CN113403910A - 一种基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3d摊铺系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统，包括有：摊铺机械，包括有熨平板，及安装于熨平板两侧的平衡梁；探测设备，包括有至少六台超声波探测器，且分别设置于摊铺机械的前中后端位置；定位设备，用于同步各超声波探测器探测值与探测器平面位置的关联关系，包括有GPS定位装置；控制端，通过各探测器当前位置信息同步匹配获取对应位置的设计面高程和上一结构层施工成果面高程，实现自适应动态变化计算虚铺控制参数，并基于虚铺控制参数发送指令驱动摊铺机械；该基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统自动化检测、精度高、动态连续检测。

Description

一种基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统及方法。

背景技术

现有的摊铺虚铺厚度检测技术方法，主要有2种：

1)打桩挂线

由检测人员在原地面使用钢钎插入至路基层，钢钎按照计算的虚铺位置做记号，然后在记号点之间利用钢丝绳拉，在使用接触式滑靴接触钢丝绳，摊铺机在行进过程中不停根据滑靴接触感应来调整虚铺厚度。

2)非接触式平衡梁

其找平原理：安装在水平梁的多个超声波或者激光传感器测试路基的不平整信号并上传给平衡梁控制器，控制器对这些数据处理后输出找平油缸控制指令，使摊铺机牵引点始终维持在给定的基准面上，通过内部CAN总线网络将传感器—超声波滑靴组合起来，进而检测路面的不同位置，再将检测的数据进行智能筛选与处理，最后将处理后的数据送给控制器，控制器根据数据判断当前摊铺机的工作状态，进而输出对摊铺机找平液压系统的控制信号，至此达到自动找平之目的。保证摊铺机摊铺出平整的路面。

现有技术弱点:

1)人工挂线速度慢、效率低、精度低；

2)非接触式平衡梁，只能执行设定值的等厚度摊铺，等同于上一层的复印；造成依赖上一结构层施工工序质量结果。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种自动化检测、精度高、动态连续检测的基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统，包括有：

摊铺机械，用于地面的摊铺，包括有熨平板，及安装于熨平板两侧的平衡梁；

探测设备，用于测量当前各个超声波探测器的离地高度，获取高度数据信息，并基于当前位置所得到的高度数据信息传输给控制端，包括有至少六台超声波探测器，且分别设置于摊铺机械的前中后端位置；

定位设备，用于同步各超声波探测器探测值与探测器平面位置的关联关系，包括有GPS定位装置；

控制端，通过各探测器当前位置信息同步匹配获取对应位置的设计面高程和上一结构层施工成果面高程，实现自适应动态变化计算虚铺控制参数，并基于虚铺控制参数发送指令驱动摊铺机械。

作为优选，所述的平衡梁设有两组，分别设置于熨平板的左右两侧。

进一步的，所述的超声波探测器设有六个，均分安装于两个平衡梁上。

作为优选，所述GPS定位装置为具有PPS时钟同步功能的单机双天线GPS定位器。

作为优选，所述超声波探测器设置于平衡梁的前中后位置，且其采集头为朝下设置。

本发明所要解决的另一技术问题为提供一种如上所述的检测方法，包括以下步骤：

1)在平衡梁上依次设置A、B、C三个超声波探测器，其中，C探测器的测距值是到已摊铺表面，A、B测距值是到未摊铺表面；

2)通过C点已摊铺的测距值和B点未摊铺的测距值，推算当前摊铺机大臂仰角，并对这种趋势做一个往前的推算；

3)根据A点的测距推算按这种趋势到C点厚度是否均匀，从而在B点做适当的调整；

4)对B点原地面的采集，并且通过B点原地面标高和B点的测距值这两个相加，得到大臂上B点的绝对标高，再根据车体几何参数推导到熨平板的当前标高Z；

5)将推导出来的熨平板标高Z和该点设计标高Z'做对比，基于比对结果驱动摊铺控制器以脉冲方波的形式驱动左右边控箱，最终驱动液压油缸实现自动找平摊铺；

作为优选，在步骤1)中，在平衡梁的前中后端依次设置A、B、C三点，所述的A、B、C三个超声波探测器分别对应设置在A、B、C三点上。

作为优选，在步骤3)中，根据A、B、C点的测距在B点对其当前的熨平板运动趋势做了一个平滑的修正，即在B点对其保持运动趋势应当摊铺出来的虚铺标高Z加了一个改正值ΔZ。

进一步的，所述改正值ΔZ是由控制器生成一个对应的方波驱动仰角液压油缸做出相应动作的结果，且该改正值ΔZ会在下层原地面平顺时趋近于零。

作为优选，在步骤5)中，当Z>Z’时，控制器就会给出一个让熨平板下降的运动趋势指令；当Z<Z，控制器就会给出一个让熨平板抬升的运动趋势指令。

本发明的有益效果是：

1)变接触式滑靴为非接触平衡量，

系统安装调试完成后，无需打桩挂线和导梁提供基准；摊铺全过程系统自动化控制虚铺厚度，无需人工干预；

2)精度高

超声波探测器一般安装离地距离在40至50厘米范围内，其距离探测精度达到毫米级；

3)动态连续，无间断24小时施工，不需要期间架设提供基准的基站

系统在摊铺全过程中自动化探测，探测频率为毫秒级。实时控制虚铺厚度形成连续的虚铺面，不同于国际现有的几家3D摊铺免挂线的解决方案，现场需要停工等待架设跟踪全站仪或扫平仪等提供高程基准的基站。需要专业测量团队全过程值守，本发明开机设置完成后可自行连续施工。

附图说明

图1为本发明的基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统的探测设备安装示意图；

图2为本发明的基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺方法的原理示意图；

图3为本发明的基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例

参阅图1-3所示，一种基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统，包括有：

摊铺机械，用于地面的摊铺，包括有熨平板，及安装于熨平板两侧的平衡梁；

探测设备，用于测量当前各个超声波探测器的离地高度，获取高度数据信息，并基于当前位置所得到的高度数据信息传输给控制端，包括有至少六台超声波探测器，且分别设置于摊铺机械的前中后端位置；

定位设备，用于同步各超声波探测器探测值与探测器平面位置的关联关系，包括有GPS定位装置；

控制端，通过各探测器当前位置信息同步匹配获取对应位置的设计面高程和上一结构层施工成果面高程，实现自适应动态变化计算虚铺控制参数，并基于虚铺控制参数发送指令驱动摊铺机械。

所述的平衡梁设有两组，分别设置于熨平板的左右两侧，所述的超声波探测器设有六个，均分安装于两个平衡梁上，所述GPS定位装置为具有PPS时钟同步功能的单机双天线GPS定位器，该GPS定位器为RTK高精度定位天线，所述超声波探测器设置于平衡梁的前中后位置，且其采集头为朝下设置。

一种基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺方法，包括以下步骤：

1)在平衡梁上依次设置A、B、C三个超声波探测器，其中，C探测器的测距值是到已摊铺表面，A、B测距值是到未摊铺表面；

2)通过C点已摊铺的测距值和B点未摊铺的测距值，推算当前摊铺机大臂仰角，并对这种趋势做一个往前的推算；

3)根据A点的测距推算按这种趋势到C点厚度是否均匀，从而在B点做适当的调整；

4)对B点原地面的采集，并且通过B点原地面标高和B点的测距值这两个相加，得到大臂上B点的绝对标高，再根据车体几何参数推导到熨平板的当前标高Z；

5)将推导出来的熨平板标高Z和该点设计标高Z'做对比，基于比对结果驱动摊铺控制器以脉冲方波的形式驱动左右边控箱，最终驱动液压油缸实现自动找平摊铺；

在步骤1)中，在平衡梁的前中后端依次设置A、B、C三点，所述的A、B、C三个超声波探测器分别对应设置在A、B、C三点上。

在步骤3)中，根据A、B、C点的测距在B点对其当前的熨平板运动趋势做了一个平滑的修正，即在B点对其保持运动趋势应当摊铺出来的虚铺标高Z加了一个改正值ΔZ。

所述改正值ΔZ是由控制器生成一个对应的方波驱动仰角液压油缸做出相应动作的结果，且该改正值ΔZ会在下层原地面平顺时趋近于零。

在步骤5)中，当Z>Z’时，控制器就会给出一个让熨平板下降的运动趋势指令；当Z<Z，控制器就会给出一个让熨平板抬升的运动趋势指令。

原理说明：

摊铺机械大臂上装设有横梁，安装A、B、C三个超声波探测器，A、C两个超声波探测器作用是与B探测器协同。利用摊铺控制器平衡梁通用算法对实际虚铺厚度进行多点平滑，C探测器的测距值是到已摊铺表面，A、B探测值是到未摊铺表面，平衡梁控制器里自带了一个平滑算法，即通过C点已摊铺的测距值和B点未摊铺的测距值，推算当前摊铺机大臂仰角；并对这种趋势做一个往前的推算，根据A点的测距推算按这种趋势到C点厚度是否均匀，从而在B点做适当的调整，以保证整体的厚度均匀和平顺性，这是平衡梁自带的黑匣算法，在此简单介绍一下；相当于会根据A、B、C点的测距在B点对其当前的熨平板运动趋势做了一个平滑的修正，即在B点对其保持运动趋势应当摊铺出来的虚铺标高Z加了一个改正值ΔZ；当然这个ΔZ是由控制器生成一个对应的方波驱动仰角液压油缸做出相应动作的结果。

我们在此基础上考虑了对B点原地面的采集，并且通过B点原地面标高和B点的测距值这两个相加，得到大臂上B点的绝对标高，再根据车体几何参数推导到熨平板的当前标高Z，即图2中线段L的绝对高程。

我们再将推导出来的熨平板标高Z和该点设计标高Z'做对比；此时形成一个闭环控制，当Z>Z’，控制器就会给出一个让熨平板下降的运动趋势；当Z<Z，控制器就会给出一个让熨平板抬升的运动趋势；从而驱动摊铺控制器以脉冲方波的形式驱动左右边控箱，最终驱动液压油缸实现自动找平摊铺。而前面提到的A、C两个探测器和B探测器同时又执行一个控制器自带的闭环算法，相当于给趋近于Z’的Z加了一个改正值ΔZ，由于找平是一个收敛逼近的过程，所以这个ΔZ会在下层原地面平顺时趋近于零。从而保证B点摊铺后标高趋近于设计值，同时又保证了前后的平顺性。

本发明的有益效果是：

1)变接触式滑靴为非接触平衡量，

系统安装调试完成后，无需打桩挂线和导梁提供基准；摊铺全过程系统自动化控制虚铺厚度，无需人工干预；

2)精度高

超声波探测器一般安装离地距离在40至50厘米范围内，其距离探测精度达到毫米级；

3)动态连续，无间断24小时施工，不需要期间架设提供基准的基站

系统在摊铺全过程中自动化探测，探测频率为毫秒级。实时控制虚铺厚度形成连续的虚铺面，不同于国际现有的几家3D摊铺免挂线的解决方案，现场需要停工等待架设跟踪全站仪或扫平仪等提供高程基准的基站。需要专业测量团队全过程值守，本发明开机设置完成后可自行连续施工。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统，其特征在于，包括有：

摊铺机械，用于地面的摊铺，包括有熨平板，及安装于熨平板两侧的平衡梁；

探测设备，用于测量当前各个超声波探测器的离地高度，获取高度数据信息，并基于当前位置所得到的高度数据信息传输给控制端，包括有至少六台超声波探测器，且分别设置于摊铺机械的前中后端位置；

定位设备，用于同步各超声波探测器探测值与探测器平面位置的关联关系，包括有GPS定位装置；

控制端，通过各探测器当前位置信息同步匹配获取对应位置的设计面高程和上一结构层施工成果面高程，实现自适应动态变化计算虚铺控制参数，并基于虚铺控制参数发送指令驱动摊铺机械。

2.如权利要求1所述的基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统，其特征在于：所述的平衡梁设有两组，分别设置于熨平板的左右两侧。

3.如权利要求2所述的基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统，其特征在于：所述的超声波探测器设有六个，均分安装于两个平衡梁上。

4.如权利要求1所述的基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统，其特征在于：所述GPS定位装置为具有PPS时钟同步功能的单机双天线GPS定位器。

5.如权利要求1所述的基于矩阵超声波探测自适应虚铺厚度的3D摊铺系统，其特征在于：所述超声波探测器设置于平衡梁的前中后位置，且其采集头为朝下设置。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在平衡梁上依次设置A、B、C三个超声波探测器，其中，C探测器的测距值是到已摊铺表面，A、B测距值是到未摊铺表面；

2)通过C点已摊铺的测距值和B点未摊铺的测距值，推算当前摊铺机大臂仰角，并对这种趋势做一个往前的推算；

3)根据A点的测距推算按这种趋势到C点厚度是否均匀，从而在B点做适当的调整；

4)对B点原地面的采集，并且通过B点原地面标高和B点的测距值这两个相加，得到大臂上B点的绝对标高，再根据车体几何参数推导到熨平板的当前标高Z；

5)将推导出来的熨平板标高Z和该点设计标高Z'做对比，基于比对结果驱动摊铺控制器以脉冲方波的形式驱动左右边控箱，最终驱动液压油缸实现自动找平摊铺。

7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，在步骤1)中，在平衡梁的前中后端依次设置A、B、C三点，所述的A、B、C三个超声波探测器分别对应设置在A、B、C三点上。

8.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，在步骤3)中，根据A、B、C点的测距在B点对其当前的熨平板运动趋势做了一个平滑的修正，即在B点对其保持运动趋势应当摊铺出来的虚铺标高Z加了一个改正值ΔZ。

9.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述改正值ΔZ是由控制器生成一个对应的方波驱动仰角液压油缸做出相应动作的结果，且该改正值ΔZ会在下层原地面平顺时趋近于零。

10.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，在步骤5)中，当Z>Z’时，控制器就会给出一个让熨平板下降的运动趋势指令；当Z<Z，控制器就会给出一个让熨平板抬升的运动趋势指令。

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