CN1161513C - 确定路面外形轮廓的装置 - Google Patents

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Abstract

一种相对于地面实际轮廓确定该地面所需外形轮廓的装置，至少包括测量装置，该测量装置沿着地面的确定距离产生该地面的许多点相对于一个被确定参考点的实际高度值和位置值，其中，所述测量装置包括：激光源(17)，其适合于产生距地面的确定距离上移动的激光束(18)；传感器装置，该装置用于检测反射的激光束；时间测量装置，该装置用于确定所述激光束的传输时间；以及处理装置，该装置用于根据来自所述激光源(17)、传感器装置和时间测量装置的信号产生地面上的许多点相对于所述测量点的高度和位置实际值。

Description

确定路面外形轮廓的装置
本发明涉及一种相对于地面的实际外形轮廓来确定地面如路面所需外形轮廓的装置，该装置至少包括沿地面一确定距离产生该地面许多点相对于确定参考点的实际高度和位置值的测量装置。
确定路面外形轮廓的这种装置对于形成一个新的顶层来说(例如铺设沥青和沥青混凝土)是已知的，其中所使用的是所谓的多脚滑板。多脚滑板包括许多平板或脚，其中两只脚在各种情况下均可枢轴转动地安装在一个细长的第一臂上，利用一个第二细长臂在中间一点枢轴转动地连接与第一细长臂成对的另一个第一细长臂上，该另一个第一臂的下面两只脚也是枢轴转动地安装。利用一个细长的第三臂，在中间一点所述第二细长臂枢轴转动地和另一个第二臂连接，其中，所有臂沿相同方向延伸。在摊铺沥青操作中，一个多脚滑板由一沥青摊铺机拖动，该滑板横靠在该机器旁搁在一条路面上，邻接所述路面这部分的地面要铺沥青。相对于沥青摊铺机上一个测量点，多脚滑板第一臂的中间高度通过在该第一臂下面的相应脚的平均高度来确定。相对于沥青摊铺机上的所述测量点，多脚滑板第二臂的中间高度通过在该第二臂下面的相应第一臂中间的平均高度来确定。相对于沥青摊铺机上的所述测量点，多脚滑板第三臂的中间高度通过在该第三臂下面的相应第二臂中间的平均高度来确定。位于所述沥青摊铺机测量点上的是一个高度传感器，例如是超声波发射器/接收器的组合，该传感器测量所述第三臂的中间高度并由此测量多脚滑板所有脚的平均高度。以这种方式，获得沿路面长度方向前进的平均值作为该路面的高度，其中例如由于路面的损坏而造成的高度上的突然转变就取其平均值。将该平均值输入表面修整横梁的一个控制电路，所述横梁沿新铺设的沥青层上面被拖动，以便使得所述沥青层具有所需的厚度，其中路面下层中断造成的影响由于取平均而被减少。
美国专利US-A-4065856披露了一种光学系统的参考数据，在路面上进行的作业操作可与该数据有关。这种光学系统包括光学装置，它限定一个光学三角形，其平面向下倾斜到所述路面平面。所述光学三角形面的倾斜度被调节，以便该三角形的一个角被设置在如由所述路面的反射图象确定的所述路面水平面上。所述光学系统包括光源，例如激光源，以及接收器，二者都由枢轴转动地安装在路面维护机器上(在这种情况下是常用的轨道提升和砂石振捣机器)的工作台携带。所述工作台机械连接，以与轨道提升装置一起纵向移动。通过转动工作台，所发射的光束反射到铁路轨道地面上，并且扫过该地面，直到所述反射光束正好落在探测器的中间。在这种情况，所述提升装置在其所需高度履行其职能，之后，机器向前移动并且重复所述操作。
按照这一现有技术，使得所述铁轨变得水平的参考点位于机器前的一个固定距离上。这样对地面轮廓的调节由于相应的因素而减少。
然而实际上发现多脚滑板的脚在摊铺沥青过程中与新铺设的粘层接触并且由其污染，这会导致不好的作用效果，且在任何场合都需要额外的保养。
本发明的目的是提供一种外形轮廓测量装置，其克服上述的这些缺点。
这一目的和其它优点是由前面叙述的本发明的装置实现的，该测量装置包括：一个激光源，传感器装置，时间测量装置和处理装置，所述激光源放置在路面上方的一个测量点处，并且适合于产生在距地面测定的距离上移动的激光束，所述传感器装置用于检测由地面反射到测量点的激光束，所述时间测量装置用于确定在所述激光源和传感器装置之间的所述激光束的传输时间，所述处理装置用于利用来自激光源、传感器装置和时间测量装置的信号产生该地面上的许多点相对于该测量点的实际位置和高度值，并由这些实际值计算出所述地面所需外形轮廓上许多点的高度和位置值。
所述激光源产生例如扫描确定的角度范围的脉冲激光束，该激光束撞击地面，并且由所述传感器反射和检测，其中传输时间直接与光源和所述地面点之间的距离成正比。在地面上该点(测量点)相对于所述激光源的位置可由激光束被传输的角度和所确定的距离精确确定。
利用本发明的外形轮廓测量装置，能够以不接触的方式测量地面的外形轮廓，并且确定该路面每一点的所需高度，这一高度是由该点和地面上该点附近的许多点的实际高度来确定的，其中处理装置纠正这些点的实际高度的不连续值。
利用本发明的测量装置能够根据地面上相对大范围的大量连续点的实际高度来确定所需的轮廓，而利用已知的多脚测量装置确定点平均高度的点的数量取决于滑板下方的脚的数量，此外滑板的总长度限定了测量范围。
在本发明的外形轮廓测量装置中，如果实际值超过预定的临界值，处理装置最好适合于用一个替代值取代点高度的实际值。
利用这一优选实施例，在摊铺机的宽度范围内能够确定铺沥青的路面的外形轮廓，这是由于有关路面实际轮廓的不正确信息被识别并且被删除，这种不正确信息例如可能是由扫描激光束在沥青摊铺机组件上的反射引起的。
在优选实施例中，处理装置适合于分别计算地面所需轮廓上每一点的高度值和这些点的位置。有可能相对于对应的实际点计算所需轮廓上许多不连续点的每一点高度(这与利用多脚滑板确定外形轮廓不同)，使得在考虑实际短距离轮廓相对于长距离测量的平均轮廓变化的情况下，能够获得所需的外形轮廓。特别地能够在路面的实际凹陷轮廓部分上设计一种所需的凸起轮廓部分。在实际位置，这种凹陷的轮廓部分是由于地面在该位置的下陷引起的。在摊铺沥青时，这种地面的下陷通过按照所设计的凸起轮廓堆积沥青层而得到考虑，之后，通过压辊作用对沥青进行所谓的压实。
在又一个实施例中，本发明的外形轮廓测量装置包括存储装置，所述存储装置用于储存地面上的许多预定点的实际位置值和这些点的所需高度的预定值，所述处理装置适合于计算位于这些预定点之间的点的所需高度值，所述预定点与这些点的所需高度的预定值是一致的。
下面将结合附图根据本发明的实施例描述本发明。
在附图中：
图1表示现有技术的多脚滑板的简化透视图；
图2是带有沥青摊铺机的图1中多脚滑板的图解侧视图；
图3是图2的顶视图；
图4是按照本发明在路面上结合摊铺沥青的沥青摊铺机几部分在第一种应用场合的外形测量装置实施例的图解立体图；
图5表示图4所述装置的简化方框图；
图6表示由图4所述激光扫描器发射的一系列激光束的曲线图，该扫描器结合实际外形轮廓和若干采用所述测量装置确定的外形轮廓；
图7是按照本发明在路面上结合摊铺沥青的沥青摊铺机几部分在第二种应用场合的外形测量装置实施例的图解侧视图。
相应的元件在图中由相同的参考标记表示。
图1表示带有8只脚2的一个多脚滑板1，其中每种情况下两只脚枢轴地安装在第一臂3上。第一臂3相互结合以在中间一点利用第二臂4绕枢轴转动。两个最外部的第二臂4相互连接，以在中间一点利用第三臂5(或者线材连接)绕枢轴转动。固定到最外部的第二臂4上的是拖动臂6，利用该臂多脚滑板1可沿整个地面拖动。如果在选定坐标系中8只脚2的高度被相应地给定为Z1，Z2，...Z8，则容易理解第三臂5中间的高度(恒定不变的例外)大约为每个脚2的高度的平均值(Z1+Z2+...+Z8)1/8。多脚滑板的长度在实际场合被限定为约12m。
图2表示图1所示的多脚滑板1在确定路面7的外形轮廓时的应用，在所述路面上用沥青摊铺机8(图解示出)铺上沥青，图中示出在摊铺机上的履带拖拉机链轨9，固定在可绕枢轴转动的拉杆11上的表面修正横梁10，液压油缸12带有活塞杆13，所述活塞杆13连接到拉杆11和水平测量仪14上，该水平测量仪用于测量由沥青摊铺机8拖动的多脚滑板1的第三臂5的中间高度。在沥青摊铺机8中，沥青被存放在机器的整个宽度上(由箭头15表示)，正好在表面修正横梁10的前面，由此沥青被均匀地分布在下方的路面7上。在采用所示组合摊铺沥青操作中，脚2的平均高度采用水平测量仪(例如超声波追踪装置)14通过确定多脚滑板1的第3臂5的中间高度来确定。对应于第3臂中间高度的水平测量仪14的输出信号被输入到一个控制电路中(未示出)，其中水平测仪信号的变化导致控制信号被传送到液压油缸12的驱动系统中，以便活塞杆13产生一个相应的位移。结果，拉杆11和摊铺机8移动方向X之间的夹角α，与表面修正横梁10相对于路面7的高度相应地变化。
图3表示图2的顶部视图。
上面列出的现有技术中外形轮廓测量装置的缺点从图1-3中就能很快清楚。
图4是按照本发明在路面上结合摊铺沥青的沥青摊铺机几部分的外形测量装置的应用简化视图。所示的是沥青摊铺机(没有进一步示出)的表面修正横梁10，该横梁沿路面7上方移动，通过拉杆11、用于拉杆11的带有活塞杆13的液压油缸12和激光灯源17来铺沥青，所述激光灯源安装在表面修正横梁10的宽度范围内的支柱16上。激光灯源17是一种激光测量系统(例如市场有售的从生产商Sick买到的LMS200系统)，其发射脉冲红外线激光光束18，采用旋转镜以例如0.25°的角度差通过100°-180°的角度在整个路面7上反射所述激光束。安装到激光扫描器17上的传感器检测由路面7反射的这部分激光束18，扫描器17与路面上相应点(i)之间的距离可从运行时间计算出，由该距离和扫描角度可以计算出点i的相对距离X1和相对高度Zi。可以容易理解，例如在路面7上方2.5m高度，并且沿150度扫描角度(向后75度向前75度)的扫描器17可覆盖整个路面约18.6m的长度距离。
图5是处理由图4的激光测量系统17收集的数据的电路方框图。所述电路顺次包括激光扫描器17、中央处理器(CPU)19和控制电路20，该控制电路用来驱动液压油缸12。采用激光测量系统，在扫描激光束覆盖的路面上的大量点i的实际高度值Zi a在坐标系中作为实际位置Xi a的函数而确定，该函数与扫描器17和支柱16共同移动。CPU19中的值Zi c由所需的路面轮廓的实际值Zi a计算，其中，i’点的计算值由周围选定的数目点(n+m)的实际值来确定。在公式中：
Zi’ c＝Zi’ c(Zi a(Xi a))，其中i’-m＜i＜i’+n    (I)
利用CPU和本发明的轮廓测量装置，如果实际值超出预定的临界值时，能够用一个替代值取代一点的实际高度值。如果激光束从沥青摊铺机的组件上(例如在表面修正横梁10上)反射，则超出临界值。由于能够识别不正确测量值，在沥青摊铺机宽度范围内可以没有任何问题地采用所述激光扫描器，由此比较利用多脚滑板的情况能够获得摊铺沥青的路面外部轮廓更加逼真的图象。
由于可以选择计算这些值的算法，与采用多脚滑板确定外形轮廓的情形不同，在点i的计算高度内所需的轮廓不仅局限于一个轮廓，其中点i’的计算高度仅仅通过周围点的实际高度或替代高度来确定，但是所计算出的高度可被纠正，例如，在路面结构下陷位置必须通过铺设沥青来补偿的情况。被计算出的高度值在这种情况下增加一个预定的位置决定项。公式为：
Zi’ c＝Zi’ c(Zi a(Xi a))+ΔZi’ a(Xi’ a)，其中i’-m＜i＜i’+n    (II)
作为位置Xi函数的点i的高度的所需计算值Zi c被输入到控制电路20中，其中可产生控制信号来驱动油缸12。
图6表示由图4所述激光扫描器17发射的一系列激光束的曲线图，该扫描器结合实际外形轮廓21(……)，由激光扫描器17(.-.-.-)测量的轮廓22，并且给出路面实际轮廓的图象，所述路面由于修正横梁10的反射被干扰，实际轮廓23采用CPU19(---)纠正，所需轮廓24由CPU19(-)计算且作为控制电路20的输入信号。
图7是按照本发明在路面上结合摊铺沥青的沥青摊铺机几部分的外形轮廓测量装置在第二种应用场合的简化视图。从侧视图中看到的是沥青摊铺机(未进一步示出)的表面修整横梁10，其由拉杆11拉动在路面7上向前移动以摊铺沥青，和安装在立柱16上的激光扫描器17。对于路面来说，参考点Xj相对于实际高度Yj的所需提升量ΔYj是预定的，而位于两个参考点之间的路面的所需提升量通过连接提升后的该两点的光滑线25来确定。在现有技术中，实际是在表面修整横梁的控制电路中通过手工插入进行插补的。在CPU19的存储器中输入预定值ΔYj(Xj)，随后编程设计，在连续参考点Xj、Xj+1之间的所需点高度的插补可由所述CPU提供。如果激光扫描器的范围覆盖两个连续参考点Xj、Xj+1之间的距离，则一个参考点的实际高度hj+1相对于在前的参考点的高度hj在每一种情况下均可被确定，可适时将所计算出的值输入到沥青摊铺机表面修整横梁10的控制电路20中，因此，控制表面修整横梁过程中的人工插补就不需要了，从而沥青26沿着所需的外形轮廓25以完全自动化的方式堆积摊铺。
应当指出本发明的应用不局限于与沥青摊铺机的结合，所发明的外形轮廓确定装置同样可被应用到结合其它修路机器，如分级机和路面破坏机的场合，或者可被单独用于确定不靠近交通的路面横向轮廓，由于借助临界值能够限制测量信号，其中穿过交通的激光束的分裂反射不起作用。

Claims (4)

1.一种相对于地面实际轮廓(7，21)确定该地面所需外形轮廓(24，25)的装置(17，19，20)，包括测量装置，该测量装置距地面确定的距离产生地面上许多点相对于被确定的参考点的实际高度值和位置值，所述测量装置包括激光源(17)和传感器装置(17)，所述激光源可被放置在地面上方的测量点上，并且适合于产生距地面确定的距离上移动的激光束，所述传感器装置用于检测由地面反射到所述测量点的激光束，其特征在于，所述测量装置进一步包括：
时间测量装置，该装置用于确定在激光源和传感器之间的所述激光束的传输时间；以及
处理装置(19)，该装置用于根据来自所述激光源(17)、传感器装置(17)和时间测量装置的信号产生该地面上的许多点相对于所述测量点的高度和位置(Xj，Xj+1)实际值，并且用于由这些实际值来计算该路面的所需轮廓(25)上的许多点的所需高度值(hj，hj+1)和位置值，如果实际高度值超过预定的临界值时，所述的处理装置(19)适合于用一个替代值(23)取代点的该实际高度值(22)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的处理装置(19)适合于单独计算所述地面的所需轮廓上许多点中每一点的高度值和位置值。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述处理装置(19)包括存储装置，用来存储地面上许多预定点的实际位置值(Xj，Xj+1)和这些点所需高度(hj，hj+1)的预定值，并且所述处理装置(19)适合于计算位于与这些点所需高度的预定值一致的预定点(Xj，Xj+1)之间点的所需高度值。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述处理装置(19)适合于将计算出的所述地面的所需轮廓上许多点的高度和位置值输入到沥青摊铺机表面修整横梁(10)的控制电路中(20)。
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