陸萬(wàn)柱，陳偉，雷俊，田璐璐，夏春陽(yáng)

(中建科技集團(tuán)有限公司深圳分公司，廣東，深圳 518000）

1 引言

近年來(lái)，部分發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本、德國(guó)、瑞士等已經(jīng)開(kāi)始以自動(dòng)化施工機(jī)械代替人工操作。作為自動(dòng)機(jī)械輔助施工的一部分，日本、瑞士等國(guó)在探索施工自動(dòng)化的同時(shí)，也已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和安全監(jiān)控及管理自動(dòng)化的探索。日本已經(jīng)開(kāi)始嘗試進(jìn)行可移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合自動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備完成對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量檢測(cè)及安全巡邏及管理[1]。

在我國(guó)，目前移動(dòng)式底盤及點(diǎn)云掃描技術(shù)已較為成熟，其中全地形移動(dòng)式底盤技術(shù)多用于搜救機(jī)器人、排彈機(jī)器人以及服務(wù)行業(yè)的配送機(jī)器人等，一些成熟的解決方案在地形通過(guò)及穩(wěn)定性方面具有很大的設(shè)計(jì)參考價(jià)值[2]。雖然全地形底盤技術(shù)較為成熟，但市場(chǎng)上仍未出現(xiàn)面向建筑工地場(chǎng)景下使用的移動(dòng)式底盤，在機(jī)械磨損以及越障能力方面很難達(dá)到建筑工地的使用要求。點(diǎn)云掃描技術(shù)在三維重建領(lǐng)域較為成熟，但在建筑工程中的實(shí)際應(yīng)用較少，部分工地在塔吊等建筑施工設(shè)備上安裝了攝像設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了部分的安全監(jiān)控，但仍有死角存在拍攝盲區(qū)，不能完全做到安全監(jiān)管及智能監(jiān)管。

全自主移動(dòng)式實(shí)測(cè)實(shí)量機(jī)器人的研究與應(yīng)用符合國(guó)家政策和戰(zhàn)略目標(biāo)，滿足高密度負(fù)載、建筑空間感知、適應(yīng)復(fù)雜地面、多配件搭載等需求，適應(yīng)更多的建筑場(chǎng)景。面對(duì)復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，搭載點(diǎn)云掃描儀及高清攝像儀等不同的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的自動(dòng)化安全監(jiān)管和質(zhì)量檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題及不安全行為或不安全狀態(tài)，滿足工廠和工地的多場(chǎng)景化應(yīng)用，推動(dòng)智慧工地的實(shí)現(xiàn)，發(fā)展前景廣闊[3]。

2 研發(fā)思路及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 功能設(shè)計(jì)

實(shí)測(cè)實(shí)量機(jī)器人由點(diǎn)云掃描儀、高性能處理器、升降調(diào)平模塊、雙目視覺(jué)導(dǎo)航模塊、全地形履帶式底盤5大硬件系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。機(jī)器人可通過(guò)視覺(jué)算法和路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在施工現(xiàn)場(chǎng)建筑物內(nèi)的高精度定位和自主移動(dòng)，并對(duì)在建建筑物進(jìn)行全自動(dòng)實(shí)測(cè)實(shí)量。

圖1 點(diǎn)云機(jī)器人

點(diǎn)云掃描儀可對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)掃描，以360000點(diǎn)/s的掃描速率對(duì)室內(nèi)60 m范圍內(nèi)的建筑表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)100%覆蓋，檢測(cè)精度達(dá)到±2 mm，檢測(cè)效率提升20倍以上。高性能處理器能夠?qū)Σ杉降狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理并與BIM模型構(gòu)件信息進(jìn)行匹配，及時(shí)輸出測(cè)量結(jié)果。升降調(diào)平模塊可以為點(diǎn)云掃描儀提供良好的工作高度與水平度，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。雙目視覺(jué)導(dǎo)航模塊由兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)和一塊慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)組成，自主研發(fā)了機(jī)械定位結(jié)構(gòu)和控制板，可輸出時(shí)間幀對(duì)齊的雙目圖像和IMU傳感器數(shù)據(jù)，使機(jī)器人導(dǎo)航工作穩(wěn)定，定位精度與市面上現(xiàn)有的模組比較，具有更高的精度，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)移動(dòng)功能。全地形履帶式底盤由兩個(gè)直流伺服電機(jī)、伺服控制器及經(jīng)過(guò)減震設(shè)計(jì)的履帶式結(jié)構(gòu)組成，直流伺服電機(jī)使用電流環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán)三環(huán)的pid控制算法，保證了機(jī)器人在行走過(guò)程中的直行、爬坡、越障性能。減震結(jié)構(gòu)降低了底盤在高速行走的過(guò)程中不會(huì)由于地面不平整產(chǎn)生的震動(dòng)幅度和震動(dòng)頻率，底盤最高可以爬30°傾斜的陡坡。

2.2 創(chuàng)新性能

實(shí)測(cè)實(shí)量機(jī)器人融合了基于空間點(diǎn)云智能分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等新一代自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化的實(shí)測(cè)實(shí)量技術(shù)，是新一代建筑施工質(zhì)量全過(guò)程數(shù)字化實(shí)測(cè)實(shí)量解決方案，其創(chuàng)新性能主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

1）機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)創(chuàng)新與突破。機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)雙目視覺(jué)與慣性導(dǎo)航融合型導(dǎo)航技術(shù)，首創(chuàng)基于BIM輕量化模型的自動(dòng)路徑規(guī)劃技術(shù)，可應(yīng)用于復(fù)雜地形的全地形巡航。

2）機(jī)器人定位輔助多片3D點(diǎn)云拼接技術(shù)創(chuàng)新與突破。處于施工階段的建筑物內(nèi)存在區(qū)域面積大、隔間多等特點(diǎn)。為了滿足大范圍的測(cè)量工作要求，需要將建筑物分為多個(gè)測(cè)量站點(diǎn)，并將多個(gè)測(cè)量站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的拼接，將多片點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為一片完整的點(diǎn)云用于計(jì)算。自動(dòng)拼接功能通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的機(jī)器人三維位姿信息進(jìn)行多組點(diǎn)云的粗定位，再采用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容服務(wù)商（Internet Content Provider，ICP）算法對(duì)點(diǎn)云位置進(jìn)行修正，最終達(dá)到高精度點(diǎn)云拼接的效果。

3）自動(dòng)化。機(jī)器人一鍵啟停，自動(dòng)導(dǎo)航避障，自動(dòng)掃描、計(jì)算、輸出實(shí)測(cè)成果，全流程自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。杜絕了人為干擾，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。減少了人工作業(yè)，工作效率高?？蓪?shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量測(cè)量的簡(jiǎn)單化、自動(dòng)化及無(wú)紙化作業(yè)。

4）基于云端的監(jiān)控管理技術(shù)創(chuàng)新?？蓪?shí)現(xiàn)機(jī)器人與智慧建造平臺(tái)的信息交互，實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化和信息化質(zhì)量檢測(cè)。所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)在云端保存，可以確保數(shù)據(jù)真實(shí)可信，并且可追溯、可共享、可重復(fù)利用，所有相關(guān)單位——建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位、政府主管部門、消費(fèi)者都可以基于云數(shù)據(jù)進(jìn)行決策和行動(dòng)。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

坪山生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)加速器園區(qū)項(xiàng)目位于深圳市坪山區(qū)國(guó)家生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)基地內(nèi)，總用地面積為106 033.72 m2，總建筑面積689 511.32 m2，共15棟塔樓，多高層廠房12棟，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，超高層3棟，為框架核心筒結(jié)構(gòu)。建筑功能主要包括無(wú)污染廠房、研發(fā)用房、宿舍以及配套商業(yè)等。

項(xiàng)目多高層廠房標(biāo)準(zhǔn)層由鋼管混凝土柱+鋼梁+鋼筋桁架樓承板組成，鋼柱跨距為8.4 m，層高較高，墻面結(jié)構(gòu)較少，無(wú)大型幕墻，非常適合采用點(diǎn)云掃描機(jī)器人進(jìn)行測(cè)繪?？紤]到測(cè)試環(huán)境整體呈鏤空型，需要將建筑物分為多個(gè)測(cè)量站點(diǎn)，并將多個(gè)測(cè)量站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的拼接，將多片點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為一片完整的點(diǎn)云用于計(jì)算[4]。

3.2 應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，依靠?jī)煞N不同類型的點(diǎn)云掃描機(jī)器人分別完成標(biāo)準(zhǔn)層建模+實(shí)測(cè)實(shí)量指標(biāo)檢測(cè)，獲得較為完整的測(cè)量結(jié)果。

首先，采用基于雙目視覺(jué)的點(diǎn)云機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航功能，適用于建筑工地的工況。通過(guò)安裝在機(jī)器人前方的兩個(gè)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行畫(huà)面采集，識(shí)別并跟蹤畫(huà)面內(nèi)的有效特征，通過(guò)特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡估計(jì)出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離及方向。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在無(wú)GPS和網(wǎng)絡(luò)的情況下實(shí)時(shí)得到自身相對(duì)于初始點(diǎn)的位置及姿態(tài)。以建筑平面CAD圖紙為先驗(yàn)信息的機(jī)器人移動(dòng)路徑輸入方式，并研發(fā)了相應(yīng)的算法，去除了人為遙控機(jī)器人的示教過(guò)程。

其次，采用精度為毫米級(jí)的萊卡BLK360三維點(diǎn)云掃描儀搭載慣性傳感器，通過(guò)一鍵式操作，360°旋轉(zhuǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)100%覆蓋，每站數(shù)據(jù)檢測(cè)精度達(dá)到±2 mm。由小車完成建模點(diǎn)云拼接，根據(jù)BIM模型匹配結(jié)果分析出報(bào)表，再由實(shí)測(cè)實(shí)量測(cè)量機(jī)器人完成分站點(diǎn)墻面實(shí)測(cè)實(shí)量計(jì)算。

以項(xiàng)目8棟標(biāo)準(zhǔn)層為例，單層建筑面積約3 800 m2，根據(jù)測(cè)距設(shè)置28個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2 8棟標(biāo)準(zhǔn)層平面圖掃描站路徑規(guī)劃示意圖

3.3 測(cè)量過(guò)程

點(diǎn)云小車工作流程：（1）路徑生成：打開(kāi)建筑CAD平面圖紙，將機(jī)器人分站坐標(biāo)點(diǎn)作為行走路線畫(huà)在平面圖上，使用CAD轉(zhuǎn)路徑軟件將圖紙解析為專用路徑文件，傳送給機(jī)器人。（2）BIM圖紙載入：打開(kāi)對(duì)應(yīng)樓層的.rvt文件，由插件獲取用于模型拼接的.log文件。將以上文件存儲(chǔ)在機(jī)載SD卡中完成掃描前的準(zhǔn)備工作。（3）將機(jī)器人放置在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的起點(diǎn)處并開(kāi)啟點(diǎn)云掃描儀開(kāi)關(guān)，使用遙控器上的撥碼開(kāi)關(guān)控制機(jī)器人開(kāi)啟自動(dòng)模式，機(jī)器人會(huì)根據(jù)設(shè)定好的行走路線在室內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化的點(diǎn)云掃描及對(duì)比測(cè)量工作。

實(shí)測(cè)實(shí)量機(jī)器人工作流程：（1）任務(wù)創(chuàng)建與發(fā)布，通過(guò)管理平臺(tái)創(chuàng)建任務(wù)類型，設(shè)置施工階段的對(duì)應(yīng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；（2）打開(kāi)設(shè)備下載任務(wù)；（3）測(cè)量，攜帶設(shè)備到任務(wù)測(cè)量點(diǎn)完成指標(biāo)檢測(cè)；（4）獲取結(jié)果，通過(guò)導(dǎo)出二維碼和Excel表格獲取單站點(diǎn)測(cè)量結(jié)果報(bào)表。

3.4 測(cè)量結(jié)果

通過(guò)測(cè)量機(jī)器人測(cè)量工作，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模及點(diǎn)云拼接，形成整體模型，同時(shí)可自動(dòng)生成墻面、樓板平整度、垂直度等測(cè)量結(jié)果分布圖，詳見(jiàn)圖3和圖4。由圖3和圖4可知，測(cè)量機(jī)器人通過(guò)合理設(shè)置測(cè)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)整層全方位測(cè)量，其數(shù)據(jù)相對(duì)于傳統(tǒng)人工測(cè)量而言，更加嚴(yán)格，也更為精確，當(dāng)然，進(jìn)行合格判別時(shí)應(yīng)充分與規(guī)范進(jìn)行融合，將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化調(diào)整

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層點(diǎn)云拼接后模型

圖4 墻體分站點(diǎn)平整度、垂直度測(cè)量結(jié)果等高線圖

4 總結(jié)與展望

隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展，機(jī)器代人已成為大趨勢(shì)。圍繞建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，以數(shù)字化、智能化為目標(biāo)，技術(shù)融合與創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力，全方位提升工程質(zhì)量、數(shù)字化全流程管理，把控施工成本，是建筑行業(yè)步入智能化的關(guān)鍵突破點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，相信測(cè)量機(jī)器人也將成為建筑施工項(xiàng)目實(shí)測(cè)實(shí)量的主要手段之一。