淺談3D GPS控制技術在工程機械中的應用

劉廣

摘要： MC1200作為徠卡公司推出的世界首臺通用型機械控制系統，其除了能夠很好的應用于各類推土機、平地機、攤鋪機以及銑刨機等自動控制外，還能夠有效的應用于不同種類的設備。徠卡公司在對傳統施工工藝進行革命性改進的基礎上推出的3D GPS控制系統由于具有先進的三維控制方法，十分適合應用于平地機以及推土機等從事土方施工的機械上，并且尤其適用于大型土木工程、道路工程以及機場和露天采礦等項目。

Abstract： As the world's first general machinery control system launched by Leica Inc， MC1200 can be well applied in all kinds of bulldozers， graders， pavers and milling machine， automatic control， and it also can be effectively applied to different kinds of equipment. Based on the revolutionary improvement to the traditional construction technology， Leica Inc launched the 3D GPS control system， which has advanced three-dimensional control method， and is very suitable for application of grader and bulldozers in earthwork construction machinery， and is especially suitable for large civil engineering， road and airport engineering and open pit mining projects.

關鍵詞： 3D GPS控制技術；工程機械；應用

Key words： 3D GPS control technology；mechanical engineering；application

中圖分類號：K826.16 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）28-0036-02

1 概述

隨著工程測量領域廣泛應用GPS以及PTK技術的成熟，GPS定位的精度已經達到了前所未有的高度，一些國際的知名公司開始在工程機械自動控制領域應用GPS技術，尤其是應用的3D控制技術對傳統的施工方法產生了革命性的改進。在精確定位運動中的測量目標的時候，采用的PTK技術需要兩個GPS接收器來共同完成，一個固定在控制點作為參考站，即GPS基站；另一個安裝在推土機或挖掘機等工程機械上，即GPS接收器。

徠卡公司推出的世界首臺通用型機械控制系統MC1200具有以下獨特的性能：由于平地機鏟刀平移控制技術能夠對鏟刀的平移進行自由的而控制從而加速了整平工作的進程；橫坡固定技術能夠使操作手通過此系統對橫坡的坡度保持恒定，尤其適用于公路路肩以及公路斷鏈等處的施工；平地機桅桿傾斜技術由于能夠計算出桅桿各個方向和角度的傾斜，從而能夠對刀片的位置進行精確定位；GPS和TPS（全站儀）互換技術，用戶可以把GPS天線取下，換上自動全站儀即PS后對設備進行3D控制的精度要遠遠高于3D GPS系統，其適用于需要精確整平的公路以及機場等項目。由于目前徠卡公司最新的GPS1200系統的測量精度已經達到了毫米級，從而使得GPS技術應用于工程機械控制領域已經成為可能。

2 GPS定位的基本原理

GPS定位的基本原理為：將高速運動衛星的瞬間位置作為已知起算數據，然后采用空間距離后方交會的方法確定待測點的位置。如圖1：假設在地面待測點上安置GPS接收機的時間為t時刻，那么就能給測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其它數據可以確定以下四個方程式：

[（X1-X）2+（Y1-Y）2+（Z1-Z）2]1/2+C（Vt1-Vt0）=d1

[（X2-X）2+（Y2-Y）2+（Z2-Z）2]1/2+C（Vt2-Vt0）=d2

[（X3-X）2+（Y3-Y）2+（Z3-Z）2]1/2+C（Vt3-Vt0）=d3

[（X4-X）2+（Y4-Y）2+（Z4-Z）2]1/2+C（Vt4-Vt0）=d4

上述四個方程式中待測點坐標x、y、z和Vt0為未知參數，其中di=c△ti（i=1、2、3、4）

di（i=1、2、3、4）分別為1-4號衛星到接收機之間的距離。

△ti（i=1、2、3、4）分別為1-4號衛星的信號到達接收機所經歷的時間。

c為GPS信號的傳播速度（即光速）。

四個方程式中各個參數意義如下：

x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。

xi、yi、zi（i=1、2、3、4）分別為1-4號衛星在t時刻的空間直角坐標。

可由衛星導航電文求得

Vti（i=1、2、3、4）分別為1-4號衛星的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。

Vt0為接收機的鐘差。

由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vt0。

3 徠卡3D控制系統簡介

使用3D控制系統之所以能夠使機械通過一兩次往返施工就能給達到設計位置，這是由于其能夠將直接輸入機械計算機的工程設計數據自動生成三維數字模型，并且對工程機械上鏟刀的當前位置和設計數據進行實時比較后輸出校正控制信號來對鏟刀進行控制。這種以絕對坐標X、Y、Z為基準的全新的控制方式由于摒棄了測量、打樁以及放樣等傳統的工序，從而能夠對高程控制、平整度控制以及坡度控制等問題進行一次性的解決。此系統主要由以下四部分組成。endprint

第一，通訊設備：此通訊設備由無線發射裝置和調制解調器組成，其有效地實現了定位設備和機載計算機之間的數據傳輸。

第二，控制設備：此設備是由一系列控制器和傳感器組成的。為了達到施工的設計位置，此設備會根據安裝部位的不同對控制機械自身以及鏟刀的橫縱坡以及傾斜度等進行測量，然后根據根據機載計算機傳來的校正信息來控制機械鏟刀。

第三，定位設備：此設備由GPS或TPS組成，其分為的3DGPS控制系統和3DTPS控制系統分布適用于對精度要求不同的工程。

第四，記在計算機：輸入的工程設計數據能夠通過機載計算機生產三維數字地形模型，根據收到的測量數據算出工程機械的實際位置和方向后并與設計值進行比較，同時將校正信息輸出到控制設備來調整機械。

4 徠卡3D GPS控制系統的優勢

第一，與傳統施工方法比較：傳統的施工方法要求先對項目現場進行初測，然后項目設計、實地打樁放樣、工程機械施工以及測量打樁放養、施工然后再次測量打樁放養，如此反復直至施工到設計位置。這種方法具有以下缺點：測量人員工作量大；反復進行測量打樁放樣造成了機械的閑置；機械駕駛員在駕駛機械的同時還要以打好的樁為參照物，由于需要反復調整機械鏟刀，不僅要求駕駛員具有較高的技術水平和經驗，同時也對施工現場造成了安全隱患。而使用徠卡3DGPS控制系統由于實現了無樁施工從而省去了測量人員現場打樁放樣的工作，并且減少了機械的閑置時間；駕駛員專注于機械駕駛并且由3D系統對鏟刀進行控制，不僅降低了駕駛員的工作強度和對其技能的要求，同時能夠短時間內精確地達到最終設計的位置；實現了內外業數據的實時無縫鏈接。經實際工程項目檢驗，使用此系統能夠至少提高30%的施工效率。

第二，在解決方案時采用GPS的優勢：由于系統的精確度達到了30MM，從而在節約施工材料的同時提高施工質量；由于在GPS基站和施工機械之間不需要保持通視，從而適用于大型土木工程項目；經過一次性設置后就能給保證連續施工；由于工程設計數據能夠直接應用于項目施工中，因此減少了不必要的誤差；利用一個基站可以同時控制多臺設備；由于提高了施工效率而顯著縮短了工期；此系統由于不受天氣和光線的影響從而能夠進行全天候施工；徠卡3D GPS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施工前后的現場測量工作，是全站儀之外的一個高端測量儀器。

5 徠卡3D GPS系統在國內外的應用

國外目前已經將GPS控制系統廣泛應用于工程機械領域，除了實現工程機械的三維定位外，還大大提高了功效效率以及降低了機械操作成本。其特點為：

第一，減少重復工作。使用此系統能夠第一時間在控制室內得到設計的反饋消息，并且據此進行修改，從而在降低重復工作的同時減少了工作成本。

第二，在室內實現了完全控制。在室內由于實現了3D顯示和機械控制從而大大降低了測量和檢查土地平整的工作量，因此，有效提高了機械的利用率。通過3D顯示，操作手不僅能在無樁的情況下導航機械，并且還能夠對機械是否在設計和施工范圍內進行工作進行準確的判斷。

第三，加快工作循環。由于在進行較少檢測的情況下，操作手就能給知道下一步的施工，因此，減少了不必要環節的工作量，在加快工作循環的同時縮短了工期。

第四，改善材料的利用率。由于對土方的平整度能夠進行精確的計算從而保證不浪費基層材料而大大提高了收益。

第五，實時交換數據的功能。裝有GPS的工程機械會將專用的控制箱和顯示器裝在控制室內，從而能夠實現數據庫數據的雙向交換。

人工處理和經常性返工以及測量設計和建筑過程被分為不同階段進行處理是傳統工作方法最明顯的缺陷，這些都造成了設計變更。而機械裝有GPS后能夠實現無放樣坡度控制和導航，從而使得建筑土方的工作方式發生了顯著的變化。

GPS3D不僅實現了土地的平整控制，更有效的實現了室內設計和平整土地數據的實時交換。此外，通過GPS和激光的結合使用能夠有效提高土地平整的精度，尤其對于施工初期土方工作量非常大的情況下，通過GPS對工程機械進行導航能夠在完全遵守設計圖紙的情況下實現無樁施工，這就減少了很多工作量。

6 徠卡3D GPS控制系統在中國的應用前景

在美國、澳大利亞以及歐洲許多國家的大型項目和施工企業都廣泛應用徠卡公司的3DGPS控制系統，并且取得了良好的效果。我國的施工機械生產廠家和施工企業都在積極的學習和引進最新技術，但是在工程機械領域應用GPS還需要解決一些問題。為了降低價格保證市場份額，國內的施工機械廠家都在對生產成本進行控制，但是這并沒有提高投資機械自動控制系統作為標準配置的積極性，從而限制的3D技術的普及。此外，很多項目并沒有在工程設計環節完全采用數字化設計，從而在使用3D技術時存在數字化原始設計資料的過程，這也制約了3D技術的快速普及。

7 結語

工程設計工作隨著CAD的廣泛應用以及數字地形模型DTH技術的發展也在向著無紙化和數字化的方向發展，3DGPS技術不僅革命性的改進了傳統的施工方法，并且也為將來的數字化施工奠定了基礎。因此，隨著GPS和TPS的發展，這種技術必然成為今后機械自動控制的主流。

參考文獻：

[1]金梅珍.帶有GPS自動控制系統施工機械的構成及優越性[J].科技資訊，2006（19）.

[2]劉衛軍，李占民，文顯武.基于GPS的遠程監控系統在工程機械上的應用[J].筑路機械與施工機械化，2007（06）.

[3]黃健，初長祥.GPS智能管理系統在工程機械中的應用[J].工程機械與維修，2008（09）.endprint

第一，通訊設備：此通訊設備由無線發射裝置和調制解調器組成，其有效地實現了定位設備和機載計算機之間的數據傳輸。

第二，控制設備：此設備是由一系列控制器和傳感器組成的。為了達到施工的設計位置，此設備會根據安裝部位的不同對控制機械自身以及鏟刀的橫縱坡以及傾斜度等進行測量，然后根據根據機載計算機傳來的校正信息來控制機械鏟刀。

第三，定位設備：此設備由GPS或TPS組成，其分為的3DGPS控制系統和3DTPS控制系統分布適用于對精度要求不同的工程。

第四，記在計算機：輸入的工程設計數據能夠通過機載計算機生產三維數字地形模型，根據收到的測量數據算出工程機械的實際位置和方向后并與設計值進行比較，同時將校正信息輸出到控制設備來調整機械。

4 徠卡3D GPS控制系統的優勢

第一，與傳統施工方法比較：傳統的施工方法要求先對項目現場進行初測，然后項目設計、實地打樁放樣、工程機械施工以及測量打樁放養、施工然后再次測量打樁放養，如此反復直至施工到設計位置。這種方法具有以下缺點：測量人員工作量大；反復進行測量打樁放樣造成了機械的閑置；機械駕駛員在駕駛機械的同時還要以打好的樁為參照物，由于需要反復調整機械鏟刀，不僅要求駕駛員具有較高的技術水平和經驗，同時也對施工現場造成了安全隱患。而使用徠卡3DGPS控制系統由于實現了無樁施工從而省去了測量人員現場打樁放樣的工作，并且減少了機械的閑置時間；駕駛員專注于機械駕駛并且由3D系統對鏟刀進行控制，不僅降低了駕駛員的工作強度和對其技能的要求，同時能夠短時間內精確地達到最終設計的位置；實現了內外業數據的實時無縫鏈接。經實際工程項目檢驗，使用此系統能夠至少提高30%的施工效率。

第二，在解決方案時采用GPS的優勢：由于系統的精確度達到了30MM，從而在節約施工材料的同時提高施工質量；由于在GPS基站和施工機械之間不需要保持通視，從而適用于大型土木工程項目；經過一次性設置后就能給保證連續施工；由于工程設計數據能夠直接應用于項目施工中，因此減少了不必要的誤差；利用一個基站可以同時控制多臺設備；由于提高了施工效率而顯著縮短了工期；此系統由于不受天氣和光線的影響從而能夠進行全天候施工；徠卡3D GPS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施工前后的現場測量工作，是全站儀之外的一個高端測量儀器。

5 徠卡3D GPS系統在國內外的應用

國外目前已經將GPS控制系統廣泛應用于工程機械領域，除了實現工程機械的三維定位外，還大大提高了功效效率以及降低了機械操作成本。其特點為：

第一，減少重復工作。使用此系統能夠第一時間在控制室內得到設計的反饋消息，并且據此進行修改，從而在降低重復工作的同時減少了工作成本。

第二，在室內實現了完全控制。在室內由于實現了3D顯示和機械控制從而大大降低了測量和檢查土地平整的工作量，因此，有效提高了機械的利用率。通過3D顯示，操作手不僅能在無樁的情況下導航機械，并且還能夠對機械是否在設計和施工范圍內進行工作進行準確的判斷。

第三，加快工作循環。由于在進行較少檢測的情況下，操作手就能給知道下一步的施工，因此，減少了不必要環節的工作量，在加快工作循環的同時縮短了工期。

第四，改善材料的利用率。由于對土方的平整度能夠進行精確的計算從而保證不浪費基層材料而大大提高了收益。

第五，實時交換數據的功能。裝有GPS的工程機械會將專用的控制箱和顯示器裝在控制室內，從而能夠實現數據庫數據的雙向交換。

人工處理和經常性返工以及測量設計和建筑過程被分為不同階段進行處理是傳統工作方法最明顯的缺陷，這些都造成了設計變更。而機械裝有GPS后能夠實現無放樣坡度控制和導航，從而使得建筑土方的工作方式發生了顯著的變化。

GPS3D不僅實現了土地的平整控制，更有效的實現了室內設計和平整土地數據的實時交換。此外，通過GPS和激光的結合使用能夠有效提高土地平整的精度，尤其對于施工初期土方工作量非常大的情況下，通過GPS對工程機械進行導航能夠在完全遵守設計圖紙的情況下實現無樁施工，這就減少了很多工作量。

6 徠卡3D GPS控制系統在中國的應用前景

在美國、澳大利亞以及歐洲許多國家的大型項目和施工企業都廣泛應用徠卡公司的3DGPS控制系統，并且取得了良好的效果。我國的施工機械生產廠家和施工企業都在積極的學習和引進最新技術，但是在工程機械領域應用GPS還需要解決一些問題。為了降低價格保證市場份額，國內的施工機械廠家都在對生產成本進行控制，但是這并沒有提高投資機械自動控制系統作為標準配置的積極性，從而限制的3D技術的普及。此外，很多項目并沒有在工程設計環節完全采用數字化設計，從而在使用3D技術時存在數字化原始設計資料的過程，這也制約了3D技術的快速普及。

7 結語

工程設計工作隨著CAD的廣泛應用以及數字地形模型DTH技術的發展也在向著無紙化和數字化的方向發展，3DGPS技術不僅革命性的改進了傳統的施工方法，并且也為將來的數字化施工奠定了基礎。因此，隨著GPS和TPS的發展，這種技術必然成為今后機械自動控制的主流。

參考文獻：

[1]金梅珍.帶有GPS自動控制系統施工機械的構成及優越性[J].科技資訊，2006（19）.

[2]劉衛軍，李占民，文顯武.基于GPS的遠程監控系統在工程機械上的應用[J].筑路機械與施工機械化，2007（06）.

[3]黃健，初長祥.GPS智能管理系統在工程機械中的應用[J].工程機械與維修，2008（09）.endprint

第一，通訊設備：此通訊設備由無線發射裝置和調制解調器組成，其有效地實現了定位設備和機載計算機之間的數據傳輸。

第二，控制設備：此設備是由一系列控制器和傳感器組成的。為了達到施工的設計位置，此設備會根據安裝部位的不同對控制機械自身以及鏟刀的橫縱坡以及傾斜度等進行測量，然后根據根據機載計算機傳來的校正信息來控制機械鏟刀。

第三，定位設備：此設備由GPS或TPS組成，其分為的3DGPS控制系統和3DTPS控制系統分布適用于對精度要求不同的工程。

第四，記在計算機：輸入的工程設計數據能夠通過機載計算機生產三維數字地形模型，根據收到的測量數據算出工程機械的實際位置和方向后并與設計值進行比較，同時將校正信息輸出到控制設備來調整機械。

4 徠卡3D GPS控制系統的優勢

第一，與傳統施工方法比較：傳統的施工方法要求先對項目現場進行初測，然后項目設計、實地打樁放樣、工程機械施工以及測量打樁放養、施工然后再次測量打樁放養，如此反復直至施工到設計位置。這種方法具有以下缺點：測量人員工作量大；反復進行測量打樁放樣造成了機械的閑置；機械駕駛員在駕駛機械的同時還要以打好的樁為參照物，由于需要反復調整機械鏟刀，不僅要求駕駛員具有較高的技術水平和經驗，同時也對施工現場造成了安全隱患。而使用徠卡3DGPS控制系統由于實現了無樁施工從而省去了測量人員現場打樁放樣的工作，并且減少了機械的閑置時間；駕駛員專注于機械駕駛并且由3D系統對鏟刀進行控制，不僅降低了駕駛員的工作強度和對其技能的要求，同時能夠短時間內精確地達到最終設計的位置；實現了內外業數據的實時無縫鏈接。經實際工程項目檢驗，使用此系統能夠至少提高30%的施工效率。

第二，在解決方案時采用GPS的優勢：由于系統的精確度達到了30MM，從而在節約施工材料的同時提高施工質量；由于在GPS基站和施工機械之間不需要保持通視，從而適用于大型土木工程項目；經過一次性設置后就能給保證連續施工；由于工程設計數據能夠直接應用于項目施工中，因此減少了不必要的誤差；利用一個基站可以同時控制多臺設備；由于提高了施工效率而顯著縮短了工期；此系統由于不受天氣和光線的影響從而能夠進行全天候施工；徠卡3D GPS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施工前后的現場測量工作，是全站儀之外的一個高端測量儀器。

5 徠卡3D GPS系統在國內外的應用

國外目前已經將GPS控制系統廣泛應用于工程機械領域，除了實現工程機械的三維定位外，還大大提高了功效效率以及降低了機械操作成本。其特點為：

第一，減少重復工作。使用此系統能夠第一時間在控制室內得到設計的反饋消息，并且據此進行修改，從而在降低重復工作的同時減少了工作成本。

第二，在室內實現了完全控制。在室內由于實現了3D顯示和機械控制從而大大降低了測量和檢查土地平整的工作量，因此，有效提高了機械的利用率。通過3D顯示，操作手不僅能在無樁的情況下導航機械，并且還能夠對機械是否在設計和施工范圍內進行工作進行準確的判斷。

第三，加快工作循環。由于在進行較少檢測的情況下，操作手就能給知道下一步的施工，因此，減少了不必要環節的工作量，在加快工作循環的同時縮短了工期。

第四，改善材料的利用率。由于對土方的平整度能夠進行精確的計算從而保證不浪費基層材料而大大提高了收益。

第五，實時交換數據的功能。裝有GPS的工程機械會將專用的控制箱和顯示器裝在控制室內，從而能夠實現數據庫數據的雙向交換。

人工處理和經常性返工以及測量設計和建筑過程被分為不同階段進行處理是傳統工作方法最明顯的缺陷，這些都造成了設計變更。而機械裝有GPS后能夠實現無放樣坡度控制和導航，從而使得建筑土方的工作方式發生了顯著的變化。

GPS3D不僅實現了土地的平整控制，更有效的實現了室內設計和平整土地數據的實時交換。此外，通過GPS和激光的結合使用能夠有效提高土地平整的精度，尤其對于施工初期土方工作量非常大的情況下，通過GPS對工程機械進行導航能夠在完全遵守設計圖紙的情況下實現無樁施工，這就減少了很多工作量。

6 徠卡3D GPS控制系統在中國的應用前景

在美國、澳大利亞以及歐洲許多國家的大型項目和施工企業都廣泛應用徠卡公司的3DGPS控制系統，并且取得了良好的效果。我國的施工機械生產廠家和施工企業都在積極的學習和引進最新技術，但是在工程機械領域應用GPS還需要解決一些問題。為了降低價格保證市場份額，國內的施工機械廠家都在對生產成本進行控制，但是這并沒有提高投資機械自動控制系統作為標準配置的積極性，從而限制的3D技術的普及。此外，很多項目并沒有在工程設計環節完全采用數字化設計，從而在使用3D技術時存在數字化原始設計資料的過程，這也制約了3D技術的快速普及。

7 結語

工程設計工作隨著CAD的廣泛應用以及數字地形模型DTH技術的發展也在向著無紙化和數字化的方向發展，3DGPS技術不僅革命性的改進了傳統的施工方法，并且也為將來的數字化施工奠定了基礎。因此，隨著GPS和TPS的發展，這種技術必然成為今后機械自動控制的主流。

參考文獻：

[1]金梅珍.帶有GPS自動控制系統施工機械的構成及優越性[J].科技資訊，2006（19）.

[2]劉衛軍，李占民，文顯武.基于GPS的遠程監控系統在工程機械上的應用[J].筑路機械與施工機械化，2007（06）.

[3]黃健，初長祥.GPS智能管理系統在工程機械中的應用[J].工程機械與維修，2008（09）.endprint