Результат интеллектуальной деятельности: Устройство профилирования дороги автогрейдером

Изобретение относится к устройствам для возведения дорожного полотна и может быть использовано при строительстве дорог.

Известно устройство для профилирования дорожного полотна автогрейдером, в котором автогрейдер оснащен системой mmGPS управления его рабочим органом. Эта система управления, содержащая приемник спутниковой системы навигации, дополнительно оснащена лазерной системой измерения координаты Z_РО рабочего органа, обладающей способностью измерять положение рабочего органа с точностью 2мм. Лазерный передатчик формирует лазерную зону высотой 10 м и радиусом 300 м. В результате такого совместного использования спутникового и лазерного оборудования обеспечивается миллиметровая точность высотной отметки рабочего органа. / Системы управления строительной техникой TOPCON. Каталог. Выпуск 3. - 61 с. www.kotek.ru>npload/iblock/cb2/catalog_mc.pdf/

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства относится то, что в известном устройстве используется лазерная система измерения высотной координаты положения рабочего органа, на работоспособность которой существенное влияние оказывают погодные условия (дождь, туман, солнечная радиация), при которых работает автогрейдер, что делает невозможным получение дорожного полотна с миллиметровым отклонением от проекта при практическом использовании системы.

Известно устройство для профилирования дорожного полотна автогрейдером, в котором автогрейдер оснащен системой управления его рабочим органом. Эта система управления содержит приемник спутниковой системы навигации GPS (ГЛОНАСС) и дополнительно оснащен, с целью обеспечения возможности возведения дорожного полотна с требуемой точностью в условиях, где невозможен прием сигналов от спутниковой навигационной системы, инерциальным измерителем, контроллером и органом ручного управления рабочим органом автогрейдера. При этом выделяют две зоны работы автогрейдера: первая предназначена для работы от глобальной спутниковой системы позиционирования, а вторая - для работы от инерциального измерителя. Вторая зона соответствует условиям работы автогрейдера, в которых невозможен прием сигналов спутниковой глобальной навигационной системы. / Патент РФ на изобретение №2572434. Система управления рабочим органом землеройно-транспортной машины. / Коровин В.А., Коровин К.В., // БИ. - 2016. - №1 /. Принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится большая погрешность измерения положения рабочего органа по координате Z_РО при работе автогрейдера в первой зоне, т.е. от комплекта датчиков спутниковой навигационной системы, что делает невозможным получение дорожного полотна с минимальным отклонением от проекта.

Сущность группы изобретений заключается в автоматизации процесса профилирования дорожного полотна автогрейдером.

Технический результат заключается в повышении точности геометрических параметров возводимого полотна, а также в снижении себестоимости строительства дорожного полотна.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для профилирования дорожного полотна, состоящем из автогрейдера с ходовым, рулевым устройствами и гидроприводами подъема-опускания и перекоса рабочего органа, оснащенного контроллером, штангой, закрепленной на рабочем органе, на которой смонтирован комплект датчиков спутниковой навигационной системы, определяющий положение средней точки режущей кромки рабочего органа по осям направленным: на восток X, на север Y и вертикально вверх Z в базовой системе координат, формирующей сигналы обратной связи, которые подаются в контроллер, устройством измерения угла поперечного перекоса рабочего органа, сигналы которого подаются в контроллер, задатчиком положения рабочего органа с четырьмя выходными координатами положения средней точки режущей кромки рабочего органа по осям направленным: на восток X, на север Y и вертикально вверх Z и величины угла поперечного перекоса рабочего органа β, формирующим и передающим в контроллер значения этих координат, определенных цифровым проектом дорожного полотна, создаваемого в базовой системе координат, и принятой схемой движения автогрейдера, где все полученные контроллером сигналы после обработки передаются через ходовое и рулевое устройства, а также гидроприводы подъема-опускания и перекоса на рабочий орган автогрейдера, регулируя положение средней точки его режущей кромки и угол поперечного перекоса рабочего органа β, особенность заключается в том, что оно дополнительно снабжено, взаимодействующими между собой, элементами, формирующими альтернативную плоскость, и блоком ультразвуковых, оптических или радиочастотных датчиков альтернативного периодического измерения координаты положения средней точки режущей кромки рабочего органа по оси, направленной вертикально вверх Z, с возможностью передачи сигнала в контроллер, где производится периодическая коррекция сигнала обратной связи по оси, направленной вертикально вверх Z, полученного с помощью спутниковой навигационной системы.

Блок датчиков альтернативного периодического измерения расположен на штанге, закрепленной на рабочем органе, а элементы, формирующие альтернативную плоскость, расположены, например, на струнах, натянутых между опорами, установленными, по крайней мере, на одной из границ профилирования дорожного полотна, определяемых технологией производства работ, на высоте, обеспечивающей безопасное проведение работ.

Для достижения более высокой точности геометрических параметров возводимого дорожного полотна, необходимо уменьшить погрешность сигнала Z_ОС обратной связи в системе автоматического управления положением рабочего органа по координате Z_РО, путем дополнительного периодического измерения координаты Z_РО одним или несколькими альтернативными датчиками и последующего формирования корректирующего сигнала Z_К и использования его при вычислении сигнала обратной связи. Заявленное изобретение позволяет значительно повысить точность геометрических параметров возводимого дорожного полотна при профилировании его автогрейдером за счет повышения точности системы автоматического управления положением по координате Z_РО рабочего органа автогрейдера путем дополнительной коррекции сигнала обратной связи этой системы управления, для чего осуществляется дополнительное периодическое измерение положения рабочего органа по координате Z_РО с помощью одного или нескольких альтернативных датчиков, которые устанавливаются в зоне работы автогрейдера.

На фиг. 1 изображена структурная схема автоматического профилирования дороги автогрейдером, где приняты следующие обозначения: задатчик положения рабочего органа 1, рабочий орган автогрейдера 2, первое устройство сравнения 3, спутниковая навигационная система 4, первый регулятор 5, ходовое устройство 6, второе устройства сравнения 7, второй регулятор 8, рулевое устройство 9, третье устройство сравнения 10, арифметическое устройство И, третий регулятор 12, гидропривод подъема-опускания рабочего органа 13, четвертое устройство сравнения 14, пятое устройство сравнения 15, блок вычисления Z₃ 16, блок датчиков альтернативного измерения Z_РО 17, задатчик ΔZ_О 18, задатчик ΔZ₁ 19, динамический фильтр 20, шестое устройство сравнения 21, датчик β 22, четвертый регулятор 23, гидропривод перекоса рабочего органа 24.

На фиг. 2 изображена упрощенная структурная схема автоматического профилирования дороги автогрейдером, где приняты следующие обозначения: задатчик положения рабочего органа 1, рабочий орган автогрейдера 2, спутниковая навигационная система 4, ходовое устройство 6, рулевое устройство 9, гидропривод подъема-опускания рабочего органа 13, блок датчиков альтернативного измерения Z_РО 17, датчик β 22, гидропривод перекоса рабочего органа 24, элемент, формирующий альтернативную плоскость 27, контроллер 28.

На фиг. 3 изображен один из возможных вариантов расположения датчиков дополнительного периодического альтернативного измерения координаты Z_РО рабочего органа автогрейдера (вид спереди), здесь приняты следующие обозначения: базовая система координат О_Б Z_Б Х_Б Y_Б дорожного полотна, рабочий орган автогрейдера 2, спутниковая навигационная система 4, гидропривод подъема-опускания рабочего органа 13, блок датчиков альтернативного измерения Z_РО 17 альтернативного периодического измерения координаты Z_РО, опора 25, струна 26, элемент, формирующий альтернативную плоскость 27.

На фиг. 4 изображен один из возможных вариантов расположения датчиков дополнительного периодического альтернативного измерения координаты Z_РО рабочего органа автогрейдера (вид сверху), здесь приняты следующие обозначения: базовая система координат О_Б Z_Б Х_Б Y_Б дорожного полотна, рабочий орган автогрейдера 2, спутниковая навигационная система 4, ходовое устройство 6, рулевое устройство 9, блок датчиков альтернативного измерения Z_РО 17 альтернативного периодического измерения координаты Z_РО, опора 25, струна 26, элемент, формирующий альтернативную плоскость 27.

Примем для компактности описания следующие оси базовой системы координат: ось, направленную на восток обозначим буквой X; ось, направленную на север обозначим буквой Y; ось, направленную вертикально вверх обозначим буквой Z. Угол перекоса рабочего органа обозначим буквой β. Индексы букв X, Y, Z, β обозначают функциональное назначение сигналов либо перемещений по осуществляемым соответствующим осям или углу.

Устройство для профилирования дорожного полотна состоит из автогрейдера, оснащенного ходовым устройством 6, рулевым устройством 9 и гидроприводом подъема-опускания рабочего органа 13 и гидроприводом перекоса рабочего органа 24, комплектом датчиков спутниковой навигационной системы 4, которая измеряет положение средней точки режущей кромки рабочего органа Х_РО, Y_РО, Z_РО в базовой системе координат О_б Х_б Y_б Z_б и формирует сигналы обратной связи Х_ОС.С, Y_ОС.С, Z_ОС.С, используемые в системах управления. Корме того на автогрейдере установлен датчик β 22 измерения угла поперечного перекоса рабочего органа β_РО. Задатчик положения рабочего органа 1 с четырьмя выходными координатами Х_РО.З, Y_РО.З, Z_РО.З, β_РО.З, значения которых определяются цифровым проектом дорожного полотна, создаваемого в базовой системе координат О_б Х_б Y_б Z_б, и принятой схемой движения автогрейдера. Для управления автогрейдером имеются четыре устройства сравнения, четыре регулятора для управления ходовым устройством 6, рулевым устройством 9 и гидроприводом подъема-опускания рабочего органа 13 и гидроприводом перекоса рабочего органа 24. Автогрейдер дополнительно снабжен блоком датчиков альтернативного периодического измерения координаты Z_РО - блоком датчиков альтернативного измерения Z_РО 17, который формирует сигнал Z_РО.A. Формирование этого сигнала происходит за счет того, что вдоль рабочей площадки установлены опоры 25 между которыми натянуты струны 26 на которых, в свою очередь, закреплены элементы, формирующие альтернативную плоскость 27. На автогрейдере имеется пятое устройство сравнения 15 для определения разностного сигнала обратной связи по оси, направленной вертикально вверх Z₁ = Z_РО.С - Z_РО.А, шестое устройство сравнения 14 для определения разностного сигнала системы управления по оси, направленной вертикально вверх Z_О = Z_РО.З - Z_РО.С, задатчик ΔZ₁ 19 и задатчик ΔZ_О 18 - задатчики для задания допустимого значения разностного сигнала обратной связи по оси, направленной вертикально вверх ΔZ₁ и допустимого значения разностного сигнала системы управления по оси, направленной вертикально вверх ΔZ_О. Эти сигналы поступают в блок вычисления сигнала обобщенной обратной связи Z₃ (блок вычисления Z₃ 16) по уравнениям

Затем сигнал Z₃ подается через динамический фильтр 20 в арифметическое устройство 11 для определения сигнала обратной связи Z_ОС = Z_РО.С - Z_К. Причем первый выход задатчика положения рабочего органа 1 соединен с прямым входом первого устройства сравнения 3, выход которого посредством первого регулятора 5 соединен с входом ходового устройства 6 автогрейдера, выход спутниковой навигационной системы 4 по сигналу положения средней точки режущей кромки по оси, направленной на восток Х_РО.С, полученной с помощью спутниковой навигационной системы 4 соединен с инверсным выходом первого устройства сравнения 3, второй выход задатчика положения рабочего органа 1 соединен с прямым входом второго устройства сравнения 7, выход которого посредством второго регулятора 8 соединен с входом рулевого устройства 9 автогрейдера, выход спутниковой навигационной системы 4 по сигналу положения средней точки режущей кромки по оси, направленной на север Y_РО.С, полученной с помощью спутниковой навигационной системы соединен с инверсным входом второго устройства сравнения 7, третий выход задатчика положения рабочего органа 1 соединен с прямым входом шестого устройства сравнения 21 и с прямым входом третьего устройства сравнения 10, выход третьего устройства сравнения 10 соединен посредством третьего регулятора 12 с входом гидропривода подъема-опускания рабочего органа 13, выход спутниковой навигационной системы 4 по сигналу положения средней точки режущей кромки по оси, направленной вертикально вверх Z_РО.С, полученной с помощью спутниковой навигационной системы соединен с прямым входом пятого устройства сравнения 15, с инверсным входом шестого устройства сравнения 21, с входом арифметического устройства 11, выход арифметического устройства 11 соединен с инверсным входом третьего устройства сравнения 10, четвертый выход задатчика положения рабочего органа 1 соединен с прямым входом четвертого устройства сравнения 14, выход которого посредством четвертого регулятора 23 соединен с входом гидропривода перекоса рабочего органа 24, выход датчика β 22 угла перекоса рабочего органа соединен с инверсным входом четвертого устройства сравнения 14, выход блока датчиков альтернативного измерения Z_РО 17 соединен с инверсным входом пятого устройства сравнения 15, выход шестого устройства сравнения 21 соединен с первым входом блока вычисления Z₃ 16, выход задатчик ΔZ₁ 19 соединен с вторым входом блока вычисления Z₃ 16 связи, выход пятого устройства сравнения 15 соединен с третьим входом блока вычисления Z₃ 16, вход задатчика ΔZ_О 18 соединен с четвертым входом блока вычисления Z₃ 16, выход блока вычисления Z₃ 16 соединен посредством динамического фильтра 20 с вторым входом арифметического устройства 11.

Работа автогрейдера происходит следующим образом.

В соответствии с технологическим заданием профилирования дороги автогрейдером с требуемыми значениями точности геометрических параметров по координатам X, Y и Z, заданных проектом дорожного полотна и принятой схемой движения автогрейдера, формируется с помощью блока задатчика положения рабочего органа 1 вектор задающих сигналов многомерной системы управления положением Х_РО, Y_РО, Z_РО средней точки режущей кромки и углом β_РО рабочего органа автогрейдера 2 при его движении. Значениями элемента вектора задаются требуемые величины координаторе, Y_РО, Z_РО, Z_РО положения средней точки режущей кромки и угла β_РО поперечного перекоса рабочего органа в базовой системе координат O_БZ_БX_БY_Б при профилировании дорожного полотна. Далее требуемое значение координаты Х_РО.З в первом устройстве сравнения 3 сравнивается с сигналом обратной связи X_РО.С спутниковой навигационной системы 4, приемник которой закреплен на автогрейдере, затем вычисленное значение ΔХ_РО = Х_РО.З - Х_РО.С поступает на первый регулятор 5 координаты Х_Ро, с которого сигнал подается на ходовое устройство 6 автогрейдера, в результате чего обеспечивается автоматическое управление положением средней точки режущей кромки рабочего органа по координате Х_РО. Требуемое значение координаты Y_РО.З, сформированное в блоке задатчика 1, сравнивается во втором устройстве сравнения 7 с сигналом обратной связи Y_РО.С спутниковой навигационной системы 4, приемник которой закреплен на автогрейдере, затем вычисленное значение ΔY_РО = Y_РО.З - Y_РО.С поступает на второй регулятор 8 координаты Y_РО, с которого сигнал подается на рулевое устройство 9 автогрейдера. В результате чего обеспечивается автоматическое управление положением средней точки режущей кромки рабочего органа по координате Y_РО.

Требуемое значение координаты Z_РО.З, сформированное в блоке задатчика положения рабочего органа 1, сравнивается в третьем устройстве сравнения 10 сигналом Z_ОС, вычисленным в арифметическом устройстве 11, далее вычисленное значение ΔZ_РО = Z_РО.З - Z_РО.С поступает на третий регулятор 12 координаты Z_РО, с которого сигнал подается на гидропривод подъема-опускания рабочего органа 13 автогрейдера, в результате чего обеспечивается автоматическое управление положением Z_РО средней точки режущей кромки.

Сигнал Z_РО.С о положении рабочего органа, измеряемый спутниковой навигационной системой 4, приемник которой закреплен на автогрейдере, подается на первый вход арифметического устройства 11, на инверсный вход четвертого устройства сравнения 14 и на прямой вход пятого устройство сравнения 15. На прямой вход четвертого устройства сравнения подается требуемое значение координаты Z_РО.З, сформированное в задатчике положения рабочего органа 1, затем вычисленный в этом устройстве сравнения сигнал Z_О = Z_РО.З - Z_РО.С подается на первый вход блока вычисления 16. На инверсный вход пятого устройства сравнения 15 подается сигнал Z_РО.А с выхода блока датчиков альтернативного измерения Z_РО 17 положения рабочего органа. Далее сигнал Z₁ с выхода пятого устройство сравнения 15 подается на второй вход блока вычисления Z_З 16, на третий вход этого блока вычисления Z_З поступает сигнал с задатчика ΔZ_О 18, а на четвертый вход блока вычисления Z₃ 16 подается сигнал с задатчика ΔZ₁ 19. Выходной сигнал Z₃ блока вычисления Z₃ 16 вычисляется по формулам: далее сигнал Z_З подается на вход динамического фильтра 20, где формируется сигнал Z_К, поступающий далее на второй вход арифметического устройства 11.

Требуемое значение угла β_РО.З поперечного перекоса рабочего органа, сформированное в блоке задатчика положения рабочего органа 1, сравнивается в шестом устройстве сравнения 21 с сигналом обратной связи β_РО.С, измеряемым датчик β 22. Далее сигнал Δβ_РО = β_РО.З - β_РО.С, вычисленный в этом устройстве сравнения, поступает на вход четвертого регулятора 23, с которого сигнал подается на вход гидропривода перекоса рабочего органа 24, в результате чего обеспечивается автоматическое управление поперечного перекоса рабочего органа по углу β_РО.

При осуществлении изобретения блок задатчика положения рабочего органа 1, третье устройство сравнения 10, четвертое устройство сравнения 14, пятое устройство сравнения 15, шестое устройство сравнения 21, арифметическое устройство 11, задатчик ΔZ_О 18, задатчик ΔZ₁ 19, блок вычисления Z₃ 16, динамический фильтр 20, третий регулятор 12, четвертый регулятор 23 могут быть реализованы, например, на универсальном программируемом контроллере SIMATIC S7-300 /Simatic. Комплекты для комплексной автоматизации. Каталог ST70-2105. Каталог продукции SIEMENS, СПБ:, 2005/.В качестве спутниковой навигационной системы может быть использована, например, система TOPSON 3D ГНСС /Система TOPSON 3D ГНСС для автогрейдеров www.gsi.ru/art.php?id=600.

Первый регулятора 5 и второй регулятора 8 может заменить, например, машинист автогрейдера, который, наблюдая на мониторе программируемого контроллера, например, SIMATIC S7-300, значения ΔХ_РО и ΔY_РО, формирует воздействия на ходовое и рулевое устройства автогрейдера с помощью, например, джойстика.

В качестве блока датчиков альтернативного измерения Z_РО 17 может быть применен, например, ультразвуковой датчик, расположенный на автогрейдере в точке, координату Z_РО которой измеряют спутниковая навигационная система, и несколько элементов, формирующих альтернативную плоскость 27, каждый из которых закреплен выше автогрейдера на струнах 26 опор 25, расположенных вдоль трассы рабочей зоны автогрейдера. Опоры 25 закреплены в реперных точках строящегося дорожного полотна. Точность измерения координаты Z_РО ультразвуковым датчиком, например, ультразвуковой дальномер типа: SKILL 0520 или КРАТОН ДУ-01 / Промышленные ультразвуковые дальномеры https://market.yandex.ru (дата обращения: 21.03.2018г.). / составляет ±3 мм при диапазоне измерения 0.6-15 м, что существенно превышает точность измерения по координате Z спутниковой навигационной системы, поэтому сигнал Z_РО.А с выхода блока датчиков альтернативного измерения Z_РО 17 используется для формирования корректирующего сигнала Z_К, используемого в цепи обратной связи системы автоматического управления положения рабочего органа по координате Z_РО.

В качестве динамического фильтра 20, необходимость которого обусловлена исключением скачкообразного изменения сигнала Z_К и тем самым предотвращением резкого изменения положения рабочего органа по координате Z_РО, используется, например, апериодическое звено. Использования сигналов ΔZ_О и ΔZ₁, формируемых задатчиком ΔZ_О 18 и задатчиком ΔZ₁ 19, в блоке вычисления Z₃ 16 вычисления Z_З необходимо для исключения ложного срабатывания процесса формирования сигнала Z_К.

При профилировании дороги автогрейдером, оснащенным спутниковой навигационной системой, имеет место существенная нестационарность значений выходных сигналов этой системы, измеряющей координаты Х_РО, Y_РО, Z_РО средней точки режущей кромки рабочего органа. Наиболее существенно это проявляется по координате Z_РО, где погрешность измерения составляет 20-50 мм. Этот фактор не позволяет обеспечить профилирование дороги с требуемой точностью геометрических параметров. Путем применения многомерной системы автоматического управления профилирования дороги автогрейдером, оснащенным спутниковой навигационной системой, блоком датчиков альтернативного периодического измерения координаты Z_РО рабочего органа, блока вычисления сигнала Z_К и динамического фильтра, с помощью которых выполняется коррекция сигнала обратной связи в системе управления положением рабочего органа по координате Z_РО становится возможным обеспечить требуемые показатели точности геометрических параметров дорожного полотна при минимальном расходе энергоресурсов.

Заявленное устройство позволяет автоматически обеспечить требуемое значение точности геометрических параметров дорожного полотна в процессе его профилирования при нестационарности значения координаты Z_РО.С, измеряемой спутниковой навигационной системой. Поскольку точность измерения этой координаты комплектом датчиков спутниковой навигационной системы соответствует 20-30 мм и может достигать, как показали экспериментальные исследования, выполненные с участием авторов настоящей заявки на изобретение, 40-50 мм, что делает невозможным получение дорожного полотна с минимальными отклонениями от проекта, составляющими 2-3 мм.

С применением заявленного устройства стабилизируется процесс профилирования дороги, в результате чего повышается ее качество.