專利名稱：浮動熨平板攤鋪機智能gps高程和平均厚度控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種浮動熨平板攤鋪機攤鋪高程和平均攤鋪厚度的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)使用測量型GPS接收機、速度傳感器、位移傳感器、縱坡儀、非接觸式測距儀、工業(yè)計算機等設備以及計算機軟件配合攤鋪機的液壓找平控制系統(tǒng)實現(xiàn)全自動路面高程和平均攤鋪厚度的控制。只要事先在系統(tǒng)計算機控制程序中輸入好設計數(shù)據(jù)，無需再使用水準儀測量原路面高程，無需架設高程基準線作為攤鋪機縱坡儀的參考面，攤鋪機兩側無需找平操作手。本發(fā)明中所指的浮動熨平板攤鋪機是指浙青砼攤鋪機或攤鋪其它筑路材料的攤鋪機，以下涉及攤鋪材料類型時一律僅以浙青砼為例。現(xiàn)有的浮動熨平板攤鋪機有“戴納派克F300CS浙青攤鋪機”、“德瑪格DF145CS浙青攤鋪機”、“酒井PT310浙青砼攤鋪機”、“華通動力札1125多功能攤鋪機”、“沃爾沃ABG7520履帶式攤鋪機”、“徐工RP951A多功能浙青砼攤鋪機”等。本發(fā)明中的工業(yè)計算機是指具備中央處理器、主板、內存、電源、顯卡、輸入輸出設備、存儲器、運算和邏輯部件以及控制器組成并能適應工業(yè)環(huán)境的設備。
背景技術：
浮動熨平板攤鋪機的長履帶行進機構和浮動熨平板都可以對原路面的不平整情況進行一定程度的過濾，使攤鋪出來的新路面比原路面更平滑，浮動熨平板攤鋪機還要借助高程電子控制系統(tǒng)或厚度電子控制系統(tǒng)對攤鋪機的找平油缸進行升降控制，使新路面的高程和厚度符合設計圖紙要求?，F(xiàn)有的浮動熨平板攤鋪機攤鋪高程電子控制系統(tǒng)主要采用以下兩種方法。一、使用縱坡儀沿高程基準線移動，縱坡儀的滑桿與高程基準線相接觸。使用縱坡儀找平的過程是這樣的，測量員測量攤鋪前的原路面點高程并與設計高程比較，計算出各個點位的理論攤鋪厚度，一般縱向道路里程間隔10米橫向道路寬度內間隔一個攤鋪機熨平板寬度測量一個原路面點，點與點之間用豎樁架設細鋼絲繩或導桿供縱坡儀在上面滑行，也可以利用道路上與道路縱斷面曲線一致的附屬構筑物作為基準高程的參考面，如路緣石、擋墻等，這樣攤鋪機攤鋪出來的新路面縱斷面線形狀將和基準高程線保持一致。上述路面高程控制方法存在如下缺陷1、需要人工測量計算原路面高程和新路面高程；2、需要人工架設攤鋪高程基準線或基準面；3、路面高程的控制是以點代面，不能全面反映原路面高程對攤鋪機高程的影響；4、如果是用鋼絲繩架設高程，鋼絲繩必然會有一定的下垂撓度造成基準高程不準確；5、豎曲線路段以折線形式代替曲線，攤鋪出來的路面不平滑且與設計意圖不符。二、攤鋪機3DTPS (全站儀)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)普及面不廣。該系統(tǒng)可以預先把工程設計數(shù)據(jù)輸入機載電腦，全站儀自動跟蹤并精確測定安裝在攤鋪機上棱鏡的三維位置，將數(shù)值無線傳輸?shù)綑C載計算機內，結合其它傳感器傳出的數(shù)據(jù)，對攤鋪機的位置和方向進行不間斷的刷新調整。然后，機載計算機對設計位置和實際位置進行不斷的比較，相應調整熨平板的高度和坡度。這種方法的缺陷是，現(xiàn)場至少需要兩臺全站儀交替使用才能實現(xiàn)連續(xù)攤鋪；全站儀與攤鋪機必須通視；需要專業(yè)技術人員現(xiàn)場監(jiān)控；不能實現(xiàn)按平均厚度攤鋪?，F(xiàn)有的浮動熨平板攤鋪機平均攤鋪厚度控制系統(tǒng)主要是“平衡梁系統(tǒng)”?，F(xiàn)在最常用的“平衡梁系統(tǒng)”是非接觸式平衡梁，這種平衡梁使用2個以上的測距儀連續(xù)測量儀器到原路面的高度，同時使用1個以上的測距儀連續(xù)測量儀器到新攤鋪路面的高度，平衡梁處理器單元計算出所有到原路面的高度測量值的加權平均值和所有到新攤鋪路面的高度測量值的加權平均值，并計算出這兩個加權平均值的差值，平衡梁處理器單元根據(jù)這個差值向攤鋪機找平信號處理單元發(fā)送控制指令。平衡梁找平的結果就是使攤鋪機按照一定的平均厚度攤鋪路面，在一定的長度范圍內將路面的突出或下陷部分對路面高程的影響濾除掉，使攤鋪好的道路比較平順、平均攤鋪厚度可以控制。非接觸式平衡梁由于安裝使用簡便，已經(jīng)逐漸取代了接觸式平衡梁。使用平衡梁只能在原路面高程誤差較小的情況下使用。 現(xiàn)有非接觸式平衡梁系統(tǒng)存在的技術缺陷是，受測距儀數(shù)量的限制，參加路面高度加權平均值計算的點的數(shù)量是有限的，不能全面反映原路面不平整情況，當路面高程變化波長與測距儀間距相同時還會發(fā)生控制錯誤。接觸式平衡梁體積龐大，結構復雜，維護麻煩，控制精度受車輪數(shù)量和平衡梁長度影響。圖2是浮動熨平板攤鋪機縱坡儀方法控制攤鋪高程的示意圖。攤鋪機的提升油缸 4在攤鋪行走時隨著熨平板6的浮動而自由升降，不主動對熨平板施加力的作用，熨平板牽引大梁滑塊1隨著找平油缸的升降而上下自由滑動，找平油缸2受攤鋪機電路系統(tǒng)控制。圖 2的控制過程是這樣的，首先測量員在原路面11上水準測量一系列間距為5米或10米的點的高程，根據(jù)這些原路面點的實測高程、新路面設計高程和松鋪系數(shù)計算得到與這些點對應的浙青砼設計松鋪厚度，按設計松鋪厚度的高度9在原路面上架設鋼絲繩基準線。縱坡儀3的滑桿在鋼絲基準線上滑行，當攤鋪機熨平板重力與松鋪浙青砼的支撐力動態(tài)平衡時，熨平板行走高度也會較穩(wěn)定，縱坡儀暫時處于信號零點位置。人工檢查實際攤鋪浙青砼路面8與設計松鋪厚度的高度9是否在同一平面上，如果新鋪浙青砼路面8偏低則調節(jié)縱坡儀上方的升降螺旋4使縱坡儀的位置相對于熨平板的位置下降，縱坡儀內部的角度傳感器測量到縱坡儀與基準線的相對位置發(fā)生了變化，這時攤鋪機根據(jù)縱坡儀信號判斷需要提升找平油缸直至縱坡儀回到信號零點位置，相當于縱坡儀與鋼絲基準線始終趨向于保持固定距離；反之如果新鋪浙青砼路面8偏高則調節(jié)縱坡儀上方的升降螺旋使縱坡儀的位置上升，這時攤鋪機根據(jù)縱坡儀信號判斷需要下降找平油缸直至縱坡儀回到信號零點位置， 經(jīng)過對升降螺旋4的反復調節(jié)，新鋪浙青砼路面8將趨向于與設計松鋪高度9處于同一平面上。如果浙青砼的攤鋪厚度、浙青砼溫度、攤鋪速度、攤鋪機夯錘振幅與頻率、浙青砼級配等不發(fā)生大的變化，攤鋪機正常行走時不需要人工反復調節(jié)手動螺旋4，當原路面11 與鋼絲基準線的相對距離發(fā)生變化時，攤鋪機與基準線的相對位置也將發(fā)生變化，縱坡儀3 與鋼絲基準線的相對距離也將發(fā)生變化，攤鋪機通過不斷調節(jié)找平油缸牽引點高度使縱坡儀回到零點位置，此時熨平板仰角隨著找平油缸發(fā)生的變化也將回到新的松鋪浙青砼支撐力與熨平板重力的平衡點，熨平板底板的高度也將因為找平油缸牽引點的上下浮動而保持與鋼絲基準線保持在同一平面上。圖2的工作過程有兩個關鍵點，一是通過縱坡儀的自動調節(jié)作用使縱坡儀與基準線保持固定高差，從而使新鋪路面與基準線在同一平面上，二是當新鋪浙青砼即熨平板底板與基準線不在同一平面且縱坡儀仍處于零點位置時，人工調節(jié)縱坡儀高度使熨平板底板浮動至與基準線在同一平面位置。在編制本發(fā)明系統(tǒng)計算機控制程序時還要涉及道路施工設計圖紙關于路面空間位置的表示方法。道路設計圖紙定義道路路面空間位置通過如下幾種圖示1、道路平面圖， 有起點端線、終點端線、中心線、邊線等組成，一般通過定義中心線的平面形狀定義道路的走向，中心線由多條首尾相連接的直線段和曲線段組成；2、道路縱斷面圖，定義了道路中心線在垂直方向上的線形變化規(guī)律，縱斷面圖也由多條首尾相連接的直線段和曲線段組成； 3、橫斷面圖，定義道路路面在不同里程位置的截面形式，能反映距中心線不同距離點路面高程與中心點高程的高差。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是
1、浮動熨平板攤鋪機攤鋪前無需人工測量原路面高程，攤鋪時無需人工檢查新攤鋪路面與基準線是否一致，無需人工調節(jié)縱坡儀高度，從而消除人工測量誤差、高程點架設誤差、基準線下?lián)隙日`差和人工檢查調節(jié)縱坡儀高度的行為誤差。2、采用移動平均法計算平均攤鋪厚度，厚度控制連續(xù)均勻。3、實時記錄實際攤鋪厚度。4、對原地面高程和新鋪路面高程實現(xiàn)連續(xù)實時測量，不再是以點代線。5、不同攤鋪高程控制設備和平均厚度控制設備通過硬件開關或計算機程序參數(shù)選項實現(xiàn)轉換使用，無需停機，無需更換數(shù)據(jù)線。為了解決上述問題，本發(fā)明采用三種工作模式，分別是縱坡儀模式、平衡梁模式和 GPS模式，三種模式可以任意切換。本發(fā)明在GPS模式下，只要GPS接收機能接收到4顆以上合適位置的導航衛(wèi)星信號，浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制系統(tǒng)可以準確測量原路面和新攤鋪路面的高程。如

圖1所示，根據(jù)移動站GPS接收機6所測的三維坐標、測距儀1和10所測量的垂直高度數(shù)據(jù)、傾角儀5的所測量的水平角度數(shù)據(jù)，圖3中所示的工業(yè)計算機可以計算出垂線A對應的原路面點三維坐標和垂線E對應的新鋪路面點三維坐標，工業(yè)計算機根據(jù)這兩處坐標數(shù)據(jù)和道路設計數(shù)據(jù)便有了控制攤鋪機熨平板的行走高度的依據(jù)。在GPS接收機采樣頻率為15HZ，攤鋪機行走速度為3m/min的情況下，攤鋪機每行進3. 3毫米本發(fā)明系統(tǒng)就測量計算1次原路面和新攤鋪路面的高程，而人工測量通常是每IOm測量一個高程數(shù)據(jù)， 而且新鋪路面高程不能實時測量并用于攤鋪控制。本發(fā)明系統(tǒng)可以自動測量原路面高程和新攤鋪路面高程并實時與設計高程相比較，自動調整攤鋪機的工作狀態(tài)使新攤鋪路面高程達到設計要求。如圖3所示，如果僅使用工業(yè)計算機、速度傳感器、位移傳感器和各個測距儀則構成本發(fā)明的平衡梁模式，工業(yè)計算機根據(jù)速度傳感器可以分析出攤鋪機所處的里程位置， 這樣工業(yè)計算機就可以對連續(xù)記錄的測距儀數(shù)據(jù)按等間距里程進行篩選，剔除重復數(shù)據(jù)和特異數(shù)據(jù)，比如每Icm道路里程保留一組測距儀的測量數(shù)據(jù)。平衡梁模式半幅使用4個測距儀，在測距儀采樣頻率為50KHZ，攤鋪機行走速度為3m/min的情況下，每1微米里程本發(fā)明系統(tǒng)可以測量記錄2個原路面點和2個新攤鋪路面點的測距儀垂直高度數(shù)據(jù)。每個點的攤鋪厚度都是由約6 10米范圍內上百萬個測距儀高度數(shù)據(jù)的平均值決定的。這種精度是人工測量無法達到的。本發(fā)明在GPS模式下可以根據(jù)原路面高程和新鋪路面高程計算出新鋪路面厚度。 在本發(fā)明任意模式下，包括GPS模式，如圖1所示，工業(yè)計算機根據(jù)圖位號10、11的測距儀數(shù)據(jù)可以計算出測距儀7到實際攤鋪路面線14延長線的距離，測距儀7所測高度減去這個距離就是預測的實際攤鋪厚度。一般新鋪好的浙青路面用3米直尺測量平整度都在2毫米以內，因此這種預測厚度與實際厚度間的誤差也在2mm以內，總體平均厚度誤差更小?，F(xiàn)有平衡梁設備在攤鋪機起步階段是需要關閉的，一般先使用縱坡儀將路面高程控制平順后再轉換為使用平衡梁設備，縱坡儀模式轉換為平衡梁模式時需要暫停攤鋪機， 拔掉縱坡儀數(shù)據(jù)傳輸線，然后換上平衡梁的數(shù)據(jù)傳輸線再繼續(xù)攤鋪。如圖3所示，本發(fā)明中所有的儀器數(shù)據(jù)傳輸線均連接至集線盒，所有儀器數(shù)據(jù)傳送到集線盒的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，工業(yè)計算機再從集線盒中讀取數(shù)據(jù)。縱坡儀模式、平衡梁模式和GPS模式之間的轉換通過計算機參數(shù)程序來實現(xiàn)，無需停機，無需更換數(shù)據(jù)傳輸線。在本發(fā)明的GPS模式下，系統(tǒng)計算機控制程序需要讀取設計圖紙數(shù)據(jù)，將設計圖紙數(shù)據(jù)轉換為計算機可識別的代碼也是本發(fā)明內容的一部分。本發(fā)明將設計圖紙中的平面圖、縱斷面圖和橫斷面圖視為若干個邊界曲面(有封閉邊界的空間曲面)數(shù)學模型，每一個邊界曲面視為若干個平面四邊形、三角形和線段組成，平面四邊形、三角形和線段等對象可以被少數(shù)幾個有三維坐標的空間點固定，每個空間點的三維坐標由三個浮點數(shù)組成，浮點數(shù)可以直接被計算機高級編程語言識別計算。在計算機編程時，平面四邊形、三角形和線段被統(tǒng)一定義成平面四邊形數(shù)據(jù)對象，三角形和線段被看作是平面四邊形的特例。在C++編程語言中可以按下述方法定義三維點坐標結構和平面四邊形類。
權利要求
1.一種浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制系統(tǒng)，其特征在于，由GPS移動站接收機、GPS參考站接收機、無線通訊設備、工業(yè)計算機、測距儀、位移傳感器、速度傳感器、傾角儀、縱坡儀、集線盒、手動控制盒和固定裝置等組成。
2.如權利要求1所述的浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制系統(tǒng)，其特征在于，計算機根據(jù)參考站GPS接收機和移動站GPS接收機的數(shù)據(jù)通過RTK技術解算出移動站GPS接收機的正確三維坐標，或者移動站GPS接收機根據(jù)接收到的參考站GPS接收機的數(shù)據(jù)通過自帶的軟硬件利用RTK技術解算出正確的自身三維坐標并將此坐標實時傳送給工業(yè)計算機。
3.如權利要求1所述的浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制系統(tǒng)，其特征在于，熨平板前面的兩個測距儀測量儀器本身到攤鋪前的原地面垂直距離，熨平板后面的兩個測距儀測量儀器本身到新攤鋪路面的垂直距離；傾角儀測量安裝GPS移動站接收機接收機、測距距儀的縱向支撐梁與水平面的相對角度；速度傳感器測量攤鋪機的行走速度； 位移傳感器測量攤鋪機找平油缸的垂直伸縮距離，GPS移動站接收機、測距儀、位移傳感器、 速度傳感器、傾角儀、縱坡儀、手動控制盒數(shù)據(jù)首先傳送到集線盒，再由集線盒將數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)計算機。
4.一種浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制方法，其特征在于，是一個計算機軟件流程，由主進程、GPS模式進程、平衡梁模式進程和縱坡儀模式進程組成。
5.如權利要求4所述的浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制方法，其特征在于，主進程接收所有經(jīng)過集線盒傳送的移動站GPS接收機、參考站GPS接收機、測距儀、 速度傳感器、位移傳感器、傾角儀、縱坡儀的測量數(shù)據(jù)并進行篩選換算和誤差修正，然后將這些數(shù)據(jù)按照縱向等間距道路里程順序存儲在計算機內存中并在內存數(shù)據(jù)滅失前將其存入磁盤文件，主進程在選擇進入其中一種模式進程前對GPS模式進程中軟件流程路徑控制參數(shù)賦值為1，主進程如選擇進入GPS模式進程，主進程判斷是否有足夠數(shù)量的GPS坐標數(shù)據(jù)，如果有則進入GPS模式進程，如果沒有則設定平均控制厚度為當前實測攤鋪厚度，然后程序進入平衡梁模式進程，按平衡梁模式控制攤鋪厚度；三種工作模式每個工作循環(huán)結束后從流程出口再次進入主進程中“模式選擇”節(jié)點。
6.如權利要求4所述的浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制方法，其特征在于，在GPS模式進程中，程序根據(jù)移動站GPS接收機本身的空間三維坐標數(shù)據(jù)、傾角儀的水平傾角數(shù)據(jù)和測距儀的距離數(shù)據(jù)計算出原地面高程和新攤鋪且尚未碾壓的新鋪路面高程，計算機根據(jù)原地面高程數(shù)據(jù)和設計高程數(shù)據(jù)計算出理論攤鋪厚度，進而計算出理論松鋪厚度，進而確定原地面各個點的理論松鋪高程；GPS模式進程有兩個控制過程分別在滿足各自條件時運行，一是程序連續(xù)比較熨平板與找平油缸之間縱向支撐梁上某個設定點A 與A點所對應地面點的設計松鋪高程點間的距離是否保持為設定值H，當發(fā)現(xiàn)結果為“否” 時就指令攤鋪機升降找平油缸，使結果變?yōu)椤笆恰保绦蛲ㄟ^指令攤鋪機升降找平油缸控制找平油缸牽引點高度，從而控制與熨平板牽引大臂連為一體的縱向支撐梁的傾角，從而控制點A的高度，從而控制A與點A對應的原路面點的設計松鋪高程點保持固定高差H，從而控制浮動慰平板的行走高程與設計松鋪高程保持一致的變化規(guī)律；二是計算機比較新攤鋪且尚未碾壓的路面高程與設計松鋪高程的差值，如高差超過允許范圍，則在計算機程序中調整設定值H的數(shù)值，攤鋪機必須重新較正找平油缸牽弓I點的位置，從而使點A與點A對應的原路面點的設計松鋪高程點保持住新的固定高差H，從而控制熨平板底板高程與設計松鋪高程相同。
7.如權利要求4所述的浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制方法，其特征在于，在平衡梁模式下，計算機接收所有安裝在與熨平板牽引大臂連為一體的縱向支撐梁上的傾角儀、測距儀的測量數(shù)據(jù)，和安裝于其它位置的攤鋪速度傳感器、找平油缸位移傳感器的測量數(shù)據(jù)，以及手動控制盒的操作數(shù)據(jù)，為了控制熨平板與找平油缸之間縱向支撐梁上某點A對應的地面點的攤鋪高程，計算機計算出A點前后各相等距離的里程范圍內的所有置于攤鋪機熨平板前端的測距儀在此里程范圍內的測量數(shù)據(jù)的平均值b ；計算機根據(jù)置于攤鋪機熨平板后面的兩個測距儀的測量數(shù)據(jù)和各測距儀之間的距離計算出A點到新鋪路面延伸面的垂直距離h，(b-h)就是A點的控制厚度，如果(b-h)大于程序設定厚度，則下降攤鋪機找平油缸，如果(b-h)小于設定厚度，則上升攤鋪機找平油缸。
8.如權利要求4所述的浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制方法，其特征在于，在縱坡儀模式下，計算機根據(jù)縱坡儀信號向攤鋪機信號處理單元發(fā)送找平油缸的升降或停止升降指令。
9.如權利要求4所述的浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制方法，其特征在，計算機根據(jù)置于攤鋪機熨平板后面的兩個測距儀所測量數(shù)據(jù)和各測距儀之間的距離， 計算出距攤鋪機熨平板較近的置于熨平板前端的測距儀m到新鋪路面延伸面的垂直距離 h2，測距儀m測量的到原地面距離為hl，則(hl-h2)就是測距儀m對應新鋪路面點的預測實際松鋪厚度，可以估計為實際松鋪厚度。
10.一種道路設計圖數(shù)據(jù)轉化為計算機程序代碼的方法，其特征在于，將設計圖紙中平面圖、縱斷面圖和橫斷面圖數(shù)據(jù)轉化為若干個邊界曲面數(shù)學模型，再將若干個邊界曲面進一步細分為更多數(shù)量的平面四邊形、三角形和線段，三角形和線段被看作是平面四邊形的特例，平面四邊形對象由四個三維坐標點定義，三維坐標點由三個浮點數(shù)定義，浮點數(shù)為計算機編程語言可以直接定義的數(shù)據(jù)類型，每一個平面四邊形對象對應一個開始里程樁號和結束里程樁號。
全文摘要
一種浮動熨平板攤鋪機智能GPS高程和平均厚度控制系統(tǒng)，由工業(yè)計算機、測量型GPS接收機、測距儀、傾角儀、位移傳感器、速度傳感器、縱坡儀等設備組成。在GPS模式下只要事先輸入好設計數(shù)據(jù)，無需使用水準儀測量原地面高程，無需架設高程基準線，攤鋪機兩側無需找平操作手，可以準確記錄原地面和新攤鋪路面的高程；平衡梁模式可以達到每毫米里程都有測量數(shù)據(jù)參與平均厚度計算，可以準確記錄攤鋪厚度；縱坡儀模式在傳統(tǒng)控制方法的基礎上可以準確記錄實際攤鋪厚度；另外，三種工作模式可以快速轉換，克服了原平衡梁模式起步階段的缺點，保證GPS信號不正常時也可以繼續(xù)攤鋪，在路況設計復雜的情況下可以靈活轉換。
文檔編號E01C19/12GK102174792SQ20111006841
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權日2011年3月22日
發(fā)明者萇安 申請人:萇安