专利名称：铺路机控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及对于铺路机的改进的控制装置和机器运行的方法，更具体地，涉及用于控制具有被牵引经过铺路区域的表面、修整表面外形的、一体化的整平板(screed)的铺路机的这样的控制装置和方法。
背景技术：
这种类型的铺路机典型地包括拖拉机或牵引车，它在要铺路的路基上在整平板前面移动。铺路机在路基上涂覆一层浙青或其它铺路材料，浙青层的厚度和外形由在牵弓I车后面的被牵引的“浮动的”整平板确定。整平板在它的下表面上具有平板，它在牵引车后面在被涂覆的浙青上移动。整平板包括一对向前延伸的牵引臂，它们在牵引点处被连接到牵引车。牵引点由牵引车的液压缸进行提升和下降。当牵引点提升时，整平板的平板的前边缘被提升，以及整平板的平板的攻角(theangle of attack)被改变成使得平板向上整平正好在整平板前面的被涂覆在路基上的浙青。这导致浙青层的顶面高度上升，并导致在路基上更厚的浙青层。相反，当牵引点降低时，整平板的平板的前边缘也降低，调整平板到向下的平面，降低浙青层的顶面。将会意识到，整平板将平滑铺路材料层的顶面，而同时，控制这个面的垂直位置和浙青层的厚度。铺路机把铺路材料涂覆在路基上，以使得铺路材料的顶面仿照想要的立面图外形 (elevation contour)。在某些情形下，浙青的顶面相对于相邻的基准表面进行外形修整。 例如，当浙青的第二带条挨着浙青的第一带条被涂覆在路床上时，希望这两个带条的表面高度在它们互相毗邻的接缝处精确地匹配。作为另一个例子，当浙青层挨着现有的路缘被涂覆在路基上时，可能希望浙青表面的高度可以相对于路缘进行精确地控制。在其它的情形下，浙青被修整成匹配于由勘测员设置的基准。例如，勘测员可能以前勘测过要被铺设的路或其它表面，并设置一系列标桩，具有从一个标桩的顶部连到下一个标桩的顶部的基准细绳。在所有的这些事例中，被涂覆的铺路材料的顶面的垂直位置必须相对于某种基准进行精确地控制，这需要牵引臂的牵引点被精确地控制。在其它铺路操作中，铺路表面的想要的外形在三维数据库中被规定，铺路机的位置，包括整平板，借助于GPS接收机、激光接收机、自动化总站系统、或类似的系统被监视。在这些情形下，铺路机工作时涂覆铺路材料层， 这些材料层在外形上和厚度上与在数据库中规定的参数相匹配。铺路机整平板由许多方式进行控制。当浙青表面的水平要遵循与要铺路的区域相邻的基准面，诸如，以前铺路的表面或由勘查员定位的细绳时，通常用一个或多个传感器来测量基准面的垂直位置。传感器确定离基准面的距离，这些距离可被使用来控制牵引点的高度。在铺路机的相反端处的牵引点可以被提升或降低相同的量，或它可以通过使用其它传感器被独立地控制。将会意识到，如果铺路机没有在移动，则仅仅提升牵引点不会造成在整平板的平板的后缘处的浙青水平的改变。浙青的顶面的水平的任何改变必须缓慢地和没有过冲地完成，以便保持浙青的平滑的、无波纹的表面。结果，通常沿整平板在别处测量垂直基准高度。 然而，这个方法可能需要随时间人工地调节整平板的水平。用于这种类型的整平板的控制系统感受到不同的测量增益，取决于基准高度传感器被放置在整平板的哪个地方。例如，如果高度传感器位置接近于整平板牵引臂的牵引点， 则系统将更善于在铺路机在不平的地面上移动时使得牵引点保持在恒定的高度。可以预期这将导致在整平板后面的平滑的浙青表面。然而，高度精度或在整平板背后的浙青垫层的厚度的控制可能不是非常好，因为这取决于既没有直接也没有间接控制的整平板攻角。由于对于这样的装置，在传感器与整平板的后缘之间有很大的距离，整平板的攻角的误差被放大为整平板的后缘处的高度误差。相反，如果高度传感器被放置在靠近整平板的后缘，则整平板退出(exit)高度可被看作为更接近于目标高度或垫层厚度，因为整平板的攻角的误差不被传播到这么大的距离。然而，在这种情形下，反馈增益是相当低的(即，响应于牵引点高度的相当大的改变，传感器只检测到小的移动)，因此，任何传感器测量误差将导致牵引点液压缸的更大的移动。这又减小最终得到的浙青表面的平滑度。希望能够测量在整平板的平板的后缘处的浙青的高度，并且不需要由操作员人工控制而作出适当的调节。因此，可以看到，需要一种改进的铺路机控制装置和机器控制的方法。
发明内容
提供了用于在工作地点把诸如浙青那样的材料加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板在机器后面越过材料的顶面的机器的控制装置。浮动的整平板通过牵引臂在牵引臂的牵引点处被附着到机器上。牵引点的垂直高度由在机器上的液压缸响应于由阀门控制驱动器施加到液压阀门上的阀门控制信号而进行控制。整平板位置确定在路基上材料的厚度，它通过调节牵引点的高度而被操控。控制装置包括被安装在浮动的整平板上的第一传感器，用于感测三维位置；和第二传感器，感测整平板的倾斜。处理器电路响应于第一和第二传感器，用于确定在第一传感器下面的整平板的平板的高度、在第一传感器后面的整平板的平板的后缘的高度、和整平板在材料的顶面上的移动。处理器电路得出对于阀门控制驱动器的调节的高度误差值，以使得当整平板的平板行进预定的最小距离时牵引点可以只被调节不大于预定的量。调节的高度误差值可以与来自三维定位系统的牵引点校正值相组合。第一传感器包括被安装在整平板上的多种类型传感器的任何的传感器，用于感测材料表面的高度。例如，第一传感器可以是用于机器人站的目标、GPS接收机、或其它传感器。第二传感器包括被安装在整平板上的倾斜仪。处理器电路可以在可编程计算机中被实施。提供了对于把材料加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法。浮动的整平板通过牵引臂在牵引臂的牵引点处被附着到机器上。牵引点的垂直高度由在机器上的液压缸进行控制。整平板确定在路基上材料的厚度。整平板通过响应于由三维定位系统提供的牵引点校正值调节牵引点的高度而被操控。方法包括以下步骤感测整平板的后缘的三维位置；确定整平板的平板的后缘的高度和整平板在材料的顶面上的移动；比较整平板的平板的后缘的想要的高度与整平板的平板的后缘的确定的高度，并得出高度误差值；调节高度误差值；以及组合调节的高度误差值与牵引点校正值，以使得当整平板的平板行进预定的最小距离时牵引点可以只调节不大于预定的量。
图1是包括整平板的用于浙青的传统的铺路机的侧视图；图2是整平板的示意图，显示了把浙青施加到表面；图3是类似于图2的整平板的视图，显示当牵引臂下降和提升时整平板向前和向后倾斜的方式；图4是类似于图2的整平板的视图，显示它在桅杆上装配有传感器；图5是显示整平板和桅杆的倾斜的几何关系的示意图；图6是整平板的示意图和控制系统的示意图；图6A是略微更大的细节显示图6的控制系统的示意图；以及图7是除了 2D控制系统和3D定位系统以外实施外部环路的控制系统的示意图。
具体实施例方式参考图1，图上显示在工作地点把浙青材料加到路基12上的浙青铺路机10。铺路机10包括具有整平板的平板16的浮动的整平板14。机器10拖拉整平板14越过在机器后面的涂覆的材料的顶面18。浮动的整平板14通过牵引臂20在牵引臂的牵引点22处被附着到机器10上。牵引点22的垂直高度由在机器上的液压缸M进行控制。整平板14平滑顶面18，并且在牵引点22的高度被调节时确定在路基上的材料的厚度。虽然在图上只能看到一个牵引臂20，但将会意识到，整平板14将通过一对这样的牵引臂20被拖拉，在整平板的每一侧有一个牵引臂，这两个牵引臂在牵引点处被提升和下降。牵引臂的运动典型地被独立地控制。正如将意识到的，参考图2，浙青整平板14在路基12上涂覆大量的热浙青铺路材料30的铺路机(未示出)后面进行拖刮。整平板14被设计成在新的铺路的表面上“浮动”。通过液压缸M提升和降低牵引点22而提升和降低整平板14的前端，结果是在整平板14的底部上，整平板的平板16的攻角被改变。这又改变被铺路机涂覆的浙青材料层的厚度32。如图3所示，如果停歇在路基12上的静止的整平板14提升和降低它的牵引臂20， 整平板14就将围绕整平板的平板16的后缘17枢轴旋转，边缘17保持与路基12接触。整平板的平板16的攻角将相对于地表面被改变。当浙青材料从铺路机被引入到整平板14的前面时，整平板14在材料上向上浮动的程度取决于整平板攻角、整平板的行进速度、浙青材料的一致性和温度、整平板的重量、和各种其它因素。如果速度、整平板前面的材料量、地面条件和所有的其它条件保持不变，则整平板将固定到恒定的、稳态的攻入角度，最终得到的浙青垫层将保持恒定的厚度。当牵引点液压缸被提升时，整平板的攻入角度有相应的初始改变，整平板围绕整平板的平板16的后缘17向上地进行枢轴旋转。然而，当铺路机向前移动时，由于作用在整平板的前面的头部材料的增加的攻角，整平板后缘17将开始上升。当后缘17缓慢上升时， 攻角将缓慢地下降，直至达到新的稳态为止。实际上，稳态的攻角将趋于保持相对恒定的， 以使得在整平板在两臂的几个长度的数量级上行进短距离后，牵引点高度的改变将导致整平板的平板16的后缘17的高度的相应改变。当牵引点液压缸降低时，可以看到相同的效果。一旦整平板在向前移动足够远后固定到稳态，最后得到的垫层厚度实际上将减小同样的距离。整平板的控制，部分是由三维控制系统实施，该三维控制系统监视传感器50的三维位置，然后确定在传感器50下的点51的位置。点51是在桅杆52下面的空间中的点，如果整平板攻角是零，它是在地面水平。液压缸M被扩张和收缩，以便降低和提升牵引臂的牵引点22，这样，点51在高度上被控制。正如下面更详细地说明的，系统还监视整平板的平板16的后缘17和在后缘17处的高度与在后缘17处的想要的高度，以改变设置点，保持材料的想要的顶面高度。正如以前描述的，铺路的表面的高度，在任何以后的滚筒碾压操作之前，由整平板后缘17的高度规定。为了控制后缘17的高度，控制系统利用高度传感器，它确定整平板的平板16的后缘17的高度。这样，这个高度可以与想要的高度相比较。然后根据这个比较的结果，进行牵引点高度的适当的校正。将会意识到，整平板的相反端可以以相同的方式同时被控制。装置包括被显示为机器人总站目标的第一传感器50，其借助于桅杆52被安装在浮动的整平板14上，用于感测三维位置；和被显示为倾斜仪M的第二传感器，用于感测整平板的倾斜角a。正如已知的，机器人总站将波束对准目标50，测量飞行的时间，和波束的方向，然后经由无线链路发送目标的位置。当目标移动时，机器人总站跟踪该移动，提供更新的位置信息。图5在描述传感器50相对于整平板的平板16的后缘17的位置时是有用的。在桅杆52是垂直的和整平板的平板16是水平时，在整平板的平板16 (包括后缘17)上方的位置50A处传感器50的高度，被表示为M,以及在桅杆52是垂直的和整平板的平板16是水平时，从在传感器下面的、在整平板上的点51到后缘17的距离，被表示为P。在整平板14 向后倾斜一个角度α时，在整平板的平板16的后缘17上方的位置50Β处传感器的高度， 被表示为Μ，。在传感器与整平板的平板16的后缘17之间的距离L对于给定的整平板装置当然保持为恒定的。参照图5，将会意识到Sin(a+β ) = M，/L所以，Μ，=L sin(a +β )展开后，Μ， =L sin ( a ) cos ( β ) +L cos ( a ) sin ( β )替代后，Μ，=L sin ( a ) (P/L) +L cos ( a ) (M/L)因此，Μ，= P sin(a )+M cos(a )
所以，如果角度α被测量，则容易确定在传感器50的下面和后面，整平板的平板 16的后缘17的距离Μ’。为了测量紧接在传感器50的后面的后缘高度，提供倾斜角传感器 54，它允许系统计算出整平板攻角α的改变。结果，在桅杆52后面，整平板的平板的后缘的高度正好是传感器50的高度减去距离Μ’。如果以类似的方式确定在整平板的相反端处边缘17的高度，则在整平板的两端之间的点处的边缘的高度可以通过简单的内插而被确定。将会意识到，如果整平板14具有很大的横向坡度倾斜，则这也将影响后缘17的高度的决定，必须作出适当的校正。附加的倾斜仪可被安装在整平板上，用来确定横向坡度倾斜。 在直接的反馈环路中不可能使用整平板的后缘17的位置来控制整平板高度，因为反馈增益在边缘17处是零，即，传感器将不检测响应于牵引点22的高度改变的任何的高度改变。 因此，使用三维位置控制，在控制系统中引入辅助反馈环路，在其中根据与想要的高度相比较的后缘17的高度的误差，作出设置点的小的调节。正如下面说明的，设置点以平滑最终得到的材料表面的方式被改变。正如将会意识到的，用于这种类型的整平板的控制系统只能改变牵引点液压缸M 的扩张和牵引点22的高度，这对于后缘17的垂直高度没有直接的和立即的影响。而且，即使在相对较快的铺路速度下，在牵引点22的位置被改变与整平板的平板16的后缘17的高度最终改变之间有很大的时间滞后。在铺路机控制系统的运行方面的重要的考虑在于，它必须提供足够的表面平滑度。具体地，它必须不会使得整平板14作出大的、突然的高度改变来导致达到想要的表面平滑度水平。典型地，希望在3米的表面上进行表面行进时，不大于最大的3mm的偏差。另外，控制系统必须响应于在牵引点22处作出的高度改变，提供整平板后缘的自然的滞后。 实际上，这个滞后的大小主要是整平板所行进的距离的函数，而不是延时。控制系统通过进行由下面的伪代码说明的程序过程作出不太经常的调节(例如， 在改变之间的不小于5米的行进距离)而满足这两个要求开始循环开始监视来自传感器的提升/降低值向前行进距离D (例如，5米)计算在上一个行进距离D上“过滤的”提升/降低值δ H把δ H硬限制到最大值(例如，+/-3mm)，以避免大的阶跃改变如果δ H大于最小的提升阈值(例如，+Imm)，则将高度调节增加δ H否则如果δ H大于最小的降低阈值(例如，-Imm)，则将高度调节减小δ H结束循环
权利要求
1.一种用于把材料施加到在工作地点处的路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，所述浮动的整平板通过牵引臂在所述牵引臂的牵引点处被附着到机器上，所述牵引点的垂直高度由在所述机器上的液压缸响应于由阀门控制驱动器施加到液压阀门上的阀门控制信号而进行控制，所述整平板确定在路基上的材料的厚度以及通过调节所述牵引点的高度而被操控，所述控制装置包括被安装在浮动的整平板上的第一传感器，用于感测三维位置；第二传感器，用于感测所述整平板的倾斜；存储器，用于存储被施加到在所述工作地点处的所述路基上的材料的顶面的想要的外形，处理器电路，响应于所述第一和第二传感器以及存储器，用于确定整平板的平板的后缘的高度和整平板在材料的顶面上的移动，用于得出高度误差值，以及用于提供对于所述阀门控制驱动器的调节的高度误差值以使得当所述整平板的平板行进预定的最小距离时， 牵引点可以被调节预定的量。
2.按照权利要求1的用于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，其中所述第一传感器包括被安装在整平板的桅杆上的传感器，用于感测材料表面的高度。
3.按照权利要求1的用于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，其中所述第一传感器包括被安装在整平板上的用于自动化总站的目标，用于感测材料表面的高度。
4.按照权利要求1的用于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，其中所述第二传感器包括被安装在所述整平板上的倾斜仪。
5.按照权利要求1的用于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，其中所述处理器电路和所述存储器在可编程计算机中被实施。
6.一种对于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法，所述浮动的整平板通过牵引臂在所述牵引臂的牵引点处被附着到机器上，所述牵引点的垂直高度由在所述机器上的液压缸响应于被施加到液压阀门的阀门控制信号而进行控制，所述整平板确定在路基上的材料的厚度，以及所述整平板通过调节所述牵引点的高度而被操控成使得材料的顶面遵循基准面，所述机器具有传感器，用于感测整平板的平板的后缘的整平板头部的位置，该方法包括以下步骤感测在传感器下面的整平板的平板的高度和提供牵引点校正值；感测整平板的后缘的三维位置；确定整平板的平板的后缘的高度和整平板在材料的顶面上的移动；存储被施加到在所述工作地点处的所述路基上的材料的顶面的想要的外形；比较整平板的平板的后缘的想要的高度与在整平板的平板在材料的顶面上移动时整平板的平板的后缘的确定的高度，并得出高度误差值；调节高度误差值；以及按照整平板的平板在材料的顶面上的移动，组合所述高度误差值与所述牵引点校正值，并把组合值提供给所述阀门控制驱动器，以使得当所述整平板的平板行进预定的最小距离时牵引点可被调节预定的量。
7.按照权利要求6的对于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法，其中感测整平板的后缘的三维位置的步骤包括感测被安装在固定到所述整平板的支撑件上的传感器的位置的步骤。
8.按照权利要求6的对于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法，其中感测整平板的后缘的三维位置的步骤包括感测被安装在固定到所述整平板的支撑件上的自动化总站目标的位置的步马聚ο
9.按照权利要求6的对于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法，其中感测整平板的后缘的三维位置的步骤还包括感测整平板的倾斜的步骤。
10.按照权利要求6的对于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法，其中调节所述高度误差值的步骤包括限制所述高度误差值的步骤。
11.一种用于把材料施加到在工作地点处的路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，所述浮动的整平板通过牵引臂在所述牵引臂的牵引点处被附着到机器上，所述牵引点的垂直高度由在所述机器上的液压缸响应于由阀门控制驱动器施加到液压阀门上的阀门控制信号而进行控制，所述整平板确定在路基上的材料的厚度，并且通过调节所述牵引点的高度而被操控，所述控制装置包括多个传感器，用于感测浮动的整平板的位置和倾向；处理器电路，响应于所述多个传感器，用于确定整平板的平板的后缘的高度和整平板在材料的顶面上的移动，和用于得出高度误差值，以便确定整平板的平板高度和提供牵引点校正值，以及用于组合所述牵引点校正值和所述高度误差值，并把组合值提供给所述阀门控制驱动器，以使得当所述整平板的平板行进预定的最小距离时牵引点可以被调节不大于预定的量。
12.按照权利要求11的用于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，其中所述多个传感器包括被安装在整平板上的一个或多个传感器，用于感测材料表面的高度。
13.按照权利要求11的用于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，其中所述多个传感器包括被安装在整平板上的倾斜仪。
14.按照权利要求13的用于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，其中所述多个传感器包括被安装在整平板上的一个或多个机器人总站目标，用于感测材料表面的高度。
15.按照权利要求11的用于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器的控制装置，其中所述处理器电路在可编程计算机中被实施。
16.一种对于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法，所述浮动的整平板通过牵引臂在所述牵引臂的牵引点处被附着到机器上，所述牵引点的垂直高度由在所述机器上的液压缸响应于被施加到液压阀门的阀门控制信号而进行控制，所述整平板确定在路基上的材料的厚度，以及所述整平板通过调节所述牵引点的高度而被操控成使得材料的顶面遵循基准面，该方法包括以下步骤确定在整平板的平板的后缘头部的传感器下面的顶面的高度； 比较在整平板的平板的后缘头部的传感器下面的顶面的高度与设计的表面高度，以便提供牵引点校正值；确定整平板的平板的后缘的高度和整平板在材料的顶面上的移动； 比较整平板的平板的后缘的想要的高度与整平板的平板在材料的顶面上移动时整平板的平板的后缘的确定的高度，并得出高度误差值； 调节所述高度误差值；以及按照整平板的平板的后缘在材料的顶面上的移动，组合所述调节的高度误差值与所述牵引点校正值，并把组合值提供给所述阀门控制驱动器以使得当所述整平板的平板行进预定的最小距离时牵引点可被调节预定的量。
17.按照权利要求16的对于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法，其中按照整平板的平板的后缘在材料的顶面上的移动，把所述限制的高度误差值施加到所述阀门控制驱动器，以使得当所述整平板的平板行进预定的最小距离时牵引点可被调节不大于预定的量的步骤包括通过使用在所述整平板上的机器人总站目标确定行进的距离的步骤。
18.按照权利要求16的对于把材料施加到路基上并拖拉具有整平板的平板的浮动的整平板越过机器后面的材料的顶面的机器进行控制的方法，还包括调节所述高度误差值的步骤，该步骤包括限制所述高度误差值的步骤。
全文摘要
一种铺路机控制装置和方法，其中浮动的整平板通过牵引臂在所述牵引臂的牵引点处被附着到机器上。牵引点的垂直高度由在所述机器上的液压缸响应于由阀门控制驱动器施加到液压阀门上的阀门控制信号而进行控制。整平板确定在路基上的材料的厚度以及通过调节牵引点的高度而被操控。第一传感器被安装在浮动的整平板上，用于感测三维位置。第二传感器用于感测所述整平板的倾斜。处理器电路响应于第一和第二传感器，用于确定整平板的平板的后缘的高度和整平板在材料的顶面上的移动。所调节的高度误差值与由三维定位系统产生的牵引点校正值相组合，以便给出当整平板的平板行进预定的最小距离时牵引点被调节不大于预定的量。
文档编号E01C23/01GK102220738SQ20111008545
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月7日 优先权日2010年4月14日
发明者A·J·沃斯利, J·G·L·希尔 申请人:卡特彼勒特林布尔控制技术有限责任公司