Використання геодезичних приладів на будівельній техніці

Machine Control System (Системи управління будівельною технікою) - сучасний засіб автоматизації контролю і управління будівельною технікою протягом усіх етапів виконання земляних і дорожніх робіт. Мета застосування полягає у досягненні максимальної відповідності проекту зі значною економією коштів та часу.

Дані системи являють собою комплекс датчиків, які розміщуються на робочому органі машини і спеціальну апаратуру, яка задає на місцевості проектні напрямки і площини. В якості такої апаратури можуть бути використані лазерні побудовувачі площин, електронні тахеометри та супутникові приймачі. Датчики поділяються на три категорії за принципом роботи: звукові, лазерні і гравітаційні.

У процесі роботи системи інформація про стан робочого органу машини відносно проекту відображається за допомогою індикаторів, розташованих усередині або зовні водійської кабіни. Далі керування виконується вручну або автоматично. Відповідно і системи поділяються на два типи: індикаторні та автоматичні.

Системи управління поділяються за категоріями будівельної техніки:

· Автогрейдери

· Бульдозери

· Екскаватори

· Асфальтоукладальники

У мінімальній комплектації система дозволяє оцінювати положення відвалу при профілюванні грунту і видавати оператору візуальний сигнал про його переміщення в ручному режимі. Для цього в кабіні машини закріплюється спеціальний пристрій на базі світлодіодів. У повній комплектації система дозволяє не тільки оцінювати становище, але й автоматично управляти відвалом (додатково встановлюється в гідромагістраль електричний гідророзподільник) по висоті і нахилу з високою точністю (сантиметр і краще), що не тільки знижує витрату будівельних матеріалів за рахунок зменшення допуску, але і знижує стомлюваність оператора машини і вимоги до його кваліфікації. У разі використання на бульдозері автоматична система дозволить покращити його профілюючі характеристики при забезпеченні великого тягового зусилля, що в ряді випадків робить можливим зовсім відмовитися від використання грейдера на будівельному майданчику на всіх етапах робіт по профілізації грунту та будівельних матеріалів за винятком фінального.

При бажанні на машину може бути додатково встановлена система автоматичного рулювання.

Ключовим компонентом системи є підсистема оцінювання становища. Є два типи оцінювання положення відвала: найпростіше двомірне (2D) і повне тривимірне (3D).

Двомірні системи

У цьому випадку створюється профіль являє собою площину (горизонтальну чи похилу). Вимірювання положення відвала можуть проводитися за допомогою лазерного приймача, що приймає сигнал передавача або ультразвукового далекоміра відстані між відвалом і металевою струною.

Лазерний передавач, який встановлюється на землі, являє собою прилад, який утворює лазерну площину. Площина створюється розгорткою вузького лазерного променя за допомогою механічного обертання (наприклад, навколо вертикальної осі) лазера в напрямку перпендикулярному його оптичної осі. Лазерний промінь може модулюватися кодом для захисту від перешкод, однак вимірювання дальності по ньому не проводиться. Нахиляючи відповідним чином прилад, лазерну площину можна орієнтувати горизонтально або під нахилом в залежності від необхідного профілю різання. На відвалі встановлюється щогла з вертикальною лінійкою фотоелементів (лазерний приймач) приймаючих лазерний промінь від передавача. Довжина лінійки близько 15 см. Нульовий сигнал (відвал знаходиться точно на заданому профілі) відповідає випадку, коли промінь потрапляє в середину лінійки. Якщо промінь потрапляє вище середини, відвал слід підняти, якщо нижче - опустити. При великому перепаді початкових відміток висот на майданчику (> 15 см) відносно заданої або при складному профілі з різними висотами для уникнення необхідності перевстановлення передавача використовується моторизована щогла. Вбудований двигун дозволяє оператору машини піднімати або опускати лінійку фотоелементів для потрапляння променя в робочу зону приймача. Довжина лінії візування обмежується кількома сотнями метрів. Дощ, сніг, туман, дим, пил призводить до суттєвого зменшення максимальної довжини лінії, при якій можна стійко працювати.

Для управління відвалом по нахилу використовуються два приймачі, встановлені на відвалі на двох щоглах з деякими розносом. Типові випадки - на лівому і правому краї відвалу або в середині і на одному з країв. Замість двох приймачів також можливо використовувати датчик нахилу, який представляє з себе електронний прилад, що вимірює проекцію прискорення вільного падіння на чутливу вісь. Порівнюючи вимірювання за номінальним значенням прискорення (9.81 м/c²) система обчислює кут нахилу. Існують датчики нахилу на базі рідинних датчиків рівня і на базі акселерометрів.

При роботі з ультразвуковим далекоміром потрібно натягувати металеву струну паралельно бажаного профілю. Далекомір установлюється на кронштейні відвалу і вимірює дальність. Нульовий сигнал звичайно відповідає дальності близько 10 см. Якщо дальність менше 10 см відвал слід підняти, якщо більше опустити. Для вимірювання нахилу використовуються датчик нахилу. Дана система може використовуватися на грейдері, але не використовується на бульдозері.

Тривимірні системи

Ці системи є найбільш ефективними, універсальними і прогресивними. У цьому випадку бажаний профіль являє собою складну тривимірну поверхню, зазвичай аппроксимовану трикутниками по вузлових точках, заданих в декартових прямокутних координатах X, Y, Z. X і Y визначають горизонтальну (планову) площину, а Z - висоту. Вимірювання поточного положення відвалу по трьох координатах можуть проводитися за допомогою GNSS (Global Navigation Satellite System) приймача або лазерного роботизованого електронного тахеометра.

Лазерний роботизований тахеометр представляє собою пристрій, що базується на лазерним далекоміром, який вимірює дальність до призми особливої конструкції, що встановлюється на щоглі відвалу. Призма є оптичним пристроєм, який повертає (відображає) промінь в напрямі в точності протилежному напрямку його приходу. Це властивість справедливо для будь-якого напрямку в 360 градусної азимутальній зоні. За затримки приходу відбитого променя далекомір оцінює дальність.

Далекомір може відхилятися за кутом місця (вертикальна площина) і азимуту (горизонтальна площина) за допомогою електромеханічної системи. На початку роботи тахеометр автоматично сканує кутовий сектор, в якому ймовірно знаходиться призма. При виявленні потужного відбитого сигналу від призми тахеометр захоплює його і починає автоматично відслідковувати його переміщення, безперервно формуючи поточні оцінки кутів і відстаней. По двох кутах і відстані тахеометр оцінює 3D позицію призми на відвалі і передає її в блок керування на борту машини по радіоканалу. Нахил відвалу оцінюється рідинним або MEMS датчиком. У блоці управління проводиться порівняння бажаної і поточної висот (Z), а також нахилу при використанні азимута відвалу (орієнтація в горизонтальній площині). По різниці висот і кутів нахилу видається сигнал для ручного або автоматичного управління відвалом.

До лінії візування тахеометр-призма пред'являються ті ж вимоги, що й у двомірних системах. Істотною перевагою систем, що базуються на приймачах глобальних навігаційних супутникових систем (ГНСС / GNSS), на противагу оптичним є всепогодність і відсутність вимоги наявності незатіненої лінії візування. В даний час розгорнуто дві системи: американська GPS і російська ГЛОНАСС. Європейська GALILEO і китайська BEIDOU знаходяться на етапі розробки і введення в експлуатацію. Сучасні приймачі зазвичай підтримують роботу мінімум з двома системами, що дозволяє за рахунок прийому сигналів від великої кількості супутників (більше 10-ти) досягти гарної точності позиціонування навіть в умовах часткового закриття небесної сфери. Для досягнення сантиметрової точності (середньоквадратичне відхилення по висоті близько 10 мм) приймач працює в диференціальному режимі, приймаючи по окремому радіоканалу, спеціальні повідомлення (диференційні поправки) від наземної базової станції. У цьому випадку приймач працює в режимі позиціонування Real Time Kinematic (RTK). Базова станція є стаціонарним навігаційним приймачем, що встановлюються в точці з точно відомими координатами (у тому числі нульовому пункті локальної будівельної системи координат) і оснащеним передавачем диференційних поправок. Число абонентів такої базової станції на противагу лазерним системам практично необмежено, тобто на одному будівельному майданчику можуть одночасно працювати необмежена кількість машин з автоматичним управлінням і геодезистів з контрольними навігаційними приймачами. Робоча зона визначається дальністю роботи передавача і залежно від потужності та умов розповсюдження сигналу становить значення не менше кількох кілометрів. Базова станція може бути локальною і купуватися спільно з системою управління. Можна використовувати і мережеву базову станцію, доступ до якої можливий по каналах мереж стільникового зв'язку (GSM/CDMA/3G). Однак це можливо тільки при наявності відповідних операторів стільникових і навігаційних послуг у регіоні.

Також як і у випадку з тахеометром на основі, обчисленої RTK позиції відвалу X, Y, Z, нахилу та азимуту, видається сигнал для ручного або автоматичного управління відвалом. У разі підвищених вимог до точності формування 3D профілю зі значними перепадами висот потрібно точне обчислення азимута. Для цього система може бути оснащена двома приймачами GNSS, антени яких встановлюються по краях відвалу на двох щоглах або на одиночній на спеціальному кронштейні.

При необхідності забезпечення міліметрової точності (середньоквадратичне відхилення по висоті близько 3 мм) система може бути додатково оснащена лазерним приймачем, що приймає сигнал від лазерного передавача, що працює на принципі схожому з принципом лазерних 2D систем. За рахунок спеціальної розгортки лазерного променя можливо забезпечити необмежену кількість абонентів такої системи. Проте робоча зона системи обмежена радіусом декілька сотень метрів. Для забезпечення більшої зони потрібно встановлювати заново лазерний передавач або використовувати декілька лазерних нівелірів.