Progresivní měřicí technika v řízení stavebních strojů

V současné době se začínají uplatňovat nové technologie při řízení stavebních, zejména zemních a silničních strojů. Zemní práce předcházejí všem rozsáhlejším stavebním dílům a v podstatě tvoří základ úspěchu celé stavby. To znamená, čím přesněji budou provedeny, tím více se ušetří stavebních materiálů. K větší kvalitě budovaných vozovek přispívají moderní metody řízení strojů pro výstavbu komunikací.

Abychom splnili požadavek co nejnižších nákladů na vytvoření daného produktu, musíme optimalizovat základní procesy stavebních prací tzn. technologii, logistiku a kontrolu, příp. měření [5]. Aby došlo k této optimalizaci, je nutné potřebná data o poloze stroje a jeho pracovním nástroji nejprve získat, zpracovat je, porovnat s požadovanými hodnotami a poté vhodnými komunikačními prostředky a technologiemi potřebné informace mezi procesními články přenášet.
K tomu slouží progresivní techniky a technologie používané při navigaci stavebních strojů, zejména různá spojení GPS popř. DGPS s laserovou technikou, ultrazvukem a totálními stanicemi [3].
Jedná se především o automatické sledování polohy stroje na zemském povrchu, o automatické řízení polohy hlavních pracovních nástrojů zemních a silničních strojů a o automatické řízení směru celého stroje. V podstatě se jedná o automatické řízení hlavních funkcí stavebních strojů. Vzhledem k tomu, že se využívá nejmodernější techniky a technologie poslední doby – GPS (popř. DGPS), můžeme hovořit o tzv. satelitní navigaci těchto strojů [4], protože celý systém GPS je tvořen satelity - geostationárními družicemi, které obíhají po čtyřech oběžných drahách kolem Země a jsou schopny přesně zaměřit polohu i pohybujících se cílů (strojů).

Systémy GPS a DGPS
Existují dva základní nejpoužívanější navigační systémy. Americký GPS NAVSTAR (Global Positioning Systém Navigation Systém Using Time and Renge) má spolu se svým ruským ekvivalentem GLONASS (Global Navigation Satellite System) mnoho aplikací. Oba systémy pracují na principu jednosměrného dálkoměru. Neznámé souřadnice libovolného bodu se určí ze známých poloh družic a z měření vzdálenosti mezi tímto bodem a družicemi.
Dosažitelná přesnost je ovlivněna metodou měření (Static, Stop & Go, Real Time Kinematic - RTK), konfigurací a viditelností družic a dalšími faktory. Při použití diferenciální metody DGPS (Diference Global Positiong Systém) lze získat v mnoha případech vyhovující přesnost ve spojení s přiměřeně krátkou observační dobou. Pozemní stanici umístíme do bodu se známými souřadnicemi a porovnáme skutečnou a určovanou polohu. Zpřesnění určení polohy můžeme dosáhnout korekcí zdánlivých pseudovzdáleností a korekcí polohových souřadnic [6].

Laserové systémy
Laserové systémy určené pro řízení stavebních strojů a jiných mechanismů se automaticky urovnávají do vodorovné roviny s možností sklonu ve dvou rovinách [1]. Např. fy AMMANN LASERTECHNIK připravila přístroj s rozmítaným svazkem AS 145 ARCS. Základem je konvenční dvouosý diodový laser ve viditelném spektru, ve kterém je integrován úhloměrný systém teodolitu. Druhý svazek je určen pro vytyčování a měření úhlů. Pomocí patentovaného systému ARCS (Automatický reflexní kontrolní systém) se automaticky nastavuje laserová rovina. Řídicí svazek je odražen od hranolu v ose. Laser je tak automaticky orientován. K řízení strojů i protlačovacích souprav lze vedle vodorovného směru využít i svislý směr výseče laserové roviny. Typy AS 142 spolu s AS 145 ARCS [9] representují novinky firmy roku 2001. Vykazují výrazně zvětšený rozsah sklonu ve svislé rovině na ±50 % v obou rovinách bez nutnosti přídavného adaptéru sklonu se zvýšenou přesností (±3 mm/100 m).
Detektory umístěné na stavebních strojích umožňují poloautomatické nebo zcela automatické řízení těchto mechanismů.
Laserové systémy umožňují řídit stavební stroje ve směru i ve vodorovné nebo skloněné rovině.

Ultrazvukové systémy
Ultrazvukové systémy využívané v řízení stavebních strojů pracují na základě vysílání impulsů vysokofrekvenčních zvuků a měření časů nutných k návratu signálu do řídicí skříňky po odražení od nějaké přepážky, např. obrubníku chodníku, napnuté struny apod., tedy na rozdíl od laserového řízení se používá hmotné stabilizované základny [6]. Na konec radlice nebo jiného pracovního nástroje se upevní speciální akustický vysílací a přijímací systém, který kontroluje výšku pracovního nástroje měřením vzdálenosti ke hmotné základně.
Ultrazvukové systémy firem např. LASER ALIGNMENT, MOBA, SPECTRA PRECISION [9], umožňují kontrolu výšky pracovního orgánu, jeho stranové polohy i příčného sklonu. Zvyšují rychlost jízdy stavebního stroje a zároveň snižují nároky na obsluhu.

Inerciální systémy
Inerciální systémy měření umožňují určit okamžité zrychlení pomocí snímačů zrychlení a okamžitou orientaci stroje gyroskopickým měřením. Princip inerciálního určení polohy stroje spočívá ve stálém zpracování toku informací o jeho pohybu objektu tj. kontinuálním měřením vektoru okamžitého zrychlení [7]. Inerciální systémy dodávají pomocí sady senzorů přesné úhlové údaje, které poskytují informace o příčném a podélném náklonu osy stroje. Jako přídavné jsou nasazeny gyroskopické senzory.

Totální stanice
Totální stanice (elektronické tachymetry) jsou kombinací elektronických teodolitů se světelnými dálkoměry a počítači pro okamžité zpracování a registraci výsledků měření. Díky dvouosému kompenzátoru lze zajistit bezchybné čtení vodorovných a svislých úhlů. Výkonný dálkoměr ve spojení se speciálním hranolem, umístěným na stroji, umožní přesné měření vzdálenosti. Motorizované automatické totální stanice např. firem GEOTRONICS a LEICA [9] s automatickým cílením umožňují přesné zacílení na hranol, který se objeví v zorném poli dalekohledu i sledování pohybujícího se hranolu umístěného např. na stavebním stroji. Dálkové ovládaní přístroje je zajištěno pomocí kabelové linky nebo radiomodemu. Přístroj má zabudovaný softwarový program pro základní geodetické úlohy (např. prostorové určování polohy hranolu metodou polární) a umožňuje komunikaci s polním zápisníkem i s počítačem, přenos dat je možný oběma směry [2].

Integrace systémů
Při automatickém řízení stavebních strojů se uplatní integrace uvedených systémů [3].

GeoStar Landforming Control System
GeoStar Landforming Control System spojuje informace o sklonu získané systémem Laserplane (laserový vysílač a přijímací semafor) s informací o poloze systému GPS. Je to první technologie spojující systém GPS pro určení polohy s kontrolou sklonu pro urovnání terénu [6].
Skládá se z laserového zdroje Laserplane vytvářejícího vodorovnou nebo skloněnou rovinu (v jednom nebo ve dvou sklonech), přijímače – semaforu upevněného na sledovaném stroji, referenční stanice DGPS a z řídicí skříňky. Standardní Laserplane může pracovat i samostatně.
GeoStar Landformng Control Systém zvyšuje produktivitu prací při zemních pracích při dostatečné rychlosti měření, bez nutnosti vytvářet síť geodetických bodů. Zvyšuje rovněž přesnost měření při eliminaci chyb při ručním postupu řízení. Účinnou digitalizací se zvýší přesnost měření při extrémních převýšeních.

Systém Niveltronic fy Vögele
Systém Niveltronic fy Vögele je automatický, elektronicky řízený systém pro určení podélného a příčného sklonu pro silniční finišery. Automatický nivelační systém je možno přímo připojit na elektrohydrauliku finišeru. Systém lze využít k určení podélného i příčného sklonu, tloušťky položení povrchu vozovky a také pro její monitorování.
Řídicí jednotka Niveltronic pracuje jako »černá skříňka« zcela automaticky. Digitální elektronika umožňuje výškové řízení laserem či satelitním systémem GPS nebo elektronickým teodolitem GPS.
Směrový automat umožňuje elektronické řízení směru pracovního pojezdu zejména u náročných staveb (např. kolejové lože pro vysokorychlostní vlaky ICE).
Systém Niveltronic se skládá z kontrolní jednotky, ručního přístroje, senzoru sklonu (podobnému elektronické libele), mechanického senzoru sklonu (příčný) a dvou referenčních jednotek (pro oblouk – nerovnosti a lyžiny).
Ultrazvukový snímač výšek je určen pro bezdotykové snímání referenční roviny (např. napnutý drát, položené obrubníky apod.).

Silniční skenovací systém
Silniční skenovací systém ( R.S.S. – Road Scanning System) tvoří laserové zařízení určené pro finišery a silniční frézy [8]. Jeho úkolem je udržovat hladicí desky finišeru nebo frézovacího válce v požadované výšce při dodržení tolerancí od ideálního stavu vytyčeného pomocí referenční linie. Silniční skenovací systém se skládá z tzv. »rotačního skeneru« a počítačové jednotky, která je připojena k řídicí jednotce systému TOPCON FOUR event. TOPCON FIVE. Skener je uchycen ve výšce 2 až 2,5 m nad referenční rovinou na bočním nosníku stroje nebo na vlečném rameni finišeru. Skener sleduje oblast podle nastavení, a to až do délky 35 m podél stroje. V této oblasti je výškově určováno až 180 bodů, ze kterých je vypočítán dynamický průměr. Velké množství měření vede k vyšší přesnosti.
Protože je možné přednastavit maximální přijatelné výškové rozdíly, je rovněž možné pracovat uvnitř pracovní šířky stroje. Přítomnost osob, pokud někdo projde napříč skenovacím prostorem, bude okamžitě zaznamenána jako velký výškový rozdíl a toto měření bude vyloučeno z výpočtů.
Skener vysílá pulsy neviditelného laserového záření. Tyto pulsy se odrážejí od země a jsou přijímány senzorem uvnitř skeneru. Výkonná elektronika změří tranzitní čas, který uplynul mezi odesláním a příjmem odraženého signálu. Protože se světlo šíří konstantní rychlostí, může být tranzitní čas využit k výpočtu vzdálenosti, kterou laserový puls urazil. Uvnitř skeneru je umístěno rotující zrcátko, které umožňuje měřit vzdálenost mezi skenerem a referenčním povrchem s krokem jednoho stupně. Všechna naměřená data posílá skener okamžitě do počítačové jednotky RSS, kde jsou informace o sledovaném povrchu podrobně zpracovány speciálním programem. První věc, která je prováděna během zpracování, je filtrace (tzn. vyloučení velkých objektů jako jsou lidé a součásti stroje např. hladící lišta finišeru). Počítač RSS využívá k výpočtu dynamického průměru více než jedno skenování. Každý bod skenovací řady je softwarově vyhodnocován. Celé skenování je vyřazeno, pokud je množství odražených bodů od povrchu příliš malé, nebo pokud nastavená délka skenování neodpovídá zpracovanému rozsahu.
Systém RSS byl vyvinut firmou ROADWARE ve spolupráci s firmou TOPCON.
U nás byl systém RSS nasazen firmou Geodis Brno ve spolupráci s PSVS (Pražské silniční a vodohospodářské stavby Praha) v roce 1999 při testování na dvou finišerech Vögele 1 800. Díky RSS dochází ke zvýšení kvality rovinatosti upravovaného povrchu.

Závěr
Progresivní měřicí technika a technologie používaná při navigaci stavebních strojů zahrnuje různá spojení GPS popř. DGPS s laserovou a ultrazvukovou technikou a s totálními stanicemi. Tyto moderní technologie lze využít zvláště u dozerů, finišerů, u hutnicí techniky, grejdrů, rypadel, zemních fréz, rýhovačů apod. Technologie práce všech jmenovaných strojů je v podstatě stejná jako u planýrovacích strojů a hutnicích válců.
Práce, které se provádějí za použití uvedených systémů řízení, se vyznačují velkou přesností sklonu urovnaných ploch, výkopů a vůbec nivelity ve všech směrech, popř. rovnoměrným zhutněním zvláště velkých ploch.
Je třeba si uvědomit, že používání těchto nových metod pro řízení kvality práce stavebních strojů je základní podmínkou konkurenceschopnosti nabízených technologií.
Tento článek vznikl v rámci grantového projektu 103/99/0021 GA ČR.

Literatura:

• [1] KAŠPAR, M.: Laser Instruments for Control of Building Machines. In.: Proc. of the 1st International Conference of Engineering Surveying INGEO´98 Bratislava, 1998, pp. 113 – 116
• [2] KAŠPAR,M.: Automatika řízení stavebních a důlních stojů. Stavební + Zemní stroje, r. 3, 1999, č. 6 str. 26-28
• [3] KAŠPAR,M., VOŠTOVÁ,V.: Moderní způsoby řízení pro zemní a podzemní práce. STAMP Stavební informace, r. 6, 1999, č. 1, str. 6 – 21 (Resume německy a anglicky)
• [4] VOŠTOVÁ,V., KAŠPAR, M.: Satelitní navigace. Stavební + Zemní stroje, r. 4, 2000, č. 4, str. 10-11
• [5] VOŠTOVÁ,V., KAŠPAR, M.: Automatizace v řízení stavebních strojů – Automati-sierung der Steuerung der Baumaschinen. STAMP Stavební informace, r. 5, spec. Vydání BAUTEC ‘98, Berlin 1998, str. 1–20
• [6] VOŠTOVÁ,V., KAŠPAR, M.: Optoelektronika v řízení stavebních strojů. Skripta, ČVUT 2001, str. 194, ISBN 80-01-02278-1
• [7] KOPÁČIK,A.: Základy inerciálných meracích systémov. Geodetický a kartografický obzor, 438/85, 1997, č. 6, str. 111-118
• [8] Road Scanning Systém fy Roadware
• [9] Firemní literatura