3DGPS控制技术在工程机械中的应用

GPS系统简介：GPS即全球定位系统，由美国军方最先设计和使用，由一系列能够发送携带精确定时和其他信息的无线电信号和卫星组成。地面上的GPS接收器从3个以上卫星接收信号并计算其精确的三维位置。RTK技术实现了在运动中测量目标的精确位置，RTK需要2个GPS接收器共同完成。一个称作GPS基站，固定在一个精确测定的位置作为参考站；第二个GPS接收器安装在推土机、平地机或者挖掘机等工程机械上。两个接收器同时接收GPS卫星信号，GPS基站将其位置等信息同其观测到的信息一道通过无线电装置传送给安装在机器上的GPS接收器。安装在机器上的GPS接收器将使用基站数据和他自己的GPS数据计算出他同基站之间精确的相对位置，从而得出自身的精确三维坐标信息。目前瑞士徕卡公司最新的GPS1200系统测量精确度已经达到毫米级，从而使得GPS技术在工程机械控制领域的应用成为可能。
3D控制系统简介：使用3D控制系统，可以把工程设计数据直接输入机载计算机，自动生成三维数字模型（DTM，Digital Terrain Model），机载计算机实时比较工程机械上铲刀的当前位置（由定位设备测量）和设计数据，并输出校正控制信号至控制设备，对机械的铲刀进行控制。这样施工机械只需要1或2次往返施工，即可达到最终的设计位置。这种以绝对坐标X、Y、Z为基准的全新控制方式，摒弃了测量、打桩、放样等传统工序，一次性解决了高程控制、平整度控制、坡度控制的问题。3D控制系统由定位设备、通讯设备、机载计算机、控制设备4部分组成。1、定位设备：定位设备由GPS或TPS（自动全站仪）组成，根据定位设备的不同，3D控制系统可以分为3D GPS控制系统和3D TPS控制系统，分别适用于不同精确度要求的工程。3D GPS控制系统主要用于土方工程，如推土机、平地机、挖掘机等；3D TPS控制系统主要用于精度要求较高的公路面层或机场工程，如平地机、沥青摊铺机、稳定土摊铺机、水泥混凝土滑模摊铺机、铣刨机等。3D GPS控制系统中的定位设备由GPS基站和安装在机械上的GPS接收器组成，GPS基站通常安装在一个固定的、半永久性的位置上，能够覆盖10km的范围，同时控制在区域内工作的所有安装了GPS接收器的施工机械。2、通讯设备：由无线电发射装置和调制解调器组成，实现定位设备和机载计算机间的数据传输。3、机载计算机：机载计算机可以把输入的工程设计数据生成三维数字地形模型，根据收到的测量数据计算出工程机械的实际位置和方向，与设计值进行比较，并把校正信息输出到控制设备，对机械进行调整。徕卡3D GPS控制系统中的机载计算机为适应施工现场的要求，采用坚固耐用的触摸屏设计，能够防震、防尘、防水。4、控制设备：由一系列控制器和传感器组成，根据安装部位的不同，测量控制机械自身和铲刀的横坡、纵坡、倾斜度等，并根据机载计算机传来的校正信息对机械的铲刀进行控制，最终达到施工的设计位置。
徕卡3D GPS控制系统的优势：徕卡3D GPS控制系统可以应用于平地机、推土机等从事土石方施工的机械上，尤其适合大型土木工程、道路、机场、露天采矿等项目。其先进的三维控制方法更是对传统施工工艺进行了革命性的改进。1、同传统施工方法的比较：传统的施工方法要求先对项目现场进行初测，然后开始项目设计，在根据项目设计结果进行实地打桩放样，工程机械施工，测量打桩放样，工程，工程机械再施工，再次测量打桩放样……如此反复直至施工至设计位置。这种方法需要测量人员的大量工作，并且在反复的测量打桩放样过程中造成了工程机械的闲置；机械驾驶员也要在驾驶机械的同时，以打好的桩为参照物，反复操作调整机械铲刀一求施工接近设计位置，对驾驶员的技术水平和经验提出了很高的要求，也对施工现场的安全产生了隐患。使用徕卡3D GPS控制系统，由于能够直接把设计资料输入机载计算机，控制机械进行施工，直至达到设计位置，真正实现了无桩施工，省去了测量人员的现场打桩放样工作，减少机械闲置时间，驾驶员也可以专注于机械驾驶，由3D控制系统来实现铲刀的控制工作，并能够在很短时间内精确达到最终的设计位置，对驾驶员的工作强度和技能要求大大降低。同时，任何设计上的更改都可以由驾驶舱中的机载计算机实现，施工后的结构也可以输出到项目办公室，实现了内外业数据的实时无缝链结。使用徕卡3D控制系统，能够彻底改变传统的施工程序。经过实际工程项目的检验，使用3D控制系统，至少提高了30%的施工效率。2、GPS解决方案的优越性：使用徕卡3D GPS控制系统，直接把工程设计数据用于施工，减少了不必要的误差；GPS基站和施工机械之间不需要保持通视，特别适合大型土木工程项目；系统一次设置就可以保证连续施工；利用一个基站，能够同时控制多台设备，控制范围达到10km,还可以根据需要扩大控制范围；3D GPS控制系统能够全天候施工，不受天气和光线的影响；随着施工效率的提高，显著缩短工期；系统精确度达到30mm，能够节约大量施工材料，提高施工质量。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前后的现场测量工作，是全站仪之外的一个高端测量仪器。
结语：3D GPS控制技术不仅是对传统施工方法的革命性改进，而且随着工程计算机辅助设计CAD的广泛应用和数字地形模型（DTH）技术的发展，工程设计工作也在向无图纸、数字化的方向发展，3D控制技术正是顺应了着一发展趋势，是将来数字化施工的基础。可以预见，这种控制系统必将成为今后机械控制的主流，并对工程施工产生深远的影响，其在工程机械方面的应用也将随着GPS和TPS的发展变得越来越广泛。