专利名称：土木工程机械和用于控制土木工程机械的方法
技术领域：
本发明涉及自驱动土木工程机械，具体地涉及一种路面磨铣机械、铺路机或滑模 铺料机，以及一种控制自驱动土木工程机械尤其是路面磨铣机械、铺路机或滑模铺料机的 方法。
背景技术：
存在多种已知型式的自驱动土木工程机械。具体地，这些机械包括已知的滑模铺 料机、铺路机和路面磨铣机械。这些自驱动土木工程机械的特征在于它们具有作业单元，所 述作业单元包括用于在地面上产生构造或用于对地面做出改变的作业装置。在已知的滑模铺料机中，作业单元包括用于模压可流动材料尤其是混凝土的装 置，该装置下文被称为混凝土模具。利用混凝土模具可以造出不同型式的构造，例如防撞护 栏或路沟。例如在EP 1103659B1中描述了滑模铺料机。已知的铺路机通常具有作为它们作业单元的刮板。刮板在铺路机从摊铺方向看处 于后部的那一端部布置成由下滑板支承在铺设的路面覆盖材料上并由此形成对材料的预 压实。已知的路面磨铣机械的作业单元是磨铣装置，其具有装有磨铣工具的磨铣滚筒， 通过该磨铣滚筒在预定作业宽度上材料从地面上被铣掉。已知的自驱动土木工程机械还具有驱动单元和控制单元，驱动单元具有可以执行 平移和/或旋转运动的驱动装置，控制单元用于以土木工程机械在地面上执行平移和/或 旋转运动的方式控制驱动单元。当自驱动土木工程机械得到自动控制时，产生的问题是在土木工程机械上的预设 基准点必须沿地面上的预设曲线精确移动，从而例如使预设形状的构造能够在地面上的准 确位置和准确定向上形成。控制滑模铺料机的已知方法以使用沿所需曲线铺设的导向金属线或导向线为前 提，土木工程机械上的基准点沿所述线移动。通过采用导向金属线或导向线可以有效形成 细长目标例如防撞隔离墩或路沟。然而，当要形成小尺寸的构造例如雪茄形交通岛(通过 延伸一小段距离并具有严格半径来区别)时，使用导向金属线或导向线被发现存在缺陷。还已知通过采用全球卫星定位系统(GPQ控制自驱动土木工程机械。例如从US A 5，612，864中了解到具有GPS接收器的土木工程机械。缺陷在于采用主测量系统标定目标位置以控制土木工程机械因工程项目非常复 杂并且目标必须安装在其中而导致需要很大的技术成本和很高的复杂性。尤其耗费成本和 复杂的是必须在测量系统中对多个基准点的位置实施定位。高成本和复杂性仅对较大目标 才合理。另一方面对于较小目标来说，成本和复杂性高的不成比例。安装在复杂建筑项目中的目标的另一缺陷在于实践中，对于较小目标，经常必须 为固定点例如现有的水龙头或现场的排水管留出余量，这样可能无法准确定位在它们在计 划中的位置。如果项目数据与实际局部情况不相符，则项目数据必须离开现场在办公室里以相对较高的成本得到修改，并且随后必须在现场再次读取修改后的项目数据。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种自驱动土木工程机械，尤其是路面磨铣机械、铺路 机或滑模铺料机，其在定位方面无需任何特别大的成本或复杂性就可以以高精度沿所需曲 线自动移动，所述曲线延伸相对较短行进距离并具有严格半径。另一目的是限定一种使自 驱动土木工程机械在定位方面无需任何特别大的成本或复杂性就可以以高精度沿所需曲 线自动移动的方法，所述曲线延伸相对较短行进距离并具有严格半径。根据本发明通过如下技术方案实现这些目的。依照本发明一方面的自驱动土木工程机械，具有底盘，布置在底盘上的作业单元， 其具有用于在地面上制成构造或用于使地面发生变化的作业装置，驱动单元，其具有驱动 装置以使土木工程机械可以在地面上完成平移和/或旋转移动，以及用于以土木工程机械 在地面上执行平移和/或旋转移动的方式控制驱动单元的控制单元，控制单元具有用于预 设待制造的构造或要发生变化的地面的给定几何形状的装置，用于确定数据的装置，所述 数据限定土木工程机械上的基准点相对于坐标系统的位置和/或定向，所述坐标系统独立 于土木工程机械的位置和定向，用于确定限定所需曲线的数据的装置，其被设计成使得限 定所需曲线的数据根据待制造的构造或要发生变化的地面的预设几何形状以及根据土木 工程机械上的基准点在独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统中的位置和定向得 到确定，所需曲线是土木工程机械上的基准点在独立于土木工程机械的位置和定向的坐标 系统中移动所沿的曲线，以及用于控制驱动单元的装置，其以土木工程机械上的基准点沿 起始于预设起点的所需曲线移动的方式依据限定所需曲线的数据控制驱动单元，土木工程 机械在预设起点上处于地面上的预设位置和定向。依照本发明一方面的用于控制自驱动土木工程机械，包括以下步骤预设待制造 的构造或要发生变化的地面的给定几何形状，确定限定土木工程机械上的基准点相对于坐 标系统的位置的数据，所述坐标系统独立于土木工程机械的位置和定向，基于待制造的构 造或要发生变化的地面的预设几何形状以及基于土木工程机械上的基准点在独立于土木 工程机械的位置和定向的坐标系统中的位置和定向确定限定所需曲线的数据，所需曲线是 土木工程机械上的基准点在独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统中移动所沿的 曲线，以及以土木工程机械上的基准点沿起始于预设起点的所需曲线移动的方式依据限定 所需曲线的数据控制土木工程机械，土木工程机械在所述预设起点处于地面上的预设位置 和定向。依照本发明一方面的使用如上所述的自驱动土木工程机械在地面上制造构造或 使地面发生变化的方法包括，在地面上选定土木工程机械移动的起点并规定土木工程机械 在起点的定向，土木工程机械移动到选定的起点并在起点处对准在规定的定向上，确定土 木工程机械移动的所需曲线，以及土木工程机械沿所需曲线移动以在地面上制造构造和/ 或使地面发生变化。本发明的土木工程机械包括控制单元，其具有用于预设待制造的构造或要发生变 化的地面的给定几何形状的装置。所述给定的几何形状例如可以是雪茄形的交通岛。其可 以通过机械的操作人员输入或选定。
本发明的自驱动土木工程机械还具有用于确定数据的装置，所述数据限定土木工 程机械上的基准点相对于独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统的位置和/或定 向。独立于与机械相关的坐标系统的坐标系统可以按照需要选定，因此无需在地面上绘制 多个基准点的位置。本发明的控制系统的操作基于土木工程机械移动到在地面上自由选择的预设起 点。在该预设起点处，土木工程机械对准在预设定向上。因此规定了目标的位置和定向。从 而，目标一直最佳地布置在地面上，对任何可行的固定点留有适当余量。起点可以例如位于 地面上已经存在的沟的拐角处，其位置无需与平面规划完全一致。与此同时，土木工程机械的控制单元还具有用于确定限定所需曲线的数据的装 置，所需曲线是土木工程机械上的基准点(R)在独立于土木工程机械的位置和定向的坐标 系统(X，Y，Z)中移动所沿的曲线。用于确定限定所需曲线的数据的装置被设计成使得限定 所需曲线的数据基于待制造的构造或要发生变化的地面的预设几何形状以及基于土木工 程机械上的基准点(R)在独立于土木工程机械的坐标系统(Χ，Υ，Ζ)中的位置和定向得到确 定。限定所需曲线的数据可以是由所需曲线覆盖的距离和/或其曲率。该数据取决于 目标的形状。在优选实施方式中，用于控制驱动单元的装置被设计成驱动单元依据基准点在独 立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统中的位置和定向得到控制，从而在由所需曲线 限定的土木工程机械的所需位置与其实际位置之间的距离和/或由所需曲线限定的所需 方向与实际方向之间的方向差最小。为此所需的控制算法是本领域技术人员众所周知的。本发明尤其优选的实施方式设置成使用全球卫星定位系统(GPQ确定土木工程 机械上的基准点的位置和/或定向。因此独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统是 全球卫星定位系统的坐标系统，其相对于与机械相关的坐标系统的位置和定向随着土木工 程机械在地面上的移动而稳定改变。土木工程机械具有用于解码来自全球卫星定位系统的 GPS卫星信号以及修正来自基站的信号以确定土木工程机械的位置和定向的第一和第二 DGPS接收器(漫游器)，第一和第二 DGPS接收器布置在土木工程机械上的不同位置。然而，还可以利用非卫星测量系统代替全球卫星定位系统确定基准点的位置和/ 或定向。控制单元唯一要完成的关键任务是接收限定基准点位置和定向的数据。在另一优选实施方式中，控制单元具有输入单元，其具有用于对限定待制造的构 造或要发生变化的地面的几何形状的参数进行输入的装置(7Β)。所述参数可以是限定直线 长度和/或圆弧半径的参数。在这种情况下假定目标可以被分解为直线和弧线。这一点例 如对于雪茄形交通岛是可行的。然而，也可以通过所述参数限定其他几何图形。在另一优选实施方式中，控制单元具有输入单元，其具有用于从多个几何形状中 选定一个几何形状的装置，所述多个几何形状存储在与输入单元配合的存储单元中。这一 方案的优点在于限定几何形状不必重新制成并且可以依赖于已经形成的数据集。可以例如 在作为目标的圆形和雪茄形之间做出选择。尤其优选的实施方式提供用于修改预设几何形状的装置。这一方案的优点在于可 以选择例如雪茄形的形状并可以随后调节雪茄的尺寸以适应现场的实际需要。
下文参照附图详细说明本发明的实施方式。图中图1是滑模铺料机的实施方式的侧视图，图2是路面磨铣机械的实施方式的侧视图，图3表示与土木工程机械相关的机械坐标系统以及仅被简略示出的土木工程机 械，图4表示独立于土木工程机械的位置和定向的测量坐标系统以及图3中示出的机 械坐标系统和土木工程机械，图5表示雪茄形目标的曲率和方向的曲线图，图6是在被输送到测量坐标系统之前，限定用于控制压模土木工程机械的雪茄型 目标的几何形状图，图7是在已经被输送到测量坐标系统之后，限定用于控制土木工程机械的雪茄形 目标的所需曲线图，图8表示由所需曲线限定的土木工程机械的所需位置与其实际位置之间的距离，图9表示由所需曲线限定的土木工程机械的所需方向与其实际方向之间的方向差。
具体实施例方式图1是作为自驱动土木工程机械实例的在EP 1103659B1中详细描述的滑模铺料 机的侧视图。由于滑模铺料机同样是现有技术的一部分，因此在此描述的所有内容都是对 本发明具有重要作用的土木工程机械的那些部件。滑模铺料机1具有由行走机构3承载的底盘2。行走机构3具有紧固在前提升柱 5A和后提升柱5B上的两个前履带行走机构单元4A和两个后履带行走机构单元4B。滑模 铺料机的作业方向(行进方向)由箭头A指示。履带行走机构单元4A，4B和提升柱5A，5B是滑模铺料机的驱动单元的一部分，该 驱动单元具有驱动装置以使土木工程机械可以在地面上执行平移和/或旋转运动。通过升 高和降低提升柱5A，5B,机械的底盘2可以相对于地面移动以调节其高度和倾斜度。土木工 程机械可以通过履带行走机构单元4A，4B向后和向前移动。土木工程机械由此在平移方向 具有三个自由度并在旋转方向上具有三个自由度。滑模铺料机1具有仅被简略示出用于模压混凝土的装置6，下文被称为混凝土压 模。混凝土压模是作业单元的一部分，所述作业单元具有用于在地面上生产预设形状的构 造10的作业装置。图2是作为自驱动土木工程机械另一实例的路面磨铣机械的侧视图。同样，路面 磨铣机械1也具有由行走机构3承载的底盘2。行走机构3具有紧固在前提升柱5A和后提 升柱5B上的两个前履带行走机构单元4A和两个后履带行走机构单元4B。路面磨铣机械具 有作业单元，其带有作业装置以使地面发生变化。作业单元是磨铣装置6，其具有装有磨铣 工具的磨铣滚筒6A。图3表示处于机械相关笛卡尔坐标系统(x，y，z)中的自驱动土木工程机械。土木工程机械可以是滑模铺料机、路面磨铣机械或其他任何具有适当作业的土木工程机械。本 实施方式是具有混凝土压模6的滑模铺料机1。滑模铺料机1和混凝土压模6仅被简略示 出。其具有带履带行走机构单元4A，4B的底盘2和混凝土压模6。机械坐标系统的原点是滑模铺料机1上的基准点R，作为基准点R布设的是混凝 土压模6在行进方向内侧和后部的那一边缘。该边缘与待制成的构造10的外边界相对应。 在机械坐标系统中，基准点R按如下方式确定R = xR, yR, zR = 0,0,0机械坐标系统由六自由度明确限定，包括限定平移移动的行进长度dx，dydz和限 定旋转移动的角度ω，φ，κ。为了简化，假定土木工程机械处于平地上并且不倾斜。旋转角度ω和Κ因此各 自为零。机械坐标系统和土木工程机械以旋转角度φ同样为零的方式相互校正。还假定混凝土压模6的下边缘压在地面上。这样规定基准点R的高度zR不会随 着土木工程机械在平地上的移动而改变。图4表示机械坐标系统以及独立于机械坐标系统(X，y，ζ)的笛卡尔基准系统，下 文被称为测量坐标系统(x，Y，z)。测量坐标系统(Χ，Υ，Ζ)可以自由选择。其随着土木工程 机械的移动而保留在同一位置和定向上。为了控制驱动单元，土木工程机械具有仅简略示出的控制单元7。控制单元7以土 木工程机械在地面上完成所需平移和/或旋转移动的方式控制驱动单元的驱动装置，以使 其制成构造10或使地面发生变化。控制单元7包括完成计算操作和产生驱动单元的驱动 装置的控制信号所需的全部部件。其可以构成独立的单元或者可以是土木工程机械的中心 控制系统的一部分。为了使驱动单元可以得到控制，土木工程机械在机械坐标系统(X，y，ζ)中的基准 点R的位置和/或定向被转换到独立于土木工程机械移动的测量坐标系统(X，Y，Ζ)内。在本实施方式中，基准点R的位置和定向采用仅在图4中简略示出的全球卫星定 位系统(GPQ确定。然而还可以采用非卫星地面测量系统(总站)代替卫星定位系统。由 于确定位置和定向的精度要求是严格要求，因此优选采用被称为差分全球定位系统(DGPS) 的全球卫星定位系统。在这种情况下，确定定向的基于GPS的方法基于通过布置在土木工 程机械上的不同点Si，S2处的两个DGPS接收器(漫游器(rovers))获得的位置测量。在图3和4中仅简略示出两个DPGS接收器Sl和S2。假定的更一般的情况是DGPS 接收器Sl和DGPS接收器S2位于基准点R所处的机械坐标系统原点附近，基准点R的位置 和定向在测量坐标系统中得到确定。在机械坐标系统(X，y，ζ)中通过坐标Sl = xsl, ysl，zsl 和 S2 = xs2, ys2，zs2 确定DGPS接收器Sl和S2的位置。在测量坐标系统(X，Y，Ζ)中，通过Sl = XS1，YS1，ZSl 和S2 = XS2，YS2，ZS2确定DGPS接收器Sl和S2的位置。通过采用两个DGPS接收器Sl和S2，控制单元7采用GPS系统确定限定DGPS接收 器位置的数据。控制单元7随后根据有关位置的这一数据计算在土木工程机械上的基准点 R的位置和定向，两个DGPS接收器所处位置附近所述基准点R。为此，控制单元7利用旋转 矩阵R执行转换以对由DGPS接收器Sl和S2在测量坐标系统(X，Y，Ζ)中测量的点Sl和 S2处的坐标进行转换，给出基准点R
权利要求
1.一种自驱动土木工程机械， 具有底盘⑶，布置在底盘上的作业单元(6)，其具有用于在地面上制成构造(10)或用于使地面发生 变化的作业装置，驱动单元(4A，4B ；5A，5B)，其具有驱动装置以使土木工程机械可以在地面上完成平移 和/或旋转移动，以及用于以土木工程机械在地面上执行平移和/或旋转移动的方式控制驱动单元的控制 单元(7)，其特征在于， 控制单元(7)具有用于预设待制造的构造或要发生变化的地面的给定几何形状的装置， 用于确定数据的装置，所述数据限定土木工程机械上的基准点(R)相对于坐标系统 (X，Y，Z)的位置和/或定向，所述坐标系统(X，Y，Z)独立于土木工程机械的位置和定向，用于确定限定所需曲线的数据的装置，其被设计成使得限定所需曲线的数据根据待制 造的构造或要发生变化的地面的预设几何形状以及根据土木工程机械上的基准点(R)在 独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统(X，Y，Z)中的位置和定向得到确定，所需曲 线是土木工程机械上的基准点(R)在独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统(Χ，Υ， Ζ)中移动所沿的曲线，以及用于控制驱动单元的装置，其以土木工程机械上的基准点(R)沿起始于预设起点的所 需曲线移动的方式依据限定所需曲线的数据控制驱动单元，土木工程机械在预设起点上处 于地面上的预设位置和定向。
2.如权利要求1所述的土木工程机械，其特征在于，限定所需曲线的数据限定了沿所 需曲线行进的距离和/或其曲率。
3.如权利要求1或2所述的土木工程机械，其特征在于，用于控制驱动单元的装置被设 计成驱动单元取决于基准点(R)在独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统(Χ，Υ，Ζ) 中的位置和/或定向而得到控制，使得由所需曲线限定的基准点(R)的所需位置(P)与其 实际位置(Xr，Yr)之间的距离⑶和/或由所需曲线限定的土木工程机械所需方向(α) 与其实际方向(Φ)之间的方向差(ΔΦ)最小。
4.如权利要求3所述的土木工程机械，其特征在于，用于确定限定基准点(R)的位置和 /或定向的数据的装置具有用于解码来自全球卫星定位系统(GPQ的GPS卫星信号以及修 正来自参考基站的信号以确定土木工程机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》布置在土木工程机械上的不同位置(S1，S2)。
5.如权利要求4所述的土木工程机械，其特征在于，用于确定限定基准点的位置和/或 定向的数据的装置具有属于非卫星测量系统的第一和第二接收器(Si，S2)。
6.如权利要求5所述的土木工程机械，其特征在于，用于预设待制造的构造或要发生 变化的地面的给定几何形状的装置具有输入单元(7A)，其具有用于对限定待制造的构造或 发生变化的地面的几何形状的参数进行输入的装置(7B)。
7.如权利要求6所述的土木工程机械，其特征在于，所述参数是限定直线长度和/或圆 弧半径的参数。
8.如权利要求7所述的土木工程机械，其特征在于，用于预设待制造的构造或发生变 化的地面的给定几何形状的装置具有输入单元(7A)，其具有用于从多个几何形状中选定一 个几何形状的装置(7B)。
9.如权利要求8所述的土木工程机械，其特征在于，控制单元(7)具有与输入单元 (7A)配合以及存储多个几何形状的存储单元(7C)。
10.如权利要求9所述的土木工程机械，其特征在于，输入单元(7A)具有用于修改几何 形状的装置(7B)。
11.如权利要求10所述的土木工程机械，其特征在于，控制单元(7)具有用于使土木工 程机械在地面上的预设起点处开始移动的装置(7D)，在所述预设起点处，土木工程机械处 于预设位置和定向。
12.如权利要求11所述的土木工程机械，其特征在于，控制单元(7)具有用于使土木工 程机械停止沿所需曲线移动的装置(7D)。
13.如权利要求12所述的土木工程机械，其特征在于，土木工程机械是路面磨铣机械 (1)，作业单元具有带磨铣滚筒(6A)的磨铣装置(6)。
14.如权利要求12所述的土木工程机械，其特征在于，土木工程机械是滑模铺料机 (1)，作业单元具有用于模压可流动材料的装置(6)。
15.如权利要求12所述的土木工程机械，其特征在于，土木工程机械是铺路机(1)，作 业单元具有用于使材料成形的刮板(6)。
16.如权利要求1所述的土木工程机械，其特征在于，土木工程机械是滑模铺料机、铺 路机或路面磨铣机械。
17.一种用于控制自驱动土木工程机械，包括以下步骤预设待制造的构造或要发生变化的地面的给定几何形状，确定限定土木工程机械上的基准点(R)相对于坐标系统(X，Y，Z)的位置的数据，所述 坐标系统(X，Y，Ζ)独立于土木工程机械的位置和定向，基于待制造的构造或要发生变化的地面的预设几何形状以及基于土木工程机械上的 基准点(R)在独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统(Χ，Υ，Ζ)中的位置和定向确定 限定所需曲线的数据，所需曲线是土木工程机械上的基准点(R)在独立于土木工程机械的 位置和定向的坐标系统(X，Y，Ζ)中移动所沿的曲线，以及以土木工程机械上的基准点(R)沿起始于预设起点的所需曲线移动的方式依据限定 所需曲线的数据控制土木工程机械，土木工程机械在所述预设起点处于地面上的预设位置 和定向。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，限定所需曲线的数据限定了沿所需曲线 行进的距离和/或其曲率。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，土木工程机械取决于基准点(R)在 独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统(Χ，Υ，Ζ)中的位置和/或定向而得到控制， 使得由所需曲线限定的基准点(R)的所需位置⑵与其实际位置OCrJr)之间的距离⑶ 和/或由所需曲线限定的土木工程机械所需方向(α)与其实际方向(Φ)之间的方向差 (Δ Φ)最小。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，预设待制造的构造或发生变化的地面的给定几何形状的步骤包括限定几何形状的参数的输入，和/或从多个几何形状中选定一个 几何形状。
21. 一种使用如权利要求1-16中的一项所述的自驱动土木工程机械在地面上制造构 造或使地面发生变化的方法，其特征在于，在地面上选定土木工程机械移动的起点并规定土木工程机械在起点的定向， 土木工程机械移动到选定的起点并在起点处对准在规定的定向上， 确定土木工程机械移动的所需曲线，以及土木工程机械沿所需曲线移动以在地面上制造构造(10)和/或使地面发生变化。
全文摘要
本发明涉及一种自驱动土木工程机械，尤其是滑模铺料机、铺路机或路面磨铣机械，以及一种控制自驱动土木工程机械的方法。本发明的土木工程机械包括控制单元(7)，其具有用于确定数据的装置，所述数据限定土木工程机械上的基准点(R)相对于独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统(X，Y，Z)的位置和/或定向。与此同时，土木工程机械还具有用于确定在独立于土木工程机械的位置和定向的坐标系统(X，Y，Z)中限定所需曲线的数据的装置以及用于以土木工程机械上的基准点(R)沿起始于预设起点的所需曲线移动的方式依据限定所需曲线的数据控制驱动单元的装置，土木工程机械在预设起点上处于地面上的预设位置和定向。
文档编号E01C19/48GK102102337SQ20101059590
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月20日 优先权日2009年12月18日
发明者C·巴里马尼, G·亨, M·弗里茨 申请人:维特根有限公司