一种振捣台车定位及插入深度的实时监控系统及监控方法技术领域
本发明属于水利工程中混凝土工程浇筑施工质量实时控制领域，具体的说，是涉
及一种振捣台车定位及插入深度的实时监控系统及监控方法。
背景技术
在混凝土浇筑工程中，混凝土振捣工艺是对混凝土性能影响最大的关键工艺，施
工过程中对振捣质量进行实时监测和控制是混凝土质量控制的重要一环。混凝土振捣的密
实程度直接影响混凝土的强度、抗渗及抗冻等性能，对建筑工程施工质量和使用产生很大
的影响。传统的施工现场振捣质量控制，是按照人工目测的方法来控制振捣棒的插入位置、
插入角度和插入深度等数据，从而保证混凝土振捣密实。但在施工过程中，由于人工经验控
制经常出现偏差以及不按规范施工的情况遍存在，导致振捣过程中很容易出现重复振捣、
漏振、欠振和插入深度不达标等问题，这些情况可能造成混凝土的质量缺陷，甚至成为安全
隐患。因此需要采用自动化、精确化、智能化的技术手段监测振捣棒的振捣位置和插入深
度，控制振捣台车的振捣施工质量。
目前，成都勘测设计研究院对振捣台车的实时定位和插入深度监控技术的研究取
得了一定的成果，提出了一种振捣台车实时监测定位系统及方法和一种振捣有效深度智能
检测方法，实现了振捣棒振捣位置和插入深度的实时监控。但是这些方法仍然存在一些不
足，如定位及定向天线安装不便、在卫星信号弱时定向会受影响、单个测距仪的性能有局限
等。
发明内容
为了克服以上不足，本发明的目的是针对混凝土工程浇筑施工过程中振捣台车振
捣质量控制问题，提供了一种实时、准确、自动化的振捣台车定位及插入深度的实时监控系
统及监控方法。利用本发明提供的振捣台车定位及插入深度监控方法，在振捣作业的过程
中，采用传感器实时获取GPS定位坐标、倾角数据、航向角数据、振捣开关状态数据以及距离
数据，对集成安装在振捣台车振捣机架上的振捣棒实时定位，并通过应用服务器分析计算
得到振捣棒的插入深度。从而有效的控制施工现场漏振、欠振、重复振捣和插入深度不达标
的问题，克服传统方法无法实时监控和记录振捣插入点的位置、监控振捣棒空间姿态和插
入深度以及记录振捣施工过程数据的缺点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种振捣台车定位及插入深度的实时监控系统，设置在由驾驶室、回转平台、大
臂、小臂和振捣机架组成的振捣台车上，所述振捣机架上设有振捣棒，所述回转平台与所述
大臂之间设有GPS天线，所述大臂、小臂和振捣机架上均设有倾角传感器，所述振捣机架的
两侧设有红外线测距仪和超声波测距仪，还包括用于测量航向角的电子罗盘、用于所述控
制红外线测距仪和超声波测距仪的单片机、用于收发数据的无线传输设备和用于对数据进
行实时分析计算的应用服务器。
一种振捣台车定位及插入深度的实时监控系统的定位监控方法，包括以下步骤：
(1).利用GPS天线实时定位大臂和回转平台连接处O的坐标，利用电子罗盘确定大
臂与正北方向的水平夹角，利用倾角传感器实时获取大臂、小臂和振捣机架与竖直方向的
夹角；
(2).根据连接处O的坐标、水平夹角、大臂与竖直方向的夹角，以及大臂的几何尺
寸数据，计算出大臂与小臂连接关节旋转中心的坐标P(x1,y1,z1)；
(3).根据水平夹角、小臂与竖直方向的夹角、坐标P以及P到小臂与振捣机架上表
面中心Q的距离，计算出Q的坐标Q(x2,y2,z2)；
(4).通过坐标Q(x2,y2,z2)、振捣机架与竖直方向的夹角和振捣机架的三维形体数
据，实时获得振捣机架上每个振捣棒顶端与振捣机架连接处的坐标；
(5).根据振捣棒顶端与振捣机架连接处的坐标、振捣机架与竖直方向的夹角和振
捣棒的几何尺寸数据，通过应用服务器计算出每个振捣棒上任意一点的坐标，最终得到所
有振捣棒的实时空间姿态。
一种振捣台车定位及插入深度的实时监控系统的深度监控方法，包括以下步骤：
a.预先在单片机中设置有程序，利用程序实现红外线测距仪和超声波测距仪之间
的切换功能；
b.利用红外线测距仪或超声波测距仪实时测量振捣棒顶端到混凝土表面的距离
l′，并将采集的数据经由无线传输设备传输至应用服务器；
c.应用服务器根据预先输入的振捣棒长度l与测到的距离l′做差，将小于零的结
果判定为未插入混凝土，大于零的结果即为振捣棒的插入深度，因而便实时得到振捣棒的
插入深度。
步骤a中通过单片机控制在白天使用不受阳光影响的超声波测距仪，夜晚使用精
度高、响应快的红外线测距仪。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.提出了振捣台车实时定位及插入深度监控方法，从而实现了振捣棒振捣位置和
插入深度的自动化、精确化、智能化的实时监控，为实际工程施工质量控制提供了有效方
法。
2.GPS天线固定在回转平台上，安装更方便，且受到振捣棒振动的影响更小。
3.电子罗盘根据地磁场进行振捣台车大臂与正北方向水平夹角的测量，与卫星信
号相比，地磁场的波动变化可忽略不计，因此电子罗盘的工作抗干扰能力较强。
4.单个测距仪的性能存在其局限性，红外线测距仪相比超声波测距仪拥有精度更
高、响应更快的优点，但强烈的太阳光会对测量造成干扰，而超声波不受太阳光的影响，因
此，为了发挥两种测距仪各自的优势，在白天使用不受太阳光影响的超声波测距仪，夜晚使
用红外线测距仪，通过对两个测距仪切换使用，能够充分发挥两种测距仪各自的优势，扬长
避短，对环境有更好的适应性。
附图说明
图1为对振捣台车进行实时定位监控的示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为对振捣台车进行实时深度监控的示意图。
图4为图3的侧视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术和方法。但不应将此理解为本发
明上述主题的范围仅限于以下的实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领
域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
本例中，图1和图2所示为振捣台车实时定位监控方法示意图，图3和图4所示为振
捣台车插入深度实时监控方法示意图。
监控系统的具体安装方法为：选定基准点并建立GNSS定位差分基准站在振捣台车
大臂与回转平台连接处安装GPS圆盘天线，在大臂的前半段安装1号倾角传感器，在小臂的
中间部位安装2号倾角传感器，在振捣机架左侧边安装3号倾角传感器，电子罗盘安装在驾
驶室内中间正前方的平台上，所有的设备数据线最终都集成在一起连接到布置在驾驶室内
的无线传输设备上。
测距设备具体安装方法为：在振捣机架左侧安装红外线测距仪，在振捣机架右侧
安装超声波测距仪，两个测距仪的轴线与所有振捣棒的轴线保持在统一平面内，并且保证
测距仪的发射口边缘与振捣棒顶端平面对齐，两个测距仪通过数据线与安装在驾驶室内的
单片机相连接，通过单片机实现测距仪之间的切换，再由单片机通过数据线把采集到的距
离数据传输给无线传输设备。
本例中，振捣台车实时定位监控方法具体工作步骤如下：
步骤1、GPS圆盘天线实时定位顶端圆盘的坐标O‘(x,y,z)，大臂上的倾角传感器实
时测量倾角a，小臂上的倾角传感器实时测量倾角b，振捣机架上的倾角传感器实时测量倾
角c，电子罗盘实时测量振捣机大臂与正北方向的水平夹角A，无线传输设备将测得的实时
数据打包后通过无线网络传输至应用服务器。
步骤2、应用服务器对接收到的数据进行分析计算。首先，根据已知的圆盘天线高
度L和顶端圆盘的坐标O′(x,y,z)，则大臂和回转平台连接处坐标为O(x,y,z-L)，结合预先
输入的大臂的几何尺寸数据夹角d和两个连接关节旋转中心的距离L1，计算出大臂与小臂
连接关节旋转中心的坐标P(x1,y1,z1)，公式为
x1＝x+L1sinAcos(90°+a-d)
y1＝y+L1cosA cos(90°+a-d)
z1＝z+L1sin(90°+a-d)
步骤3、求出P点坐标以后，根据点P坐标和P到小臂与振捣机架上表面中心Q的距离
L2，计算出振捣机架上表面中心的坐标Q(x2,y2,z2)，公式为
x2＝x1+L2sinAsinb
y2＝y1+L2cosAsinb
z2＝z1-L2cosb
步骤4、求出Q点坐标后，根据振捣机架上每个振捣棒位置相对于Q点是固定且已知
的，振捣棒长度也是已知的，再根据测得的振捣机架倾角c，因而可以求出所有振捣棒上任
意一点的坐标。
本例中，振捣台车插入深度实时监控方法具体工作步骤如下：
步骤1、单片机根据程序中设定的时间定时启闭红外线测距仪和超声波从测距仪，
并将测得的实时距离数据传输给无线传输设备。
步骤2、无线传输设备将测得的实时数据打包后通过无线网络传输至应用服务器。
步骤3、应用服务器中的服务端对接收到的实时距离数据进行分析计算。首先，将
振捣棒的长度数据l与测得的距离l′作差，得到差值Δ＝l′-l。
步骤4、然后，将差值Δ与0比较，若Δ≤0，则服务端判定振捣棒未插入混凝土，插
入深度计为0；若Δ>0，则服务端判定振捣棒插入到混凝土中，插入深度即为Δ。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说
明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本
发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可
做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。