路燈燈桿安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

麥偉民，陶 俊，陳尚智，朱佳南，秦大為

(1.常州市城市照明管理處，江蘇 常州 213000;2.鹽城師范學(xué)院物電學(xué)院，江蘇 鹽城 224002;3.鹽城師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 鹽城 224002）

0 引言

路燈燈桿安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)燈桿垂直偏移、燈臂仰角、燈具安裝高度等質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，以便及時(shí)校正路燈安裝過(guò)程中的誤差并對(duì)路燈的安裝質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。因此，路燈燈桿安裝質(zhì)量檢測(cè)在施工中有著極其重要的地位。

此系統(tǒng)將全站儀、平板電腦等硬件有機(jī)結(jié)合，利用VB編寫的配套軟件直接驅(qū)動(dòng)硬件以完成燈桿安裝質(zhì)量的測(cè)量，操作簡(jiǎn)單、便捷，數(shù)據(jù)精確，穩(wěn)定性好。檢測(cè)系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性，能有效地提高國(guó)內(nèi)城市道路照明施工質(zhì)量驗(yàn)收的科學(xué)性、精確度和可信度，提高城市道路照明施工質(zhì)量驗(yàn)收的工作效率，降低施工質(zhì)量驗(yàn)收的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高公路出行水平和交通服務(wù)水平，也將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)城市道路照明施工質(zhì)量驗(yàn)收設(shè)備的空白，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)思想

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

(1）角度測(cè)量

精度:3'

(2）距離測(cè)量

測(cè)程:1.7 m ～100 m

精度:±5 mm

(3）使用環(huán)境

工作環(huán)境溫度:－20℃ ～+45℃

1.2 設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)采用全站儀作為具有取特征點(diǎn)功能的主機(jī)，將平板電腦、GPS模塊和無(wú)線收發(fā)模塊與之有機(jī)結(jié)合，并對(duì)全站儀主機(jī)部分硬件做了必要的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與其他模塊時(shí)間的連接，同時(shí)還利用VB軟件編寫好配套的系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)軟件直接驅(qū)動(dòng)硬件，即將全站儀對(duì)準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)后，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可完成測(cè)量和分析工作，簡(jiǎn)化了操作程序。數(shù)據(jù)也可直接保存在電腦中，克服了以往在全站儀中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)的操作復(fù)雜、存儲(chǔ)容量小等問(wèn)題。檢測(cè)系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)記錄和處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件帶有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能，可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用和查看，還可將所測(cè)數(shù)據(jù)和分析所得數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到接收機(jī)上，方便遠(yuǎn)程管理。

2 路燈燈桿安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

路燈燈桿安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)由全站儀、三腳架、平板電腦、GPS和無(wú)限模塊組成，將GPS和無(wú)限模塊安裝在平板電腦上，并將這些整合成一個(gè)整體，利用固定裝置固定在三腳架上，然后利用數(shù)據(jù)線將平板電腦與固定在三角架上的全站儀連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 路燈燈桿安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)傳送模塊采用兩無(wú)線收發(fā)模塊制作而成，一個(gè)安裝在平板電腦上，另一個(gè)則安裝在接收機(jī)上，在接收機(jī)上安裝好配套的接收軟件，這樣可以實(shí)現(xiàn)所測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

GPS數(shù)據(jù)采集模塊是將GPS安裝在平板電腦上，通過(guò)GPS測(cè)量出燈桿的經(jīng)緯度，所測(cè)數(shù)據(jù)則可以通過(guò)平板電腦顯示，方便對(duì)所測(cè)燈桿的定位。為防止GPS信號(hào)的干擾，此處還安裝一個(gè)開關(guān)，在不需要測(cè)量GPS數(shù)據(jù)時(shí)可關(guān)閉GPS模塊。

全站儀置零時(shí)需用到置零輔助裝置，由加工過(guò)的尼龍棍和指南針制作而成，指南針固定在尼龍棍頂端，校準(zhǔn)時(shí)先在一個(gè)空曠的場(chǎng)地上將置零輔助裝置安裝在調(diào)平好的全站儀主機(jī)把手上，將主機(jī)鏡頭轉(zhuǎn)到正北方向，使鏡頭方向與指針在一直線上，此時(shí)固定好主機(jī)，防止主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)在置零輔助裝置上標(biāo)記好，以便下次置零時(shí)能夠快速找到正北方向。

3 路燈燈桿安裝質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

由于VB編寫的軟件可視性和界面較好，該系統(tǒng)采用VB編寫配套的驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)控制全站儀主機(jī)取點(diǎn)，并在軟件內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。具體建模如圖2。

圖2 全站儀測(cè)量原理示意圖

測(cè)量主機(jī)測(cè)出被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)C的斜距(SAC），垂直角(βAC），坐標(biāo)方位角(αAC），可通過(guò)下列公式算出目標(biāo)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。

由下式可先計(jì)算平距

因而可算出C點(diǎn)三維坐標(biāo)為

其中，XA，YA，ZA為主機(jī)所在位置的三維坐標(biāo)。在燈桿上選取任意兩點(diǎn)可根據(jù)式(2）計(jì)算出三維坐標(biāo)，則可求出空間任意兩點(diǎn)的距離和給出空間的直線方程，進(jìn)而也可求出空間任意兩條直線間的夾角。因此，只要取點(diǎn)適當(dāng)就可以求出燈桿驗(yàn)收中所需的燈桿垂直偏移、燈臂仰角、燈臂中心線與燈具中心線夾角、燈具橫向水平、燈具安裝高度、燈臂中心線與道路縱向線夾角等主要質(zhì)量指標(biāo)。

4 軟件界面

軟件界面主要包括數(shù)據(jù)顯示區(qū)和數(shù)據(jù)采集區(qū)，系統(tǒng)測(cè)量界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測(cè)量界面

5 標(biāo)定與實(shí)測(cè)

5.1 研究距離測(cè)量精度

方法:將直尺豎直固定在墻上，在直尺上取兩點(diǎn)，測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離與實(shí)際距離比較。

結(jié)論:距離測(cè)量的精度比較高，誤差不大(表1）。

表1

5.2 研究光的強(qiáng)弱與測(cè)試精度的關(guān)系

方法:分別在陽(yáng)光、弱光、強(qiáng)光和日光燈下進(jìn)行測(cè)量，從而判斷光強(qiáng)對(duì)測(cè)量精度的影響。

結(jié)論:(1）背景光對(duì)測(cè)試精度無(wú)影響(表2）。(2）重復(fù)測(cè)試精度不變(特指包括測(cè)試人員的改變）。

表2

5.3 研究不同角度所測(cè)絕對(duì)誤差

方法:將量角器水平固定在墻上，測(cè)不同角度從而得到不同的絕對(duì)誤差。

結(jié)論:角度測(cè)量精度比較高，誤差不大，個(gè)別角度測(cè)試絕對(duì)誤差超過(guò)0.5°(表3）。

表3

5.4 研究同一目標(biāo)物在不同位置測(cè)量對(duì)精度的影響

方法:將量角器水平固定在墻上，在多個(gè)位置測(cè)不同角度。

結(jié)論:改變位置對(duì)精度影響不大(表4）。

表4

6 小結(jié)

此課題采用相位法激光測(cè)距和光柵增量式數(shù)字角度傳感器等現(xiàn)代化測(cè)量手段，以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了路燈安裝質(zhì)量驗(yàn)收檢測(cè)工作的數(shù)字化和智能化，摒棄了傳統(tǒng)全站儀復(fù)雜的測(cè)量步驟，利用軟件控制全站儀測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和處理。軟件帶有的強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)功能可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用，為路燈燈桿安裝質(zhì)量檢測(cè)提供了定量的數(shù)據(jù)分析，有效地提高城市道路照明施工質(zhì)量驗(yàn)收效率。

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