[发明专利]基于GPS-RTK技术的平地机人工辅助自动驾驶与找平装置

摘要

本发明涉及一种基于GPS‑RTK技术的平地机人工辅助自动驾驶与找平装置，该装置采用了两个分别安装在铲刀左右两端的左侧和右侧铲刀刃角位置GPS‑RTK传感器，以及一个安装在牵引架中部的铲刀倾角传感器对铲刀进行定位，配合驾驶员的辅助操控，使平地机在自动驾驶的状态下对具有纵横坡度的“待平整面”进行自动平整；本装置还可对作业基准线预设高程，并对暂停车处的临时性起始桩点的桩点参数进行暂存，使平地机可以在临时性起始桩点处重复起步，即可继续暂停车前的平整作业，也可通过启用新的控制线程，对局部路段进行自动找平处理，实现多层次和层层精平整的自动找平作业，扩大了平地机的应用范围，增强了其适用性。

主权项

1.基于GPS-RTK技术的平地机人工辅助自动驾驶与找平装置，其特征在于：它由以下16部分组成，它们分别是GPS-RTK基站(1)，左侧铲刀刃角位置GPS-RTK传感器(以下简称左侧传感器)(2)，左侧铲刀刃角位置GPS-RTK传感器支架(以下简称左侧传感器支架)(3)，右侧铲刀刃角位置GPS-RTK传感器(以下简称右侧传感器)(4)，右侧铲刀刃角位置GPS-RTK传感器支架(以下简称右侧传感器支架)(5)，铲刀横向倾角传感器(以下简称倾角传感器)(6)，倾角传感器支架(7)，左侧铲刀升降油缸电磁比例液压换向阀(以下简称左侧电液换向阀)(8)，右侧铲刀升降油缸电磁比例液压换向阀(以下简称右侧电液换向阀)(9)，左侧铲刀升降油缸电液换向阀手动按钮或按键或摇杆(以下简称左侧电液换向阀按键)(10)，右侧铲刀升降油缸电液换向阀手动按钮或按键或摇杆(以下简称右侧电液换向阀按键)(11)，左侧铲刀升降油缸手动换向阀阀芯行程开关(以下简称左侧手动换向阀行程开关)(12)和右侧铲刀升降油缸手动换向阀阀芯行程开关(以下简称右侧手动换向阀行程开关)(13)、前轮转向电液换向阀或折腰转向电液换向阀(以下简称转向电液换向阀)(14)、控制面板(15)和控制盒(16)。所述的左侧传感器(2)或右侧传感器(4)可以与GPS-RTK基站(1)直接无线连接，也可以与CORS站或GPS-RTK卫星站直接无线连接；所述左侧传感器(2)、控制盒(16)和转向电液换向阀(14)连接，构成选择左侧寻迹时的左侧自动驾驶控制单元，而右侧传感器(4)、控制盒(16)和转向电液换向阀(14)连接，则构成选择右侧寻迹时的右侧自动驾驶控制单元；所述的左侧传感器(2)、控制盒(16)和左侧电液换向阀(8)连接，构成铲刀左侧对比铲刀刃角点高程(简称对比刀点)自动找平控制单元，而右侧传感器(4)、控制盒(16)和右侧电液换向阀(9)连接，则构成铲刀右侧对比刀点自动找平控制单元；所述的倾角传感器(6)、控制盒(16)和左侧电液换向阀(8)连接，构成铲刀左侧对比铲刀横向倾角(简称对比刀角)自动找平控制单元，而倾角传感器(6)、控制盒(16)和右侧电液换向阀(9)连接，则构成铲刀右侧对比刀角自动找平控制单元；当选择铲刀任意一侧作为对比刀点控制侧时，该侧为人工驾驶或自动驾驶寻迹侧，也为半自动或自动找平时的手动升降铲刀侧，另一侧则为对比刀角控制侧；所述的左侧电液换向阀按键(10)、控制盒(16)和左侧电液换向阀(8)连接，构成左侧手动高程电液控制单元，而右侧电液换向阀按键(11)、控制盒(16)和右侧电液换向阀(9)连接，则构成右侧手动高程电液控制单元，该左侧和右侧手动高程电液控制单元主要用于平地机入线时的高程对刀作业；所述的左侧手动换向阀行程开关(12)及其联动的左侧手动换向阀与控制盒(16)连接，构成有开关信号输出的左侧手动高程控制单元，而右侧手动换向阀行程开关(13)及其联动的右侧手动换向阀与控制盒(16)连接，则构成有开关信号输出的右侧手动高程控制单元，该左侧和右侧手动高程控制单元输出的开关电信号主要用于平地机走刀行程结束时引导系统结束控制程序的运行；所述各组成部分或其中某一部分的内部各零部件之间，通过各类接口与接头，插座与插头，以有线或无线的方式连接；系统工作前需要做5项初始化准备工作，其内容包括：准备1：将作业基准线上各桩点的桩点参数包括平面坐标Ki(xi，yi)及其坐标方位角Ki(ci)、高程Ki(zi)、纵坡度(正负号)Ki(vi)、横坡度Ki(si)和桩间距Ki(di)数据输入系统：通过控制面板(15)上的键盘输入或U盘将作业基准线上的桩点参数，包括增补作业基准线上的增补桩点参数采录到控制盒(16)中，需要说明的是，桩点参数中的坐标方位角、横坡度和桩间距数据具有方向性，逆向作业时需要做相应的处理，起终点及桩点编号需要另行定义；一个矩形的作业基准面一般可用两条纵向平行且桩点数相同的作业基准线表示，对于道路上的中线桩、左右对称的左边桩和右边桩的桩点参数，一般可以从施工图设计文件中直接采录，而对于横向需要加密的增补作业基准线上的增补桩点参数，最好借助于诸如公路施工测量坐标计算系统等软件工具对其进行预处理，或在施工图设计时，委托设计单位对施工图设计文件的相关内容预先进行细化设计，以适应平地机拼接式作业的需要，或自行根据已知的桩点参数对增补桩点参数进行预先解算，然后再进行增补桩点参数的采录工作；当道路具有中间高两边低的路拱时，为了便于桩点横坡度的标记，道路的中线桩应区分为左中桩和右中桩，以便区分横坡度的正负号，当定义以中线桩为基准，水平坡的横坡度值为0，左倾坡或逆时针旋转的角度为正，右倾坡或顺时针旋转的角度为负时，作业行驶方向改变，横坡度值的正负号需要改变；当逆向作业时，纵坡度是指该桩点作为起始桩点到下一个到达桩点的坡度值，该值的正负号也需要改变，坐标方位角则需要将顺向坐标方位角±180°，而桩间距是该桩点作为起始桩点到下一个到达桩点的间距，在平曲线转弯路段，存在左或右边桩的桩间距不相等的情况，需要做出相应的调整；可将一条作业基准线上桩点的平面坐标通过打桩或打灰点的方式标记在待平整地面上，供人工驾驶时驾驶员追寻轨迹使用；对某一作业面进行多层次施工时，只需依次将作业基准线上所有相关桩点参数中的高程值增加一个增量即可；准备2：左侧传感器(2)和右侧传感器(4)的初始坐标转换参数值的设定：通过二者本身的键盘或控制面板(15)上的键盘，将测量好的左侧传感器(2)和右侧传感器(4)上的对中杆长度与对中杆末端至铲刀刃角点连线长度二者之和作为初始坐标转换参数值，输入到左侧传感器(2)和右侧传感器(4)中；准备3：左侧传感器(2)、右侧传感器(4)和倾角传感器(6)的动态输出信号的刷新频率设定：需根据平地机行驶速度或档位，以及相应的电液控制系统响应时间和平整度要求进行选择和设置，并应与自动驾驶和自动找平控制系统的循环控制频率或周期相匹配，一般而言，平地机每行进一段0.1m-1.0m的距离，在相应的时间内，左侧传感器(2)、右侧传感器(4)和倾角传感器(6)应至少分别输出一组或一个更新的桩点参数的信号，以便控制系统可以执行一个纠偏动作；准备4：左侧传感器(2)、右侧传感器(4)和倾角传感器(6)初始位置的校准和标定：在较为平坦的作业场地的起始区域，将编号相同的左边桩与右边桩的连线撒上灰作为起始作业线，选择两条横向间距小于铲刀长度并与起始作业线相交的一段作业基准线，依照桩点的平面坐标将这两条作业基准线打上桩或灰点，再将起始作业线上的两个桩或灰点改做成砖面上撒灰的砖灰点，砖灰点的带灰砖面高程即为该桩点的高程；将平地机铲刀回正(其长度方向与行驶方向垂直或铲刀水平回转角为0°)，并将铲刀切削角调整到工作位，机身纵向与已经标记的作业基准线平行，人工驾驶平地机分左右两次入线，每次在到达起始作业线时，停车并将铲刀落在两个砖灰点上，通过将铲刀刃角落在砖灰点上进行对中的方式，依次进行左侧传感器(2)和右侧传感器(4)的校准和标定，同时进行倾角传感器(6)的校准和标定；校准和标定的具体方法是：分别调整左侧传感器支架(3)、右侧传感器支架(5)和倾角传感器支架(7)，使其中的左侧传感器(2)和右侧传感器(4)的对中杆保持与水平地面垂直并过铲刀刃角点，使其中的倾角传感器(6)的安装平面与地面平行，且其倾角轴线与牵引架纵向中线平行，调至当左侧传感器(2)、右侧传感器(4)和倾角传感器(6)所输出或显示出的数值与该桩点的桩点参数值相符时，将所述左侧传感器支架(3)、右侧传感器支架(5)和倾角传感器支架(7)的活动连接部分进行锁定；准备5：作业条件的限定：驾驶员通过控制面板(15)上的按键(参见图3)，可以对作业条件和左右侧对刀进行设定，以便引导程序的运行和简化程序运行的细步，同时可以明晰作业状态，方便驾驶员操作；为便于叙述，假设的作业条件为：作业面为左倾坡、上坡；作业线位于测量坐标系(上/北x轴-右/东y轴)的第一象限、作业线上桩点编号的顺序同里程桩一致，自左向右顺向作业，坐标方位角0°＜ci＜90°，方向为右上；采用铲刀左侧对比刀点对刀；需要说明的是，如果作业条件和对刀侧发生改变，下述步骤中的相关算法需要做出相应的调整，由于它们的控制原理和过程相同，程序中相应的子循环语句或子循环段落的结构相同，不再赘述；本项准备工作的操作过程为：在起始作业线上，可以通过摆放砖灰点或打桩的方式将起始桩点Ki(xi，yi，zi)放样；驾驶员可以借助于GPS-RTK传感器输出的定位信息，通过控制面板(15)上的菜单键和选择确认键，配合屏幕上的可以是网格形作业基准线图解界面所显示的节点位置及其坐标数值，进行起始桩点K

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