Особенности применения оптико-электронных систем позиционирования в дорожном строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В.Ф. Гусаров

А.Н. Тимофеев

Рассмотрены современные методы и системы высокоточного позиционирования, применяемые в дорожном строительстве. Сформулированы основные требования к разрабатываемой системе позиционирования с полихроматической оптической равносигнальной зоной.

Рост требований к качеству и скорости проведения некоторых технологических операций в различных отраслях промышленности приводит к их автоматизации.

Частным примером является задача автоматического позиционирования рабочих элементов машин при проведении строительных работ. При строительстве дорог, путепроводов, тоннелей и мостов точность определяет качество проводимых работ, поэтому системы контроля позиционирования рабочих органов строительных и землеройных машин играют важную роль при решении таких задач.

Применяемые в современном дорожном строительстве системы контроля смещений (СКС) удобно разделить на три группы по методу задания базовой плоскости: ориентированные на разбивочный шнур (струну), бесконтактные (бесструнные) и системы трехмерного позиционирования рабочей техники.

В качестве примера системы, реализующей первый метод, можно привести преобразовательный датчик (рис. 1а), специальный щуп которого касается струны и в зависимости от его положения (вертикальное или горизонтальное) определяется поперечное смещение или по высоте. Также применяется многосенсорный ультразвуковой датчик (ультразвуковая лыжа) (рис. 1б), излучатели которой направлены на струну. Фиксируются замеры излучателей ближайших к струне. Таким образом, значение измерения колеблется с точностью до +/- 2 мм на общую ширину измерения в 25 см.

Рис. 1 - Системы ориентированные на струну: а - преобразовательный датчик; б - ультразвуковая лыжа.

Недостатками струнных систем являются высокая трудоемкость, связанная с установкой разбивочного шнура, вероятность повреждения и расстраивания струны в процессе работы, а также натянутый шнур представляет опасность для дорожных рабочих и техники и усложняет процесс материально-технического обеспечения машины.

Примером бесструнной системы может служить трассировщик, который, по сути, является тем же преобразовательным датчиком, но связанным с эталонной поверхностью. В этом и заключается основной недостаток - требуется эталонная поверхность, то есть метод может использоваться для укладки, например, соседнего с уже готовым участком полотна. высокоточный позиционирование полихроматический оптический

Рис. 2 - Схема контроля вертикального смещения с помощью вращающегося лазера.

При отсутствии опорной поверхности или струны можно использовать оптико-электронную систему (ОЭС), в состав которой входят вращающийся лазер (рис. 2), создающий базовую плоскость и несколько лазерных приемников, устанавливаемых на машину и связанных с системой управления рабочего элемента (например, режущего барабана).

К системам, реализующим бесструнный метод, также относятся датчик канатного типа (рис. 3а) и ультразвуковой датчик (рис. 3б). Их особенностью является то, что они связаны напрямую с рабочим элементом строительной машины.

Рис. 3 - Датчики, связанные с рабочим элементом машины: а - канатный; б - ультразвуковой.

К недостаткам бесструнного метода можно отнести невысокую точность контроля смещений вследствие связи с рабочим элементом машины, подверженным сильным вибрациям. Также требуется наличие эталонной поверхности, что не всегда возможно или целесообразно.

Наиболее совершенными системами по определению положения и направлению дорожно-строительной техники являются комплексы, основанные на нескольких схемах трехмерного позиционирования. В таких схемах применяется целый комплекс устройств для высокоточного контроля смещений и разворотов дорожной техники, например, бетоноукладчика (рис. 4). В этом случае два тахеометра, имеющих обратную связь с системой управления, отслеживают положение призм, установленных на оси машины, относительно опорных точек. Также каждая ось снабжена двухкоординатным датчиком наклона, отслеживающим продольный и поперечный уклон оси. Пост-контроль осуществляется для проверки качества выполненной работы.

Рис. 4 - Схема трехмерного позиционирования бетоноукладчика.

В данных системах для достижения высокой точности контроля смещений требуются серьезные инструментальные затраты, что неизбежно повышает стоимость и сложность проводимых работ.

Особенностью измерений с помощью приведенных систем являются условия их проведения - открытый воздух и приземный слой атмосферы, и соответственно большая подверженность влиянию явлений, происходящих в воздушном тракте. Таким образом, проведенный обзор СКС показал, что дальнейшее исследование может быть направлено на разработку ОЭС, которая позволит обеспечить высокую энергетическую чувствительность к смещениям при меньших инструментальных затратах, а также на применение нового метода для компенсации влияния атмосферы, например дисперсионного. Перспективным видом ОЭС, позволяющих решать поставленные задачи, являются системы с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ), в частности полихроматической.

Достоинствами систем с ОРСЗ являются: малое потребление энергии каналом формирования базового направления, большая зона управления по горизонту и вертикали, простота обслуживания, устойчивость по отношению к воздействиям среды, по сравнению с лазерными аналогами меньше подвержены расстраиванию в процессе эксплуатации. Чувствительность к сдвигам в таких системах по высоте не менее ±0,3 мм на расстоянии до 300 м, что позволяет реализовать требуемую точность позиционирования рабочего органа машины при достаточно широкой зоне управления, которая обеспечена углом расходимости пучков задатчика базового направления.

Градиенты температуры, турбулентность, вызванные так называемой регулярной рефракцией температуры являются наиболее распространенным источником погрешности в СКС.

Коэффициент рефракции в определенной области обычно называют «локальным коэффициентом рефракции», обозначаемом как ч и связанном с вертикальным градиентом температуры дT/дy соотношением

,

где , ; T0 = 288? К; P0 = 1,01325?105 Па, e - парциальное давление водяного пара.

В верхних слоях атмосферы, около 100 метров над поверхностью Земли и выше, вертикальный температурный градиент достаточно независим от температуры земной поверхности и равен почти -0,006 К/м, что означает снижение температуры на 6єК на один километр по высоте. К примеру, при значении параметров p = 1013гПа, T = 288,15єK (?15єC) и дT/дz = 0,006 К/м локальный коэффициент рефракции будет равен ч = +0,17. Средний слой атмосферы, от 20-30 метров до 100, слабо подвержен влиянию температуры поверхности и часто характеризуется температурным градиентом около -0,01 К/м. Такой градиент соответствует коэффициенту рефракции в +0,15.

В отличие от верхнего и среднего слоёв атмосферы тепловые характеристики воздушных слоев нижней атмосферы (ниже 20-30 м) сильно подвержены влиянию меняющихся тепловых свойств поверхности. В сущности, происходят два теплообменных процесса, регулирующие температурный градиент в этой:

1) В течение дня солнечная радиация поглощается земной поверхностью. Теплый грунт, в свою очередь, нагревает самые нижние атмосферные слои, что приводит к отрицательным температурным градиентам и турбулентному перемещению воздуха, которое также известно геодезистам, как «танец» изображения или сцинтилляция. К примеру, градиент дT/д = -0,5 К/м, полученный из практических замеров, приводит к локальному коэффициенту рефракции ч = -2,9. В сравнении со значениями коэффициента среднего и верхнего слоёв это указывает не только на более сильную рефракцию, но и на вогнутую кривизну траектории распространения излучения.

2) Вечером земная поверхность остывает, быстрее, чем покрывающий её атмосферный слой. Обычно это ведет к сильным положительным градиентам дT/дz. Облачность ослабляет теплообмен между Солнцем и, соответственно, Землей, что ведет к меньшим абсолютным значениям градиента температуры и явления рефракции в течение дня.

Различные исследования в атмосферном слое на высоте 1-3 метра над Землей выявили крайние значения коэффициента рефракции от -4 до +6. Стоит отметить, что данный приземный промежуток является характерным для приземных геодезических измерений.

Таким образом, были рассмотрены существующие методы и системы, применяемые для высокоточного позиционирования рабочих элементов строительной техники при проведении дорожных работ. На основании обзора были сформулированы основные требования к разработке ОЭС позиционирования с ОРСЗ. Рассмотрены исследования атмосферы на различных высотах и приведены коэффициенты рефракции, на которые необходимо ориентироваться при отработке методов компенсации влияния атмосферы.

Литература

1. Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и ее применение. - М.: Академический Проект, 2008. - 591 с.

2. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. - СПб: ИТМО, 1998. - 238с.

3. Мараев А.А., Тимофеев А.Н., Коняхин И.А. Исследование энергетической чувствительности в оптико-электронных системах c полихроматической оптической равносигнальной зоной // Известия вузов. Приборостроение. - Санкт-Петербург, 2012. - Т. 55. - № 3. - С. 31-35. - ISSN 0021-3454.

4. Hirt C., Guillaume S., Wisbar A., Bьrki B. and Sternberg H. Monitoring of the refraction coefficient in the lower atmosphere using a controlled setup of simultaneous reciprocal vertical angle measurements // Journal of Geophysical Research. - 2010. - V. 115. - № D21

Размещено на Allbest.ru