Копать с умом

Системы управления экскаваторами Topcon 3Dxi
 
 
 
Введение

Ни для кого не секрет, строительство является крупнейшей отраслью производства. Но, несмотря на это, она наименее всего автоматизирована. Большинство видов земляных работ до сих пор используют технологии прошлого века. Тем не менее, современные программно-аппаратные средства, позволяющие автоматизировать строительную технику, уже существуют и теперь доступны российским потребителям.

Целью настоящей статьи является ознакомление читателей с новейшими технологиями автоматизации строительного производства на примере экскаваторных системы управления 3Dxi компании TOPCON, являющейся лидером среди разработчиков и производителей в данной сфере.

Среди всего многообразия строительной техники экскаваторы занимают особое место. В первую очередь это связано с тем, что ни одна другая машины не может подготавливать столь сложные поверхности, выполнять локальную выемку грунта. Экскаватор сродни точному хирургическому инструменту, которому по силам такие виды земляных работ, с которыми не справиться никакой другой тип техники. Как ни странно, до последнего момента экскаваторы считались самыми «ущербными» с точки зрения оснащения их системами управления. Угловые и линейные датчики были чрезвычайно громоздкими, требовали много времени на установку и нуждались в постоянной калибровке. И только совсем недавно стало возможным принять экскаваторы в ряды достойных обладателей трехмерных систем управления. Одной из таких систем является комплекс 3Dxi, разработанный компанией TOPCON. С его помощью возможен полный планово-высотный контроль положения ковша экскаватора относительно проектной поверхности.

Достоинством 3Dxi является возможность быстрого монтажа и настройки компонентов системы на любой гусеничный экскаватор. В зависимости от размера машины может варьироваться только длина кабелей, соединяющих датчики наклона (акселерометры), закрепленных на ковше, рукояти и стреле. Установка системы на экскаватор занимает примерно пол дня. Примерно столько же требуется на выполнение калибровки основных измерительных узлов. В дальнейшем калибровка может выполняться только при необходимости (если система переустанавливалась на другую машину, или после ремонта), специального технического обслуживания не требуется.

Состав системы 

Как и любая другая «спутниковая» система управления, 3Dxi требует для работы наличия базовой станции, вещающей в эфир информацию, корректирующую координаты всех подвижных приемников на рабочем объекте. Классический состав базовой станции: приемник Topcon GPS+ со встроенной (серии HiPer) или внешней (серии GB) приемной антенной, передающий радиомодем с антенной, соединительные кабели и необходимые крепления для установки над опорной точкой.
 
 
Бортовой комплект состоит из бортового компьютера GX-60, приемника GPS+ MC2.5 с двумя антеннами PG-A3, четырех датчиков-акселерометров TS-1, монтажных кронштейнов и соединительных кабелей.
 
Для выполнения оперативного контроля выполняемых экскаватором работ может использоваться мобильный геодезический комплект, состоящий из GPS-приемника со встроенным радиомодемом, вешки и полевого контроллера, на экране которого графически отображаются отклонения действительной поверхности от проекта. Кроме того, данный комплект может быть использован для выполнения съемки, выноса в натуру и локализации.
 

Бортовой компьютер GX-60

GX-60 – святая святых системы, полноценный бортовой компьютер, имеющий массу функций. С его помощью оператор может самостоятельно выполнить настройку каждого модуля 3Dxi, загрузить цифровой проект, видеть во время земляных работ положение экскаватора на объекте и ковша относительно проектной поверхности. Он представляет собой обычный персональный компьютер со встроенной операционной системой Windows XP, лишенный клавиатуры. Управление GX-60 осуществляется посредством сенсорного экрана. Встроенное программное обеспечение 3D-MC поддерживает работу только с индикаторными системами для экскаваторов, но очень похоже на программы, идущие в комплектах систем 3D для грейдеров и бульдозеров. Бортовой компьютер оснащен единственным интерфейсным портом USB, через который возможен обмен данными с помощью классических модулей памяти USB Flash drive. GX-60 размещается в кабине оператора.

Бортовой приемник GPS+

Приемник GPS+ MC 2.5 служит для определения координат и ориентации экскаватора на рабочем объекте. Магнитные крепления позволяют установить приемник в кабине, в любом удобном для оператора месте. При расчете координат могут быть задействованы сигналы спутников только GPS (США) или двух систем (GPS и ГЛОНАСС) одновременно. В последнем случае обеспечивается более высокая точность определения высоты. Корпус приемника имеет герметичную конструкцию и надежно защищен от вибрации. При включении бортового компьютера приемник запускается автоматически. MC 2.5 лишен каких-либо органов управления, на его панели присутствуют лишь два световых индикатора отображающих текущее рабочее состояние. Более полная информация о статусе приемника в процессе работы выводится на экран бортового компьютера.

Приемные GPS-антенны

Антенны размещаются на задней части кузова экскаватора, так, чтобы водительская кабина и рабочие органы машины не являлись препятствиями для приема спутниковых сигналов. Для этого антенны фиксируются на специальных штангах или мачтах длиной около метра. В некоторых случаях штанги заменяют регулируемой рамой. Конструкция кронштейнов для мачт предусматривают их быструю установку и демонтаж вместе с антеннами в конце рабочего дня. Одна из антенн используется в качестве главной, участвующей в расчете координат экскаватора, другая предназначена для вычисления ориентации корпуса машины относительно сторон света.

Акселерометр TS-1

С помощью набора датчиков TS-1 измеряемые с помощью GPS-приемника координаты редуцируются непосредственно на зубья ковша. Таким образом, на экране бортового компьютера графически отображается точное положение режущей кромки ковша относительно проектной поверхности. В состав системы входят четыре одинаковых датчика TS-1. При установке системы на экскаватор каждый из них фиксируется в любом месте соответственно на кузове, стреле, рукояти, ковше и измеряет продольный угол наклона соответствующей части экскаватора. Если конструкция экскаватора предусматривает возможность задания поперечного наклона ковша, то в систему может быть включен еще один дополнительный акселерометр. Все датчики соединяются последовательно кабелями, образуя единый информационно-измерительный комплекс с использованием интерфейса CAN.

Технология работ

В отличие от классической технологии реализации любого проекта, состоящей из пяти фаз (съемка, проектирование, вынос в натуру, земляные работы, контроль), использование системы 3Dxi позволяет свести ее всего к трем, объединив фазы выноса в натуру, земляных работ и контроля в одну. После загрузки цифрового проекта в бортовой компьютер оператор экскаватора видит на экране изображение цифрового проекта, положение машины на нем и высотное отклонение ковша от нулевой отметки в графическом и цифровом виде. Таким образом, нет никакой необходимости в выносе в натуру.

Использование экскаваторной системы 3Dxi требует наличия на рабочем объекте нескольких закрепленных (опорных) точек с известными координатами в системе координат проекта. Как правило, эти точки располагаются по периметру строительной площадки. Изначально система 3Dxi работает в общеземной системе координат WGS-84. Для того чтобы сделать возможной работу системы в местных координатах проекта выполняют так называемую локализацию.

Первым делом на объекте или вблизи его выбирают место для установки базовой станции. При выборе места базы учитывают отсутствие вблизи высоких препятствий и источников радиопомех. Основное требование – обеспечение неизменного положения приемной антенны во время работ. Для выполнения локализации антенну подвижного приемника последовательно устанавливают на каждой опорной точке и выполняют измерение. Полученные результаты сразу берутся в расчет параметров локализации. Для каждого проекта достаточно иметь пять планово-высотных точек. Измерение каждой опорной точки занимает примерно 15 секунд. После измерения очередной опорной точки параметры локализации обновляются, на экране контроллера отображается прогнозируемая точность определения плановых координат и высот для экскаватора и всех мобильных геодезических комплексов. Если эта точность укладывается в допуски проекта, локализация считается выполненной. При отсутствии мобильного геодезического комплекта локализацию можно осуществить и «средствами» самого экскаватора, затратив на это немного больше времени. Следует заметить, что впоследствии возможно использование в качестве базовой станции любой, участвовавшей в локализации, опорной точки.

Для обеспечения точного расчета координат зубьев ковша на рабочем объекте выполняется калибровка основных узлов системы. С машины снимается «мерка»: тщательно определяется геометрическое положение обеих GPS-антенн относительно оси вращения стрелы, делаются замеры длин стрелы, рукояти, высоты и ширины ковша. Данная информация заносится в память бортового компьютера. Встроенное в GX-60 программное обеспечение позволяет использовать параметры шести разных ковшей на случай их быстрой замены.

Далее, после достаточно простых действий калибровки, машина готова к применению.

Первым делом новый мозг экскаватора необходимо заполнить информацией цифрового проекта. Учитывая большое разнообразие компьютерных систем автоматизированного проектирования, инженеры-конструкторы TOPCON предложили использовать в качестве основного обменного формата – формат чертежей AutoCAD DWG/DXF. Все известные программные пакеты САПР зарубежного и отечественного производства поддерживают этот формат. Для удобства анализа исходной информации и индикации результатов выполненных экскаватором работ, в комплект системы входит программное обеспечение 3D-Office. Этот пакет позволяет вести идеальную базу данных цифрового проекта, в нем отображается динамика выполнения земляных работ, включая трехмерную визуализацию рельефа с текстурами, построение картограмм земляных работ и окончательное сравнение подготовленной поверхности с проектом.

Интерфейс камеральной программы 3D-Office, а также 3D-MC, установленной в бортовом компьютере GX-60 и программы Pocket-3D всех контроллеров мобильных геодезических комплектов имеет схожую структуру. Это дает возможность работать в единой информационной среде проектировщикам, геодезистам, инженерам-технологам и операторам всего парка строительных машин, оснащенных системами управления Topcon 3D. Любые изменения цифрового проекта в офисе могут быть моментально переданы на объект и наоборот, все вновь измеренные точки, линии, поверхности, подготовленные экскаватором, найдут свое отражение в офисных компьютерах. Для удобства и обеспечения наибольшей мобильности данные передаются с помощью носителей типа карт памяти Compact Flash или USB Flash drive.

Интерфейс главной программы бортового компьютера оттачивался годами. Любое действие оператора должно выполняться не только стремительно, но и интуитивно. С этой целью конструкторы Topcon решили отказаться от клавиш и ручек на лицевой панели бортового компьютера. Полное управление системой 3Dxi осуществляется через сенсорный экран, причем меню и диалоговые кнопки имеют достаточные размеры даже для работы в перчатках. Ведь гораздо проще не помнить, какие клавиши каким функциям соответствуют, а просто показать пальцем.

После запуска бортового компьютера автоматически включается и бортовой приемник GPS. Буквально через минуту вся система готова к работе, состояние которой также отображается на дисплее. Оператор может настраивать информацию, отражаемую на экране, по своему усмотрению. Экран программы делится на три основные части: главное окно – большая центральная часть экрана показывается всегда, левое и нижнее окна. В любом из них оператор может показать план проекта с изображением экскаватора, продольное, поперечное сечение и индикатор рабочих отметок.

Система автоматически выполняет определение текущих координат зубьев ковша и показывает положение проектной поверхности. Оператор точно знает, на какой глубине находится нулевая отметка в любом месте рабочего объекта. Для этого в бортовом компьютере используются несколько способов индикации: одновременное отображение

вида экскаватора и проектной поверхности (центральная часть экрана), цифровое значение глубины проекта (нижняя часто экрана) и трехцветный высотный индикатор (левая часть экрана), наглядно показывающий приближение зубьев ковша к проектной отметке в динамике (см. рис.).

Стандартные функции бортового компьютера предусматривают выполнение топографической съемки средствами самого экскаватора. Для этого достаточно опустить ковш, чтобы он касался необходимой точки своим правым или левым краем, и запустить из меню режим измерений. Все закоординированные точки также сохраняются во внутренней памяти и позднее могут быть переданы в офисные и полевые компьютеры.

Преимущества системы управления Topcon 3Dxi

Снижение расходов на геодезические работы

С помощью постоянного контроля, связанного с цифровым проектом, оператор экскаватора значительно снизит расходы, необходимые для выполнения геодезических измерений на объекте. Разбивка может быть сведена до минимума, так что фазы повторного выноса в натуру и полевого контроля в течение всего срока работ на проекте исключаются полностью.

Увеличение продуктивности

Оператор машины всегда точно знает, где находится окончательная проектная поверхность. Таким образом, больше нет необходимости ждать геодезиста для выноса или контроля. Все данные доступны оператору непосредственно в кабине машины. Информация о сравнении данных цифрового проекта с действительным положением машины постоянно отображается на экране бортового компьютера.

Сферы применения

Сложная отсыпка грунта, подготовка крутых откосов и водохранилищ при дорожном строительстве или обычное рытье котлованов — все виды работ выполняются одинаково быстро и просто.

Улучшенный контроль над расходом материала

Имея цифровую модель проекта в кабине, оператор будет правильно проводить земляные работы с самого начала. Работу не надо будет переделывать, т.к. исполнитель всегда уверен в том, что снимаете ровно столько грунта, сколько необходимо на самом деле.

Улучшение качества работ

Разработанные компанией TOPCON системы управления строительной техникой 3DMC не только снижают Ваши непосредственные расходы, но и гарантируют высокое качество результатов работы. 3DMC дает Вам то самое недостающее звено по автоматизации процесса производства от съемки и подготовки проекта до его выноса в натуру и ежедневного выполнения работ. Это сводит на нет шансы допустить ошибку на протяжении всех этапов строительства.

В заключение стоит заметить, что системы управления техникой кардинально меняют технологию производства строительных работ, позволяя строительным компаниям достичь принципиально новых рубежей качества и точности реализации проектов со значительной экономией времени и средств.

Евгений Калабин
Ведущий специалист отдела MCS
компании ПРИН, эксклюзивного представителя TOPCON в России

Дата: 19.01.2008

Назад к списку новостей