DEVICE FOR ASSESSMENT OF AERODROME COAT SURFACE EVENNESS
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ РОВНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ АЭРОДРОМНОГО ПОКРЫТИЯ

Изобретение относится к устройствам и системам для проведения микронивелирования и оценки ровности поверхности аэродромных покрытий. Предложенное устройство может также использоваться для оценки ровности дорожных искусственных покрытий.
В «Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов в Российской Федерации». Изд. - М.: Воздушный транспорт, 1955 г., в главе 4 «Осмотр и оценка параметров состояния элементов летного поля» рекомендовано контролировать ровность поверхности летного поля визуально или путем проезда на автомобиле. Величина неровностей проверяется рейкой, просвет под рейкой не должен превышать установленной величины. Такой способ проверки несовершенен и имеет большие ошибки.
Известно «Устройство для контроля профиля поверхности» (Авторское свидетельство №1121346, E01 23/07) Известное устройство содержит копировальный ролик с прижимным приспособлением, который кинематически связан с тахогенератором, нагрузочное сопротивление, гальванометр, источник питания. Однако данное устройство имеет значительные погрешности в точности определения ровности поверхности.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является «Дорожная лаборатория для оценки ровности автомобильных дорог». (Кафедра теоретической механики и НИИМК МАДИ (ГТУ) - авторское свидетельство на полезную модель №9649, 1999 г., в составе с динамическим преобразователем профиля - авторское свидетельство №166500, 1964 г.), данное устройство имеет максимальное сходство существенных признаков с признаками заявленного устройства и поэтому принято за прототип.
Известное устройство-прототип (фиг.1) содержит динамический преобразователь профиля 1 и программно-вычислительный комплекс 2. Динамический преобразователь профиля 1 содержит датчик ровности 3, внутреннюю и наружную рамы, подрессоренную ось подвески с колесом 4 и ось маятника 5 динамического преобразователя профиля. Программно-вычислительный комплекс 2 содержит компьютер 6 с программами управления 7 и обработки 8 и базой данных характеристик дорог 9, принтер 10, датчик скорости 11 и аналого-цифровой преобразователь 12.
Динамический преобразователь профиля 1 представляет собой одноколесный прицеп, буксируемый автомобилем, с установленным на нем специальным сцепным устройством. При записи профиля автомобильных дорог используются два динамических преобразователя профиля, устанавливаемых на расстоянии 1800 мм. друг от друга. Это позволяет определить ровности поверхности автомобильных дорог в поперечном направлении.
В динамическом преобразователе профиля 1 благодаря параллелограммной сцепке наружная рама постоянно сохраняет положение, параллельное поверхности дорожного полотна. Наружная рама через подшипниковые узлы связана с внутренней рамой, на которой расположены подрессоренная ось подвески с колесом 4, ось маятника 5 и датчик ровности 3.
Измерение ровности дорожных покрытий основано на определении вертикальных перемещений узла измерительного колеса 4 динамического преобразования профиля 1 относительно корпуса (инерциальной массы) при движении по неровностям дороги со скоростью 50 км/ч. Датчик ровности 3, установленный на корпусе узла динамического преобразователя 1, связанный гибкой связью с подвеской измерительного колеса 4, преобразует в число импульсов вертикальное перемещение колеса 4.
Программно-вычислительный комплекс 2 размещается в буксируемом автомобиле. Измерение пройденного пути определяется датчиком скорости 11. Датчик скорости 11 монтируется в мерном колесе или в разъеме троса спидометра автомобиля. За каждый оборот датчик скорости 11 вырабатывает определенное количество импульсов. В компьютере 6 выполняется пересчет импульсов в зависимости от длины окружности колеса автомобиля и формируется командный импульс считывания информации с датчика ровности 3. Выходные напряжения (аналоговые сигналы) снимаются с датчика ровности 3 и через каждый шаг пройденного пути аналого-цифровым преобразователем 12 преобразуются в цифровой код. Компьютер 6 в реальном масштабе времени осуществляет обработку исходного массива измерений. При этом на экран компьютера 6 для визуального контроля выводится информация о пройденном пути, скорости движения и графическая информация о ровности поверхности. Одновременно информация записывается на жесткий магнитный диск компьютера, обработанная информация при необходимости печатается принтером 10.
Недостатком известного устройства является большая погрешность в оценке ровности поверхности, что исключает проведения сравнительного анализа с результатами геодезического нивелирования поверхности аэродромного покрытия.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности при микронивелировании поверхности. Микронивелирование может выполняться в любое время суток и независимо от погодных условий, за исключением зимнего времени, когда наличие льда и снега могут повлиять на качество проводимых работ.
Поставленная цель в устройстве для оценки ровности взлетно-посадочной полосы достигается тем, что в нем, как в прототипе, содержится динамический преобразователь профиля и программно-вычислительный комплекс (фиг.2). Динамический преобразователь профиля содержит датчик ровности и измерительное колесо, а программно-вычислительный комплекс - компьютер с программой обработки информации и базой данных ровности аэродромного покрытия и принтер, при этом выход компьютера подключют к принтеру.
В динамический преобразователь профиля дополнительно введены микроконтроллер, приемник спутниковой навигационной системы, пульт управления, инкрементный датчик, датчики вибрации и шума, блок памяти, жидкокристаллический дисплей и регулировка тарирования устройства. При этом вход/выход микроконтроллера подключают к блоку памяти. Измерительное колесо через инкрементный датчик подключают к первому входу микроконтроллера. Второй-шестой входы микроконтроллера соединяют соответственно с выходами датчика ровности, приемника спутниковой навигационной системы, пульта управления и датчиков вибрации и шума, при этом выход микроконтроллера подключают к входу жидкокристаллического дисплея. Регулировкой тарирования показания датчика ровности устанавливают в нулевое положение относительно горизонта. С окончанием микронивелирования поверхности аэродромного покрытия блок памяти отключают от микроконтроллера и подключают к входу компьютера программно-вычислительного комплекса, где в соответствии с программным обеспечением осуществляют оценку ровности аэродромного покрытия и составляют базу данных оценки ровности поверхности аэродромного покрытия. Оценка ровности поверхности определяют по высотным отметкам рельефа поверхности, которые вычисляют по формуле
j
j-1
j
h = | h+Sin γL |,
где j=1, 2, 3…n - порядковый номер микронивелирования поверхности;
γ - угол продольного микронивелирования поверхности, град.;
j
h - высота отметки рельефа, мм;
j-1
h - предшествующая высота отметки рельефа, мм;
L - шаг микронивелирования поверхности, мм.
В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявленного устройства, не обнаружено, вследствие чего можно считать, что предлагаемое устройство соответствует изобретательскому уровню. Точность процесса микронивелирования и проведение работ в любых погодных условиях независимо от времени суток позволяет постоянно следить за состоянием и динамикой изменения ровности покрытий летного поля.
Сущность предлагаемого устройства для оценки ровности поверхности взлетно-посадочной полосы аэродрома поясняется чертежами,
где на фиг.1 - структурная схема прототипа;
на фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства;
на фиг.3 - алгоритм работы предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство для оценки ровности поверхности аэродромных покрытий, как и прототип, содержит динамический преобразователь профиля 1 и программно-вычислительный комплекс 2. При этом динамический преобразователь профиля 1 содержит датчик ровности 3 и измерительное колесо 4, а программно-вычислительный комплекс 2 - компьютер 6 с программой обработки информации 8 и базой данных оценки ровности поверхности аэродромного покрытия 9, а также принтер 10, при этом выход компьютера 6 подключают к принтеру 10.
В динамический преобразователь профиля 1 дополнительно введены микроконтроллер 13, приемник спутниковой навигационной системы 14, пульт управления 15, инкрементный датчик 16, датчики вибрации 17 и шума 18, блок памяти 19, жидкокристаллический дисплей 20 и регулировка тарирования устройства 21. При этом вход/выход микроконтроллера 13 подключют к блоку памяти 19. Измерительное колесо 4 через инкрементный датчик 16 подключают к первому входу микроконтроллера 13. Второй-шестой входы микроконтроллера 13 соединяют соответственно с выходами датчика ровности 3, приемника спутниковой навигационной системы 14, пульта управления 15 и датчиков вибрации 17 и шума 18. Выход микроконтроллера 13 подключают к входу жидкокристаллического дисплея 20. Регулировкой тарирования 21 показания датчика ровности 3 устанавливают в нулевое положение относительно горизонта. С окончанием микронивелирования поверхности аэродромного покрытия блок памяти 19 отключают от микроконтроллера 13 и подключают к входу компьютера 6 программно-вычислительного комплекса 2. В компьютере 6 в соответствии с программным обеспечением 8 осуществляют оценку ровности аэродромного покрытия и составляют базу данных оценки ровности поверхности аэродромного покрытия 9. Оценку ровности поверхности определяют по высотным отметкам рельефа поверхности, которые вычисляют по формуле
j
j-1
j
h = | h+Sin γL |,
где j=1, 2, 3…n - порядковый номер микронивелирования поверхности;
γ - угол продольного микронивелирования поверхности, град;
j
h - высота отметки рельефа, мм;
j-1
h - предшествующая высота отметки рельефа, мм;
L - шаг микронивелирования поверхности, мм.
Описание конструкции устройства
Устройство для оценки ровности поверхности аэродромного покрытия состоит из подвижного динамического преобразователя профиля 1, предназначенного для регистрации и хранения информации микронивелирования, и стационарного программно-вычислительного комплекса 2, предназначенного для вычислений, обработки и диагностики состояния поверхности взлетно-посадочной полосы аэродрома. Конструктивно динамический преобразователь профиля 1 представляет собой металлический блок, внутри которого размещены элементы динамического преобразователя профиля 1. Блок имеет два разъема для подключения антенны приемника спутниковой навигационной системы и блока памяти 19. Блок динамического преобразования профиля 1 смонтирован на тележке. Тележка имеет три колеса, измерительное (переднее) и два задних. Расстояние между осями колес равно L. Каждое колесо по окружности равно L (L - шаг микронивелирования, равный 50 см). Тележка в заданном направлении управляется оператором с использованием рукоятки, которая жестко зафиксирована, или буксируется автомобилем на прицепном устройстве, исключающем влияние вибрации автомобиля на динамический преобразователь профиля 1.
Чувствительным элементом при микронивелировании поверхности взлетно-посадочной полосы является датчик ровности 3. В качестве датчика ровности 3 (датчика угла наклона) используется высокоточный прецизионный маятниковый электролитический инклинометр. Датчик ровности 3 измеряет угол наклона в плоскости горизонта. Выходной сигнал - последовательный цифровой код. Получение точных значений угла наклона осуществляется без потерь на аналого-цифровое преобразование. Датчик ровности 3 снабжен регулировкой тарирования 21 - установки угла наклона относительно горизонта.
Для определения шага микронивелирования L используется импульсный (пошаговый) инкрементный датчик 16, который размещается на измерительном колесе 4 тележки. Инкрементный датчик 16 формирует импульсы, соответствующие углу вращения измерительного колеса 4. Диск инкрементного датчика 16 разделен на точно позиционированные отметки. Количество отметок определяет количество импульсов за один оборот колеса.
Блок памяти 19 выполнен на микросхеме энергонезависимой памяти. При отключении питающего напряжения ранее записанная информация сохраняется. Объем памяти блока 19 обеспечивает непрерывную работу устройства при проведении микронивелирования поверхности по следам главных опор воздушного судна и осевой линии взлетно-посадочной полосы. Блок памяти 19 подключен к двунаправленному порту ввода/вывода микроконтроллера 13.
Пульт управления 15 представлен двумя переключателями: устройством “Включено-Выключено” и переключателем “Тарирование-Запись”. При включении режима “Тарирование” осуществляется проверка точности шага микронивелирования L и датчик ровности 3 регулировкой тарирования 21 выставляется в нулевое положение относительно горизонта. Результаты тарирования контролируются на экране жидкокристаллического дисплея 20. При включении режима “Запись” осуществляется микронивелирование поверхности аэродромного покрытия.
Сбором информации и работой динамического преобразователя 1 управляет микроконтроллер 13 в соответствии с его программным обеспечением.
Микроконтроллер 13 представляет собой микросхему семейства PIC 17 (или PIC 18), которая выпускается в исполнении с FLASH программируемой памятью программ, запоминающим устройством, 10-разрядными аналого-цифровыми преобразователями, 16-разрядным таймером, таймером реального времени и портами ввода, вывода и портом ввода/вывода информации.
Работа устройства оценки ровности аэродромного покрытия
Работа устройства оценки ровности аэродромного покрытии поясняется алгоритмом работы (фиг.3).
Перед проведением микронивелирования продольного профиля аэродромного покрытия проводятся подготовительные работы. Осуществляется разметка профиля поверхности по оси взлетно-посадочной полосы и по следам главных опор воздушного судна (5 м от оси взлетно-посадочной полосы в обе стороны). Определяется местоположение пикетов. Разметка профиля и местоположение пикетов (через 100 м) осуществляется в соответствии ранее проведенным геодезическим нивелированием поверхности с использованием оптических приборов при строительстве аэродрома. Данная организация работы позволяет проводить сравнительный анализ состояния летного поля.
Перед проведением микронивелирования поверхности взлетно-посадочной полосы проводится тарирование устройства. Выверяется точность шага микронивелирования L, и показания датчика ровности 3 устанавливаются в нулевое положение относительно горизонта.
Когда заканчивается тарирование, устройство оценки ровности поверхности устанавливается на исходную позицию - начало микронивелирования поверхности аэродромного покрытия по следам главных опор воздушного судна, при этом задние колеса устройства размещаются на первом пикете.
Выключателями пульта управления 15 устройство включается, включается режим "Запись", при этом в блок памяти 19 записывается информация, которая является первой записью микронивелирования поверхности.
Запись результатов микронивелирования в блок памяти 19 осуществляется при движении устройства в соответствии с шагом L микронивелирования поверхности. Инкрементным датчиком 16 за каждый оборот формируется определенное количество импульсов. В микроконтроллере 13 выполняется пересчет импульсов с учетом длины окружности измерительного колеса 4 и формируются импульсы записи через заданный шаг микронивелирования L по длине поверхности аэродромного покрытия. Количество импульсов инкрементного датчика 16, необходимых для формирования импульса записи, вычисляют по формуле
n = (NL) / k,
где N - количество импульсов за один оборот инкрементного датчика 16;
L - заданный шаг микронивелирования поверхности, м;
k - длина колеса по окружности, м;
n - количество импульсов, определяющих заданный шаг микронивелирования L поверхности аэродромного покрытия.
Каждым импульсом записи в блок памяти 19 записывают
- дату;
- время проведения измерений - дата и время определяется по информации, принятой приемником спутниковой навигационной системы 14;
- географические координаты - местоположение динамического преобразователя профиля 1 на взлетно-посадочной полосе (широта, долгота). Географические координаты определяют приемником спутниковой навигационной системой 14;
- номер пикета;
- порядковый номер записи в пикете;
- результаты продольного микронивелирования поверхности взлетно-посадочной полосы, в соответствии с информацией датчика ровности 3;
- информацию датчиков вибрации 17 и шума 18. Информация датчиков 17 и 18 является ориентировочной для оценки шероховатости поверхности.
Микронивелирование поверхности осуществляется при движении динамического преобразователя профиля 1 по оси взлетно-посадочной полосы и по следам главных опор воздушного судна.
При завершении работ по микронивелированию поверхности взлетно-посадочной полосы блок памяти 19 отключается от микроконтроллера 13 и подключается к компьютеру 6 программно-вычислительного комплекса 2.
В компьютере 6 углы нивелирования пересчитываются в высотные отметки рельефа поверхности h
j
j-1
j
h = | h+Sin γL |,
где j=1, 2, 3…n - порядковые номера микронивелирования поверхности;
γ - угол продольного микронивелирования поверхности взлетно-посадочной полосы, град;
j
h - высота отметки рельефа, соответствующая порядковому номеру продольного микронивелирования поверхности, мм;
j-1
h - предшествующая высота отметки рельефа, мм;
L - шаг микронивелирования поверхности, мм.
1
n
Высотные отметки рельефа поверхности взлетно-посадочной полосы формируются в каждом пикете последовательно от h до h относительно горизонта.
При этом необходимо учитывать, что γ имеет знак «+», если по ходу съемки профиля поверхности наблюдается подъем, и знак «-», если понижение.
Затем в соответствии с «методикой оценки ровности искусственных покрытий геодезическим методом» по специальной разработанной программе 8 рассчитывают уклоны прямых отрезков с шагом съемки 5, 10 и 20 м
a
n
n-1
i = h - h/c,
n-1
где h - отметка начальной точки профиля поверхности, мм;
n
h - отметка точки профиля поверхности, отстоящей от начальной на шаг съемки, мм;
с - шаг съемки, мм.
Определяется разность смежных сопрягающих уклонов прямых отрезков
n-1
n
i(5, 10, 20) = i(5, 10, 20) - i(5, 10, 20),
n-1
n
где i(5, 10, 20) и i(5, 10, 20) - уклоны предыдущего и последующего отрезков с их значениями.
На основании выполненной съемки в соответствии с нормативными требованиями и «Методики оценки ровности искусственных покрытий геодезическим методом» программным обеспечением 8 осуществляется оценка фактического микрорельефа, продольных уклонов концевого и среднего участков поверхности взлетно-посадочной полосы, величины изломов смежных участков поверхности, уклонов поверхности. Рассчитывается обобщенная характеристика ровности. Составляются таблицы алгебраических разностей высотных отметок и процентного соотношения высот неровностей продольного профиля, осредненных попикетно в соответствии с планом летного поля. По перечисленной информации в компьютере 6 формируется база данных оценки ровности поверхности аэродромного покрытия, которая хранится в памяти компьютера 6.
В компьютер 6 вводится каталог результатов геометрического микронивелирования покрытий и оценки их ровности, которые были получены инструментальным путем при завершении строительства взлетно-посадочной полосы. Каталог инструментального микронивелирования сравнивается с результатами микронивелирования поверхности, которые были получены с использованием предложенного устройства. По результатам сравнения выявляются возможные отклонения в оценке ровности поверхности, выявляются причины отклонения.
Принтером 10 печатается каталог динамики изменения ровности поверхности взлетно-посадочной полосы.
Данный анализ полезен при эксплуатации взлетно-посадочной полосы, так как может являться предупреждением о дальнейшем изменении ровности поверхности и соответственно изменения прочности покрытия.
Положительный эффект предложенного устройства заключается в автоматизации всего процесса нивелирования, что сокращает время проведения нивелировочных работ поверхности летного поля. Микронивелирование поверхности может выполняться в любое время суток независимо от погодных условий. За исключением зимнего времени, когда наличие льда и снега на летном поле может влиять на качество проводимых работ.
Автоматизация процесса микронивелирования и проведение работ в любых погодных условиях независимо от времени суток позволяет постоянно следить за состоянием и динамикой изменения ровности покрытий летного поля и ориентировочно оценивать прочность покрытия.
Предложенное устройство может быть выполнено из следующих элементов:
- датчик ровности 3 - высокоточный прецизионный маятниковый электролитический двухосевой инклинометр;
- микроконтроллер 13 - выполнен на базе микроконтроллера семейства PIC 18, авторы Прохоренко Б.Я. и др. изд. - М.: ДОДЭЕА, 1999 г.
- инкрементный датчик 16 - импульсный (пошаговый) энкодер фирмы CORRSYS-DATRON;
- блок памяти 19 - выполнен на микросхеме энергонезависимой памяти;
- дисплей 20 - цифровой микрокристаллический дисплей фирмы PLANAR.