土木工程機械和用於控制土木工程機械的方法

2023-05-31 21:49:31

專利名稱：土木工程機械和用於控制土木工程機械的方法
技術領域：
本發明涉及自驅動土木工程機械，具體地涉及一種路面磨銑機械、鋪路機或滑模 鋪料機，以及一種控制自驅動土木工程機械尤其是路面磨銑機械、鋪路機或滑模鋪料機的 方法。
背景技術：
存在多種已知型式的自驅動土木工程機械。具體地，這些機械包括已知的滑模鋪 料機、鋪路機和路面磨銑機械。這些自驅動土木工程機械的特徵在於它們具有作業單元，所 述作業單元包括用於在地面上產生構造或用於對地面做出改變的作業裝置。在已知的滑模鋪料機中，作業單元包括用於模壓可流動材料尤其是混凝土的裝 置，該裝置下文被稱為混凝土模具。利用混凝土模具可以造出不同型式的構造，例如防撞護 欄或路溝。例如在EP 1103659B1中描述了滑模鋪料機。已知的鋪路機通常具有作為它們作業單元的刮板。刮板在鋪路機從攤鋪方向看處 於後部的那一端部布置成由下滑板支承在鋪設的路面覆蓋材料上並由此形成對材料的預 壓實。已知的路面磨銑機械的作業單元是磨銑裝置，其具有裝有磨銑工具的磨銑滾筒， 通過該磨銑滾筒在預定作業寬度上材料從地面上被銑掉。已知的自驅動土木工程機械還具有驅動單元和控制單元，驅動單元具有可以執行 平移和/或旋轉運動的驅動裝置，控制單元用於以土木工程機械在地面上執行平移和/或 旋轉運動的方式控制驅動單元。當自驅動土木工程機械得到自動控制時，產生的問題是在土木工程機械上的預設 基準點必須沿地面上的預設曲線精確移動，從而例如使預設形狀的構造能夠在地面上的準 確位置和準確定向上形成。控制滑模鋪料機的已知方法以使用沿所需曲線鋪設的導向金屬線或導向線為前 提，土木工程機械上的基準點沿所述線移動。通過採用導向金屬線或導向線可以有效形成 細長目標例如防撞隔離墩或路溝。然而，當要形成小尺寸的構造例如雪茄形交通島(通過 延伸一小段距離並具有嚴格半徑來區別)時，使用導向金屬線或導向線被發現存在缺陷。還已知通過採用全球衛星定位系統(GPQ控制自驅動土木工程機械。例如從US A 5，612，864中了解到具有GPS接收器的土木工程機械。缺陷在於採用主測量系統標定目標位置以控制土木工程機械因工程項目非常復 雜並且目標必須安裝在其中而導致需要很大的技術成本和很高的複雜性。尤其耗費成本和 複雜的是必須在測量系統中對多個基準點的位置實施定位。高成本和複雜性僅對較大目標 才合理。另一方面對於較小目標來說，成本和複雜性高的不成比例。安裝在複雜建築項目中的目標的另一缺陷在於實踐中，對於較小目標，經常必須 為固定點例如現有的水龍頭或現場的排水管留出餘量，這樣可能無法準確定位在它們在計 劃中的位置。如果項目數據與實際局部情況不相符，則項目數據必須離開現場在辦公室裡以相對較高的成本得到修改，並且隨後必須在現場再次讀取修改後的項目數據。

發明內容
因此本發明的目的是提供一種自驅動土木工程機械，尤其是路面磨銑機械、鋪路 機或滑模鋪料機，其在定位方面無需任何特別大的成本或複雜性就可以以高精度沿所需曲 線自動移動，所述曲線延伸相對較短行進距離並具有嚴格半徑。另一目的是限定一種使自 驅動土木工程機械在定位方面無需任何特別大的成本或複雜性就可以以高精度沿所需曲 線自動移動的方法，所述曲線延伸相對較短行進距離並具有嚴格半徑。根據本發明通過如下技術方案實現這些目的。依照本發明一方面的自驅動土木工程機械，具有底盤，布置在底盤上的作業單元， 其具有用於在地面上製成構造或用於使地面發生變化的作業裝置，驅動單元，其具有驅動 裝置以使土木工程機械可以在地面上完成平移和/或旋轉移動，以及用於以土木工程機械 在地面上執行平移和/或旋轉移動的方式控制驅動單元的控制單元，控制單元具有用於預 設待製造的構造或要發生變化的地面的給定幾何形狀的裝置，用於確定數據的裝置，所述 數據限定土木工程機械上的基準點相對於坐標系統的位置和/或定向，所述坐標系統獨立 於土木工程機械的位置和定向，用於確定限定所需曲線的數據的裝置，其被設計成使得限 定所需曲線的數據根據待製造的構造或要發生變化的地面的預設幾何形狀以及根據土木 工程機械上的基準點在獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統中的位置和定向得 到確定，所需曲線是土木工程機械上的基準點在獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標 系統中移動所沿的曲線，以及用於控制驅動單元的裝置，其以土木工程機械上的基準點沿 起始於預設起點的所需曲線移動的方式依據限定所需曲線的數據控制驅動單元，土木工程 機械在預設起點上處於地面上的預設位置和定向。依照本發明一方面的用於控制自驅動土木工程機械，包括以下步驟預設待製造 的構造或要發生變化的地面的給定幾何形狀，確定限定土木工程機械上的基準點相對於坐 標系統的位置的數據，所述坐標系統獨立於土木工程機械的位置和定向，基於待製造的構 造或要發生變化的地面的預設幾何形狀以及基於土木工程機械上的基準點在獨立於土木 工程機械的位置和定向的坐標系統中的位置和定向確定限定所需曲線的數據，所需曲線是 土木工程機械上的基準點在獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統中移動所沿的 曲線，以及以土木工程機械上的基準點沿起始於預設起點的所需曲線移動的方式依據限定 所需曲線的數據控制土木工程機械，土木工程機械在所述預設起點處於地面上的預設位置 和定向。依照本發明一方面的使用如上所述的自驅動土木工程機械在地面上製造構造或 使地面發生變化的方法包括，在地面上選定土木工程機械移動的起點並規定土木工程機械 在起點的定向，土木工程機械移動到選定的起點並在起點處對準在規定的定向上，確定土 木工程機械移動的所需曲線，以及土木工程機械沿所需曲線移動以在地面上製造構造和/ 或使地面發生變化。本發明的土木工程機械包括控制單元，其具有用於預設待製造的構造或要發生變 化的地面的給定幾何形狀的裝置。所述給定的幾何形狀例如可以是雪茄形的交通島。其可 以通過機械的操作人員輸入或選定。
本發明的自驅動土木工程機械還具有用於確定數據的裝置，所述數據限定土木工 程機械上的基準點相對於獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統的位置和/或定 向。獨立於與機械相關的坐標系統的坐標系統可以按照需要選定，因此無需在地面上繪製 多個基準點的位置。本發明的控制系統的操作基於土木工程機械移動到在地面上自由選擇的預設起 點。在該預設起點處，土木工程機械對準在預設定向上。因此規定了目標的位置和定向。從 而，目標一直最佳地布置在地面上，對任何可行的固定點留有適當餘量。起點可以例如位於 地面上已經存在的溝的拐角處，其位置無需與平面規劃完全一致。與此同時，土木工程機械的控制單元還具有用於確定限定所需曲線的數據的裝 置，所需曲線是土木工程機械上的基準點(R)在獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標 系統(X，Y，Z)中移動所沿的曲線。用於確定限定所需曲線的數據的裝置被設計成使得限定 所需曲線的數據基於待製造的構造或要發生變化的地面的預設幾何形狀以及基於土木工 程機械上的基準點(R)在獨立於土木工程機械的坐標系統(Χ，Υ，Ζ)中的位置和定向得到確 定。限定所需曲線的數據可以是由所需曲線覆蓋的距離和/或其曲率。該數據取決於 目標的形狀。在優選實施方式中，用於控制驅動單元的裝置被設計成驅動單元依據基準點在獨 立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統中的位置和定向得到控制，從而在由所需曲線 限定的土木工程機械的所需位置與其實際位置之間的距離和/或由所需曲線限定的所需 方向與實際方向之間的方向差最小。為此所需的控制算法是本領域技術人員眾所周知的。本發明尤其優選的實施方式設置成使用全球衛星定位系統(GPQ確定土木工程 機械上的基準點的位置和/或定向。因此獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統是 全球衛星定位系統的坐標系統，其相對於與機械相關的坐標系統的位置和定向隨著土木工 程機械在地面上的移動而穩定改變。土木工程機械具有用於解碼來自全球衛星定位系統的 GPS衛星信號以及修正來自基站的信號以確定土木工程機械的位置和定向的第一和第二 DGPS接收器(漫遊器)，第一和第二 DGPS接收器布置在土木工程機械上的不同位置。然而，還可以利用非衛星測量系統代替全球衛星定位系統確定基準點的位置和/ 或定向。控制單元唯一要完成的關鍵任務是接收限定基準點位置和定向的數據。在另一優選實施方式中，控制單元具有輸入單元，其具有用於對限定待製造的構 造或要發生變化的地面的幾何形狀的參數進行輸入的裝置(7Β)。所述參數可以是限定直線 長度和/或圓弧半徑的參數。在這種情況下假定目標可以被分解為直線和弧線。這一點例 如對於雪茄形交通島是可行的。然而，也可以通過所述參數限定其他幾何圖形。在另一優選實施方式中，控制單元具有輸入單元，其具有用於從多個幾何形狀中 選定一個幾何形狀的裝置，所述多個幾何形狀存儲在與輸入單元配合的存儲單元中。這一 方案的優點在於限定幾何形狀不必重新製成並且可以依賴於已經形成的數據集。可以例如 在作為目標的圓形和雪茄形之間做出選擇。尤其優選的實施方式提供用於修改預設幾何形狀的裝置。這一方案的優點在於可 以選擇例如雪茄形的形狀並可以隨後調節雪茄的尺寸以適應現場的實際需要。


下文參照附圖詳細說明本發明的實施方式。圖中圖1是滑模鋪料機的實施方式的側視圖，圖2是路面磨銑機械的實施方式的側視圖，圖3表示與土木工程機械相關的機械坐標系統以及僅被簡略示出的土木工程機 械，圖4表示獨立於土木工程機械的位置和定向的測量坐標系統以及圖3中示出的機 械坐標系統和土木工程機械，圖5表示雪茄形目標的曲率和方向的曲線圖，圖6是在被輸送到測量坐標系統之前，限定用於控制壓模土木工程機械的雪茄型 目標的幾何形狀圖，圖7是在已經被輸送到測量坐標系統之後，限定用於控制土木工程機械的雪茄形 目標的所需曲線圖，圖8表示由所需曲線限定的土木工程機械的所需位置與其實際位置之間的距離，圖9表示由所需曲線限定的土木工程機械的所需方向與其實際方向之間的方向差。
具體實施例方式圖1是作為自驅動土木工程機械實例的在EP 1103659B1中詳細描述的滑模鋪料 機的側視圖。由於滑模鋪料機同樣是現有技術的一部分，因此在此描述的所有內容都是對 本發明具有重要作用的土木工程機械的那些部件。滑模鋪料機1具有由行走機構3承載的底盤2。行走機構3具有緊固在前提升柱 5A和後提升柱5B上的兩個前履帶行走機構單元4A和兩個後履帶行走機構單元4B。滑模 鋪料機的作業方向(行進方向)由箭頭A指示。履帶行走機構單元4A，4B和提升柱5A，5B是滑模鋪料機的驅動單元的一部分，該 驅動單元具有驅動裝置以使土木工程機械可以在地面上執行平移和/或旋轉運動。通過升 高和降低提升柱5A，5B,機械的底盤2可以相對於地面移動以調節其高度和傾斜度。土木工 程機械可以通過履帶行走機構單元4A，4B向後和向前移動。土木工程機械由此在平移方向 具有三個自由度並在旋轉方向上具有三個自由度。滑模鋪料機1具有僅被簡略示出用於模壓混凝土的裝置6，下文被稱為混凝土壓 模。混凝土壓模是作業單元的一部分，所述作業單元具有用於在地面上生產預設形狀的構 造10的作業裝置。圖2是作為自驅動土木工程機械另一實例的路面磨銑機械的側視圖。同樣，路面 磨銑機械1也具有由行走機構3承載的底盤2。行走機構3具有緊固在前提升柱5A和後提 升柱5B上的兩個前履帶行走機構單元4A和兩個後履帶行走機構單元4B。路面磨銑機械具 有作業單元，其帶有作業裝置以使地面發生變化。作業單元是磨銑裝置6，其具有裝有磨銑 工具的磨銑滾筒6A。圖3表示處於機械相關笛卡爾坐標系統(x，y，z)中的自驅動土木工程機械。土木工程機械可以是滑模鋪料機、路面磨銑機械或其他任何具有適當作業的土木工程機械。本 實施方式是具有混凝土壓模6的滑模鋪料機1。滑模鋪料機1和混凝土壓模6僅被簡略示 出。其具有帶履帶行走機構單元4A，4B的底盤2和混凝土壓模6。機械坐標系統的原點是滑模鋪料機1上的基準點R，作為基準點R布設的是混凝 土壓模6在行進方向內側和後部的那一邊緣。該邊緣與待製成的構造10的外邊界相對應。 在機械坐標系統中，基準點R按如下方式確定R = xR, yR, zR = 0,0,0機械坐標系統由六自由度明確限定，包括限定平移移動的行進長度dx，dydz和限 定旋轉移動的角度ω，φ，κ。為了簡化，假定土木工程機械處於平地上並且不傾斜。旋轉角度ω和Κ因此各 自為零。機械坐標系統和土木工程機械以旋轉角度φ同樣為零的方式相互校正。還假定混凝土壓模6的下邊緣壓在地面上。這樣規定基準點R的高度zR不會隨 著土木工程機械在平地上的移動而改變。圖4表示機械坐標系統以及獨立於機械坐標系統(X，y，ζ)的笛卡爾基準系統，下 文被稱為測量坐標系統(x，Y，z)。測量坐標系統(Χ，Υ，Ζ)可以自由選擇。其隨著土木工程 機械的移動而保留在同一位置和定向上。為了控制驅動單元，土木工程機械具有僅簡略示出的控制單元7。控制單元7以土 木工程機械在地面上完成所需平移和/或旋轉移動的方式控制驅動單元的驅動裝置，以使 其製成構造10或使地面發生變化。控制單元7包括完成計算操作和產生驅動單元的驅動 裝置的控制信號所需的全部部件。其可以構成獨立的單元或者可以是土木工程機械的中心 控制系統的一部分。為了使驅動單元可以得到控制，土木工程機械在機械坐標系統(X，y，ζ)中的基準 點R的位置和/或定向被轉換到獨立於土木工程機械移動的測量坐標系統(X，Y，Ζ)內。在本實施方式中，基準點R的位置和定向採用僅在圖4中簡略示出的全球衛星定 位系統(GPQ確定。然而還可以採用非衛星地面測量系統(總站)代替衛星定位系統。由 於確定位置和定向的精度要求是嚴格要求，因此優選採用被稱為差分全球定位系統(DGPS) 的全球衛星定位系統。在這種情況下，確定定向的基於GPS的方法基於通過布置在土木工 程機械上的不同點Si，S2處的兩個DGPS接收器(漫遊器(rovers))獲得的位置測量。在圖3和4中僅簡略示出兩個DPGS接收器Sl和S2。假定的更一般的情況是DGPS 接收器Sl和DGPS接收器S2位於基準點R所處的機械坐標系統原點附近，基準點R的位置 和定向在測量坐標系統中得到確定。在機械坐標系統(X，y，ζ)中通過坐標Sl = xsl, ysl，zsl 和 S2 = xs2, ys2，zs2 確定DGPS接收器Sl和S2的位置。在測量坐標系統(X，Y，Ζ)中，通過Sl = XS1，YS1，ZSl 和S2 = XS2，YS2，ZS2確定DGPS接收器Sl和S2的位置。通過採用兩個DGPS接收器Sl和S2，控制單元7採用GPS系統確定限定DGPS接收 器位置的數據。控制單元7隨後根據有關位置的這一數據計算在土木工程機械上的基準點 R的位置和定向，兩個DGPS接收器所處位置附近所述基準點R。為此，控制單元7利用旋轉 矩陣R執行轉換以對由DGPS接收器Sl和S2在測量坐標系統(X，Y，Ζ)中測量的點Sl和 S2處的坐標進行轉換，給出基準點R
權利要求
1.一種自驅動土木工程機械， 具有底盤⑶，布置在底盤上的作業單元(6)，其具有用於在地面上製成構造(10)或用於使地面發生 變化的作業裝置，驅動單元(4A，4B ；5A，5B)，其具有驅動裝置以使土木工程機械可以在地面上完成平移 和/或旋轉移動，以及用於以土木工程機械在地面上執行平移和/或旋轉移動的方式控制驅動單元的控制 單元(7)，其特徵在於， 控制單元(7)具有用於預設待製造的構造或要發生變化的地面的給定幾何形狀的裝置， 用於確定數據的裝置，所述數據限定土木工程機械上的基準點(R)相對於坐標系統 (X，Y，Z)的位置和/或定向，所述坐標系統(X，Y，Z)獨立於土木工程機械的位置和定向，用於確定限定所需曲線的數據的裝置，其被設計成使得限定所需曲線的數據根據待制 造的構造或要發生變化的地面的預設幾何形狀以及根據土木工程機械上的基準點(R)在 獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統(X，Y，Z)中的位置和定向得到確定，所需曲 線是土木工程機械上的基準點(R)在獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統(Χ，Υ， Ζ)中移動所沿的曲線，以及用於控制驅動單元的裝置，其以土木工程機械上的基準點(R)沿起始於預設起點的所 需曲線移動的方式依據限定所需曲線的數據控制驅動單元，土木工程機械在預設起點上處 於地面上的預設位置和定向。
2.如權利要求1所述的土木工程機械，其特徵在於，限定所需曲線的數據限定了沿所 需曲線行進的距離和/或其曲率。
3.如權利要求1或2所述的土木工程機械，其特徵在於，用於控制驅動單元的裝置被設 計成驅動單元取決於基準點(R)在獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統(Χ，Υ，Ζ) 中的位置和/或定向而得到控制，使得由所需曲線限定的基準點(R)的所需位置(P)與其 實際位置(Xr，Yr)之間的距離⑶和/或由所需曲線限定的土木工程機械所需方向(α) 與其實際方向(Φ)之間的方向差(ΔΦ)最小。
4.如權利要求3所述的土木工程機械，其特徵在於，用於確定限定基準點(R)的位置和 /或定向的數據的裝置具有用於解碼來自全球衛星定位系統(GPQ的GPS衛星信號以及修 正來自參考基站的信號以確定土木工程機械的位置和定向的第一和第二 DGPS接收器(Si， S2)，第一和第二接收器(S1，S》布置在土木工程機械上的不同位置(S1，S2)。
5.如權利要求4所述的土木工程機械，其特徵在於，用於確定限定基準點的位置和/或 定向的數據的裝置具有屬於非衛星測量系統的第一和第二接收器(Si，S2)。
6.如權利要求5所述的土木工程機械，其特徵在於，用於預設待製造的構造或要發生 變化的地面的給定幾何形狀的裝置具有輸入單元(7A)，其具有用於對限定待製造的構造或 發生變化的地面的幾何形狀的參數進行輸入的裝置(7B)。
7.如權利要求6所述的土木工程機械，其特徵在於，所述參數是限定直線長度和/或圓 弧半徑的參數。
8.如權利要求7所述的土木工程機械，其特徵在於，用於預設待製造的構造或發生變 化的地面的給定幾何形狀的裝置具有輸入單元(7A)，其具有用於從多個幾何形狀中選定一 個幾何形狀的裝置(7B)。
9.如權利要求8所述的土木工程機械，其特徵在於，控制單元(7)具有與輸入單元 (7A)配合以及存儲多個幾何形狀的存儲單元(7C)。
10.如權利要求9所述的土木工程機械，其特徵在於，輸入單元(7A)具有用於修改幾何 形狀的裝置(7B)。
11.如權利要求10所述的土木工程機械，其特徵在於，控制單元(7)具有用於使土木工 程機械在地面上的預設起點處開始移動的裝置(7D)，在所述預設起點處，土木工程機械處 於預設位置和定向。
12.如權利要求11所述的土木工程機械，其特徵在於，控制單元(7)具有用於使土木工 程機械停止沿所需曲線移動的裝置(7D)。
13.如權利要求12所述的土木工程機械，其特徵在於，土木工程機械是路面磨銑機械 (1)，作業單元具有帶磨銑滾筒(6A)的磨銑裝置(6)。
14.如權利要求12所述的土木工程機械，其特徵在於，土木工程機械是滑模鋪料機 (1)，作業單元具有用於模壓可流動材料的裝置(6)。
15.如權利要求12所述的土木工程機械，其特徵在於，土木工程機械是鋪路機(1)，作 業單元具有用於使材料成形的刮板(6)。
16.如權利要求1所述的土木工程機械，其特徵在於，土木工程機械是滑模鋪料機、鋪 路機或路面磨銑機械。
17.一種用於控制自驅動土木工程機械，包括以下步驟預設待製造的構造或要發生變化的地面的給定幾何形狀，確定限定土木工程機械上的基準點(R)相對於坐標系統(X，Y，Z)的位置的數據，所述 坐標系統(X，Y，Ζ)獨立於土木工程機械的位置和定向，基於待製造的構造或要發生變化的地面的預設幾何形狀以及基於土木工程機械上的 基準點(R)在獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統(Χ，Υ，Ζ)中的位置和定向確定 限定所需曲線的數據，所需曲線是土木工程機械上的基準點(R)在獨立於土木工程機械的 位置和定向的坐標系統(X，Y，Ζ)中移動所沿的曲線，以及以土木工程機械上的基準點(R)沿起始於預設起點的所需曲線移動的方式依據限定 所需曲線的數據控制土木工程機械，土木工程機械在所述預設起點處於地面上的預設位置 和定向。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，限定所需曲線的數據限定了沿所需曲線 行進的距離和/或其曲率。
19.如權利要求17或18所述的方法，其特徵在於，土木工程機械取決於基準點(R)在 獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統(Χ，Υ，Ζ)中的位置和/或定向而得到控制， 使得由所需曲線限定的基準點(R)的所需位置⑵與其實際位置OCrJr)之間的距離⑶ 和/或由所需曲線限定的土木工程機械所需方向(α)與其實際方向(Φ)之間的方向差 (Δ Φ)最小。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，預設待製造的構造或發生變化的地面的給定幾何形狀的步驟包括限定幾何形狀的參數的輸入，和/或從多個幾何形狀中選定一個 幾何形狀。
21. 一種使用如權利要求1-16中的一項所述的自驅動土木工程機械在地面上製造構 造或使地面發生變化的方法，其特徵在於，在地面上選定土木工程機械移動的起點並規定土木工程機械在起點的定向， 土木工程機械移動到選定的起點並在起點處對準在規定的定向上， 確定土木工程機械移動的所需曲線，以及土木工程機械沿所需曲線移動以在地面上製造構造(10)和/或使地面發生變化。
全文摘要
本發明涉及一種自驅動土木工程機械，尤其是滑模鋪料機、鋪路機或路面磨銑機械，以及一種控制自驅動土木工程機械的方法。本發明的土木工程機械包括控制單元(7)，其具有用於確定數據的裝置，所述數據限定土木工程機械上的基準點(R)相對於獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統(X，Y，Z)的位置和/或定向。與此同時，土木工程機械還具有用於確定在獨立於土木工程機械的位置和定向的坐標系統(X，Y，Z)中限定所需曲線的數據的裝置以及用於以土木工程機械上的基準點(R)沿起始於預設起點的所需曲線移動的方式依據限定所需曲線的數據控制驅動單元的裝置，土木工程機械在預設起點上處於地面上的預設位置和定向。
文檔編號E01C19/48GK102102337SQ20101059590
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月20日 優先權日2009年12月18日
發明者C·巴裡馬尼, G·亨, M·弗裡茨 申請人:維特根有限公司