СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ ОТВАЛА АВТОГРЕЙДЕРА
METHOD TO DETECT POSITION OF CUTTING EDGE OF MOTOR GRADER BLADE

Изобретение относится к области землеройно-транспортных и дорожно-строительных машин и предназначено для систем контроля и управления положением отвала автогрейдера.
Известен способ определения положения режущей кромки отвала автогрейдера, согласно которому положение режущей кромки отвала однозначно определяется по известным текущим значениям длин гидроцилиндров устройств подвеса и выноса (УПВ) отвала автогрейдера L1, L2, L3 [В.А.Палеев, С.Ю.Тимаков, А.В.Палеев / Кинематические характеристики устройств подвеса и выноса отвала автогрейдера // Строительные и дорожные машины, 2009, №5, с.47-51].
Недостатком данного способа является невозможность определения положения режущей кромки отвала автогрейдера в системе координат, связанной с окружающей местностью. В связи с этим нельзя определить координаты высотных отметок и углы наклона поверхностей, обрабатываемых автогрейдером.
Известен также способ определения положения режущей кромки отвала автогрейдера относительно горизонта, включающий датчик углового положения, установленный на основной раме автогрейдера и шарнирно-сочлененную рычажную систему, связанную с датчиком угла наклона (поворота) тяговой рамы с отвалом автогрейдера [В.С.Щербаков, В.Ф.Раац, В.Е.Калугин, А.А.Макавеев / Система автоматической стабилизации поперечного наклона рабочего органа автогрейдера // А.c. 1481344 (СССР). Опубл. 23.05.89. БИ №19].
Недостатком данного способа является невозможность определения высотных отметок режущей кромки отвала автогрейдера и, соответственно, высотных отметок обрабатываемой поверхности.
Из известных технических решений наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому объекту является способ определения режущей кромки отвала автогрейдера, при котором на отвал устанавливаются вертикальные штанги с антеннами спутниковых систем навигации GPS/Глонасс. [С.В.Знобищев, И.А.Мастиков / Системы нивелирования для автогрейдеров // Строительные и дорожные машины, 2008, №5, с.13-18].
Недостатком такого способа является сокращение числа операций, выполняемых автогрейдером, из-за того, что отвал загроможден несвойственными ему предметами - кронштейнами, штангами, проводами антенн, которые ограничивают перемещения отвала и могут быть повреждены или разрушены при работе автогрейдера, т.к. отвал может поворачиваться в плане на угол до 360°, смещаться по направляющим влево и вправо, изменять положение относительно горизонта от 0° до 90° (при использовании систем выноса тяговой рамы с отвалом автогрейдера). Очевидно, что установка на отвал автогрейдера антенн систем спутниковой навигации GPS/Глонасс резко ограничивает или снижает функциональные возможности автогрейдера.
Задачей изобретения является разработка способа, освобождающего отвал автогрейдера от антенн спутниковых и иных навигационных систем и обеспечивающего при этом в любой произвольный момент времени точное определение положения режущей кромки отвала автогрейдера и, соответственно, текущее значение высотных отметок и углов наклона поверхности, обрабатываемой автогрейдером в системе координат, связанной с окружающей местностью. Данная информация необходима для подачи системой управления отвалом (в случае необходимости) управляющих воздействий, обеспечивающих обработку поверхности в соответствии с проектом.
Указанный технический результат достигается тем, что для определения положения режущей кромки отвала автогрейдера в системе координат, связанной с местностью, определяют углы поворота (тангажа, крена и рыскания) тяговой рамы относительно основной рамы автогрейдера, с помощью счетно-решающего устройства и формул преобразования координат определяют координаты точек на режущей кромке отвала автогрейдера в системе координат, связанной с автогрейдером, одновременно с помощью системы спутниковой навигации и антенн, жестко установленных на основной раме автогрейдера, определяют положение автогрейдера и связанной с ним системы координат в системе координат, связанной с местностью, затем с помощью счетно-решающего устройства координаты точек на режущей кромке отвала автогрейдера определяют в системе координат, связанной с местностью.
Условием осуществления указанных действий является оснащение автогрейдера системой спутниковой навигации, счетно-решающим устройством, а также устройством для определения углов поворота тяговой рамы относительно основной рамы автогрейдера.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами, где на фиг.1, 2 и 3 приведено одно из возможных устройств, реализующих предлагаемый способ (на фиг.1 изображен трехосный шарнир, соединяющий тяговую раму автогрейдера с основной рамой, на фиг.2 - разрез трехосного шарнира по оси тангажа, на фиг.3 - расчетная схема автогрейдера).
2
2
2
2
На фиг.1 изображены: 1 - основная рама автогрейдера, которая трехосным шарниром соединена с тяговой рамой 2, 3 - внешняя рамка трехосного шарнира, 4 - внутренняя рамка трехосного шарнира. На осях трехосного шарнира размещены датчики углов поворота осей: 5 - датчик угла рыскания тяговой рамы, 6 - датчик угла тангажа тяговой рамы, 7 - датчик угла крена тяговой рамы. На фиг.2 изображены: 4 - внутренняя рамка трехосного шарнира, 6 - датчик угла тангажа тяговой рамы, 7 - датчик угла крена тяговой рамы, 8 - корпус упорных подшипников, 9 - упорный подшипник, воспринимающий осевую нагрузку от тяговой рамы, 10 - втулка, помещенная во внутреннюю рамку 4, 11 - ось тангажа тяговой рамы. На фиг.3 изображены: XYZ - система координат Земли, связанная с окружающей местностью, Oξηζ - система координат, связанная с автогрейдером, Oξηζ локальная система координат тяговой рамы автогрейдера, L1, L2, L3 - гидроцилиндры подвеса тяговой рамы, 12 - датчик угла поворота отвала в плане, 13 - датчик изменения угла резания отвала, 14 - датчик выдвижения отвала по направляющим влево или вправо, 15, 16, 17 - антенны систем спутниковой навигации, например GPS или Глонасс, установленные на ось, 18 - счетно-решающее устройство, 19 - блок индикации и управления.
Антенны спутниковой системы навигации, жестко установленные на основной раме автогрейдера, должны быть максимально удалены друг от друга для снижения погрешности выполняемых вычислений. Для определения положения автогрейдера достаточно знать координаты начала связанной с автогрейдером системы координат и углы поворота ее - рыскания, тангажа и крена.
Координаты любой точки (r) на режущей кромке отвала автогрейдера в системе координат, связанной с местностью, определяются уравнением
r
r
r
0
0
0
r
r
r
где X, Y, Z - координаты точки на режущей кромке отвала автогрейдера в системе координат XYZ, связанной с местностью, Х, Y, Z - координаты начала связанной с автогрейдером системы Oξηζ, в системе координат XYZ, ξ, η, ζ - координаты точки на режущей кромке отвала в системе координат автогрейдера Oξηζ, Матр - матрица преобразования координат, учитывающая углы поворота автогрейдера (рыскания, тангажа и крена) в связанной с местностью системе координат XYZ.
Полное уравнение для расчета координат точек на режущей кромке отвала автогрейдера в системе координат XYZ, связанной с местностью, имеет вид
o2
o2
o2
2
2
2
2
2
2r
2r
2r
2
2
2
2
2
где ξ, η, ζ - координаты начала O связанной с тяговой рамой локальной системы координат Oξηζ в системе координат автогрейдера Oξηζ, ξ, η, ζ - координаты точки на режущей кромке отвала в локальной системе координат тяговой рамы Oξηζ, Матр - матрица преобразования координат, учитывающая углы поворота тяговой рамы (рыскания, тангажа и крена) в системе координат автогрейдера Oξηζ.
2
2
2
2
2r
2r
2r
2
2
2
2
2
2
2
2
Заявленный способ заключается в следующем - координаты точек на режущей кромке отвала (например, точки r) рассчитывают счетно-решающим устройством. в локальной системе координат тяговой рамы Oξηζ с использованием данных датчиков 12, 13 и 14 и информации о постоянных размерах тяговой рамы и отвала. В итоге получаем координаты точки r (ξ, η, ζ) в локальной системе координат тяговой рамы Oξηζ. На следующем этапе с помощью датчиков 5, 6 и 7 определяют углы рыскания, тангажа и крена тяговой рамы φ, ψ, θ в системе координат автогрейдера Oξηζ, эти данные вводят в счетно-решающее устройство 18, которое формирует матрицу преобразования координат Матр. На этом этапе становится возможным расчет координат точек на режущей кромке отвала в системе координат автогрейдера.
r
r
r
где ξ, η, ζ - координаты точки r на режущей кромке отвала в системе координат автогрейдера.
С помощью спутниковой системы навигации GPS или Глонасс определяют пространственные координаты антенн 15, 16 и 17, жестко связанных с основной рамой автогрейдера в неподвижной системе координат XYZ, связанной с Землей. Эти данные поступают в счетно-решающее устройство 18, которое рассчитывает углы рыскания, тангажа и крена φ, ψ, θ и координаты начала связанной с автогрейдером системы координат 0ξηζ в неподвижной системе координат XYZ, связанной с Землей.
С помощью уравнения (2) счетно-решающее устройство определяет координаты точек на режущей кромке отвала и сравнивает их с требуемыми значениями высотных отметок обрабатываемой поверхности.
Результаты расчета и сравнения поступают в блок информации и управления 8. В случае отклонения режущей кромки отвала от проектного положения на гидроцилиндры подвеса тяговой рамы L1, L2, L3 подается управляющее воздействие: в ручном режиме - оператором автогрейдера, в автоматическом - блоком информации и управления.
Использование новых операций и устройств - антенн спутниковой навигации, жестко установленных на основной раме автогрейдера, счетно-решающего устройства, блока информации и управления, крепления тяговой рамы к основной раме с помощью трехосного шарнира, оси которого пересекаются в одной точке, а на осях установлены датчики угла поворота, позволило освободить отвал автогрейдера от штанг и проводов антенн спутниковых систем навигации и одновременно точно определять величину отклонения режущей кромки отвала автогрейдера от проектных отметок и использовать данную информацию для управления отвалом автогрейдера в ручном или автоматическом режимах.