CN109235204A - 基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统、摊铺机及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统、摊铺机及方法，包括雷达主机及雷达探头，所述雷达主机设有多个用于连接雷达探头的通道，所述雷达探头也有多个，所述雷达主机连接摊铺机控制系统，所述摊铺机控制系统连接摊铺机熨平装置，所述人机显示界面连接摊铺机控制系统。工作时，多个雷达探头对摊铺后的路面进行扫描探测，得到多点路面沥青的实际厚度，雷达主机将路面的实际厚度传输至摊铺机控制系统，摊铺机控制系统对比路面实际厚度与摊铺机控制系统预设的路面厚度，然后调节摊铺机熨平装置的高度。本发明的多个雷达探头能够全方位的实现高精度测量摊铺厚度，可以得到摊铺后的横切面的结构数据。纳秒或亚纳秒级电磁波能够提升近距离的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及摊铺机技术领域，具体涉及基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统、摊铺机及方法。
背景技术
摊铺机是用来将配置好的混合料(包括沥青混凝土和基层稳定土)通过熨平板装置均匀的摊铺在已平整好的路基或基层上的专用设备。在摊铺过程中，首先由料车将混合料倒入摊铺机料斗装置，再通过输料分料机构将摊铺材料分布到熨平板位置，再将其横向的铺散在路面上，同时进行初步的压实和夯实。形成一条有一定宽度厚度和形状的铺层。
以往摊铺机的摊铺厚度由摊铺机操作机手去控制，路面设计单位会设计出每一层的铺设材料的厚度及差值允许范围。操作机手通过经验根据摊铺材料特点、摊铺速度来调整熨平板的俯仰角来控制摊铺的厚度。在铺设过程中实时的用特殊器具插入摊铺后的路面，测量摊铺厚度，进行俯仰角的控制调节摊铺厚度。在这个过程中，因为测量手段的不精确不连续，为了保证摊铺的厚度达到公路工艺设计的要求，往往操作人员会控制在厚度的上限。这样保证了摊铺的质量，但是降低了材料的利用率，在大范围施工的情况下会造成施工成本的极大浪费。
另一方面对于施工质量的监控，以往是第三方监理单位通过离散点抽取钻孔检测的方式进行质量检测。对于厚度这一指标，偏差值按照规范进行测量每标段或一定的面积测量一个点。这种测量方式属于抽检的方式，不具备充分评估摊铺质量的条件，实现不了连续的测量，会遗漏掉过程中存在问题的摊铺段。并且钻孔的检测方式是有损的检测方式，检测完成后还需要回填进行修补。
综上，摊铺机行业目前隐含巨大的对摊铺厚度进行精确测量的一种技术需求，因此设计一种可通过智能化技术实现厚度控制的闭环控制，降低人的操作和经验对摊铺质量影响的摊铺厚度监测控制系统及方法对于道路建设工程具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统、摊铺机及方法法，解决了现有技术中摊铺机摊铺厚度的控制自动化程度不高、材料利用率低、道路质检麻烦的技术问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，其特征在于：包括雷达主机及雷达探头，所述雷达主机设有多个用于连接雷达探头的通道，所述雷达探头也有多个，所述雷达主机连接摊铺机控制系统，所述摊铺机控制系统连接摊铺机熨平装置，所述人机显示界面连接摊铺机控制系统。
作为本发明的一种优化方案，前述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，所述雷达探头包括转接电路、接收机及发射机，所述接收机、发射机分别设有接收天线、发射天线，雷达探头的接收机、发射机均通过转接电路连接串联转接模块，所有串联转接模块均连接雷达主机。
作为本发明的一种优化方案，前述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，所述转接电路通过控制电缆连接串联转接模块，所述控制电缆包括两路直流供电通路、两路高频模拟信号通路、一路低频模拟信号通路及三路数字差分信号通路，各通路均设有电磁兼容屏蔽层，所述控制电缆的外表面还设有金属编制屏蔽网。
作为本发明的一种优化方案，前述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，还包括高精度定位系统，所述高精度定位系统连接摊铺机控制系统及雷达主机。
作为本发明的一种优化方案，前述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，所述雷达探头连接于摊铺机熨平装置的熨平板。
一种摊铺机，其特征在于：包括前述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统。
基于雷达技术的摊铺厚度监测方法，其特征在于：
多个雷达探头对摊铺后的路面进行扫描探测，得到厚度数据信息，然后经雷达主机处理，得到多点路面沥青的实际厚度，雷达主机将路面的实际厚度传输至摊铺机控制系统，摊铺机控制系统对比路面实际厚度与摊铺机控制系统预设的路面厚度，然后调节摊铺机熨平装置的高度。
作为本发明的一种优化方案，前述的基于雷达技术的摊铺厚度监测方法，雷达探头经发射天线向摊铺后的路面发射电磁波，电磁波经路面反射之后被同一雷达探头的接收天线接收，发射天线发射的电磁波是频率大于100k的纳秒或亚纳秒级电磁波。
作为本发明的一种优化方案，前述的基于雷达技术的摊铺厚度监测方法：高精度定位系统将摊铺机的位置数据实时反馈至摊铺机控制系统，摊铺机控制系统将雷达主机实测的摊铺厚度数据与高精度定位系统的定位信息存储至摊铺机控制系统的系统存储区。
作为本发明的一种优化方案，前述的基于雷达技术的摊铺厚度监测方法：路面沥青实际厚度的计算方法是根据扫描信号的时延、波形及频谱特性变化解译出目标深度、介质结构及性质然后得到路面沥青的实际厚度。
本发明所达到的有益效果：
1.多个雷达探头能够全方位的实现高精度测量摊铺厚度，相对于单个雷达，多个雷达测量能够实现路面多点测量，提升采样密度，降低误差，可以得到摊铺后的横切面的结构数据。经过实验，测量精度可达正负2毫米，操作人员可以直观的通过人机显示界面监控摊铺厚度数据。
2.实现连续测量，可将施工全程的摊铺厚度数据进行测量并存储，同时高精度定位系统将摊铺机的位置数据实时反馈至摊铺机控制系统，摊铺机控制系统将雷达主机实测的摊铺厚度数据与高精度定位系统的定位信息存储至摊铺机控制系统的系统存储区。以此作为摊铺质量的重要数据基础。
3.实现无损厚度测量，减少了施工完成后繁琐的监理工作，并且无需后续填补修复取芯测量。
4.实现厚度的自动控制，在施工环节精确控制摊铺精度，降低施工人员劳动强度。同时可以避免严重的施工不合格造成的返工。同时可以控制施工成本。
附图说明
图1是本发明的系统构成图；
图2是本发明雷达主机与雷达探头连接关系图；
图3是本发明雷达探头结构原理图；
图4是本发明摊铺机熨平装置调节原理图一；
图5是本发明摊铺机熨平装置调节原理图二；
图6是本发明雷达探头回波示意图；
图7是本发明人机显示界面对雷达探头回波的显示图样；
附图标记的含义：1-熨平装置；2-悬挂缸；3-牵引臂；4-牵引臂牵引点；5-调平缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至图3所示：本实施例公开了基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，包括雷达主机、雷达探头及人机显示界面，雷达主机设有多个通道，雷达主机包括逻辑控制单元、数据采集单元、时序控制单元、通信单元、主控计算机模块、触摸显示屏和电源转换单元。
雷达主机主要有以下功能：
1.整个雷达主机的时序控制；
2.多个通道信号数据实时采集；
3.雷达信号硬件滤波、放大；
4.雷达信号数据实时传输；
5.为雷达探头供电。
雷达探头包括转接电路、微分高斯脉冲源、接收机及发射机，接收机与发射机均分别设有接收天线、发射天线；也就是说每个雷达探头都设置一个接收机与发射机，每个接收机也都设有接收天线，每个发射机也都设有发射天线。
雷达探头可以有多个，本实施例优选有四个，相应的，雷达主机的通道数也是四个。雷达探头的接收机、发射机均通过转接电路连接串联转接模块，所有串联转接模块均连接雷达主机的逻辑控制单元；雷达主机连接摊铺机控制系统，摊铺机控制系统连接摊铺机熨平装置，用于通过控制调平缸5的伸缩实现熨平装置工作高度的调节。
雷达探头连接于摊铺机熨平装置的熨平板。天线射频前端整体置于天线箱体内，安装宜采用夹具方式，具备一定的防震措施，并需尽量减少金属结构的使用，以避免对雷达信号产生影响。
人机显示界面接摊铺机控制系统，与摊铺机控制器进行CAN通讯连，用于显示摊铺机的运行状态、摊铺路面的实时厚度等信息。
雷达探头的转接电路通过控制电缆连接串联转接模块，控制电缆包括两路直流供电通路、两路高频模拟信号通路、一路低频模拟信号通路及三路数字差分信号通路，各通路均设有电磁兼容屏蔽层，控制电缆的外表面还设有金属编制屏蔽网。外层还设有保护套，保护套材料使用环境温度适应性强、耐腐蚀、抗拉、阻燃，插头采用航空级防水连接器。电缆线径约15mm～20mm，插头直径约30mm～40mm。
本系统还包括高精度定位系统，高精度定位系统连接摊铺机控制系统及雷达主机，高精度定位系统采用差分定位技术，可以是北斗或GPRS，能够实时精确地记录摊铺机的位置信息，并将该位置信息存储于摊铺机控制系统的系统存储区。
本实施还公开了一种摊铺机，设有本实施例记载的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统。
本实施例还公开了基于雷达技术的摊铺厚度监测方法，具体过程是：
所有雷达探头的发射天线对摊铺后的路面发射电磁波，经发射之后被同一雷达探头的接收天线所接收，通过雷达主机高灵敏度接收器接收反射回波信号，并依据时延、波形及频谱特性变化，解译出目标深度、介质结构及性质等重要信息；继而得到路面沥青的实际厚度，雷达主机将路面的实际厚度传输至摊铺机控制系统，摊铺机控制系统对比路面实际厚度与摊铺机控制系统预设的路面厚度，然后调节摊铺机熨平装置的高度。
结合图4及图5，摊铺机控制系统对于熨平装置高度的调节主要通过调节调平缸5的伸缩，熨平装置主要通过悬挂缸2及调平缸5连接摊铺机的主体部分，当调平缸5缩短时，摊铺仰角A变小，反之则过大，A增加时，摊铺路面的厚度降低，A减小时，摊铺路面的厚度增加，由于雷达探头不断检测摊铺路面的厚度，当铺设的路面厚度大于系统预设厚度时，则增加摊铺仰角A，反之，减小摊铺仰角A，实现了对于摊铺路面厚度的闭环控制。
本实施例的发射天线发射的电磁波是频率大于100k的纳秒或亚纳秒级电磁波。
雷达探测技术是根据地下媒质的特性确定所设计的探测深度以及选择其所用天线的工作频率。电磁波在地下介质中的传播，频率越高，衰减越大；在频率一定的情况下，湿度越大的介质中的损耗也越大。为了研究路面雷达的探测深度，我们采用修正后的传统频域雷达方程来衡量探地雷达的探测深度性能，修正后的频域雷达方程为：
式中：Prmin—雷达最小可检测信号功率(W)
Ptmax—雷达最大发射功率(W)
GTx、GRx—分别为雷达发射天线增益和接收天线增益(dB)
ηTx、ηRx—分别为发射天线效率和接收天线效率
α—衰减系数(dB/m)
λm—媒质中脉冲电磁波中心频率波长(m)
σb—目标的散射截面积(m2)
dmax—探地雷达所能探测的最大深度(m)
同时，由电磁理论可知，电磁波在地下介质传播时的波长λm为：
式中，c—电磁波在真空中的传播速度(300mm/ns)
fc—脉冲信号的中心频率(Hz)
εr、μr—分别为地下介质的相对介电常数和磁导率
由式(1)、(2)可知，探地雷达(本实施例的雷达探头)天线的中心频率越高，地下介质的相对介电常数和磁导率越大，探地雷达所能探测的最大深度越浅。同时，受地下目标特性的不确定性影响，很多实际工作中需要大数据积累，才能够精确定量的计算地下目标的确切深度；若在均匀介质中，如冰层、水体、公路沥青面层等近似均匀介质中，可通过对介质进行波速标定，获得高精度深度数据。由于摊铺机铺设的沥青混凝土是固定的，因此可以对沥青混凝土采用波速标定的方法，提升测量精度；另一方面，由于新铺设的沥青比较薄，因此本实施例采用的电磁波是频率大于100k的纳秒或亚纳秒级电磁波。在牺牲测量深度的情况下，提升近距离(深度较浅)的测量精度。
多个雷达探头能够全方位的实现高精度测量摊铺厚度，相对于单个雷达，多个雷达测量能够实现路面多点测量，提升采样密度，以便得到摊铺后的横切面的结构数据。经过实验，测量精度可达正负2毫米，操作人员可以直观的通过人机显示界面监控摊铺厚度数据。
此外，高精度定位系统将摊铺机的位置数据实时反馈至摊铺机控制系统，摊铺机控制系统将雷达主机实测的摊铺厚度数据与高精度定位系统的定位信息存储至摊铺机控制系统的系统存储区。也就是说：摊铺厚度数据与高精度定位系统的定位信息是绑定存储于系统存储区。这样的好处就是，在摊铺过程中，将路面的精确位置信息与新铺路面的厚度绑定于一体，查找路面的位置信息时，能够获取该处的沥青厚度。
如图7所示：在摊铺过程中，人机显示界面根据定位信息解析出摊铺前进的距离信息，显示出以横坐标摊铺距离为参考的连续厚度数据信息。用两种图形信息展示。第一种用色块来展示连续厚度数据，较为直观的判断整个摊铺过程的质量。第二种用曲线图来展示用于判断趋势及观察摊铺的稳定性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，其特征在于：包括雷达主机及雷达探头，所述雷达主机设有多个用于连接雷达探头的通道，所述雷达探头也有多个，所述雷达主机连接摊铺机控制系统，所述摊铺机控制系统连接摊铺机熨平装置，所述人机显示界面连接摊铺机控制系统。
2.根据权利要求1所述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，其特征在于：所述雷达探头包括转接电路、接收机及发射机，所述接收机、发射机分别设有接收天线、发射天线，雷达探头的接收机、发射机均通过转接电路连接串联转接模块，所有串联转接模块均连接雷达主机。
3.根据权利要求2所述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，其特征在于：所述转接电路通过控制电缆连接串联转接模块，所述控制电缆包括两路直流供电通路、两路高频模拟信号通路、一路低频模拟信号通路及三路数字差分信号通路，各通路均设有电磁兼容屏蔽层，所述控制电缆的外表面还设有金属编制屏蔽网。
4.根据权利要求1所述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，其特征在于：还包括高精度定位系统，所述高精度定位系统连接摊铺机控制系统及雷达主机。
5.根据权利要求1所述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统，其特征在于：所述雷达探头连接于摊铺机熨平装置的熨平板。
6.一种摊铺机，其特征在于：包括权利要求1至权利要求5任意一项所述的基于雷达技术的摊铺厚度监测控制系统。
7.基于雷达技术的摊铺厚度监测方法，其特征在于：
多个雷达探头对摊铺后的路面进行扫描探测，得到厚度数据信息，然后经雷达主机处理，得到多点路面沥青的实际厚度，雷达主机将路面的实际厚度传输至摊铺机控制系统，摊铺机控制系统对比路面实际厚度与摊铺机控制系统预设的路面厚度，然后调节摊铺机熨平装置的高度。
8.根据权利要求7所述的基于雷达技术的摊铺厚度监测方法，其特征在于：雷达探头经发射天线向摊铺后的路面发射电磁波，电磁波经路面反射之后被同一雷达探头的接收天线接收，发射天线发射的电磁波是频率大于100k的纳秒或亚纳秒级电磁波。
9.根据权利要求7所述的基于雷达技术的摊铺厚度监测方法，其特征在于：高精度定位系统将摊铺机的位置数据实时反馈至摊铺机控制系统，摊铺机控制系统将雷达主机实测的摊铺厚度数据与高精度定位系统的定位信息存储至摊铺机控制系统的系统存储区。
10.根据权利要求7所述的基于雷达技术的摊铺厚度监测方法，其特征在于：路面沥青实际厚度的计算方法是根据扫描信号的时延、波形及频谱特性变化解译出目标深度、介质结构及性质然后得到路面沥青的实际厚度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190118 |