Устройство для автоматического управления строительной машиной

 

Изобретение относится к приборостроению для дорожного строительства и мелиорации. Сущность: устройство содержит устанавливаемый на местности базовый прибор, приемный узел, устанавливаемый на строительной машине и дальномер. Базовый прибор состоит из лазера со сканирующим зеркалом, снабженным поворотным механизмом, обеспечивающим вращение горизонтальной и вертикальной осей, с приводом и узлом установки прибора на местности, фотоприемника, датчика углов поворота сканирующего зеркала и модулятора. Приемный узел содержит оптическую головку, расположенную с помощью поворотного механизма на штанге, жестко закрепленной на платформе, снабженной уровнем. Оптическая головка содержит четырехсекционный чувствительный элемент с крестообразным расположением секций и линзовый объектив. Дополнительно приемный узел содержит два разностных усилителя, входы которых соединены с противоположными секциями чувствительного элемента, привод разворота поворотного механизма датчик углов, дешифратор модуляции лазерного луча, два сумматора, два запоминающих элемента и ЦВМ. 3 ил.

Изобретение относится к приборостроению для дорожного строительства и мелиорации, а конкретно, к устройствам для определения координат места расположения и управления движением строительной машиной и рабочим органом.

Известно устройство для выполнения способа автоматического управления рабочим органом землеройной машины (а.с. СССР N 1328450 E 02 F 9/20), содержащее базовый прибор лазер с двумя сканирующими зеркалами, устанавливаемый на местности и фотоприемное устройство, устанавливаемое на строительную машину, с тремя фоточувствительными элементами: двумя односекционными и одним трехсекционным, кинематически связанные с рабочим органом землеройной машины, узел сравнения и формирования управляющего сигнала на изменение углового положения рабочего органа. В процессе работы производится создание параллельно плоскости заданного уклона плоскости оптического излучения и расположение в ней фотоприемного устройства, состоящего из трех чувствительных элементов. При выходе чувствительного элемента из нее по сигналу рассогласования изменяется высотное положение рабочего органа. Дополнительно формируется также плоскость оптического излучения, сканируемая в вертикальном направлении соосно с направлением движения землеройной машины, которая, пересекая три чувствительных элемента фотоприемника формирует два временных интервала: между пересечением первого, а затем второго и третьего чувствительного элемента, при сравнении которых происходит выработка сигналов рассогласования, в результате чего осуществляется поддержание оптимального угла резания рабочего органа.

Недостатками такого устройства являются: снижение автоматизации процесса вследствие необходимости перестройки базового прибора при задании новой плоскости уклона, невозможность учета отклонения землеройной машины от заданного курса, отсутствие учета влияния угла тангажа землеройной машины на высотное положение рабочего органа, что не дает возможности проведения работ на поверхности, имеющей уклон, и вносит ошибку в определение высотного положения рабочего органа вследствие неровности обрабатываемой поверхности.

Известно также устройство для автоматического управления строительной машиной (а. с. СССР N 1364670 E 02 F), принятое в качестве прототипа, содержащее базовый прибор, устанавливаемый на местности и состоящий из источника излучения, узла вращения сканирующего зеркала вокруг вертикальной оси, стабилизатора числа оборотов. Приемное устройство, устанавливаемое на строительную машину, содержит трехсекционный чувствительный элемент, секции которого соединены с усилителем сигналов управления высотным положением рабочего органа, формирователем опорного временного интервала, задающим кварцевым генератором, измерителем разности фаз, блоком памяти и компаратором. Кварцевый генератор через формирователь опорного временного интервала подключен к первому входу измерителя разности фаз, ко второму входу которого подключен выход усилителя сигналов, а выход измерителя разности фаз подключен к первому входу блока памяти. На второй вход блока памяти подается сигнал "Запись", а выход подключен к второму входу компаратора, с выхода которого снимается сигнал управления курсом строительной машиной. Диаграмма направленности приемного устройства является круговой. Сигнал с секции чувствительного элемента поступает на компаратор, который вырабатывает команды "Вверх", "Вниз", "Норма" для осуществления регулирования высотного положения рабочего органа. При смещении строительной машины с заданного курса влево или вправо с выхода измерителя разности фаз поступает сигнал из блока памяти, несущий информацию о заданном курсе. Компаратор вырабатывает команды "Вправо" или "Влево". Для изменения траектории движения известной строительной машины на параллельную необходимо перенести базовый прибор плоскости, перпендикулярной траектории движения.

Недостатками данного устройства являются: невозможность обеспечения автоматического процесса формирования заданного профиля дороги, так как для изменения высотного положения рабочего органа необходима перестройка базового прибора, отсутствие учета угла тангажа приводит к невозможности обработки поверхности с заданным уклоном и вносит существенную погрешность в определение высотного положения рабочего органа, невозможность перемещения строительной машины по любой траектории кроме той, при которой продольная ось машины проходит через точку установки базового прибора совпадает с лазерным лучом.

Задачей изобретения является обеспечение возможности непрерывного формирования поверхности дорожного полотна с текущим положительным и отрицательным уклоном и возможности перемещения строительной машины по любой траектории без изменения места расположения базового прибора.

Решение указанной задачи достигается тем, что предлагаемое устройство автоматического управления строительной машиной содержит устанавливаемый на местности базовый прибор, выполненный в виде лазера со сканирующим зеркалом, снабженным поворотным механизмом с приводом, и узла установки базового прибора на местности, и устанавливаемые на строительной машине дальномер и приемный узел с оптической головкой, расположенной с помощью поворотного механизма на штанге, жестко закрепленной на платформе, снабженной уровнем. Поворотный механизм сканирующего зеркала выполнен с возможностью обеспечения его вращения вокруг горизонтальной и вертикальной осей и имеет два режима сканирования в узкой (от -10 до +10^o) и широкой (от 0 до 360^oС) зонах. Базовый прибор дополнительно снабжен подключенным к входу лазера модулятором интенсивности излучения лазера, соединенным с входом модулятора интенсивности излучения лазера датчиком углов поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной осей и соединенным с приводом поворота сканирующего зеркала фотоприемником лазерного излучения, отраженного от оптической головки. Оптическая головка содержит четырехсекционный чувствительный элемент, секции которого расположены попарно крестообразно и линзовый объектив. Одна из пар секций чувствительного элемента расположена параллельно оси штанги. Приемный узел дополнительно снабжен датчиком углов поворота оптической головки вокруг оси штанги и в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки, двумя запоминающими элементами угла поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной осей, дешифратором модуляции интенсивности излучения лазера, цифровой вычислительной машиной и двумя сумматорами. Поворотный механизм оптической головки снабжен приводом разворота вокруг оси штанги и приводом разворота в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки. С управляющим входом привода разворота вокруг оси штанги электрически связан выход первого разностного усилителя, которым снабжен приемный узел. Входы первого разностного усилителя электрически связаны с секциями чувствительного элемента, расположенными перпендикулярно оси штанги. С управляющим входом привода разворота в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки, электрически связан выход второго разностного усилителя приемного узла, а входы второго разностного усилителя электрически связаны с секциями чувствительного элемента, расположенными параллельно оси штанги. Вход первого сумматора соединен с секциями, расположенными параллельно оси штанги, а выход соединен с первым входом запоминающего элемента угла поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной оси, вход второго сумматора соединен с секциями, расположенными перпендикулярно оси штанги, а выход соединен с первым входом запоминающего элемента угла поворота сканирующего зеркала вокруг горизонтальной оси. Ко второму входу обоих запоминающих элементов подключены выходы дешифратора модуляции интенсивности излучения лазера, входы которого соединены с выходами сумматоров. Выходы запоминающих элементов, дальномера и уровня соединены с входами цифровой вычислительной машины.

Устройство обеспечивает попадание лазерного луча на оптическую головку параллельно ее оптической оси. Полученные с помощью датчиков значения углов поворота отражателя лазерного луча вокруг горизонтальной и вертикальной осей, углов поворота оптической головки вокруг оси штанги и в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки, и угла крена, полученного с помощью уровня, и измеренной дальномером дальности поступают в цифровую вычислительную машину. Цифровая вычислительная машина вычисляет координаты строительной машины в пространстве и угол тангажа. Осуществляя сравнение этих значений с заложенными, цифровая вычислительная машина осуществляет формирование управляющих исполнительными устройствами строительной технической машины сигналов.

Таким образом достигается технический результат, а именно: осуществляется непрерывное формирование поверхности дорожного полотна с текущим положительным и отрицательным уклоном и перемещение строительной машины по любой заданной траектории без изменения места расположения базового прибора.

Возможен также контроль заданного угла крена строительной машины при таком движении, когда продольная ось строительной машины постоянно проходит через точку установки базового прибора. В этом случае осуществляется контроль движения строительной машины по заданному курсу и контроль заданного угла крена строительной машины, так как при отклонении угла крена от заданного изменяется угловое положение сканирующего зеркала вокруг вертикальной оси зеркала и оптической головки вокруг оси штанги.

На фиг. 1 показана общая блок-схема устройства; на фиг.2 расположение основных частей устройства в плане; на фиг.3 расположение основных частей устройства в вертикальной плоскости.

Устройство для автоматического управления строительной машины состоит из устанавливаемого на местности базового прибора 1, выполненного в виде лазера 2 со сканирующим зеркалом 3, снабженным поворотным механизмом 4 с приводом 5, и узла 6 установки базового прибора на местности в опорной точке, и устанавливаемых на строительной машине дальномера 7 и приемного узла с оптической головкой 8, расположенной на штанге 9, жестко закрепленной на платформе 10, снабженной уровнем 11.

Базовый прибор дополнительно снабжен модулятором 12 интенсивности излучения лазера, датчиком 13 углов поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной осей и фотоприемником 14 лазерного излучения, отраженного от оптической головки. Лазер имеет телескопическую систему. Оптическая головка содержит четырехсекционный чувствительный элемент (ЧЭ) 15, секции которого расположены попарно крестообразно и линзовый объектив 16. Одна из пар секций 17,18 чувствительного элемента расположена перпендикулярно оси штанги. Чувствительные элементы оптической головки расположены в фокальной плоскости линзы. Поворотный механизм 19 оптической головки снабжен приводом 20 разворота вокруг оси штанги и приводом 21 разворота в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось 22 оптической головки. С управляющим входом привода разворота вокруг оси штанги электрически связан выход первого разностного усилителя 23, которым снабжен приемный узел. Входы первого разностного усилителя электрически связаны с секциями чувствительного элемента, расположенными перпендикулярно оси штанги. Секции 24,25, расположенные параллельно оси штанги связаны со входом второго разностного усилителя 26 приемного узла, выход которого связан с управляющим входом привода разворота в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки. Кроме того, приемный узел снабжен датчиком 27 углов поворота оптической головки вокруг оси штанги и в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки, двумя запоминающими элементами (ЗЭ) 28,29 угла поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной осей, дешифратором 30 модуляции интенсивности излучения лазера, цифровой вычислительной машиной (ЦВМ) 31 и двумя сумматорами 32,33. Вход первого соединен с секциями, расположенными перпендикулярно оси штанги, а выход соединен с первым входом запоминающего элемента 29 угла поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной оси, вход второго соединен с секциями, расположенными параллельно оси штанги, а выход соединен с первым входом запоминающего элемента 28 угла поворота сканирующего зеркала вокруг горизонтальной оси. Ко второму входу обоих запоминающих элементов подключены выходы дешифратора модуляции интенсивности излучения лазера, входы которого соединены с сумматорами. Выходы запоминающих элементов и выход уровня соединены с входами цифровой вычислительной машины.

Устройство работает следующим образом. Перед началом работы лазерный луч либо непосредственно устанавливается на оптическую головку, либо привод 5 поворотного механизма 4 сканирующего зеркала 3 переводится в режим сканирования в широкой зоне. В момент попадания лазерного луча на оптическую головку лазерный луч отражается от оптической головки и фиксируется фотоприемником 14, сигнал с выхода которого переводит привод поворотного механизма сканирующего зеркала в режим сканирования в узкой зоне, при этом обеспечивается определение углов поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной осей, обеспечивающих максимальную освещенность чувствительного элемента. Модулятор 12 осуществляет изменение интенсивности лазерного луча поочередно в соответствии со значением углов поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной оси на выходе датчика углов 13. При превышении уровня сигнала, поступившего в данный момент, над максимальным до данного момента в запоминающий элемент фиксируется значение угла на выходе дешифратора 30 в данный момент времени. Оптическая головка при попадании на нее лазерного луча осуществляет поворот вокруг оси штанги и в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки, таким образом, чтобы луч стал направлен параллельно ее оптической оси, а пятно лазерного луча находилось в центре оптической головки. При смещении пятна относительно центра чувствительного элемента, например, параллельно оси штанги разностный сигнал с чувствительного элемента 24,25, полученный на выходе разностного усилителя 26, подается на привод 21 разворота оптической головки в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось 22 оптической головки. На вход цифровой вычислительной машины 31 поступают дальность до оптической головки, измеренная дальномером 7, углы поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной осей с дешифратора 30, углы поворота оптической головки вокруг оси штанги и в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки и угол крена строительной машины, измеренный уровнем 11. Исходя из этих данных цифровая вычислительная машина определяет координаты строительной машины и угол тангажа, а при отличии их от заданных формирует сигналы управления исполнительными механизмами строительной машины.

Положение каждой 1-й точки рабочего органа строительной машины относительно центра оптической головки в системе координат X_м, Y_м, Z_м, связанной с корпусом строительной машины определяется тремя составляющими X_im, Y_im, Z_im. В системе координат X_л, Y_л, Z_л, где ось X_л совмещена с оптической осью оптической головки, совпадающей с энергетической осью лазерного луча. Эти составляющие определяются по следующим формулам: X_iл=(X_im·cos(a)-(Z_im·sin(г)-Y_im ·sin(г))·cos(b)- (Y_im·cos(г)+Z_im·sin(г))·sin(b); Y_iл=Y_im·cos(г)Z_im·sin(г))·cos(b)- (X_im·cos(a)- (Z_im·cos(г)-Y_im·sin(г))·sin(a))·sin(b); Z_iл=(Z_im·cos(г)-Y_im·sin(г))·cos(a)+ X_im·sin(a), где: a угол поворота оптической головки вокруг вертикальной оси; b угол поворота оптической головки вокруг поперечной оси; г угол крена строительной машины.

В земной системе координат X_g, Y_g, Z_g, центр которой находится в центре пересечения осей поворота лазерного излучателя базового прибора, а ось X соответствует направлению, принятому в проектном задании (например, направление на Север), положение точек рабочего органа определяется соотношениями: X_ig=L·cos(Г)·cos(Т)+(X_iл·cos(Г)-Z_iл ·sin(Г))·cos(Т)- Y_iл·sin(Т); Y_ig=L·sin(Т)-(X_iл·cos(Г)+Z_iл·sin(Г)) ·sin(Т);
Z_ig=L·cos(Т)·sin(Г)+Z_iл·cos(Г)-X_iл ·sin(Т).

где:
Т угол лазерного излучателя в вертикальной плоскости;
Г угол поворота лазерного излучателя в горизонтальной плоскости;
L дистанция между базовым прибором и оптической головкой.

Эти координаты вычисляются в цифровой вычислительной машине, сравниваются с проектным заданием и при наличии рассогласования вырабатываются управляющие сигналы на соответствующие сервоприводы.

Формула изобретения

Устройство для автоматического управления строительной машины, содержащее устанавливаемый на местности базовый прибор, выполненный в виде лазера со сканирующим зеркалом, снабженным поворотным механизмом с приводом и узлом установки базового прибора на местности, приемный узел с оптической головкой, установленный на строительной машине, и дальномер, отличающееся тем, что поворотный механизм сканирующего зеркала выполнен с возможностью обеспечения его вращения вокруг горизонтальной и вертикальной осей и имеет два режима сканирования в узкой (-10.+10^o) и широкой (0-360^o) зонах, а базовый прибор дополнительно снабжен подключенным к входу лазера модуляром интенсивности излучения лазера, соединенным с входом модулятора интенсивности излучения лазера датчиком углов поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной осей и соединенным с приводом поворотного механизма сканирующего зеркала фотоприемником лазерного излучения, отраженного от оптической головки, которая установлена с помощью поворотного механизма на штанге, жестко закрепленной на платформе, снабженной уровнем, и содержит четырехсекционный чувствительный элемент, секции которого расположены попарно крестообразно, причем одна из пар секций расположена параллельно оси штанги, и линзовый объектив, связанный со сканирующим зеркалом и с входами фотоприемника и чувствительного элемента, при этом приемный узел снабжен датчиком углов поворота оптической головки, двумя запоминающими элементами угла поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной и горизонтальной осей, дешифратором модуляции интенсивности излучения лазера, цифровой вычислительной машиной и двумя сумматорами, а поворотный механизм оптической головки снабжен приводом разворота вокруг оси штанги, с управляющим входом которого электрически связан выход первого разностного усилителя, а входы первого разностного усилителя связаны с секциями чувствительного элемента, расположенными перпендикулярно оси штанги, и приводом разворота в плоскости, проходящей через ось штанги и оптическую ось оптической головки, с управляющим входом которого электрически связан выход второго разностного усилителя приемного узла, а входы второго разностного усилителя электрически связаны с секциями чувствительного элемента, расположенными параллельно оси штанги, вход первого сумматора соединен с секциями чувствительного элемента, расположенными параллельно оси штанги, а выход соединен с первым входом запоминающего элемента угла поворота сканирующего зеркала вокруг вертикальной оси, вход второго сумматора соединен с секциями чувствительного элемента, расположенными перпендикулярно оси штанги, а выход соединен с первым входом запоминающего элемента угла поворота сканирующего зеркала вокруг горизонтальной оси, к второму входу обоих запоминающих элементов подключены выходы дешифратора модуляции интенсивности излучения лазера, входы которого соединены с выходами сумматоров, а выходы запоминающих элементов, дальномера, уровня и датчика поворота оптической головки вокруг штанги соединены с входами цифровой вычислительной машины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3