大型装配式建筑远距离光电识别安装定位系统研究

田 亮

(中铁建设集团中南建设有限公司 湖北武汉 430000)

1 引言

截止到目前，我们国家在装配式结构住宅的建设上已经取得了长足的进步，但是在其实施的过程中装配式结构在实际的生产过程中依旧还有不少技术难题，因此目前这种施工质量不高。在这些技术难题中，特别是在实际施工过程中的竖向装配式构件吊装时的定位问题最为突出[1]。本文开发一种特殊的定位系统，协助装配式竖向构件的安装，达到安装快捷、准确的目的。

装配式结构所需的建筑构件需要提前在工厂完成加工，然后把施工所需要的结构构件运输到施工场地，将各个结构构件用机械吊装，再使用安全可靠的连接方式连接拼装而成[2]。由于实际生产中使用了机械化的生产方式，施工的质量和效率都有比较大的提升，以往生产方式中的“胀包、开裂、渗水”等质量问题取得了较大的改善[3]，再配合上装配式装修，在很大程度上提升了住宅房屋品质；另外一方面，这种绿色经济环保，而且降低人力成本的生产方式也会取得很不错的行业效益。

在以往的装配式吊装施工过程中，需要吊塔上的操作人员在吊塔上观察竖向构件的大致位置，而且需要地面上的工作人员通过对讲机实时指挥吊塔操作员进行吊装作业[4]，这一操作对施工人员要求较高，导致生产效率低，人员安全也得不到保障。因此我们设想通过高清摄像头和超声波光电传感器等电子设备在塔吊设备和装配式构件上的应用，让塔吊操作员在电脑上能实时看见吊装构件的具体位置以及构件离固定点的距离，这套系统很大程度上加快了施工速度，降低了操作风险，同时节省了人力[5]。

将该技术应用于装配式建筑施工，一方面可以降低施工风险，保证施工质量；一方面可以优化施工模式，降低人力和施工运营成本，同时还响应了绿色节能的号召[6]。本文从系统框架、硬件设计、软件设计以及数据处理等方面详尽介绍了自主开发的新型定位系统。

2 系统设计

本装置能够为塔吊司机收集安装装配式构件所需的数据，提供可视化的模块安装场景、装置的位置信息；并根据数据内容叠加在可视化内容上，绘出安装导引线，辅助塔吊司机高效完成装配式模块的吊装；也方便施工方对装置进行管理。

本装置也为塔吊司机提供了远程手动控制装置姿态的功能，拓宽了装置的适用范围，同时也可以通过更换摄像头、传感器的类型来适应某些特殊的应用场景，整体光电测量系统架构拥有很高的适用性[7]。

2.1 系统框架

本装置由市电或电池供电，开机时进入整姿模式，先由核心微处理器开启双目摄像头进行快速三维重构，找到接近画面中央的中距墙面区域。通过微控制器驱动两个整姿舵机改变本装置姿态，使精密舵机与随动的高精度激光传感器的扫描范围落入墙面，之后通过驱动精密舵机使激光传感器对吊装墙体横向扫描，依据其数据确定机身姿势后，再通过驱动两个整姿舵机将本机调整至与所要吊装墙面垂直的位置，并进入数据测量模式。

这套系统需要分别收集陀螺仪、激光传感器和双目摄像头的数据结果，将数据传输到核心微处理器上。处理器首先利用摄像头采集到的图像信息进行三维空间的重构，从而得到视野各距离范围的相对比例关系，而后结合陀螺仪、激光传感器采集到的数据，将视野画面上的点的距离数据，跟视野上识别的物体画面相重叠得到最终的图像，最终的图像被图传部分通过无线的方式传送到接收终端。

如果画面中的视野不理想，塔吊司机也可从塔吊端通过接收装置上的软件发送控制指令来控制本装置的横纵姿态。本装置分为两个主要部分，一部分为吊装现场测算装置，另一部分为吊车控制台。现场吊装装置框图如图1所示。

图1 现场吊装装置框图

2.2 硬件设计

本装置具备便携、智能等特点，其底部配备了一个三角支架。我们将其放置在地上时，装置中各传感器协同作用，控制云台保持装置水平，并自动检测现场各类标定线的数据[8]。该部分一共包含了两个子模块来实现此装置的监测目的:

(1)精密舵机、随动激光雷达模块与陀螺仪模块

本装置的云台中搭载有一组精密舵机与随动TOF激光雷达来测距。其测距的基本原理是通过测算发射激光信号与接受回波信号的飞行时间差，来计算目标物体与雷达的距离。此激光雷达能很好捕捉检测目标(包括动态目标)，误差极小。通过精密舵机的转向角度与激光雷达的返回数据相结合，进行范围内的扇形扫描，根据三角算法获得横向角度偏移量以及相对目标的垂直距离。

云台上安装有两个MPU6050六轴传感器，采用高达400 kHz的IIC型通信接口，精度为0.1°，可以较为准确地测量当前装置的倾斜角度。激光雷达测量的侧向距离信息与MPU6050陀螺仪测量的角度信息返回给STM32单片机的主控芯片，操控云台运动，实现装置的姿态调整。

(2)横纵向舵机云台

本装置采用三维、二自由度云台，搭载了水平、垂直方向两个自由度的舵机。选用HT垂直621CG磁感应技术无接触式舵机，具有极高精度和分辨率。横纵向舵机云台实现了装置在水平、垂直两个方向的旋转和定位，可以根据指令准确调整姿态，使装置在正式启用之前需对正标定板。

(3)视频采集模块

本装配辅助装置搭载KS型高清摄像头，用以采集装配现场的基础视频信号，这些视频信息会跟采集到的距离信息相融合，视频信息和距离信息组合成最终画面，实时显示画面里物体的距离，并作为塔吊司机在接收端看到的主要画面，向塔吊驾驶舱回传。

采用精密舵机与随动TOF型激光雷达进行标定实验，可以获得如上文所述的装置到目标墙面的垂直距离，作为最初的距离数据，即摄像头采集的画面的数据基础。其测距原理是:左右两幅视图上目标点的成像的横坐标存在视觉误差[9]，横坐标的视觉误差的大小与目标点跟成像平面之间的距离成反比，从而极为准确地采集相对位置信息，如图2所示。

图2 光电扫描的吊装构件识别测试示意

3 软件设计及数据处理

3.1 数据处理

数据处理采用了NanoPC T4嵌入式Linux型开发板，其搭载了RK3399型微芯片，该芯片采用大核加小核的架构，其中包括双核Cortex-A72＋四核Cortex-A53，处理器性能强劲，其内部还集成了Mail-T860 GPU，很大程度上提升了系统三维重构的效率，如图3所示。

图3 接收处理模块系统流程

(1)雷达数据融合。以摄像机画面为基础画面，结合高精度激光雷达的测距数据，在摄像机画面中叠加激光雷达测量到的距离信息，便于对待装配墙体进行高精度的实时测距。雷达数据融合演示图，如图4所示。

图4 雷达数据融合演示

(2)墙体识别。将施工现场采集的图片进行标定，使用标定后的图片对目标检测算法进行训练。使用的yolo-V4 tiny系统算法能够快速准确地在摄像机画面中识别出待装配的墙体，并对墙体距离进行实时测量。墙体识别示意图，如图5所示。

图5 待装配墙体识别示意

(3)三维空间定位。结合施工现场的空间信息和待装配墙体的三维定位坐标[10]，显示器上能实时显示出墙体在三维空间中位置。物体在三维空间实时定位示意图，如图6所示。

图6 三维空间定位示意

3.2 数据与视频图像发送接收模块

本模块采用5.8 GHz图像传输与4G或5G两个模块的传输，可将吊装现场采集的图像快速发送到吊装操作人员的接收端上，并呈现在显示器上。吊车司机可以通过接收端设备利用Lora远程控制装置的姿态。本模块共用包含视频信息传输和控制命令传输两种无线传输模块，来实现相应的功能:

(1)图传模块

图传模块采用5.8 GHz高速图传芯片，拥有32个频道自动调频，将吊装现场采集并处理的图像以10～40 ms的传输延时发送到司机的接收端。此图传模块的工作范围为3～5 km，支持720 p、1 080 p、2K图像。

(2)4G或5G通信模块

4G无线网络通信模块我们采用ATK-M750型无线网络数据传输模块，支持NET/HTTP/MQTT/RNDIS工作模式，我们通过架设云平台服务器上传下载实时视频信息，可将延迟控制在43 ms延迟以内。

(3)基于Lora系统的433 MHz的低功耗双向指令传输模块。此模块采用ATK-LORA-01型模块作为数据收发器。我们将各传感器采集上来的实时数据信息打包，通过Lora系统将信息从吊装现场发送到司机接收端。经过处理后，数据将被呈现给吊车司机。此模块传输距离大于3 km，具备低成本、低功耗、低延迟、远距离的特点[11]。

3.3 吊装现场的三维重构

三维重构技术的实现与否取决于采用怎么样的匹配算法[12]，我们需要利用立体匹配算法将摄像机采集到的二维图像信息重构成三维图像信息传输到计算机上，其步骤主要分为以下几步:

(1)图像获取。利用摄像机将物体立体数据采集成平面数据。由于光照条件、相机的几何特性等对后续的图像处理造成很大的影响，摄像机传感器选择成像效果更好的CCD型传感器。

(2)摄像机的标定。通过我们自己的实验标定求解出摄像机的内外参数，利用采集的图像信息进行深度匹配，进而获取物体的三维空间坐标，从而实现三维空间的重构，将图像进行三维重建。

(3)特征提取。以特征点为匹配基元，匹配算法采用BM算法，对比其他算法具有更快的运算速度[13]。

(4)立体匹配。利用上述算法所提取的特征来构建不同画面之间的相应关系，将同一个物理点在不同画面中的坐标对应起来。

(5)三维重建。利用以上方法将获取的物体图像重建成三维场景。

3.4 人机交互界面与嵌入式控制

人机交互界面在可视化界面中融入了多道智能测绘辅助线，在控制界面中加入了各类传感器经过处理后上传的吊装配件三维信息，以数据的形式呈现在界面中。在界面的右上角我们还加入了吊装现场GPS定位地图，吊车司机可以通过此界面精确快速地控制吊车吊装的方向以及距离。同时，司机可以通过远程的无线方式操控本装置的姿态，更便于司机对画面的掌控。

4 结论

本文基于远距离光电识别技术，设计开发了新型定位系统。硬件方面设计了精密舵机、随动激光雷达、陀螺仪、横纵向舵机云台以及视频采集等模块。软件方面设计了数据接收、数据与视频图像发送接收、现场三维重构等模块。该系统具有操作便捷，定位准确，并针对吊绳长度、载重质量变化有良好的适应性，性能可靠等优点，可实现装配式建筑施工的智能化运营，对推动装配式建筑的发展具有积极意义，使用前景也十分广阔。