工程機械領域GPS系統運用

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1前言

gps自投入運行以來逐步向民用開放，為各行各業服務。因此美、日各大汽車公司相繼在自己的產品上配裝新一代的信息系統與導航系統。徠卡公司推出了世界上首臺通用型機械控制系統MC1200，可以應用于各類推土機、平地機、攤鋪機及銑刨機等的自動控制，也可以在不同種類的設備上使用，使客戶的投資最大限度地得到充分回報。

23DGPS控制系統

使用3D控制系統，可以把工程設計數據直接輸入機載計算機，自動生成三維數字模型(DTM，DitalTerrainMode1)，機載計算機實時比較工程機械上鏟刀的當前位置(由定位設備測量)和設計數據，并輸出校正控制信號至控制設備，對機械的鏟刀進行控制。這樣施工機械只需要1或2次往返施工，即可達到最終的設計位置。這種以絕對坐標x、Y、Z為基準的全新控制方式，摒棄了測量、打樁、放樣等傳統工序，一次性解決了高程控制、平整度控制、坡度控制的問題。3D控制系統由定位設備、通訊設備、機載計算機、控制設備4部分組成

(1)定位設備

定位設備由GPS或TPs(自動全站儀)組成，根據定位設備的不同，3D控制系統可以分為3DGPS控制系統和3DTPS控制系統，分別適用于不同精確度要求的工程。3DGPS控制系統主要用于土方工程，如推土機、平地機、挖掘機等；3DTPS控制系統主要用于精度要求較高的公路面層或機場工程，如平地機、瀝青攤鋪機、穩定土攤鋪機、水泥混凝土滑模攤鋪機、銑刨機等。3DGPS控制系統中的定位設備由GPS基站和安裝在機械上的GPS接收器組成，GPS基站通常安裝在一個固定的、半永久性的位置上，能夠覆蓋10kin的范圍，同時控制在區域內工作的所有安裝了GPS接收器的施工機械。

(2)通訊設備

由無線電發射裝置和調制解調器組成，實現定位設備和機載計算機問的數據傳輸。

(3)機載計算機

機載計算機可以把輸入的工程設計數據生成三維數字地形模型，根據收到的測量數據計算出工程機械的實際位置和方向，與設計值進行比較，并把校正信息輸出到控制設備，對機械進行調整。徠卡3DGPS控制系統中的機載計算機為適應施工現場的要求，采用堅固耐用的觸摸屏設計，能夠防震、防塵、防水。

(4)控制設備

由一系列控制器和傳感器組成，根據安裝部位的不同，測量控制機械自身和鏟刀的橫坡、縱坡、傾斜度等，并根據機載計算機傳來的校正信息對機械的鏟刀進行控制，最終達到施工的設計位置。

33DGPS控制系統的優越性

徠卡3DGPS控制系統可以應用于平地機、推土機等從事±石方施工的機械上，尤其適合大型土木工程、道路、機場，露天采礦等項目。其先進的三維控制方法更是對傳統施工工藝進行了革命性的改進。

(1)同傳統施工方法的比較

傳統的施工方法要求先對項目現場進行初測，然后開始項目設計，在根據項目設計結果進行實地打樁放樣，工程機械施工，測量打樁放樣，工程機械再施工，再次測量打樁放樣……如此反復直至施工至設計位置。這種方法需要測量人員的大量工作，并且在反復的測量打樁放樣過程中造成了工程機械的閑置，機械駕駛員也要在駕駛機械的同時，以打好的樁為參照物，反復操作調整機械鏟刀一求施工接近設計位置，對駕駛員的技術水平和經驗提出了很高的要求，也對施工現場的安全產生了隱患。使用徠卡3DGPS控制系統，由于能夠直接把設計資料輸入機載計算機，控制機械進行施工，直至達到設計位置，真正實現了無樁施工，省去了測量人員的現場打樁放樣工作，減少機械閑置時間，駕駛員也可以專注于機械駕駛，由3D控制系統來實現鏟刀的控制工作，并能夠在很短時間內精確達到最終的設計位置，對駕駛員的工作強度和技能要求大大降低。同時，任何設計上的更改都可以由駕駛艙中的機載計算機實現，施工后的結構也可以輸出到項目辦公室，實現了內外業數據的實時無縫鏈結。使用徠卡3D控制系統，能夠徹底改變傳統的施工程序。經過實際工程項目的檢驗，使用3D控制系統，至少提高了30％的施工效率。

(2)GPS解決方案的優越性

使用徠卡3DGPS控制系統，直接把工程設計數據用于施工，減少了不必要的誤差；GPS基站和施工機械之間不需要保持通視，特別適合大型土木工程項目；系統一次設置就可以保證連續施工。利用一個基站，能夠同時控制多臺設備，控制范圍達到10kin，還可以根據需要擴大控制范圍；3DGPS控制系統能夠全天候施工，不受天氣和光線的影口隨著施工效率的提高，顯著縮短工期；系統精確度達到30ram，能夠節約大量施工材料，提高施工質量。徠卡3DGPS控制系統真正實現了無樁施工，大大減少了工作量，同時GPS接收器還可以單獨用于前后的現場測量工作，是全站儀之外的一個高端測量儀器。

4GPS控制系統的發展情景

國外目前非常廣泛的使用裝備GPS控制系統的工程機械，使工程機械實現了真正的三維定位，工作效率大大提高，減少了重復工作及機械操作成本。主要特點如下：

(1)實現室內完全控制在控制室內真正的3D顯示及控制機械，非常顯著的減少測量和土地平整檢查工作，大大提高機械的利用率。在控制室內，操作手可以看到整個工地的土方乎整度。沒有達到設計要求的地方用不同顏色表示出來，使操作手無須測量人員的幫助，自己就清楚如何進行下一步的工作。操作手通過3D顯示，導航機械，在無樁的情況下，準確知道機械是否在設計及施工范圍內工作。

(2)加快工作循環。在最少的監測下，操作手自己知道下一步如何施工，減少很多不必要的工作環節，加快工作循環，節約時間，加快工期。

(3)減少重復工作。可在控制室內第一時間直接得到設計信息，并可據此直接更改設計不合理之處，減少重復工作，降低工作成本。

(4)改善材料利用率精確的土方平整度，確保不浪費基層材料，大大提高收益。材料的節省直接反饋到經濟效益。

(5)實時數據交換功能。使用裝有GPS的工程機械。在控制室內裝有專用的控制箱和顯示器，使用數據卡可以實時進行雙向數據交換，接受任何軟件設計的圖紙到系統中。