浅谈3D GPS控制技术在工程机械中发展策略

　1 概述
　　随着工程测量领域广泛应用GPS以及PTK技术的成熟，GPS定位的精度已经达到了前所未有的高度，一些国际的知名公司开始在工程机械自动控制领域应用GPS技术，尤其是应用的3D控制技术对传统的施工方法产生了革命性的改进。在精确定位运动中的测量目标的时候，采用的PTK技术需要两个GPS接收器来共同完成，一个固定在控制点作为参考站，即GPS基站；另一个安装在推土机或挖掘机等工程机械上，即GPS接收器。
　　徕卡公司推出的世界首台通用型机械控制系统MC1200具有以下独特的性能：由于平地机铲刀平移控制技术能够对铲刀的平移进行自由的而控制从而加速了整平工作的进程；横坡固定技术能够使操作手通过此系统对横坡的坡度保持恒定，尤其适用于公路路肩以及公路断链等处的施工；平地机桅杆倾斜技术由于能够计算出桅杆各个方向和角度的倾斜，从而能够对刀片的位置进行精确定位；GPS和TPS（全站仪）互换技术，用户可以把GPS天线取下，换上自动全站仪即PS后对设备进行3D控制的精度要远远高于3D GPS系统，其适用于需要精确整平的公路以及机场等项目。由于目前徕卡公司最新的GPS1200系统的测量精度已经达到了毫米级，从而使得GPS技术应用于工程机械控制领域已经成为可能。
　　2 GPS定位的基本原理
　　GPS定位的基本原理为：将高速运动卫星的瞬间位置作为已知起算数据，然后采用空间距离后方交会的方法确定待测点的位置。如图1：假设在地面待测点上安置GPS接收机的时间为t时刻，那么就能给测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：
　　1/2+C（Vt1-Vt0）=d1
　　1/2+C（Vt2-Vt0）=d2
　　1/2+C（Vt3-Vt0）=d3
　　1/2+C（Vt4-Vt0）=d4
　　上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vt0为未知参数，其中di=c△ti（i=1、2、3、4）
　　di（i=1、2、3、4）分别为1-4号卫星到接收机之间的距离。
　　△ti（i=1、2、3、4）分别为1-4号卫星的信号到达接收机所经历的时间。
　　c为GPS信号的传播速度（即光速）。
　　四个方程式中各个参数意义如下：
　　x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。
　　xi、yi、zi（i=1、2、3、4）分别为1-4号卫星在t时刻的空间直角坐标。
　　可由卫星导航电文求得
　　Vti（i=1、2、3、4）分别为1-4号卫星的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。
　　Vt0为接收机的钟差。
　　由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vt0。
　　3 徕卡3D控制系统简介
　　使用3D控制系统之所以能够使机械通过一两次往返施工就能给达到设计位置，这是由于其能够将直接输入机械计算机的工程设计数据自动生成三维数字模型，并且对工程机械上铲刀的当前位置和设计数据进行实时比较后输出校正控制信号来对铲刀进行控制。这种以绝对坐标X、Y、Z为基准的全新的控制方式由于摒弃了测量、打桩以及放样等传统的工序，从而能够对高程控制、平整度控制以及坡度控制等问题进行一次性的解决。此系统主要由以下四部分组成。
　第一，通讯设备：此通讯设备由无线发射装置和调制解调器组成，其有效地实现了定位设备和机载计算机之间的数据传输。
　　第二，控制设备：此设备是由一系列控制器和传感器组成的。为了达到施工的设计位置，此设备会根据安装部位的不同对控制机械自身以及铲刀的横纵坡以及倾斜度等进行测量，然后根据根据机载计算机传来的校正信息来控制机械铲刀。
　　第三，定位设备：此设备由GPS或TPS组成，其分为的3DGPS控制系统和3DTPS控制系统分布适用于对精度要求不同的工程。
　　第四，记在计算机：输入的工程设计数据能够通过机载计算机生产三维数字地形模型，根据收到的测量数据算出工程机械的实际位置和方向后并与设计值进行比较，同时将校正信息输出到控制设备来调整机械。
　　4 徕卡3D GPS控制系统的优势
　　第一，与传统施工方法比较：传统的施工方法要求先对项目现场进行初测，然后项目设计、实地打桩放样、工程机械施工以及测量打桩放养、施工然后再次测量打桩放养，如此反复直至施工到设计位置。这种方法具有以下缺点：测量人员工作量大；反复进行测量打桩放样造成了机械的闲置；机械驾驶员在驾驶机械的同时还要以打好的桩为参照物，由于需要反复调整机械铲刀，不仅要求驾驶员具有较高的技术水平和经验，同时也对施工现场造成了安全隐患。而使用徕卡3DGPS控制系统由于实现了无桩施工从而省去了测量人员现场打桩放样的工作，并且减少了机械的闲置时间；驾驶员专注于机械驾驶并且由3D系统对铲刀进行控制，不仅降低了驾驶员的工作强度和对其技能的要求，同时能够短时间内精确地达到最终设计的位置；实现了内外业数据的实时无缝链接。经实际工程项目检验，使用此系统能够至少提高30%的施工效率。
　　第二，在解决方案时采用GPS的优势：由于系统的精确度达到了30MM，从而在节约施工材料的同时提高施工质量；由于在GPS基站和施工机械之间不需要保持通视，从而适用于大型土木工程项目；经过一次性设置后就能给保证连续施工；由于工程设计数据能够直接应用于项目施工中，因此减少了不必要的误差；利用一个基站可以同时控制多台设备；由于提高了施工效率而显著缩短了工期；此系统由于不受天气和光线的影响从而能够进行全天候施工；徕卡3D GPS控制系统真正实现了无桩施工，大大减少了工作量，同时GPS接收器还可以单独用于施工前后的现场测量工作，是全站仪之外的一个高端测量仪器。
　　5 徕卡3D GPS系统在国内外的应用
　　国外目前已经将GPS控制系统广泛应用于工程机械领域，除了实现工程机械的三维定位外，还大大提高了功效效率以及降低了机械操作成本。其特点为：
　　第一，减少重复工作。使用此系统能够第一时间在控制室内得到设计的反馈消息，并且据此进行修改，从而在降低重复工作的同时减少了工作成本。
　　第二，在室内实现了完全控制。在室内由于实现了3D显示和机械控制从而大大降低了测量和检查土地平整的工作量，因此，有效提高了机械的利用率。通过3D显示，操作手不仅能在无桩的 情况下导航机械，并且还能够对机械是否在设计和施工范围内进行工作进行准确的判断。
　　第三，加快工作循环。由于在进行较少检测的情况下，操作手就能给知道下一步的施工，因此，减少了不必要环节的工作量，在加快工作循环的同时缩短了工期。
　　第四，改善材料的利用率。由于对土方的平整度能够进行精确的计算从而保证不浪费基层材料而大大提高了收益。
　　第五，实时交换数据的功能。装有GPS的工程机械会将专用的控制箱和显示器装在控制室内，从而能够实现数据库数据的双向交换。
　　人工处理和经常性返工以及测量设计和建筑过程被分为不同阶段进行处理是传统工作方法最明显的缺陷，这些都造成了设计变更。而机械装有GPS后能够实现无放样坡度控制和导航，从而使得建筑土方的工作方式发生了显著的变化。
　　GPS3D不仅实现了土地的平整控制，更有效的实现了室内设计和平整土地数据的实时交换。此外，通过GPS和激光的结合使用能够有效提高土地平整的精度，尤其对于施工初期土方工作量非常大的情况下，通过GPS对工程机械进行导航能够在完全遵守设计图纸的情况下实现无桩施工，这就减少了很多工作量。
　　6 徕卡3D GPS控制系统在中国的应用前景
　　在美国、澳大利亚以及欧洲许多国家的大型项目和施工企业都广泛应用徕卡公司的3DGPS控制系统，并且取得了良好的效果。我国的施工机械生产厂家和施工企业都在积极的学习和引进最新技术，但是在工程机械领域应用GPS还需要解决一些问题。为了降低价格保证市场份额，国内的施工机械厂家都在对生产成本进行控制，但是这并没有提高投资机械自动控制系统作为标准配置的积极性，从而限制的3D技术的普及。此外，很多项目并没有在工程设计环节完全采用数字化设计，从而在使用3D技术时存在数字化原始设计资料的过程，这也制约了3D技术的快速普及。
　　7 结语
　　工程设计工作随着CAD的广泛应用以及数字地形模型DTH技术的发展也在向着无纸化和数字化的方向发展，3DGPS技术不仅革命性的改进了传统的施工方法，并且也为将来的数字化施工奠定了基础。因此，随着GPS和TPS的发展，这种技术必然成为今后机械自动控制的主流。
　　参考文献：
　　金梅珍.带有GPS自动控制系统施工机械的构成及优越性.科技资讯，2006（19）.
　　刘卫军，李占民，文显武.基于GPS的远程监控系统在工程机械上的应用.筑路机械与施工机械化，2007（06）.