1理論模型

1.1測(cè)量工件設(shè)計(jì)

在杭州灣新區(qū)跨十塘橫江橋大小拱塔的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的安裝過(guò)程中，要求對(duì)每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的上口4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，以檢查每個(gè)節(jié)段的安放位置是否符合設(shè)計(jì)的偏差要求，若與設(shè)計(jì)值偏差較大，則利用預(yù)先安裝在該鋼結(jié)構(gòu)底部的油泵進(jìn)行調(diào)整，直至上口4個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量值與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的偏差在所要求的限差范圍內(nèi)為止。考慮到本工程的具體情況，特別制作了測(cè)量工件，實(shí)物如圖3所示。

1.2測(cè)量原理

將上述制件的測(cè)量工件安裝于拱塔鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段上口的4個(gè)角點(diǎn)（或3個(gè)角點(diǎn)，當(dāng)在控制點(diǎn)上安置全站儀無(wú)法通視4個(gè)點(diǎn)時(shí)，只能測(cè)量3個(gè)角點(diǎn)）。由于磁鐵的作用，測(cè)量工件將會(huì)牢牢地固定在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的上口角點(diǎn)，并且兩塊磁鐵之間的相互垂直關(guān)系剛好保證了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的上口角的垂直關(guān)系，使得兩塊磁鐵與鋁板的接觸點(diǎn)正好與節(jié)段上口點(diǎn)重合。測(cè)量時(shí)，在測(cè)量控制點(diǎn)上安置好全站儀，瞄準(zhǔn)棱鏡中心，測(cè)量各點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，利用測(cè)量得到的測(cè)量工件的棱鏡中心點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段上口點(diǎn)坐標(biāo)。為了建立棱鏡中心點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段上口點(diǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，需要再建立一個(gè)坐標(biāo)系。以節(jié)段長(zhǎng)和寬的中心點(diǎn)連線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，過(guò)原點(diǎn)o與長(zhǎng)邊平行為y軸，與y垂直平行于短邊為x軸，過(guò)o點(diǎn)與xoy平面垂直向上為z軸。那么，則得到了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的上口角點(diǎn)在工程坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，其與所提供的設(shè)計(jì)坐標(biāo)值對(duì)比求偏差，進(jìn)而指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的調(diào)節(jié)。

2MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)

由于程序要求能夠?qū)崟r(shí)讀入全站儀采集的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)空間轉(zhuǎn)換求解角點(diǎn)坐標(biāo)，并讀入設(shè)計(jì)坐標(biāo)文件計(jì)算二者的差值。全站儀與計(jì)算機(jī)的通訊一般使用超級(jí)終端來(lái)協(xié)助完成，也有人嘗試用VB和CAD編制程序來(lái)完成通訊。具體到本文的情況，由于超級(jí)終端不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊的要求，VB和CAD在矩陣計(jì)算方面又不具備優(yōu)勢(shì)，所以利用MATLAB與硬件的接口設(shè)計(jì)進(jìn)行了嘗試。MATLAB可以提供人機(jī)交互，方便強(qiáng)大的矩陣計(jì)算功能，較其他語(yǔ)言有簡(jiǎn)潔、可讀性好的特點(diǎn)。本程序采用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行編制，并使用GUI（圖形用戶接口）設(shè)計(jì)技術(shù)將安裝測(cè)量作業(yè)過(guò)程可視化，使其操作過(guò)程簡(jiǎn)單明了，界面更加友好。MATLAB提供了與其他硬件之間的接口函數(shù)及方法，就如同VB中的基本類型庫(kù)一樣；使得外部設(shè)備和MATLAB之間可以直接方便地進(jìn)行通信。基本的通信方式有并行通信接口和串行通信接口兩種。

2.1通訊實(shí)現(xiàn)

將全站儀的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地讀入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，先要解決全站儀與計(jì)算機(jī)的通訊問(wèn)題。將全站儀規(guī)定的輸出指令通過(guò)計(jì)算機(jī)程序發(fā)送到儀器內(nèi)，儀器返回指令結(jié)果并向計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)指令格式，程序中只關(guān)心其中的坐標(biāo)輸出指令Ed，相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式隨指令給出。

2.2程序功能

程序主要功能，如圖6所示。圖中列出了本程序的主要菜單及下拉菜單名。文件下的“保存”選項(xiàng)，可以完成計(jì)算結(jié)果的保存為特定的文本文件；編輯功能主要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的錄入，其中，“設(shè)計(jì)尺寸”主要錄入鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的上口長(zhǎng)寬設(shè)計(jì)值與特定的小棱鏡高值；“設(shè)計(jì)坐標(biāo)”則讀入準(zhǔn)備好的上口坐標(biāo)設(shè)計(jì)值文件；“選擇點(diǎn)位”完成與全站儀通訊。計(jì)算部分主要完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算。

3工程應(yīng)用

利用MATLAB開發(fā)環(huán)境，將上述原理在MATLAB里編程實(shí)現(xiàn)。以杭州灣新區(qū)跨十塘橫江橋鋼結(jié)構(gòu)XTZ1Y節(jié)段為例，用全站儀測(cè)量特制工件小棱鏡中心所得到的測(cè)量值，其中，角點(diǎn)表示節(jié)段上口點(diǎn)位（下同）。利用程序的“顯示”功能將計(jì)算出來(lái)的調(diào)節(jié)差值顯示于電腦屏幕上，以便直觀地對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)有所把握。其中的差值結(jié)果，負(fù)數(shù)表示向相反的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4結(jié)束語(yǔ)

由于MATLAB的矩陣計(jì)算功能強(qiáng)大，相應(yīng)的矩陣操作簡(jiǎn)單明了，因此，編寫計(jì)算坐標(biāo)軟件的函數(shù)相對(duì)于其他程序語(yǔ)言要容易很多，所以編寫測(cè)量程序過(guò)程簡(jiǎn)單，并且MATLAB的計(jì)算結(jié)果實(shí)用可靠。利用本文的測(cè)量方法在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的節(jié)段安裝調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以簡(jiǎn)單快速地為節(jié)段的準(zhǔn)確定位提供偏差數(shù)據(jù)，方便鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的調(diào)節(jié)。

作者：姚文馳 姚連璧 單位：同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院