Існуючі способи і методи проектування базової траєкторії для водіння технологічних машин
Міністерство освіти і науки, молоді
та спорту України
Полтавський національний технічний
університет імені Юрія Кондратюка
РЕФЕРАТ
на тему
"Існуючі способи і методи
проектування базової траєкторії для водіння технологічних машин”
Зміст
1. Загальні принципи задання базової траєкторії для водіння
технологічних машин
2. Методи задання траєкторії для водіння сільськогосподарських
агрегатів
3. Методи задання траєкторії руху робочих органів
дорожньо-будівельних машин
4. Методи і способи орієнтації розміточних машин
Список використаної літератури
1.
Загальні принципи задання базової траєкторії для водіння технологічних машин
Спосіб орієнтації технологічних машин
визначається наявністю чи відсутністю залежної направляючої траєкторії від траєкторії
попереднього проходу машини, а у випадку відсутності такої залежності -
наявністю чи відсутністю фізичної направляючої того чи іншого роду. Якщо машина
при рухові коліс копіює лінію, що проведена цією ж чи аналогічною машиною при
попередньому проходженні, то такий спосіб називають копіюванням залежної
направляючої. Незалежними вважаються такі лінії, параметри яких не
залежать від траєкторії попереднього проходу машини. Якщо машина проходить по
наперед заданій фізичній лінії, то такий спосіб орієнтації можна назвати програмним.
Принцип роботи систем, які використовують
копіювання залежної направляючої полягає в тому, що машина
спеціальним пристроєм копіює слід тієї чи іншої форми, який був залишений
попереднім проходом машини. При такому принципі роботи траєкторія кожного
наступного проходу є повторенням траєкторії попереднього.
Залежна направляюча може бути задана
механічним (наприклад, борозна, маркерна лінія, стінка хлібостою), індуктивним
(провідник із струмом), радіоактивним чи кольоровоконтрастним методом.
Радіоактивний метод базується на заданні
базової траєкторії на місцевості з допомогою радіоактивних речовин.
Незалежна направляюча може бути задана
контактним копіром (проволока, трос), безконтактним копіром (оптичним,
лазерним, індуктивним чи радіонавігаційним методом) чи, наприклад, рядком
розвинутих рослин.
Широко відомий індуктивний метод водіння [1,3].
Траєкторія руху задається попередньо прокладеним проводом. Струм, що протікає
по проводу, генерує електромагнітне поле. На технологічній машині симетрично по
обидві сторони осі розташовані котушки, в яких створюється електричний сигнал,
обернено пропорційний квадрату відстані від провода. В положенні, коли котушки
приймача рівновіддалені від контрольного кабеля, сигнали двох котушок зрівноважені,
але відхилення від заданого напрямку руху викликає стан дисбалансу в ланцюгах
котушок, в результаті чого формується візуальний чи звуковий попереджувальний
сигнал. В [1] розглядається прилад для індикації відхилень машини від
траєкторії, заданої рівносигнальною зоною струмонесучих провідників, які
розташовані вздовж траси руху. Цей метод потребує великих капітальних вкладень
і досить чутливий до збурень, що вносяться металевими конструкціями.
Дещо менше поширений оптичний спосіб. Від
індуктивного він відрізняється тим, що замість провідника зі струмом і котушки
використовуються світлоконтрастна лінія і фотоелектронні датчики. Головний
недолік цього методу - проблематичність забезпечення світлоконтрастної лінії
необхідної якості в складних технологічних умовах (наприклад при запиленості).
Відомий клас пристроїв "маякового"
типу: радіохвильовий, лазерний, ультразвуковий тощо.
Використання пристроїв променевого типу дозволяє підвищувати робочу швидкість
машини, покращити якість регулювання і збільшити продуктивність.
В системах водіння з дистанційним керуванням
водіння однієї або декількох машин здійснюється оператором з нерухомого поста
керування чи з одного з рухомих агрегатів. Передача команд з поста керування чи
з ведучої машини відбувається по радіо або по кабельній мережі.
Відомий також спосіб визначення місця розташування робочого органу відносно
заданої траєкторії [18,22], наприклад пневмопробійника, в ґрунті при
безтраншейній прокладці підземних комунікацій., який також базується на
принципі радіокерування. Для здійснення способу на поверхні ґрунту відзначають
горизонтальну проекцію траєкторії руху робочого органу. Симетрично їй
розміщують не менше двох антен, виконаних у вигляді однопровідних відкритих
ліній. Перша антена живиться від генератора, що формує синусоїдальний сигнал,
друга антена живиться від генератора через керований фазозсувний пристрій із
забезпеченням випромінювання сигналу в протифазі. У вертикальній площині, що
проходить через задану траекторію руху робочого органу, формується зона нульової
напруженості сумарного радіосигналу. На робочому органі встановлюють антену
приймального пристрою, приводять в рух робочий орган і випромінюють в ґрунтовий
масив радіосигнал. Сумарний сигнал від двох антен після проходження
через грунт реєструють приймальним пристроєм. По величині відмінності сумарного
сигналу від нуля визначають величину відхилення робочого органу від заданої
траєкторії руху. За допомогою керованого фазозсувного пристрою змінюють зсув
фаз до рівності нулю сумарного сигналу. По величині зсуву фаз визначають напрям
відхилення робочого органу від проектної траєкторії.
Існують також системи автоматичного водіння, в
яких траєкторія руху машини задається спеціальними програмними пристроями,
які знаходяться на самій технологічній машині або поза нею на стаціонарному або
пересувному пункті. Ці системи достатньо складні, так як положення машини в
просторі повинно неперервно контролюватися по його координатам і автоматична
система має неперервно визначати ці координати.
Останнім часом з цією метою використовуються
вбудовані у мобільний агрегат навігаційні системи, які призначені для навігації
за допомогою усіх необхідних інструментів (датчики позиціювання, цифрові
карти, навігаційне програмне забезпечення тощо), що є на борту
технологічної машини [13]. Важливу роль в таких системах відіграють бази даних
цифрових карт (доріг, полів тощо). База даних цифрових карт описує географічний
простір. Геометричний (тобто матричний і топологічний) вміст цифрової карти
векторного типу складає основу для процедури зрівняння із картою та
скеровування за заданою траєкторією, а топологія разом із семантикою важлива
для планування маршруту. Але оскільки в більшості випадків йдеться про прямий
ввід у базу даних, то можливість внесення у базу даних змін (наприклад, внаслідок
набутого досвіду водія) ще не запроваджено, бо цифрові карти зазвичай
зберігаються на оптичних носіях інформації.
Спосіб задання програми руху визначається
головним чином видом чутливого елемента.
Одним з найбільш відпрацьованих чутливих елементів
є механічні. Вони прості й дешеві, не потребують великих капітальних вкладень,
якість їх роботи практично не залежить від зовнішніх умов. Але, як правило,
через недосконалий механічний привод для них характерне прогресивне наростання
похибки.
2.
Методи задання траєкторії для водіння сільськогосподарських агрегатів
В сільському господарстві відомі також системи
візуального вказування курсу [2,26]. Відомі системи з кольоровим дисплеєм, який
розміщується в кабіні у водія, і з вбудованими GPS (чи іншими) приймачами. Але
такі системи вимагають встановлення додаткової антени, а також додаткових
кабелів для живлення приладу та з’єднання антени з дисплеєм.
Відомі також системи з зовнішніми
слідовказувачами (рис.1)
Рис. 1.1 - слідовказувач, 2-штанга, 3-опорне
колесо, 4-гідроциліндр, 5-машинно-тракторний агрегат, 6-амортизатор, 7-зажим,
8-контрастний елемент.
Задання траєкторії тут відбувається наступним
чином. Перед першим проходом оператор встановлює контрастний елемент 8 з допомогою
зажиму 7 на необхідній висоті (обумовлюється особливостями технолологічної
операції), розташувавши його на осі рядка, по якому відбувається орієнтування.
Виходячи із швидкості руху, оператор встановлює необхідну довжину штанги
слідовказувача згідно кольорової інтервальної розмітки (інтервал 25 см, що
відповідає приросту швидкості 0,5 км/год). В процесі роботи корегуючи напрямок
руху агрегату, оператор зберігає положення контрастного елемента по вісі рядка,
тим самим забезпечуючи необхідну точність водіння. По мірі збільшення швидкості
руху, втомлюваності оператора і збільшення часу на реакцію він змінює довжину
штанги з допомогою гідроциліндра, забезпечуючи тим самим необхідну якість
виконання технологічної операції.
Відомий спосіб задання орієнтира для водіння
сівалок точного висіву [4]. Поставлене завдання досягається завдяки тому, що в
способі розмітки поля, що включає утворення ділянок з паралельними посівними і
маркерними борозенками для водіння агрегату після його попереднього проходу,
згідно з винаходом водіння агрегату здійснюють копіюванням однієї з двох
маркерних борозенок, які розташовують з обох боків кожної з ділянок, при цьому
маркерні борозенки виконують глибше посівних, але з профілем аналогічної форми.
Відомий також спосіб [5], який може бути
застосований у сільськогосподарському машинобудуванні, зокрема в способах і
системах управління агрегатом для забезпечення водіння на винограднику і
розвороту агрегату в кінці ряду виноградника. Спосіб передбачає установку
стовпів в кінці кожного ряду виноградника як центра розвороту. Як базову лінію
використовують відстань від агрегату до стовпів з правої і лівої сторін по
черзі. Спочатку контролюють і усувають відхилення агрегату від курсу, потім від
базової лінії в кінці ряду від кінцевого стовпа. Система управління агрегатом
містить приводи коліс і знарядь і датчики курсу, сполучені з копіром центру
повороту, - кінцевого стовпа в кінці кожного ряду виноградника.
Відома також система задання орієнтирів для
автоводіння сільськогосподарських агрегатів [20,21]. Суть її полягає у
наступному. Спосіб включає розміщення на місцевості орієнтирів, визначення
положення сільськогосподарського агрегату по різниці фаз, що випромінюються з
нього і перевипромінюються від орієнтирів сигналів, формування сигналів
слідкуючої системи автоводіння, що управляють, і корегування по ним курсу
сільськогосподарського агрегату. Різниця полягає лише у розміщення орієнтирів.
У першому випадку пристрій системи орієнтирів містить пару точкових
ретрансляторів хвильового випромінювання з діаграмою спрямованості по 1800,
які виконані, наприклад, у вигляді кутових відбивачів направлених в протилежні
сторони. Ці кутові відбивачі рознесені по ширині поля на половину ширини
робочого захвату агрегату, а по довжині поля на різницю між його довжиною і
шириною. Між точковими ретрансляторами встановлений лінійний ретранслятор, який
виконаний з повздовжніх взаємно перпендикулярних смуг, нахилених до поверхні
поля на половину прямого кута і що мають поверхні, які відбивають хвильове
випромінювання, з двох протилежних сторін у вигляді повздовжньо-кутового
відбивача. У передній частині сільськогосподарського агрегата встановлений
приймач хвильового електромагнітного випромінювання, яке направлене у бік
одного з орієнтирів - кутових відбивачів. У другому випадку орієнтири
розміщують на протилежних сторонах по краях плантації одинарними рядами парними
і непарними з повздовжнім зсувом на половину інтервалу протилежного ряду.
Сільськогосподарський агрегат направляють по еквідистантних квазіпрямих лініях,
які з’єднані зовнішніми спряженнями дуг кіл, центри яких збігаються з
орієнтирами на протилежних сторонах плантації почергово по ходу руху
сільськогосподарського агрегату. Перевипромінюють сигнали хвилі почергово
орієнтирами протилежних сторін плантації і послідовно по ходу руху
сільськогосподарського агрегату.
Для водіння широкозахватних (до 24 м)
сільськогосподарських агрегатів на основному внесенні хімпрепаратів, сівбі
використовують такий метод задання базової траєкторії, як пінні маркери [12].
Але їх застосування потребує спеціальної технології приготування піни, заправки
в польових умовах і накладає обмеження в часі (близько 20 хв) на використання
цієї направляючої.
Звичайно окрему групу становлять літальні
апарати. Але доцільно розглянути, наприклад, принцип задання і відслідковування
траєкторії руху літального апарату сільськогосподарської авіації [23].
Автономна система для водіння такого літального
апарату містить вимірювач доплерівських частот з трьохпроменевою антенною
системою, вимірювач тангажа, вимірювач курсу, мультиплексор, аналого-цифровий
перетворювач, обчислювач, цифроаналоговий перетворювач, пульт управління і
індикатор. Відповідно до виміряних значень доплерівських частот, кутів тангажа
і курсових кутів здійснюється розрахунок проекції центру мас на певний напрям і
подальше обчислення відхилення величини центру мас літального апарату від
заданої траєкторії. Це забезпечує високоточний вихід літального апарату в
задану точку при виконанні стандартного розвороту і прямолінійність і еквідістантность
траєкторій польоту літального апарату за рахунок безперервної індикації
відхилення літального апарату від заданої траєкторії.
3.
Методи задання траєкторії руху робочих органів дорожньо-будівельних машин
Доцільно також розглянути методи задання
траєкторії руху робочих органів дорожно-будівельних машин, оскільки їх принципи
можуть бути використанні також для задання траєкторії водіння технологічних
машин.
Серед останніх досягнень в області задання
базової траєкторії для переміщення робочих органів дорожньо-будівельних машин
варто виділити підготовку проекта заданої траєкторії чи поверхні [25]. Для
задання траєкторії для переміщення робочих органів дорожно-будівельних машин
можуть бути застосовані 2D проекти. 2D проекти вимагають закріплення на місцевості
проектних напрямів і площин. При цьому забезпечується підготовка робочого
полотна відповідно до заданих висот чи ухилів.
Проект задається на місцевості за допомогою монтажних
струн, що фіксують напрям руху і копіюють положення проектного профілю, або
лазерних задавачів площини, що створюють рівні опорні поверхні:
горизонтальні або з ухилами по двох напрямах (якщо це потрібно). При роботі з
системою 2D рух робочого органу копіює задану проектну поверхню чи траєкторію.
При цьому на машинах встановлюється датчик, який постійно передає на бортовий
комп'ютер інформацію про положення робочого органу відносно лазерної площини чи
траєкторії. При виявленні вертикального зсуву датчика разом з робочим органом
бортовий комп'ютер виробляє сигнал, що корегує, в систему гідроприводу для
повернення робочого органу в проектне положення. У інших випадках
використовуються ультразвукові датчики, що працюють за принципом далекоміра. З
їх допомогою виконується точне копіювання проектного профілю, закріпленого на
місцевості за допомогою монтажних струн.
Недолік 2D систем полягає в тому, що виконання
робіт можливе лише на обмеженій ділянці і з необхідною прив'язкою до струн або
лазерного задавача. Крім того, витрачається певний час на установку і
закріплення тримачів і струн.
Найефективнішими при проведенні земляних робіт є
3D системи. Вони повністю позбавлені обмежень, властивих системам 2D. Машина,
оснащена такою системою, може вільно переміщатися по всьому робочому об'єкту,
виконуючи підготовку поверхні з точністю до 1-2 сантиметрів в плані і по висоті
з витримкою необхідних ухилів. При цьому робота може виконуватися у будь-який
час доби і в будь-яку погоду. На даний момент і на ринку існує кілька типів
таких систем [25].
Системи 3D LPS забезпечують найкращий
контроль положення робочого органу машини з точністю декількох міліметрів, але
мають ряд недоліків. Встановлений на робочому об'єкті тахеометр може одночасно
стежити за роботою лише однієї машини, і при цьому потрібна пряма видимість між
ними. Обмежується і загальна кількість машин на одному об'єкті, оснащених
системами 3D LPS, оскільки кожній машині необхідний дорогий "персональний”
тахеометр. Проте, зараз це найточніший спосіб виконання земляних робіт.
Для початку, в бортовий комп'ютер завантажуються
дані робочого проекту. Тахеометр встановлюється інженером на об'єкті на відому
точку і орієнтується. Дана процедура проста і вимагає всього декількох хвилин.
На відвалі закріплюється щогла із спеціальним відбивачем кругового огляду. Далі
визначаються геометричні параметри положення відбивача відносно ріжучої кромки
відвала і заносяться в бортовий комп'ютер. В процесі робіт тахеометр
безперервно відстежує переміщення машини і вимірює координати відбивача.
Отримані результати передаються по оптичному каналу в бортовий комп'ютер
машини, де координати редукуються на ріжучу кромку. Потім ці дані порівнюються
з проектом, завантаженим в пам'ять блоку керування і, при необхідності,
вносяться корективи в положення відвала шляхом дії на систему гідроприводу.
Процес управління відвалом повністю бере на себе автоматика. Операторові машини
необхідно лише вибирати напрям руху. В процесі роботи всі компоненти системи
постійно контролюються на можливі помилки або збої. Ця інформація також
доступна на екрані бортового комп'ютера.
Системи 3D GPS повністю позбавлені
недоліків тахеометричних систем. Один базовий приймач забезпечує одночасну
роботу на об'єкті в діапазоні декількох кілометрів всього можливого парку машин
і не вимагає прямої видимості, оскільки для передачі основної координатної інформації
використовується радіоканал.
базова траєкторія технологічна машина
Для забезпечення роботи будівельної машини
використовується один загальний базовий приймач GPS, що встановлюється на точці
з відомими координатами, і бортовий приймач, що розміщується в кабіні.
Приймальна антена закріплюється на відвалі і з'єднується з приймачем кабелем.
Традиційний комплект системи 3D GPS окрім
приймача і бортового комп'ютера включається датчик обертання відвала, датчики
поперечного і подовжнього ухилу, а також комплект гідравлічних клапанів для
конкретної моделі машини. Всі компоненти системи сполучені один з одним
кабелями.
Для повноцінного функціонування системи 3D
необхідно завантажити проект в цифровому вигляді в бортовий комп'ютер. Такий
проект може бути підготовлений будь-якою програмою, що формує тривимірну модель
рельєфу. Переважна частина програмних засобів типу AUTOCAD ідеально підходять
для цього завдання.
Обов'язок порівнювати в процесі роботи поточну
поверхню з проектом бере на себе бортовий комп'ютер. З його допомогою оператор
може контролювати весь процес виконання роботи, при необхідності відключати
систему від управління машиною або переходити до роботи вручну або в
індикаторному режимі.
Переваги використання систем 3D GPS очевидні:
немає необхідності в складному винесенні в натуру (машина вже працює з
проектними даними) і ретельному контролі, оскільки останній забезпечується
безпосередньо в процесі виконання самих земляних робіт.
В [15] застосовано лазерну систему керування
робочими органами дорожно-будівельних машин. Система містить дві ідентичні
шестикоординатні лазерні прийомопередаючі голівки. Одна з голівок знаходиться
на базовому приладі, а інша - на дорожно-будівельній машині. Оптична вісь
передавальної частини кожної голівки зв'язана з віссю приймальної частини іншої
голівки. Це забезпечується установкою кожної з цих голівок в двоступеневих
корданових підвісках з двома електромеханічними приводами і двома датчиками
кута повороту голівки відносно встановленого корпусу. При цьому передавальна
частина лазерної голівки містить лазер, оптичний імпульсний модулятор,
шифратор, керований ЕОМ, коліматор і циліндричну лінзу. Приймальна частина
через перетворювачі і дешифратор сполучена з ЕОМ. Цим досягається двосторонній
обмін інформацією про відхилення положення робочого органу від програмного
значення між базовим приладом і дорожньо-будівельною машиною і забезпечується
приведенням робочого органу в положення, що задається програмою, записаною в
ЕОМ.
4.
Методи і способи орієнтації розміточних машин
В більшості випадків нанесенню смуг розмічальної
машини передує так зване "тичкування", при якому уздовж струни,
натягнутої на дорожньому покритті на осі майбутньої смуги розмітки, наносяться
фарбою крапки ("тички"), а орієнтування машини при розмітці
здійснюється за допомогою направляючого ролика, розташованого в одній
вертикальній площині з віссю робочого органу і віссю смуги розмітки, що
наноситься, і закріпленого на передньому бампері машини. При
"тичкуванні" практично всі операції виконуються вручну в умовах інтенсивного
автомобільного руху, із залученням значного числа робітників, яким доводиться
працювати в умовах підвищеної небезпеки. Щоб понизити небезпеку для робітників,
ділянку дороги, яка "тичкується", перегороджують великогабаритною
важкою технікою, що збільшує витрати, різко скорочує пропускну спроможність
дороги і створює небезпеку зіткнення на ній транспортних засобів.
Погано видимий направляючий ролик розмічувальної
машини, який виступає на 1,5-2 м від переднього бампера, також створює,
особливо на перехрестях, небезпеку аварій. В той же час така довжина консолі
мала для забезпечення прямолінійності розмітки, оскільки можливі
"впливи" ролика трансформуються в близькі по величині відхилення від
прямолінійності лінії розмітки.
Відомий пристрій для орієнтування розмічувальної
машини за допомогою телекамери, встановленої на даху машини і передавання
зображення дороги на монітор. Одночасно на моніторі комп'ютером створюється
зображення направляючих ліній, положення і форма яких можуть мінятися за
допомогою джойстика так, щоб вони були розташовані симетрично зображенню країв
дороги, і по цих лініях комп'ютер визначає положення центру дороги, а
виконавчий механізм по команді комп'ютера переміщає робочий орган на центр.
Недоліком цього пристрою є складність і тривалість
імітації на екрані за допомогою джойстика форми кордонів дорожнього полотна з
врахуванням перспективи, можливих нерівних кордонів дороги, звужень або
розширень її проїжджої частини, можливі порушення узгодженості дій водія,
керівника машиною, і оператора, керівника форсункою, і т.д.
Відомий також спосіб орієнтування машини для
нанесення за допомогою робочого органу на дорогу розмічувальних смуг, при якому
машину перед роботою встановлюють на початку ділянки, що розмічається, на
необхідній відстані від бічних кромок дороги паралельно осі смуги розмітки,
потім поєднують вісь робочого органу машини з майбутньою віссю смуги розмітки,
а при роботі орієнтують машину по світловій плямі, що створюється лазерним
випромінювачем і переміщуваному уздовж вихідної лінії, паралельно до якої має
бути проведена дана смуга розмітки. Як вихідна лінія може бути використана вісь
тротуару, вісь крайової або сусідньої смуги розмітки або край дороги.
Пристрій для реалізації цього способу
орієнтування включає джерело світлового випромінювання, наприклад лазерний
випромінювач, встановлений на даху кабіни з можливістю регулювання кута
повороту і нахилу його осі для напряму світлової плями на вихідну лінію,
паралельно якою має бути проведена смуга розмітки.
Недоліком цього пристрою є те, що основна енергія
лазерного випромінювання, відбиваючись від дорожнього покриття, прямує в
протилежну операторові сторону, що знижує яскравість і видимість плями
випромінювання і вимагає використання потужніших лазерів і розміщення світлової
плями можливо ближче до розмічальної машини. Остання обставина знижує
технологічні можливості, особливо в разі розмітки широких магістралей, оскільки
чим ближче до розмічувальної машини пляма випромінювання, тим більше можлива
величина "виляння" розмічувальної машини. Технологічні можливості
цього пристрою обмежуються також неможливістю його використання для нанесення
смуг розмітки, не паралельних вихідній лінії, для розмітки доріг, що мають
часті звуження або розширення, нерівні краї без крайової смуги розмітки і т.д.
Цей пристрій не можна також використовувати в машинах для дорожнього
будівництва, які працюють, не маючи вихідної лінії, на яку можна направляти
пляму лазерного випромінювання.
Відома розмітка [10], яка створена на основі
люмінесцентної поверхні, що призначена для використання в якості вказівних,
попереджувальних і/чи бічних розміток на дорогах, вулицях, чи набережних,
місцях стоянок, піддається впливу води і зношуванню шинами автомобілів, що
проїжджають. Розмітка містить зв'язувальний матеріал, що флуоресціює при
опроміненні УФА-світлом. На поверхні розмітки є світлопроникні скляні гранули
розміром 0,4-1,0мм, що втоплені в зв'язувальний матеріал приблизно на 50-75%
їхнього розміру. Така дорожня розмітка може використовуватися в системах автоматичного
керування рухом транспортного засобу, у якому як давач використовується
пристрій типу відеокамери. Основними недоліками цього способу є складність
давача і те, що оптична інформація більше піддана впливу перешкод і дуже
залежить від освітленості та метереологічних умов.
Відомий спосіб [16], при якому розмічувальну
машину встановлюють у вихідне положення на дорозі. Вісь робочого органу
суміщають з початком теоретичної траєкторії переміщення робочого органу. Вісь
лазерного випромінювача розташовують в одній вертикальній площині розмітки з
віссю робочого органу і віссю лінії розмітки. Промінь лазера направляють на
мішень. Вісь мішені також розташовують у вертикальній площині розмітки. Машину
при русі орієнтують так, щоб видима світлова пляма від променя мала мінімальні
відхилення від осі мішені. При цьому мішень може бути встановлена стаціонарно
або на транспортному засобі, що рухається. Лазерний випромінювач кріпиться над
кабіною розмічувальної машини з можливістю переміщення перпендикулярно її
поздовжньої осі і повороту в двох взаємно перпендикулярних площинах і може бути
оснащений засобом розгортки променя у вертикальній площині або засобом
розділення променя в горизонтальній площині для орієнтування розмічувальної
машини по двох краях дороги. Основним недоліком способу є те, що він
застосовний для прямих ділянок доріг, вимагає складної системи, що направляє
промінь лазера, і підданий впливу метеорологічних умов.
Відомий пристрій [7], який використовується в
наземних транспортних засобах з рульовим керуванням, переважно в умовах
відсутності точних географічних карт мережі доріг. Мета винаходу полягає в
забезпеченні автоматичного запису маршруту, що вперше проїжджається, за рахунок
розділення маршруту на відрізки, обмежені вузловими точками, і запису параметрів
вузлових точок. Під вузловою точкою розуміється місце на маршруті, в якому
автомобіль починає таке відхилення від свого прямолінійного курсу, що приведе
до віддалення автомобіля від цієї лінії курсу на величину, що перевищує задане
еталонне значення. Параметрами вузлових точок служать тривалість відрізка
маршруту між двома сусідніми вузловими точками і напрямок повороту (лівий чи
правий). Робота навігаційного приладу здійснюється під час руху автомобіля за
заданим алгоритмом. Основою алгоритму є метод визначення моменту виконання
автомобілем повороту за допомогою обчислення віддалення автомобіля від
прямолінійного курсу, що він мав у момент фіксації попереднього пройденого
повороту. Навігаційний прилад для автотранспортних засобів містить давач пройденої
відстані, пристрій визначення кута і напрямку повороту руля, пристрій
визначення відрізків пройденої відстані, блок обробки інформації, постійний
запам'ятовуючий пристрій, блок пам'яті. Основним недоліком пристрою є те, що
він може служити тільки довідковим пристроєм для водія і не може
застосовуватися для автоматичного керування транспортним засобом.
В [19] вирішується завдання внесення таких змін у
дорожню розмітку й встановлення на транспортний засіб апаратури, що, при
відносно незначних затратах, дозволить створити автоматичну систему керування
рухом транспортного засобу. Застосування технічних пропозицій, що заявляються,
дозволяє транспортному засобу визначати своє місце положення на дорозі з
точністю, достатньою для здійснення автоматичного керування рухом. В даний час
використовуються системи автоматичної орієнтації автомобілів, у яких
використовується бортова мікро-ЕОМ, що містить базу даних з картою маршруту.
Одержання топографічних координат місця положення автомобіля здійснюється з
використанням системи GPS (глобальної супутникової системи позиціонування).
Точність одержання координат не перевищує 10 метрів, тому GPS-система може
служити тільки довідковим джерелом інформації про маршрут транспортного засобу
і приблизно визначати його місце положення.
Для реалізації автоматичного керування рухом
транспортних засобів (ТЗ) повинна бути вирішена триєдина задача, яка
складається з таких підзадач:
підтримання точної траєкторії руху по центру
смуги руху;
одержання точної інформації про топографічні
координати місця знаходження ТЗ;
визначення та виконання алгоритму руху ТЗ по
даній ділянці дороги: швидкість руху, наближення повороту дороги, наближення
розгалуження і т.п.
Лише одночасне вирішення цих задач може призвести
до здійснення автоматичного керування рухом ТЗ.
З метою побудови системи автоматичного керування
рухом транспортних засобів на дорожнє покриття, крім стандартної дорожньої
розмітки, наноситься додаткова лінія, що складається зі смужок матеріалу з
високими електропровідними властивостями, а на транспортний засіб
встановлюються індуктивні давачі, інформація від яких дозволяє транспортному
засобу точно рухатися вздовж цієї додаткової лінії дорожньої розмітки.
На рис.1 зображена дорожня розмітка для
автоматичного керування рухом транспортного засобу, де 1 - стандартна дорожня
розмітка, 2 - смуга руху, 3 - додаткова лінія дорожньої розмітки з
електропровідними властивостями, що змінюються, 4 - точка точного прив'язування
до топографічних координат.
На рис.3 зображений пристрій для автоматичного
керування рухом транспортного засобу на дорозі, де 8 і 9 - індуктивні давачі,
10 - GPS давач, 11 - локаційний давач переднього огляду, 12 - локаційний давач
заднього огляду, 13 - мікро-ЕОМ, 14 - пристрій керування напрямком руху, 15 -
пристрій керування швидкістю руху, 16 - пристрій керування гальмами.
На рис.4 зображений сигнал, що надходить у
мікро-ЕОМ від індуктивного давача.
. Дорожня розмітка для автоматичного керування
рухом транспортного засобу, що складається з ліній, нанесених кольоровим
матеріалом на проїжджу частину дороги, що відрізняється тим, що вона містить
додаткові лінії дорожньої розмітки, в яких вздовж напрямку руху транспортних
засобів за заданим законом чергуються ділянки ліній з високою та низькою
електропровідністю, а на транспортний засіб встановлюються індуктивні давачі,
інформація від яких дозволяє транспортному засобу точно рухатися вздовж цієї
додаткової лінії дорожньої розмітки.
Дорожня розмітка для автоматичного керування
рухом транспортного засобу показана на рис.1. Стандартна дорожня розмітка 1, що
описана в "Правилах дорожнього руху", Київ, "А.С. К.",
2001, наноситься кольоровим матеріалом на полотно дороги, утворюючи смугу руху
2. Додаткова лінія дорожньої розмітки 3 складається зі смужок металу і має
проміжки, що не мають електропровідних властивостей. Застосування металів у
розмітці дозволяє за допомогою відносно недорогих індуктивних давачів
одержувати інформацію про місце положення транспортного засобу. При обробці
сигналів від індуктивних давачів повинно враховуватися те, що дорожнє покриття
може бути покрите водою при дощі або снігові, що зменшує рівень чутливості
давачів.
На рис.1 показаний варіант розташування
додаткової лінії 3 дорожньої розмітки зі смужок металу у центрі смуги руху 2
полотна дороги. Однак ця додаткова лінія 3 може проходити і під однією зі смуг
стандартної дорожньої розмітки 1.
Як матеріал смужок додаткової лінії 3 можна
використовувати пластини, що містять метал з високими електропровідними
властивостями, наприклад алюміній.
. Дорожня розмітка для автоматичного керування
рухом транспортного засобу, що складається з ліній, нанесених кольоровим
матеріалом на проїжджу частину дороги, яка містить додаткові лінії дорожньої
розмітки, в яких вздовж напрямку руху транспортних засобів за заданим законом
чергуються ділянки ліній з високою та низькою електропровідністю, що
відрізняється тим, що в місцях точного прив'язування дорожньої розмітки до
топографічних координат місця міняється довжина ділянки з високою
електропровідністю або низькою електропровідністю.
У точках точного прив'язування до топографічних
координат 4 форма додаткової лінії дорожньої розмітки 3 повинна бути змінена,
наприклад, подовжена металічна смужка з високими електропровідними
властивостями (див. рис.1). Це дозволить пристрою для автоматичного керування
рухом транспортного засобу на дорозі здійснити точне прив'язування
топографічних координат місця положення транспортного засобу.
Точки точного прив'язування до топографічних
координат 4 повинні знаходитися одна від одної на відстані більшій, ніж
подвійна точність визначення координат GPS системою. Це дозволить автоматичній
системі керування рухом транспортного засобу точно ідентифікувати точку точного
прив'язування до топографічних координат 4 за допомогою давача GPS і бази даних
з інформацією про маршрут і точки точного прив'язування до топографічних
координат.
. Спосіб автоматичного керування рухом
транспортного засобу на дорозі, що полягає в русі транспортного засобу по смузі
руху дороги вздовж ліній дорожньої розмітки, яка містить додаткові лінії
дорожньої розмітки, в яких вздовж напрямку руху транспортних засобів за заданим
законом чергуються ділянки з високою та низькою електропровідністю, що
відрізняється тим, що система керування рухом транспортного засобу порівнює
сигнали від індуктивних давачів з еталонним сигналом і, в разі виникнення
розбіжностей у цих сигналах з еталонним сигналом, виробляє сигнал
розузгодження, що надходить на пристрій керування напрямком руху.
На рис.2 показане положення транспортного засобу
5, на якому встановлена автоматична система керування рухом транспортного
засобу на смузі руху 2, на якій крім стандартної дорожньої розмітки 1 є
додаткова лінія дорожньої розмітки 3 з електропровідними властивостями, що
змінюються вздовж лінії. Основою апаратури автоматичної системи керування рухом
транспортного засобу є індуктивні давачі 8 і 9, що встановлені на транспортний
засіб 5. На рис.2 показаний варіант встановлення індуктивних давачів 8 і 9 на
передній міст 6 і задній міст 7 транспортного засобу 5.
Автоматичне керування рухом транспортного засобу
5 здійснюється таким чином, щоб індуктивні давачі 8 знаходилися над додатковою
лінією дорожньої розмітки 3. При цьому з виходу індуктивних давачів 8 на вхід
автоматичного пристрою керування рухом транспортного засобу надходить сигнал,
приклад якого показаний на рис.4. У цьому прикладі позитивний імпульс на виході
індуктивного давача 8 з'являється під час проходження давача 8 над частиною
додаткової лінії 3 з високими електропровідними властивостями, тобто над
металічною смужкою. Негативний імпульс на виході індуктивного давача 8
з'являється під час проходження давача 8 над частиною додаткової лінії 3 з
низькими електропровідними властивостями (тобто над проміжком між металічними
смужками). Періоди надходження імпульсів з виходів індуктивних давачів 8
залежать від швидкості руху транспортного засобу і можуть бути легко обчислені
автоматичним пристроєм керування рухом транспортного засобу.
При відхиленні транспортного засобу від маршруту
руху на величину, більшу, ніж ширина додаткової лінії дорожньої розмітки 3, з
виходів одних індуктивних давачів 8 зникнуть імпульси від впливу на них
додаткової лінії дорожньої розмітки 3, а на виходах інших індуктивних давачів 9
з'являться такі імпульси, що дозволить автоматичному пристрою керування рухом
транспортного засобу виробити сигнал розузгодження, що надходить на пристрій
керування напрямком руху, зв'язаний з рульовим керуванням, і змінити напрямок
руху транспортного засобу 5 з метою відновлення втраченої траєкторії руху або
виконання повороту.
. Спосіб автоматичного керування рухом
транспортного засобу на дорозі, що полягає в русі транспортного засобу по смузі
руху дороги вздовж ліній дорожньої розмітки, яка містить додаткові лінії
дорожньої розмітки, в яких вздовж напрямку руху транспортних засобів за заданим
законом чергуються ділянки з високою та низькою електропровідністю, при цьому
система керування рухом транспортного засобу порівнює сигнали від індуктивних
давачів з еталонним сигналом і, в разі виникнення розбіжностей у цих сигналах,
виробляє сигнал розузгодження, що надходить на пристрій керування напрямком
руху, що відрізняється тим, що при русі транспортного засобу вздовж додаткової
лінії розмітки, в момент проходження місця точного прив'язування дорожньої
розмітки до топографічних координат місця міняється довжина ділянки з високою
електропровідністю або низькою електропровідністю, система керування рухом
транспортного засобу здійснює точне прив'язування місця положення транспортного
засобу до топографічних координат.
Прив'язування до топографічних координат місця
положення транспортного засобу здійснюється за таким алгоритмом:
інформація про місце положення транспортного
засобу одержується після обробки інформації від давача GPS з точністю, що
забезпечує цей давач. При цьому обчислюються швидкість і напрямок руху.
інформація від давача GPS порівнюється
автоматичною системою керуванням рухом транспортного засобу з координатами
найближчої точки з точними топографічними координатами, що є в базі даних і до
якої рухається транспортний засіб.
в момент проходження транспортним засобом над
точкою точного прив'язування до топографічних координат 4 (див. рис.1)
змінюється сигнал, що надходить від індуктивного давача 8 чи 9. В момент цієї
зміни сигналу здійснюється точне прив'язування до топографічних координат з
точністю, рівною декільком сантиметрам. Приклад сигналу від цього давача
показаний на рис.4. Сигнал з періодом Т2 надходить від індуктивного давача,
коли давач транспортного засобу проходить над точкою з точним прив'язуванням
топографічних координат. Сигнал з періодом Т1 надходить від індуктивного давача
в усі інші моменти перебування транспортного засобу на маршруті при перебуванні
індуктивного давача над лінією дорожньої розмітки 3 (див. рис.1)
Приклад пристрою автоматичного керування рухом
транспортного засобу показано на рис.3. До складу пристрою входять стандартні
пристрої, що в даний час входять у комплект бортової апаратури сучасного
транспортного засобу, крім індуктивних давачів. Головним пристроєм керування
сучасного транспортного засобу є бортова мікро-ЕОМ 13, що керує безліччю вузлів
транспортного засобу з метою виконання безпечного й економічного руху. Мікро-ЕОМ
13 містить базу даних, у якій є інформація про маршрут транспортного засобу з
прив'язуванням до точок точних топографічних координат 4 (див. рис.1). Ця база
даних маршруту повинна містити інформацію про швидкість руху в кожній точці
маршруту, про наявність поворотів і розгалужень дороги. До мікро-ЕОМ 13
підключається GPS давач 10, за допомогою якого вона одержує інформацію про
місце перебування автомобіля з точністю не меншою, ніж ±10м. Цієї точності
недостатньо для здійснення автоматичного керування рухом транспортного засобу.
До мікро-ЕОМ 13 підключені локаційний давач переднього огляду 11 і локаційний
давач заднього огляду 12, що дозволяють їй стежити за інтервалом руху між
іншими транспортними засобами, що рухаються попереду та позаду, а також запобігати
зіткненню з можливими перешкодами. Індуктивні давачі 8 і 9, підключені до
мікро-ЕОМ 13, забезпечують рух транспортного засобу вздовж додаткової лінії
дорожньої розмітки з електропровідними властивостями, що змінюються, 3 (див.
рис.1). Мінімальний набір виконавчих механізмів, що забезпечують автоматичне
керування рухом транспортного засобу, повинен містити наступні пристрої,
підключені до виходів мікро-ЕОМ 13: пристрій керування напрямком руху 14,
пристрій керування швидкістю руху 15, пристрій керування гальмами 16.
Початок процесу автоматичного керування
транспортним засобом відбувається за наступним алгоритмом:
спочатку водій вручну виводить транспортний засіб
у таке положення, щоб індуктивні давачі 8 (див. рис.2) розташувались над
додатковою лінією дорожньої розмітки з електропровідними властивостями, що
змінюються, 3 (див. рис.1), про що свідчить поява на їхніх виходах сигналу,
показаного на рис.4.
пристрій автоматичного керування рухом
транспортного засобу підтримує траєкторію руху. Спосіб описаний у пункті 2
опису.
мікро-ЕОМ, що входить у пристрій автоматичного
керування рухом транспортного засобу, через GPS давач одержує інформацію про
топографічні координати місця положення транспортного засобу. За зміною цих
координат мікро-ЕОМ обчислює напрямок руху транспортного засобу. Використовуючи
отриману інформацію мікро-ЕОМ знаходить у своїй базі даних координати
найближчої точки точного прив'язування до топографічних координат 4 (див.
рис.1).
прив'язування до точних координат здійснюється за
алгоритмом, описаним в п.4.
пристрій автоматичного керування рухом
транспортного засобу підтримує траєкторію руху. Спосіб описаний у п.2 опису.
І надалі, пристрій автоматичного керування рухом
транспортного засобу має можливість визначати точну відстань, яку пройшов транспортний
засіб, від точки точного прив'язування до топографічних координат 4 (див.
рис.1). Так як при проходженні вздовж додаткової лінії дорожньої розмітки з
електропровідними властивостями, що змінюються, 3 (див. рис.1) між точками
точного прив'язування до топографічних координат індуктивними давачами 8 (див.
рис.2) виробляються імпульси (див. рис.4), мікро-ЕОМ може їх підраховувати.
Кількість імпульсів, що прийшли після моменту точного прив'язування до
топографічних координат, помножене на величину кроку ділянок з високими
електропровідними властивостями додаткової лінії дорожньої розмітки 3 (див.
рис.1), дає відстань до останньої точки точного прив'язування до топографічних
координат 4 (див. рис.1). У момент проходу чергової точки точного прив'язування
до топографічних координат 4 (див. рис.1) здійснюється корекція координат місця
перебування транспортного засобу.
Те, що пристрій автоматичного керування рухом
транспортного засобу постійно має інформацію про точні координати місця
положення транспортного засобу і використовує базу даних з інформацією про
маршрут руху транспортного засобу, дозволяє здійснювати проходження розгалужень
дороги, поворотів, автоматично підтримувати безпечну й економічну швидкість
руху.
В якості індуктивних давачів 8 і 9 (див. рис.3)
може використовуватися, наприклад, індуктивність, реактивний опір якої буде
змінюватися в момент її проходу над смужкою, виконаною з матеріалу з високими
електропровідними властивостями додаткової лінії дорожньої розмітки з
електропровідними властивостями, що змінюються, 3 (див. рис.1). Індуктивні
давачі 8 і 9 являють собою індуктивності, на які подаються електричні
коливання. В момент проходження індуктивного давача, наприклад 8, над металевою
ділянкою додаткової лінії дорожньої розмітки 3 в металевій смужці збуджуються
вихрові струми, що змінюють реактивний опір індуктивного давача. Такі давачі
використовуються в металошукачах [див. ж. "РДЦИО", №12, 1990г.,
стр.73]. В якості матеріалу металевої смужки додаткової лінії дорожньої
розмітки 3 повинен використовуватись метал з високими антикорозійними
властивостями, наприклад, алюміній.
В [14] розглядається можливість орієнтування
машин по світловому променю. Спосіб орієнтування в просторі рухомого
транспорту по світловому променю, по якому в задану зону простору в певному
напрямі посилають світловий промінь, а на рухомому транспорті приймають
випромінювання, що йде від бічних сторін цього променя. По цьому випромінюванню
визначають положення цього променя в просторі, після чого орієнтують рух
транспорту відносно положення в просторі цього світлового променя. На рухомому
транспорті випромінювання, що йде від бічних сторін світлового променя,
приймають за допомогою першої оптичної системи і за допомогою цієї ж оптичної
системи це випромінювання посилають на перший фоточутливий екран, виконаний у
вигляді фотоприймальної матриці і встановлений на рухомому транспорті. На
фоточутливому екрані формують оптичну проекцію світлового променя.
Електричні сигнали, що виникли від дії
сформованої на фоточутливому екрані оптичної проекції світлового променя,
посилають на персональну ЕОМ, за допомогою якої потім формують на відеоекрані
зображення світлового променя. На відеоекрані показують напрям руху даного
транспорту і надалі орієнтують рух цього транспорту по показаному на цьому ж
відеоекрані взаємному розташуванню зображення світлового променя і напрямку
руху вказаного транспорту.
Список
використаної літератури
1. Алешечкин Н.Д., Ситник В.И., Москалев В.С. Устройство для
обучения водителей гусеничных машин // Описание изобретения к патенту
Российской Федерации. - 1998.
. Астафьев В.Л., Терпиловский А.Ю., Терпиловский Е.Ю., Ракитин
С.А. Устройство для вождения машинно-тракторных агрегатов и способ его
настройки // Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1014488. -
1981.
. Барвелл Ф. Автоматика и управление на транспотре: Пер. с англ. -
[2-е изд., испр.]. - М.: Транспорт, 1990. - 367 с.
. Белоконь А.П. Способ разметки опытного поля // Патент Российской
Федерации № 2143191. - 1999.
. Гаджимурадов И.М. Способ управления сельскохозяйственным
агрегатом и система для его осуществления // Патент Российской Федерации №
2023360. - 1994.
. Ганькин Ю.А. Системы автоматического вождения машинно-тракторных
агрегатов. - М.: Московский автомеханический институт, 1975. - 73 с.
. Груздев А.К. Навигационный прибор для автотранспортных средств
// Патент Российской Федерации №92013234. - 1996.
. Ерофеев А.А. Автоматизированные системы управления строительными
машинами. - Л.: Машиностроение, 1977. - 224 с.
. Ефремов А.Н., Камальдинов А.К., Мармалев А.И., Самородов В.Г.
Лазерная техника в мелеоративном строительстве. - М.: Агропромиздат, 1989. -
223 с.
. Йерн Сухр. Дорожна разметка // Патент Российской Федерации
№2107126. - 1998.
. Лурье А.Б. Автоматизация сельскохозяйственных агрегатов. - Л.:
Колос, 1967. - 264 с.
. Мироненко В. Автоматизоване водіння мобільних
сільськогосподарських агрегатів // Техніка АПК. - 2000. - №2 - с.16,17.
. Навігація. Основи визначення місцезнаходження та скеровування /
Б. Гофман-Веленгоф, К. Легат, М. Візер; Пер. з англ. за ред.Я.С. Яцківа. -
Львів: Львівський національний університет імені Івана Франка, 2006. - 443 с.
. Ошлаков В.Г. Способ ориентирования в пространстве движущегося
транспорта по световому лучу и устройство для его реализации // Описание изобретения
к патенту Российской Федерации №2322371. - 2007.
. Пичугов И.А., Гудков В.П., Белов Е.Ф., Шаров С.Н., Лентовский
В.В., Осыка А.П. Лазерная система управления дорожно-строительной машиной. -
Патент Российской Федерации №2090707. - 1997.
. Стерник Ю.Л., Яблоновский В.А. Способ ориентирования и
устройство для ориентирования дорожных машин // Патент Российской Федерации
№2100521. - 1997.
. Сужаев Л.П., Кудзиев К.Д. Устройство автоматического вождения
машинно-тракторного агрегата // Патент Российской Федерации № 2181232. - 2002.
. Теплицкий А.Х., Бродский А.Л., Ендовцев И.В., Зорин И.С. Способ
определения положения рабочего органа в грунте // Описание изобритения к
патенту Российской Федерации. - 1998.
. Тюлькін С.П., Сніцарчук Л.А. Дорожня розмітка для автоматичного
керування рухом транспортних засобів та спосіб автоматичного керування рухом //
Патент України №80389. - 2007.
. Черняков Ф.А. Способ автовождения сельхозагрегата // Патент
Российской Федерации № 2025924. - 1995.
. Черняков Ф.А., Кашурко А.С., Нагорный Н.Н. Система ориентиров
для автовождения сельскохозяйственного агрегата // Патент Российской Федерации
№ 2021655. - 1994.
. Честейшин В.П. Малая механизация и приспособления при монтаже
систем газоснабжения. - М.: Стройиздат, 1981, с.91 и 92.
. Шиганов Р.А., Шиганова Л.И., Корольков С.А. Автономная система
для вождения летательного аппарата по заданным траекториям // Описание
изобретения к патенту Российской Федерации. - 1998.
. Шипилевский Г.Б., Червяков Е.Н. Устройство для автоматического
направления движения гусеничного трактора // Описание изобритения к авторскому
свидетельству СССР. - 1971.
25.
<http://www.prin.ru>
.
<http://www.7s.ru>
.
<http://www.start-vector.com>
.
<http://www.riftek.com>
.
<http://www.evrohimservis.ru/>
.
<http://www.tenzosib.ru/>
.
<http://www.kuvalda.com.ua/>
.
<http://www.rdt.ru/>