验，检验方法主要有：试坑法，核子密度法等。数字化压实控制方法：数字化控制方法首先通过现场的碾压实验来确定碾压参数，如：铺料厚度，碾压遍数，行车速度和碾轮激振力等，然后通过在碾压机上架设GPS定位设备，RTK基站、卫星、总控中心等实现对碾压机运行参数的实时监控。智能压实控制方法：智能压实控制方法是目前压实控制领域研究的热点。当前智能压实控制的研究思路主要是在碾压机碾轮上安装传感器、在碾压机上安装GPS等设备，通过对传感器信号的实时分析，提取反映土体压实程度的指标。之后将指标与GPS信息进行集成生成可视化的碾压面压实度云图来指导现场施工人员进行压实作业。该方法的重点是寻找能够较好的反映土石料压实程度的指标。并通过较好的可视化系统展示给驾驶员或者施工管理员，指导施工作业。关于反映土石料压实程度的指标，目前国内外所研发的指标有：CMV值，其主要由安装在碾轮上的加速度传感器检测到的碾轮振动谐波分量的比值来反映土体的压实程度；CCV值，其基于谐波频率测得对的加速度数据确定土体的相对刚度指数；Omega值，其通过“碾轮—土料”纵向的二自由度模型来推导输入土体的能量指标公式，通过碾轮上实时加速度计数据带入公式进行求解，实时解算Omega值，试验证明Omega值可以很好反应土体压实程度；横向做功功率MDP，其通过对碾压机碾轮对土体的横向推碾作用进行建模，推导碾轮克服土石料阻力的横向做功功率。随着路面压实，土料对碾压机横向阻力越来越小。通过检测横向阻力的变化来反映土石料的压实程度)等。关于智能压实控制方法的可视化系统，国内外各大压路机厂商都生产了各自的可视化系统，如：宝马格的机载BCM05系统，内置Evib压实指标算法，通过驾驶舱机载显示屏显示二维指标云图和轨迹图，驾驶员通过观察系统界面进行压实作业；戴纳派克的DCA系统，内置CMV压实指标算法，对碾轮的振动信号进行实时解算，通过可视化机载显示器以二维图的方式展示给驾驶员，而且可以对数据进行存储拷贝，易于验收分析；天宝的AccuGrade系统内置CMV、CCV压实指标算法，同时支持两种指标的显示输出。增强现实(AugmentedReality，简称AR)，也被称为扩增现实，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。增强现实技术，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。目前智能压实可视化系统多为二维图形界面，增强现实技术应用在智能压实可视化系统上，通过三维场景和真实场景的画面融合，驾驶员通过系统可以看到叠加了施工信息(压实云图)的真实场景，有利于更好的指导压实作业，实现对作业过程的精细化控制，具有很好的前景。
技术实现思路
本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于加速度传感器的智能压实质量监控系统及方法。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，包括数据处理模块及均与该数据处理模块信号传输的碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块、图像采集模块以及显示模块；碾轮振动状态采集模块用于采集碾轮横向及纵向加速度信号；碾压机位姿采集模块用于采集碾压机的位置和姿态数据；图像采集模块用于采集碾压机周围的施工现场图像；显示模块用于显示数据处理模块输出的数据；数据处理模块，其接收来自碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块以及图像采集模块的采集信号，其对接收的信号进行如下处理：对采集的碾压机的位置和姿态数据进行误差修正；对采集的碾轮横向及纵向加速度信号进行实时处理并获得压实质量数据；将碾压机的位置和姿态数据与压实质量数据进行集成形成集成的数据流；基于集成的数据流在三维虚拟场景中实时绘制压实质量云图；将采集的施工现场图像与三维虚拟场景中的压实质量云图进行实时融合；其将处理后得到的数据发送至显示模块进行显示。进一步地，碾轮振动状态采集模块包括：第一加速度传感器、第二加速度传感器及数采仪；第一加速度传感器用于采集碾压机钢轮横向振动加速度；第二加速度传感器用于采集碾压机钢轮纵向振动加速度；数采仪用于将第一、二加速度传感器的信号进行集成并发送至数据处理模块。进一步地，设置一个立方体铁块，在铁块相邻的两面上分别布设第一、二加速度传感器；将与该两面同时相邻的一面与碾压机钢轮的轮轴垂直连接。进一步地，碾压机位姿采集模块包括：RTK基站、车载定位器及电子罗盘；RTK基站用于向安装在碾压机上的车载定位器提供差分信号，车载定位器用于采集碾压机车顶位置的坐标；电子罗盘通过支架安装在碾压机顶部并高于碾压机顶部50cm，用于采集碾压机航向角；车载定位器及电子罗盘将采集的信号发送至数据处理模块。进一步地，图像采集模块包括：安装在碾压机顶部的第一相机及第二相机，第一相机用于采集碾压机前方施工现场图像，第二相机用于采集碾压机后方施工现场图像；第一、二相机将采集的图像发送至数据处理模块。进一步地，还包括数据传输模块，数据传输模块包括DTU无线数传；数据处理模块通过DTU无线数传将集成的碾压机的位置、姿态数据与压实质量数据发送至现场指挥中心应用服务器。本专利技术还提供了一种基于加速度传感器的智能压实质量监控方法，设置碾轮振动状态采集模块，用于采集碾轮横向及纵向加速度信号；设置碾压机位姿采集模块，用于采集碾压机的位置和姿态信息；设置图像采集模块，用于采集碾压机周围的施工现场图像；设置显示模块，用于显示数据处理模块输出的数据；设置数据处理模块，使其接收来自碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块以及图像采集模块的采集信号，并对接收的信号进行如下处理：对采集的碾压机的位置和姿态数据进行误差修正；对采集的碾轮横向及纵向加速度信号进行实时处理并获得压实质量数据；将碾压机的位置和姿态数据与压实质量数据进行集成形成集成的数据流；基于集成的数据流在三维虚拟场景中实时绘制压实质量云图；将采集的施工现场图像与三维虚拟场景中的压实质量云图进行实时融合；使其将处理后得到的数据发送至显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，其特征在于，包括数据处理模块及均与该数据处理模块信号传输的碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块、图像采集模块以及显示模块；碾轮振动状态采集模块用于采集碾轮横向及纵向加速度信号；碾压机位姿采集模块用于采集碾压机的位置和姿态数据；图像采集模块用于采集碾压机周围的施工现场图像；显示模块用于显示数据处理模块输出的数据；数据处理模块，其接收来自碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块以及图像采集模块的采集信号，其对接收的信号进行如下处理：对采集的碾压机的位置和姿态数据进行误差修正；对采集的碾轮横向及纵向加速度信号进行实时处理并获得压实质量数据；将碾压机的位置和姿态数据与压实质量数据进行集成形成集成的数据流；基于集成的数据流在三维虚拟场景中实时绘制压实质量云图；将采集的施工现场图像与三维虚拟场景中的压实质量云图进行实时融合；其将处理后得到的数据发送至显示模块进行显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，其特征在于，包括数据处理模块及均与该数据处理模块信号传输的碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块、图像采集模块以及显示模块；碾轮振动状态采集模块用于采集碾轮横向及纵向加速度信号；碾压机位姿采集模块用于采集碾压机的位置和姿态数据；图像采集模块用于采集碾压机周围的施工现场图像；显示模块用于显示数据处理模块输出的数据；数据处理模块，其接收来自碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块以及图像采集模块的采集信号，其对接收的信号进行如下处理：对采集的碾压机的位置和姿态数据进行误差修正；对采集的碾轮横向及纵向加速度信号进行实时处理并获得压实质量数据；将碾压机的位置和姿态数据与压实质量数据进行集成形成集成的数据流；基于集成的数据流在三维虚拟场景中实时绘制压实质量云图；将采集的施工现场图像与三维虚拟场景中的压实质量云图进行实时融合；其将处理后得到的数据发送至显示模块进行显示。


2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，其特征在于，所述碾轮振动状态采集模块包括：第一加速度传感器、第二加速度传感器及数采仪；第一加速度传感器用于采集碾压机钢轮横向振动加速度；第二加速度传感器用于采集碾压机钢轮纵向振动加速度；数采仪用于将第一、二加速度传感器的信号进行集成并发送至数据处理模块。


3.根据权利要求2所述的基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，其特征在于，设置一个立方体铁块，在铁块相邻的两面上分别布设第一、二加速度传感器；将与该两面同时相邻的一面与碾压机钢轮的轮轴垂直连接。


4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，其特征在于，碾压机位姿采集模块包括：RTK基站、车载定位器及电子罗盘；RTK基站用于向安装在碾压机上的车载定位器提供差分信号，车载定位器用于采集碾压机车顶位置的坐标；电子罗盘通过支架安装在碾压机顶部并高于碾压机顶部50cm，用于采集碾压机航向角；车载定位器及电子罗盘将采集的信号发送至数据处理模块。


5.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，其特征在于，图像采集模块包括：安装在碾压机顶部的第一相机及第二相机，第一相机用于采集碾压机前方施工现场图像，第二相机用于采集碾压机后方施工现场图像；第一、二相机将采集的图像发送至数据处理模块。


6.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的智能压实质量监控系统，其特征在于，还包括数据传输模块，数据传输模块包括DTU无线数传；数据处理模块通过DTU无线数传将集成的碾压机的位置、姿态数据与压实质量数据发送至现场指挥中心应用服务器。


7.一种基于加速度传感器的智能压实质量监控方法，其特征在于，设置碾轮振动状态采集模块，用于采集碾轮横向及纵向加速度信号；设置碾压机位姿采集模块，用于采集碾压机的位置和姿态信息；设置图像采集模块，用于采集碾压机周围的施工现场图像；设置显示模块，用于显示数据处理模块输出的数据；设置数据处理模块，使其接收来自碾轮振动状态采集模块、碾压机位姿采集模块以及图像采集模块的采集信号，并对接收的信号进行如下处理：...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔博，王晓玲，王佳俊，吴斌平，关涛，时梦楠，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12