技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
土壤压实方法和系统，以及涉及一种压实机辊。
背景技术
[0002] 术语“
冲击压实机”或者“冲击式碾压机”通常表示土壤压实装置，该装置包括非圆形形状的一个/两个压实机滚筒，当在土壤表面上被拖行/驱动时，压实机滚筒在土壤表面上产生一系列周期式冲击(参见图1)。这些周期式冲击使土壤变得紧密，这导致土壤被压紧且定向成更密集和有效的颗粒布置，降低了土壤的孔隙率并防止进一步压实和剪切破环。冲击压实机的压实机滚筒中的每一个都在其外围具有一系列间隔开的凸起点，这种凸起点每一个跟随有压实表面。当冲击压实机在土壤表面上例如通过
拖拉机被拖行时，压实机滚筒在每个凸起点上上升，然后在该压实机滚筒通过该点时向前且向下下降，因此，随动的压实表面将冲击施加到土壤表面(参见图2)。压实机滚筒的功能因此是在该压实机滚筒在每一个凸起点上上升时存储
势能，然后将这种
能量作为冲击传递。
[0003] 为了达到需要的压实度，预定数量的通过通常由冲击式压实机施加到工作场所。在已经执行预定数量的通过之后，土壤测试在隔离的分离
位置处执行，以便建立是否已经获得需要的压实度。虽然这些土壤测试仅在经历压实的总区域的非常小比率的区域上被执行(通常不多于被压实的区域的十万分之一)，但是测试结果被推断以指示土壤：达到需要的压实度；或仍然需要冲击式压实机的进一步通过；或者已经超过需要的压实度。因此，在场所的实际部分仍然不充分地压实时，该实验通常会错误地假定该场所已经被充分地压实。较差的压实土壤会导致道路、
铁路线、飞机场跑道、或者土壤在今后需要被搬运的其它结构代价很高地过早破坏。
[0004] 冲击式压实机已经表明即使在土壤表面下方的相当深的位置处，实现高
水平的土壤压实工作也是良好的。这允许场所上的土壤强度的一致性获得较大的改进，提供了整个场所被辗平以无陷落或者接近无陷落。然而，由于一些区域会比其它区域更早达到无陷落，所以难以确定何时无陷落已经在整个工地上被实现，从而产生大面积工地上的不足压实或者多余压实。一旦已经实现无陷落，则不同的土壤类型会具有不同的弹性，并且因此重要的是测量这些弹性以保证获得的土壤强度一致。
[0005] 可以示出在冲击过程中冲击式压实机的滚筒穿入土壤的量与土壤强度直接有关。大穿透测量将与低土壤强度相互关联，而小穿透测量将与高土壤强度相互关联。一旦土壤不再进一步陷落，获得的穿透测量将保持恒定，表示出获得的土壤的任何
变形都是弹性的。
当土壤的形状出现临时改变时出现弹性变形，在临时改变时当施加的应
力(压实机滚筒)被移除时土壤的形状被完全恢复。土壤对卸载的响应是即时的。当土壤的形状具有永久改变时(当移除施加的
应力时土壤的形状不会恢复)出现塑性变形。当在冲击期间没有再出现塑性变形时，这表示冲击式压实机已经到达其压实能力的限制并且土壤强度不能被更进一步地改善。可以说土壤反作用力已经达到与通过下降压实机滚筒而施加的压力均衡的形式。
[0006] 压实机滚筒在其行进的地面上(由于其形状导致)具有的效果在图3中被图解地示出，其中地面形成正弦曲线图案。图3中的上部
正弦波显示了第一次通过时形成的图案，其中穿透深度可以大至150mm或更多。中间波和下部波显示正弦波的幅度如何随着冲击式压实机完成更多次通过和地面变得更坚硬而降低。然而，冲击式压实机不会每次将冲击传递到相同点，并且每一次通过的正弦曲线图案将要因此重叠。
[0007] 即使土壤
密度通常不是用于确定地面是否被良好地压实的最相关的工程特性，土壤密度也被建筑业广泛使用，以规定、估算、测量和控制土壤压实。这种实践在很久以前就被采用，因为可以从利用诸如当今通常使用的核子密度计的装置进行的测量中容易地确定土壤密度。
[0008] 用于测量土壤强度的当前方法相对缓慢、人工密集和/或缺乏精确度。施工现场通常在样品标准之下，这导致不充分的压实未被检测出，或者对于任何问题的成本有效校正来说被反馈得太晚。
[0009] 本发明的目的是提供至少缓和上述的一些问题的方法。
发明内容
[0010] 根据发明，提供了一种获得土壤的土壤强度的指示的方法，压实机辊在所述土壤上移动，所述方法包括以下步骤：
[0011] 当压实机辊在土壤表面上移动时，确定压实机辊的滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度。
[0012] 重要的是记住本
说明书的目的，当诸如“测量”、“计算和“确定”的术语参照具体值/量使用时，该术语不是必须表示实际的具体值/量，而是还可以表示其估算值。
[0013] 术语“压实机辊”应该被解释为包括通常所说的冲击式压实机或者冲击式压路机。
[0014] 压实机辊可以是冲击式压实机。
[0015] 压实机辊通常包括通过传送周期性冲击压实地面的至少一个滚筒/辊，其中压实机辊在地面上移动。为了清楚起见，术语“滚筒”将在本文中代替“辊”使用。
[0016] 压实机辊的滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度可以称为冲程深度。
[0017] 土壤强度的测量用于确定土壤的强度是多少，土壤能够承载的负载如何，土壤是否在一些预先限定的规范内被压实。本发明提供了可用于确定、估算土壤强度或者提供土壤强度的指示的不同但相互关联的方法或者测量技术。土壤强度的指示可以通过以下方式来获得：
[0018] 仅使用冲程深度(如上所述)；
[0019] 使用冲程深度连同/协同与所述压实机辊的滚筒在土壤上移动时该滚筒的位移有关的动态数据，并使动态数据与指示基于具体动态数据的土壤强度的尺度相关；或者[0020] 使用冲程深度测量/确定以下测量/估算中的一个(或更多)：
[0021] 冲击式压实机在操作期间在土壤上移动的该土壤的承载能力；
[0022] 冲击式压实机在操作期间在土壤上移动的该土壤的通常所说的K值；
[0023] 冲击式压实机在操作期间在土壤上移动的该土壤的土壤模数；或者[0024] 在冲击期间通过土壤吸收的能量。
[0025] 上述的承载能力、K值、土壤模数和能量是用于冲击压实领域中的公知术语，并可以用于提供土壤强度的指示。承载能力、K值、土壤模数和能量(上述的)的测量/估算可以被称为土壤强度的直接测量。
[0026] 所述方法因此可以包括以下步骤：
[0027] 测量/确定操作期间冲击式压实机在土壤上移动的该土壤的承载能力；
[0028] 测量/确定操作期间冲击式压实机在土壤上移动的该土壤的所谓K值；
[0029] 测量/确定操作期间冲击式压实机在土壤上移动的该土壤的土壤模数；或者[0030] 测量/确定冲击期间由土壤吸收的能量。
[0031] 确定滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度(冲程深度)的步骤可以包括测量冲击式压实机的滚筒或者冲击式压实机的安装结构与基准/参考点之间的相对位移量，其中冲击式压实机的安装结构将滚筒可移动地安装至冲击式压实机的底盘结构。
[0032] 所述基准/参考点可以是底盘结构或者冲击式压实机的不受滚筒相对于底盘结构的移动影响的部分(即相对于底盘结构固定的部分)。
[0033] 确定滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度的步骤可以包括测量冲击式压实机的轮轴组件或者拉杆和底盘结构之间的距离，其中滚筒安装在轮轴组件上，轮轴组件通过所述拉杆安装至底盘结构，其中轮轴组件和拉杆形成为所述安装结构的一部分。
[0034] 所述距离可以是垂直距离。距离的测量可以通过距离测量装置进行。
[0035] 距离测量装置可以包括：
[0036] 激光
传感器、红外传感器或者
超声波传感器中的至少一个；
[0037] 线性电位计；和/或
[0039] 距离测量装置可以包括两个激光传感器、红外传感器和/或
超声波传感器。
[0040] 冲击式压实机的安装结构可以包括一个或多个铰接/枢转连接部，其中所述冲击式压实机的滚筒安装在所述安装结构上，并且所述安装结构能够使所述滚筒可移动地安装至冲击式压实机的底盘结构，所述滚筒通过所述一个或多个铰接/枢转连接部连接到所述冲击式压实机的底盘结构，而所述方法可以包括监控铰接/枢转连接部中的一个或者每一个的两个铰接部件之间的相对
角位移。
[0041] 冲击式压实机可以包括底盘结构、拉杆、可旋转地安装至拉杆的非圆形形状的至少一个冲击滚筒、和
连杆(以下简称“下降连杆”)，所述拉杆通过下降连杆连接到底盘结构，其中所述下降连杆枢转地/铰
接地连接至位于间隔开位置处的底盘结构和拉杆，其中所述下降连杆和拉杆形成为滚筒安装结构的一部分，其中所述方法可以包括以下步骤：
[0042] 测量所述拉杆和所述下降连杆之间的相对角位移；和/或所述下降连杆和所述底盘结构之间的相对角位移，并且角位移的变化指示所述冲击滚筒和所述底盘结构之间的相对位移量，进而指示所述压实机辊的滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度。
[0043] 所述方法可以包括使用下降连杆和拉杆的已知长度连同根据测量相对角位移(一个或多个)获得的数据，以便获得所述冲击滚筒和所述底盘结构之间的相对位移量的指示。
[0044] 相对角位移的测量可以通过回转仪、惯性测量单元(以下简称“IMU”)、光学流量传感器和/或
旋转编码器进行。
[0045] 在可选
实施例中，确定滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度的步骤可以包括：
[0046] 测量
气动活塞气缸装置的气缸中的压力，所述气动活塞气缸装置可操作地连接在冲击式压实机的安装结构和所述底盘结构之间，其中所述压实机辊的滚筒安装在所述安装结构上，并且该安装结构使滚筒可移动地安装至冲击式压实机的底盘结构；和[0047] 由测量的压力推导滚筒和底盘结构之间的相对位移量的指示。
[0048] 在可选实施例中，确定所述滚筒穿透到土壤中并压下土壤的深度的步骤可以包括：
[0049] 测量冲击期间压实机辊的滚筒所受到的
加速度的量(即速度变化)；和[0050] 由测量的加速度推导滚筒和冲击式压实机的底盘结构之间的相对位移量的指示，其中滚筒可移动地安装到所述底盘结构。
[0051] 由测量的加速度推导相对位移量的指示的步骤可以包括使从测量所述加速度获得的数据关于时间二次积分，以便确
定位移的量。
[0052] 加速度可以是垂直加速度。
[0053] 所述方法可以包括提取从滚筒加速度的测量获得的数据的垂直分量，以便推导滚筒和底盘结构之间的相对垂直位移量的指示。
[0054] 加速度的测量可以通过加速计进行。加速计可以安装在滚筒上或者冲击式压实机的安装结构上，滚筒安装在所述安装结构上，并且安装结构使滚筒可移动地安装至冲击式压实机的底盘结构。
[0055] 确定滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度的步骤可以连续/持续(即实时)执行。更具体地，所述方法可以包括当冲击式压实机在土壤的上表面上并沿着该上表面移动时，连续/持续发送指示土壤强度的
信号至处理器。
[0056] 当所述冲击式压实机在土壤表面上移动时确定所述冲击式压实机的滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度的步骤可以包括：
[0057] 从安装在所述冲击式压实机的滚筒上或者安装结构上的IMU获得数据，其中滚筒安装在所述安装结构上且安装结构使所述滚筒可移动地安装至所述冲击式压实机的底盘结构；和
[0058] 使用所述数据确定穿透深度。
[0059] 当冲击式压实机在土壤上移动时确定冲击式压实机的滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度的步骤可以包括：
[0060] 确定从IMU获得的加速度数据的垂直分量。
[0061] 所述方法可以包括使加速度数据的垂直分量关于时间二次积分。
[0062] 当冲击式压实机在土壤上移动时确定冲击式压实机的滚筒穿透到土壤中并压入土壤的深度的步骤可以包括通过使用两个RTK GNSS(实时动态全球卫星
导航系统)装置测量底盘结构上的点的垂直位置和滚筒或者滚筒安装结构上的点的垂直位置，该RTK GNSS装置安装在这些点处；和计算通过两个装置测量的两个垂直位置之间的差值。可选地，虽然可能降低准确性，但是简单的GPS或者等效装置可以用于代替RTK GNSS装置。
[0063] 所述方法可以包括以下步骤：
[0064] 计算在冲击期间通过冲击式压实机的滚筒施加至土壤的力的量；和[0065] 计算所述滚筒和所述土壤之间的
接触面积。
[0066] 计算通过滚筒施加的力的量的步骤可以包括使用从IMU获得的加速度数据和冲击式压实机的运动模型。更具体地，所述步骤可以包括利用
牛顿第二定律计算所述力的量。
[0067] 计算通过滚筒施加的力的量的步骤可以包括计算在冲击期间滚筒施加到土壤的峰值力。
[0068] 计算通过滚筒施加的力的量的步骤可以包括计算在冲击式压实机的滚筒的冲击期间由土壤吸收的能量。
[0069] 所述方法可以包括利用以下测量计算能量的量：
[0070] 滚筒高度的变化；
[0071] 滚筒和/或拉杆的旋转速度的变化；和/或
[0072] 安装结构的轮轴组件相对于滚筒减震
橡胶的偏转，其中所述滚筒安装在所述安装结构上，所述滚筒减震橡胶安装在所述轮轴组件所述滚筒之间。
[0073] 在冲击期间通过滚筒施加的力可以使用数学方程式计算：
[0074] ΔE＝∫Fdx
[0075] 假设每个短时间阶段为恒定力，平均力可以根据以下计算：
[0076] ΔE＝Favgx
[0077] 计算通过滚筒施加的力的步骤可以包括以下步骤：
[0078] 当滚筒的滚筒冲击表面在冲击期间与土壤接触时确定冲击式压实机的滚筒的位置。
[0079] 当滚筒的滚筒冲击表面在冲击期间与土壤接触时确定滚筒位置的步骤可以包括确定在冲击期间滚筒开始减速的位置。一种冲击式压实机包括底盘结构、拉杆、可旋转地安装至拉杆的至少一个冲击滚筒、和连杆(以下简称“下降连杆”)，拉杆通过下降连杆连接到底盘结构，其中下降连杆枢转地/铰接地连接至在间隔开位置处的底盘结构和拉杆，并且其中下降连杆和拉杆形成为滚筒安装结构的一部分。
[0080] 可选地，当所述滚筒的滚筒冲击表面在冲击期间与土壤接触时确定所述滚筒的位置的步骤可以包括：
[0081] 在所述滚筒冲击表面与土壤接触时通过使用传感器确定，所述传感器安装在所述滚筒、所述底盘结构或者滚筒安装结构上，并且被配置成在冲击期间当所述滚筒冲击撞击所述土壤时进行检测。
[0082] 传感器可以是：
[0083] 被配置成检测/识别在冲击期间滚筒撞击土壤时产生的声音的麦克
风；
[0084] 应变仪；
[0085] 接触传感器；
[0088] 接触面积的计算可以包括以下步骤：
[0089] 计算滚筒相对于重力(即垂直向下方向)的旋转角度；和
[0090] 将从上述步骤以及确定穿透深度的步骤中获得的测量值插入到数学方程式中。
[0091] 计算滚筒相对于重力的旋转角度的步骤可以包括使用从IMU获得的加速计和回转仪数据计算旋转角度。
[0092] 接触面积可以是滚筒的旋转角度、滚筒轮廓和冲程深度的函数。
[0093] 所述方法可以包括测量冲击式压实机在操作期间在土壤上移动的该土壤的承载能力，其中测量承载能力的步骤包括：
[0094] 确定在冲击期间通过所述冲击式压实机的滚筒施加至所述土壤的峰值力；
[0095] 确定峰值力下所述滚筒和所述土壤之间的接触面积；和
[0096] 通过将所述峰值力除以接触面积计算所述支承压力。
[0097] 承载能力表示支承压力和冲程深度之间的关系。更具体地，承载能力表示连续支承压力和冲程深度数据之间的关系。承载能力可以因此源自于绘制支承压力相对于冲程深度的图表。
[0098] 承载能力的计算可以在冲击式压实机在土壤上移动时被连续/持续完成。
[0099] 测量承载能力的步骤可以包括：
[0100] 确定通过滚筒在土壤上施加的瞬时支承压力；和
[0101] 提供施加的压力相对于滚筒进入到土壤中的穿透深度的图解说明。
[0102] 所述方法还可以包括使用从通过滚筒施加的压力和滚筒进入到土壤中的穿透深度的确定获得的数据来计算土壤的安全承载能力、容许承载能力和/或极限承载能力。更具体地，土壤的安全承载能力、容许承载能力和/或极限承载能力可以利用施加的压力相对于滚筒进入到土壤中的穿透的测量的图解说明而被计算。
[0103] 所述方法可以包括测量冲击式压实机在操作期间在土壤上移动的该土壤的K值，其中测量所述K值的步骤包括：
[0104] 确定在冲击期间通过冲击式压实机的滚筒施加在土壤上的瞬时压力；
[0105] 使用从通过所述滚筒施加的压力和所述滚筒进入所述土壤的穿透深度获得的数据计算K值。
[0106] 测量K值的步骤可以包括提供施加的压力相对于滚筒进入到土壤中的穿透深度的图解说明。所述方法因此可以包括利用施加的压力相对于滚筒进入到土壤中的穿透的测量的图解说明计算用于具体施加压力的K值。
[0107] 所述方法可以包括在操作期间测量土壤的土壤模数，冲击式压实机在该土壤上移动，其中测量土壤模数的步骤包括：
[0108] 确定在冲击期间通过滚筒施加的压力与滚筒和/或冲击式压实机的安装结构在操作期间受到的应变的比率，其中滚筒安装在所述安装结构上，并且该安装结构使所述滚筒可移动地安装至所述冲击式压实机的底盘结构。
[0109] 测量土壤模数的步骤可以包括：利用布希内斯克数学方程式计算用于圆形板的模数：
[0110]
[0111] 其中P是施加的压力，v是泊松比率，Δz是压实机辊的滚筒穿透到土壤中并压下土壤的深度，a是所述滚筒和所述土壤之间的接触面积，和E是模数；和
[0112] 发现测试相关性，该相关性将对于所述滚筒形状调节模数。
[0113] 上面涉及的计算/估算可以通过处理器执行。
[0114] 根据本发明的另一个方面，提供了一种压实机辊，所述压实机辊包括：
[0115] 底盘结构；
[0116] 至少一个滚筒，所述至少一个滚筒通过滚筒安装结构可旋转地安装至底盘结构，其中所述滚筒安装结构被配置成允许至少一个滚筒相对于所述底盘结构移动，使得当所述压实机辊沿着地面移动时所述至少一个滚筒可以相对于所述底盘结构向上和向下移动；和[0117] 测量结构，所述测量结构可操作地连接至所述底盘结构和/或所述滚筒安装结构，并且被配置成当压实机辊在土壤表面上移动时，通过确定所述至少一个滚筒穿透到中土地中并压入土地中的深度来获得土壤的土壤强度的指示，其中所述压实机辊在所述土壤上移动，所述滚筒在操作期间在所述土地上移动。
[0118] 压实机辊可以是冲击式压实机。
[0119] 压实机辊可以包括惯性测量单元(以下简称为“IMU”)，惯性测量单元安装在滚筒或者滚筒安装结构上。
[0120] 压实机辊可以包括
姿态过滤器，该姿态过滤器可操作地连接到IMU或者形成为IMU的一体部分，姿态过滤器被配置成减少从形成IMU的一部分的部件接收的读数的
电子噪音，以便帮助增加读数的精确度和/或可靠性。过滤器可以是互补过滤器或者卡尔曼过滤器。
[0121] 压实机辊可以包括惯性导航系统(以下简称“INS”)，惯性导航系统可操作地连接至IMU或者形成为IMU的一体部分。INS可以被配置成计算IMU的位置，以及压实机辊的安装有该部分的位置，即滚筒或者安装结构。
[0122] 所述测量结构可以包括至少一个距离测量装置，所述至少一个距离测量装置安装在所述滚筒安装结构上，并且指向所述底盘结构或者所述压实机辊的不受至少一个滚筒相对于所述底盘结构的移动影响的部分(即相对于底盘结构固定的部分)；或者安装在所述底盘结构上或者所述压实机辊的不受所述至少一个滚筒相对于所述底盘结构的移动影响的部分上，并且指向所述滚筒或者所述滚筒安装结构。
[0123] 距离测量装置可以包括：
[0124] 适于感测距离的激光传感器、红外传感器或者
超声波传感器；
[0125] 线性电位计；和/或
[0126] 线性编码器。
[0127] 传感器可以被基本上垂直定向成使得该传感器可以感测压实机辊的安装传感器的部分(例如安装结构)和压实机辊的被所述传感器指向的部分(例如底盘结构)之间的垂直距离。
[0128] 滚筒安装结构可以包括枢转地/铰接地安装至底盘结构的拉杆、和使至少一个滚筒可旋转地安装至拉杆的轮轴组件，并且其中传感器安装在拉杆或者轮轴组件上并指向底盘结构。
[0129] 所述滚筒安装结构可以包括拉杆和轮轴组件，所述拉杆枢转地/铰接地安装至所述底盘结构，所述轮轴组件使所述至少一个滚筒可旋转地安装至拉杆，并且其中所述测量结构包括两个距离测量装置，其中一个距离测量装置安装在拉杆上并指向底盘结构，而另一个距离测量装置安装在轮轴组件上并指向所述底盘结构。
[0130] 距离测量装置可以相对于彼此成倾斜角度。
[0131] 在可选实施例中，所述测量结构可以包括：
[0132] 活塞气缸装置，所述活塞气缸装置可操作地连接在滚筒安装结构和底盘结构之间、或者滚筒安装结构和所述压实机辊的不受至少一个滚筒相对于所述底盘结构移动的影响的部分之间；和
[0133] 压力计，所述压力计可操作地连接至活塞气缸装置，以便测量活塞气缸装置的气缸内部的压力，
[0134] 其中，气缸内部的压力的改变指示至少一个滚筒和底盘结构之间的相对位移的量。
[0135] 活塞气缸装置可以是气动或者液压活塞气缸装置。
[0136] 在另一个可选实施例中，所述测量结构可以包括至少一个角度测量装置，所述至少一个角度测量装置可操作地安装在所述底盘结构和所述滚筒安装结构之间，或者安装在所述压实机辊的不受至少一个滚筒相对于所述底盘结构的移动影响的部分和所述滚筒安装结构之间，
[0137] 其中，通过所述角度测量装置检测的相对角位移的量指示至少一个滚筒和底盘结构之间的相对位移的量。
[0138] 所述冲击式压实机可以包括底盘结构、拉杆、可旋转地安装至拉杆的非圆形形状的至少一个冲击滚筒、和下降连杆，所述拉杆通过下降连杆连接到底盘结构，其中所述下降连杆枢转地/铰接地连接至处于间隔开的位置处的底盘结构和拉杆，并且其中所述下降连杆和拉杆形成为所述滚筒安装结构的一部分，和其中所述测量结构可以包括两个(或者更多个)角度测量装置，其中一个角度测量装置可操作地连接在所述底盘结构和所述下降连杆之间，而另一个角度测量装置可操作地连接在所述下降连杆和所述拉杆之间。
[0139] 底盘结构和下降连杆之间、以及下降连杆和拉杆之间的相对角位移的量连同下降连杆和拉杆的长度可以用于计算至少一个滚筒和底盘结构之间的相对位移的量。
[0140] 角度测量装置可以是回转仪、旋转编码器、光学流量传感器或者IMU。
[0141] 测量结构可以包括安装在至少一个滚筒或者滚筒安装结构上的加速计，其中当相对于时间二次积分时，加速计的输出指示至少一个滚筒和底盘结构之间的相对位移的量。
[0142] 所述方法可以包括以下步骤：
[0143] 当压实机辊的滚筒在土壤上移动时获得与滚筒的垂直位移有关的动态数据；和[0144] 根据具体的动态数据使动态数据与表明土壤强度的尺度相关。
[0145] 所述尺度可以通过使通过根据压实机辊在一段土壤上移动时压实机辊的滚筒的垂直位移而获得的数据与从该土壤的相同段上执行的另一个公知的土壤强度测试获得的数据相关而被推导。
[0146] 获得动态数据的步骤可以包括监控或者测量压实机辊的滚筒或者滚筒的安装结构相对于底盘结构的
角速度，该安装结构使滚筒铰接地/枢转地安装至压实机辊的底盘结构。
[0147] 所述方法可以包括在使数据与尺度相关之前，通过计算/估算所述数据相对于时间的导数而处理该数据，然后使处理的数据与尺度相关。
[0148] 相对位移的测量可以在安装滚筒的压实机辊的轮轴组件或者拉杆和底盘结构之间进行，轮轴组件通过拉杆安装至底盘。
[0149] 相对位移的量可以表示垂直位移。
[0150] 获得所述动态数据的步骤可以包括测量所述压实机辊的滚筒或者所述滚筒的安装结构以及所述底盘结构或者所述压实机辊的不受所述滚筒相对于所述底盘结构的移动影响的部分之间的相对位移的量，所述滚筒的安装结构使所述滚筒可移动地安装至所述压实机辊的底盘结构。
[0151] 所述方法可以包括通过计算/估算其相对于时间的第二导数而处理动态数据，然后使处理的数据代替动态数据与尺度相关。
[0152] 在另一个实施例中，动态数据可以通过测量气动或者
液压缸中的压力和由测量的压力推导滚筒和底盘结构之间的相对位移的量的指示而获得，其中气动或者液压缸可操作地连接在压实机辊的安装结构和底盘结构之间。
[0153] 安装滚筒的安装结构通常包括一个或多个铰接连接部，滚筒通过一个或多个铰接连接部安装至底盘结构。在一个实施例中，动态数据可以通过测量铰接连接部中的一个或者每个的两个铰接连接的部件之间的相对角位移而获得。在这种情况下，所述方法可以包括在使数据与尺度相关之前，通过由测量的角位移推导压实机辊的滚筒的垂直加速度的量处理数据，然后比较处理的数据和尺度。
[0154] 一种冲击式压实机包括底盘结构、拉杆、可旋转地安装至拉杆的至少一个冲击滚筒、和连杆(以下简称为“下降连杆”)，拉杆通过下降连杆连接到底盘结构，其中下降连杆枢转地/铰接地连接至位于间隔开的位置处的底盘结构和拉杆，和其中下降连杆和拉杆形成为滚筒安装结构的一部分。在这种情况下，动态数据可以通过监控拉杆和下降连杆之间的相对角位移、和/或下降连杆和底盘结构之间的相对角位移而获得，并且角位移的变化指示冲击滚筒和底盘结构之间的相对位移的量。
[0155] 在另一个实施例中，动态数据可以通过测量滚筒和/或滚筒安装结构在操作期间受到的应变和/或应力而获得。更具体地，动态数据可以通过测量滚筒和/或滚筒安装结构在操作期间受到的峰值应变和/或峰值应力而获得。
[0156] 在另一个实施例中，动态数据可以通过测量滚筒和/或滚筒安装结构在操作期间经历的压力(一个或多个)和/或振动(一个或多个)而获得。
[0157] 根据本发明的另一方面，提供了一种土壤压实系统，所述土壤压实系统包括：
[0158] 压实机辊；
[0159] 测量结构，所述测量结构包括惯性测量单元(以下简称“IMU”)，所述惯性测量单元可操作地连接至所述压实机辊，其中所述结构被配置成在操作期间通过确定所述滚筒穿透到压实机辊在其上移动的土壤中并压入该土壤中的深度获得所述土壤的土壤强度的指示，压实机辊在所述土壤上移动；和
[0160] 处理器，所述处理器可操作地连接至所述测量结构并且被配置成处理从所述测量结构接收的数据。
[0161] 压实机辊可以是如上所述的压实机辊。
[0162] 处理器和测量结构中的每个都可以具有无线通信单元，该无线通信单元连接于此或者形成处理器和测量结构的一体部分，并且无线通信单元允许处理器和测量结构之间无线通信。
[0163] 所述系统可以包括至少一个图形
用户界面(以下简称为“GUI”)，该
图形用户界面以通信方式连接至处理器并被视觉上配置成显示从处理器接收的处理过的信息(例如通过在屏幕上显示信息)。图形用户界面可以位于压实机辊(如果辊是自推进)上；拖拉所述压实机辊的车辆(如果辊不是自推进并需要被拖拉)上；或者远离压实机辊的现场位置上。更具体地，所述系统可以包括两个GUI，一个位于压实机辊或者拖拉所述压实机辊的车辆上，而另一个位于现场位置上。
[0164] 所述系统可以包括GPS单元或者GNSS单元，所述GPS单元或者GNSS单元连接到所述测量结构或者形成为测量结构的一体部分。无线通信单元可操作地连接至GUI或者GUI中的每一个，以便与所述处理器通信。
[0165] 处理器可以被配置成根据从GPS或者GNSS单元接收的坐标信息将压实机辊的位置信息发送至图形用户界面，进而图形用户界面可以被配置成显示压实机辊的相对于
指定/预先确定的用于压实机辊的压实机路线的位置。更具体地，处理器可以被配置成根据从测量结构接收的坐标信息将与土壤的土壤强度有关的信息发送至图形用户界面，进而图形用户界面被配置成显示所述信息，压实机辊在该土壤上移动。
[0166] 土壤强度的显示可以参照土壤强度的具体标准被显示。
[0167] GUI可以被配置成使用坐标信息连同土壤强度信息，以便显示被分成大量位置区域/单元的压实现场的绘图，其中每个区域/单元表示压实现场的面积(例如每个区域/2
单元表示1m)，其中为每个区域/单元显示土壤强度。
[0168] 图形用户界面可以被配置成允许操作者：
[0169] 输入关于压实现场的压实规范、压实现场布局/边界和/或设计的压实路线的特定信息；以及
[0170] 将所述信息发送至处理器。
[0171] 处理器可以被配置成根据从图形用户界面接收的信息确定时间和/或移动有效路线，以
覆盖整个压实现场。
[0172] 处理器可以被配置成计算每个区域/单元的平均土壤强度。
[0173] 图形用户界面可以被配置成以表示土壤强度的不同水平的不同
颜色参照土壤强度的规定标准而对区域单元进行颜色编码。
[0174] 处理器可以被配置成通过关于确定/预先确定的压实路线的导航的图形用户界面将视觉和/或听觉方向发送至操作者。处理器可以被配置成控制压实机辊的操作和导航。现场图形用户界面可以被配置成允许操作者在压实机辊的操作期间调节用于所述压实机辊的压实路线或者设计新的压实路线。
[0175] 确定滚筒穿透到地面中并压入地面的深度的步骤可以连续/持续执行(即实时)。
[0176] 所述系统可以包括储存单元，储存单元连接到处理器并且在其上存储由处理器处理的数据。
[0177] 压实机辊可以是冲击式压实机。
附图说明
[0178] 现将通过示例的方式参照附图说明本发明。在附图中：
[0179] 图1显示了冲击式压实机的三维图；
[0180] 图2显示了图1的冲击式压实机在其移动的地面上滚动并压实时，冲击式压实机的冲击滚筒的示意性侧视图。
[0181] 图3显示了冲击式压实机在地面上的效果的图形说明；
[0182] 图4显示了图1的冲击式压实机的侧视图，其中冲击式压实机的滚筒中的一个被移除，并且其中冲击式压实机包括多个回转仪；
[0183] 图5显示了图1的冲击式压实机的一部分的侧视图，所述
冲压式压实机包括多个距离测量装置；
[0184] 图6显示图1的冲击式压实机的一部分的侧视图，所述冲压式压实机包括线性编码器和气动活塞气缸装置；
[0185] 图7显示图1的冲击式压实机的一部分的侧视图，所述冲压式压实机包括两个IMU和两个旋转编码器；
[0186] 图8显示应力/应变曲线的图形说明；
[0187] 图9显示图1的冲击式压实机在压实地面时的示意性端视图；
[0188] 图10显示图1的冲击式压实机的底盘结构、下降连杆和拉杆之间的相对角度的示意图；
[0189] 图11显示IMU的示意性布局；
[0190] 图12显示图1的冲击式压实机的滚筒和地面之间的接触区域的示意图；和[0191] 图13显示根据发明的土壤压实系统的示意性布局。
具体实施方式
[0192] 土壤强度的测量用于确定土壤的强度如何，土壤能够承载多少负载，和土壤在特定的预先限定的规范内是否紧实。具有可用于确定土壤强度的多种不同方法或者测量技术。
发明人相信在压实机辊在土壤表面上移动时压实机辊的滚筒穿透进入并压入土壤的深度(冲程深度)的确定是确定土壤强度时所要考虑的重要因素。
[0193] 本发明提供了可用于确定、估算土壤强度或者提供土壤强度的指示的不同但相互关联的方法或者测量技术。土壤强度的指示可以通过以下方式来获得：
[0194] 仅利用冲程深度；
[0195] 利用冲程深度连同/以及与压实机辊的滚筒在土壤上移动时该滚筒的位移有关的动态数据，并且使动态数据与指示基于具体动态数据的土壤强度的尺度(scale)相关；或者
[0196] 利用冲程深度测量/确定以下测量/估算中的一个(或更多)：
[0197] 冲击式压实机在操作期间在其上移动的土壤的承载能力；
[0198] 冲击式压实机在操作期间在其上移动的土壤的通常所说的K值；
[0199] 冲击式压实机在操作期间在其上移动的土壤的土壤模数；或者
[0200] 在冲击期间通过土壤吸收的能量。
[0201] 如上所述，上述承载能力、K值、土壤模数和能量是用于冲击压实领域中的公知术语，每个术语都可以用于提供土壤强度的指示。(上述的)承载能力、K值、土壤模数和能量的测量/估算可以被称为土壤强度的直接测量。
[0202] 在附图中，附图标记10通常表示为冲击式压实机的形式的压实机辊。
[0203] 冲击式压实机10包括：底盘结构12；两对
车轮13，底盘结构12受到
支撑地安装在所述两对车轮上；和滚筒安装结构16，一对非圆形冲击滚筒14可旋转地安装在滚筒安装结构16上(参见图4)。滚筒安装结构16包括枢转地/铰接地(经由具有轴17的铰接连接部22)安装到底盘结构12的下降连杆18、枢转地/铰接地(经由具有轴19的
铰链连接部23)安装到下降连杆18的拉杆20、和轮轴组件30，滚筒14经由轮轴组件30可旋转地安装到所述拉杆20。更具体地，下降连杆18包括枢转/铰接连接部22定位在其之间的间隔开的第一部分24和第二部分26(参见图6)，其中拉杆20枢转地/铰接地连接到第一部分24，而减震机构27枢转地连接到第二部分26，因此下降连杆18用作第一顺序杆。减震机构
27包括减震气缸28。
[0204] 由于滚筒14的非圆形形状，这允许滚筒在围绕共用轴线旋转和在地面/土壤表面100上移动时产生周期性冲击。每一个滚筒14在其径向外周边上具有大量间隔开的凸起部/点34(参见图2)，其中每一个凸起部/点34都跟随有压
实部/表面(即冲击表面)。
[0205] 当冲击式压实机10在土壤表面100上被拖拉时，冲击式压实机在每一个凸起点34处上升并接着在其通过该点时向前和向下下降，使得相邻的压实表面36将冲击传递到土壤表面100。当滚筒14传递冲击时，轮轴组件30和拉杆20相对于底盘结构12向上和向下移动，并且下降连杆18、拉杆20和底盘结构12在滚筒14移动跨越土壤表面100时相对于彼此枢转/铰接。因此，滚筒14在每一个凸起点34上上升时存储势能，然后在冲击时传递存储的能量。这些周期性冲击将土壤100压实成更密集且有效的颗粒结构，这降低了土壤100的孔隙率并防止土壤100的进一步压实和剪切破环。在冲击期间，滚筒14可以穿透到土壤100中多至150mm或者更多。
[0206] 在这种实例中，冲击式压实机10包括被配置成将冲击式压实机10连接至诸如拖拉机99的拖车的连接装置37(参见图13)。然而，冲击式压实机10还可以是自推进的。
[0207] 冲击式压实机10包括测量结构40(参见图4和6)，测量结构40被配置成在滚筒14越过一段土壤时从滚筒14的垂直位移获得动态数据，其中当冲击式压实机10在土壤表面上移动时，动态数据可用于获得滚筒14穿透到土壤100中并压入土壤100的深度的指示(即，土壤表面100的变形量；还在以下被称作“冲程深度38”(参见图9))。穿透深度(即冲程深度38)因此可以用于获得土壤的土壤强度的指示。
[0208] 测量结构40可以包括一个或多个激光传感器、超声波传感器、红外线传感器或者相似的距离
测量传感器(以下所有类型的距离测量传感器被统称为距离测量传感器)42、44(参见图5)，距离测量传感器以通信方式(例如通过无线通信网络)连接到处理器50(参见图13)。冲击式压实机10和处理器50形成压实系统200的一部分。一个距离测量传感器42安装在轮轴组件30上并朝向底盘结构12垂直向下定向。另一个距离测量传感器44安装在轮轴组件30上并朝向底盘结构12相对于距离测量传感器42以斜角向下定向。然后，处理器50可以被配置成使用来源于距离测量传感器42、44的测量数据，以便测量轮轴组件30和底盘结构12之间的垂直距离的变化。垂直距离的变化因此是冲程深度38的指示，其进而可用于获得土壤100的土壤强度的指示。可选地，测量结构40包括安装在轮轴组件30和底盘结构12之间的线性电位计46(参见图5)或者线性编码器48(参见图6)，以便测量距离，并且更具体地测量轮轴组件30和底盘结构12之间的距离的变化。
[0209] 可选地，测量结构40可以包括气动或者液压活塞气缸装置51(参见图6)和压力计/压力表52，气动或者液压活塞气缸装置51连接在拉杆20和底盘结构12之间，而压力计/压力表52可操作地连接到活塞气缸装置51。压力表52被配置成测量活塞气缸装置51的气缸54内部的压力并将测量数据发送到处理器50(例如，通过无线通信网络发送)，其中气缸54内部的压力变化指示拉杆20和底盘结构12之间的相对位移量。相对位移进而指示冲程深度38，这可以再次用于获得土壤100的土壤强度的指示。
[0210] 可选地，测量结构40可以包括安装在滚筒14、轮轴组件30或者拉杆20中的一个上的加速计56(参见图4)，并且加速计56被配置成记录处于高取样
频率时经历的加速度。加速计56以通信方式(例如通过无线通信网络)连接到处理器50，以便将测量数据发送到处理器50。为了获得变形量(即冲程深度38)，处理器50被配置成相对于时间二次积分从加速计(一个或多个)56获得的加速数据。这种变形因此可以通过过滤出与冲击周期不相对应的数据并且译出其余数据以与冲程深度38相关联，从而确定从滚筒14击中/撞击土壤(其中将有急剧减速)时到最大穿透点的距离。
[0211] 为了使处理器50仅积分加速数据的垂直分量(即，计算穿透深度量)，可以使用IMU(惯性测量单元)。IMU包括被配置成测量IMU的当前角度和位置的惯性传感器结构以及原始加速度和旋转速率惯性数据。典型的IMU具有3个
正交轴线，每一个轴线都具有加速计和回转仪。加速计56可以形成为IMU的一部分，或者可选地，可以在那里单独形成但连接到冲击式压实机10的相同部分(即滚筒14、轮轴组件30或者拉杆20中的一个)。处理器50可以接着使用从IMU接收的数据，以计算重力参考
坐标系中的角度，从而仅积分从加速计56获得的加速度数据的垂直分量。
[0212] 为了确定冲程深度，从IMU70、72、74获得的加速度数据的垂直分量可以相对于时间二次积分。
[0213] 可选地，测量结构40可以包括安装在不同位置处的两个RTK GNSS(实时动态全球
卫星导航系统)装置。一个装置可以被安装在滚筒14、轮轴组件30或者拉杆20上。另一个装置可以被安装在底盘结构12上。所述装置测量其相对于地面的垂直位置。处理器50可以通过计算由两个装置测量的两个垂直位置之间差值来确定穿透深度。可选地，虽然简单的GPS或等效装置将降低准确性，但是也可以用于代替RTK GNSS装置。
[0214] 可选地，测量结构40可以包括安装在
转轴17、19上并且以通信方式连接到处理器50(参见图7)的两个旋转编码器60、62。更具体地，一个旋转编码器60安装在下降连杆18和底盘结构12之间，以便测量所述下降连杆与所述底盘结构之间的相对角位移。以相似的方式，旋转编码器62安装在下降连杆18和拉杆20之间。
[0215] 由于下降连杆18和拉杆20的长度通常是已知的(或者可以被容易地测量)，而拉杆20、轮轴组件30、下降连杆18和底盘结构12之间的联动装置基本上是4杆联动系统，运动学可用于计算压实机滚筒14和底盘结构12之间的垂直位移量。处理器50因此可以被配置成使用计算的滚筒14和底盘结构12之间的垂直位移量中的运动学。在可选实施例中，可以使用两个IMU，一个安装在下降连杆18上而另一个安装在拉杆20上，以便分别测量下降连杆18和底盘结构12之间以及下降连杆18和拉杆20之间的相对角位移。在一个可选实施例中，可以使用两个光学流量传感器，一个安装在下降连杆18上而另一个安装在拉杆20上，以便分别测量下降连杆18和底盘结构12以及下降连杆18和拉杆20之间的相对角位移。上述传感器的零比率
偏压将需要被补偿。
[0216] 为了关联如上所述的来源于测量结构40的数据与土壤强度，当冲击式压实机在土壤100的一段上移动时，可以通过关联从冲击式压实机10的测量结构40获得的动态数据与从诸如板承载测试的另一个公知的土壤强度测试获得的数据来推导尺度，土壤强度测试在土壤100的相同段上执行。因此，所述尺度可以用于从其它压实地点获得的相关动态数据的未来基准。
[0217] 通过使用活塞气缸装置51(图6)，来自压力表52的读数可以协同来自诸如回转仪71的传感器的测量值/读数(如下所述)一起使用，使得可以考虑滚筒14的动态。从压力测量产生的数据集接着可以用于使压力读数与土壤强度相关联。在一个可选实施例中，位于滚筒14、轮轴组件30或者拉杆20中的一个上的应变感传器可用于测量峰值应变和可以与从应力和应变测量产生的数据集相比的应力。在另一个可选实施例中，压力或者振动传感器(位于滚筒14、轮轴组件30或者拉杆20中的一个上)可以与应变感传器相同的方式被使用，其中读数与压力和振动测量的数据集相比较。
[0218] 在一个实施例中，测量结构40包括安装在压实机滚筒14、轮轴组件30或者拉杆20中的一个上的回转仪71，并且回转仪71被配置成测量冲击式压实机10的连续/持续地连接回转仪71的部件(即，压实机滚筒14、轮轴组件30或者拉杆20)的旋转速率(参见图4)。回转仪71以通信方式连接(即通过无线通信网络)到处理器50，以便将测量数据发送到处理器50。处理器50进而被配置成计算(关于时间的)测量数据的推导数并且然后使推导的数据/信息与尺度相关。
[0219] 以相似的方式，诸如IMU、旋转编码器和光学流量传感器60、62的其它传感器可用于确定底盘结构12和下降连杆18之间、下降连杆18和拉杆20之间的相对角测量、以及下降连杆18和拉杆20的角速度和
角加速度。然后，处理器50接着将因此被配置成根据可以接着与尺度相关的角测量推导轮轴组件30(和滚筒14)的垂直加速度。垂直加速度可以通过使用图10中示出的联动系统被推导。
[0220] 代替使测量数据与尺度相关联，可以使用系统200使得可以通过直接测量的方式测量土壤强度，而不需要预先导出尺度。为了这样做，IMU70、72、74被安装在拉杆20、下降连杆18、轮轴组件30和/或滚筒14上(参见图7和13)。IMU70、72、74中的每一个都包括回转仪76、加速计78、GPS/GNSS单元80和允许IMU 70、72、74和处理器50之间通信的无线通信单元82。因此，IMU70、72、74可以将测量数据发送到处理器50用于处理。IMU70、72、74还通常包括微
控制器84、
磁场传感器86和USB
接口88(参见图11)。
[0221] 当评定土壤强度时，土壤模数的测量是非常重要的。变形的土壤模数是施加的压力与应变的比率。大多数的土壤显示施加负荷下的弹塑性。变形模数是应力/应变曲线达到施加负荷或者破坏点B的正割斜率(参见图8)。为了测量模数，需要已知B点处的施加负荷。当在滚筒14的冲击期间土壤变形主要为塑性时，不能测量该模数。当土壤变得更紧实时，滚筒14将开始显示冲程期间的回弹。在此阶段，滚筒的穿透到土壤中的为弹性的部分(冲程深度)可以被测量。施加的压力(P)等于力(F：B点处测量)除以接触面积(Ac：B点处计算)，P＝F/Ac。接触面积估算在说明书被早先说明。对于圆形板，模数接着根据冲程深度、压力和泊松比率使用布希内斯克(Boussinesq)理论被计算：
[0222]
[0223] 其中P是施加的压力，v是泊松比率，Δz是穿透深度，a是接触面积，和E是模数。
[0224] 这将要产生土壤模数的测量并且可以通过与利用当前土壤模数测量装置的测量进行比较而被校验。由于滚筒14不是圆形板，所以可以通过推导方程式或者通过发现经验相关性而确定模数的更精确测量，该方程式满足滚筒轮廓。施加压力相对于穿透深度的图形还可以通过使用瞬时施加的力、接触面积和穿透深度以与通过板承载测试所产生的大致相同的方式而生成。
[0225] 滚筒14的施加压力和穿透深度可以如上所述连续计算。利用这种数据，施加压力相对于穿透深度的图形可以以与使用板承载测试获得的施加压力相对于穿透深度的图形相同的方式被获得。K值是板承载测试中确定的土壤强度测量，并且K值等于施加压力除以3
穿透深度(以kN/m或者以MPa/m测量)。K值通常被计算用于特定压力。可以利用产生的图形计算不同压力的K值，并且该K值可以与板承载测试中发现的K值相比较。还可以使用所述图形计算土壤的安全承载能力、容许承载能力和极限承载能力。
[0226] 由于可以在冲击期间测量滚筒14、轮轴组件30、拉杆20和下降连杆18在高度方面的全部变化以及滚筒14和拉杆20的旋转速度的变化，所以可以计算冲击行程期间施加的总能量。滚筒14的旋转速度通过IMU74测量，而拉杆20的旋转速度从滚筒14的几何形状和角度(或者IMU70)获得。
[0227] 安装在轮轴组件30和滚筒14之间的滚筒减震橡胶可以被成型为冲击式压实机10的运动模型中的
弹簧和减震系统。滚筒减震橡胶的材料特性可用于提供用于模型的弹簧
刚度和减震系数。通过处理器50确定的动态测量可以用在模型中，以接着计算轮轴组件30相对于滚筒减震橡胶的偏转。
[0228] 土壤的极限承载能力是负载和土壤之间的接触/支承压力的平均值，其将要产生土壤中的剪切破坏。由于这是土壤100和滚筒14已经达到均衡并更进一步增加压力将导致土壤100的进一步剪切和更深的冲程深度的点，土壤100的极限承载能力因此等于滚筒14施加在最大冲程深度38处的平均压力。滚筒14在最大冲程深度38处施加于土壤表面
100的平均压力等于施加的力除以接触面积。
[0229] 可以使用数学方程式计算接触面积。数学方程式需要以下测量值：
[0230] 滚筒14相对于重力的旋转角度(即垂直向下方向)；
[0231] 冲程深度38；和
[0232] 滚筒的轮廓(已知)。
[0233] 可操作地连接到IMU70、72、74或者形成IMU70、72、74的一体部分的姿态过滤器(attitude filter)可用于减少来源于形成IMU70、72、74的一部分的分量的读数的电子噪音，以便增加读数的精确度和可靠性。姿态过滤器可以是互补过滤器或者卡尔曼过滤器。
[0234] 冲击式压实机10包括可操作地连接到IMU70、72、74或者形成IMU70、72、74的一体部分的惯性导航系统(以下简称“INS”)。INS可以由RTK GNSS单元构成以便获得非常准确的读数。INS被配置成计算IMU70、72、74的位置，并因此该位置还是冲击式压实机10的其上安装有拉杆20、下降连杆18或者轮轴32的一部分。为了这样做，INS合并来自IMU70、72、74的惯性数据与从GNSS单元80获得的位置的较低频率测量值。在这种实施例中，用户
算法可以被执行以在滚筒14的冲程移动过程中计算滚筒14的移动。每当使用惯性传感器(例如，IMU70、72、74的惯性传感器)时，必须具有低频测量以校正惯性传感器的偏移。INS将通过使用计算的压实机滚筒14角度测量(参见上面)执行这种修正。这由于滚筒轮廓是已知的并且具有滚筒14的旋转角度而是可行的，其中该旋转角度将对应于轮轴组件30的零垂直速度(即，滚筒14向下下降之前的
临界点(参见图2))。这种测量不需要是精确的，而是仅需要通过多循环取平均值时是准确的。例如，
跟踪用于角度估算的重力分量/矢量的IMU能够由于装置运动而不接受很高的加速度，提供的加速度不持续且在更长时间段内对重力求平均值(该值基于系统动力学被协调，但通常为几秒)。
[0235] 利用滚筒14的垂直速度的测量，IMU70、72、74的加速度测量在垂直方向上相对于时间积分，以便计算滚筒14的位置。滚筒14的角度应该是始终已知的，以便仅积分加速度的垂直方向上的分量。这通过将IMU参照系(frame of reference)(通常称为“主体系(body frame)”)中的加速度通过乘以方向余弦矩阵与加速度矢量而转换为重力矢量参照系(通常称为“导航体系”)来完成。INS使用的另一个基准是用于每一个冲程或者冲击的地面水平检测。这通过滚筒14在与土壤表面100先接触时的加速度和/或旋转速率的迅速变化而被感测。这还可以利用其它附加传感器获得，其它附加传感器安装在滚筒14、底盘结构12、拉杆20或者轮轴组件30中的一个上并且被配置成在冲击期间滚筒14撞击/击中土壤表面100时检测。在一个实例中，传感器可以是麦克风，该麦克风被配置成检测/识别滚筒14在冲击期间撞击/击中地面时产生的声音。在其它实例中，可以使用被配置成感测土壤表面100的存在的应变仪、压力传感器或者电容电极。
[0236] 通过推导和利用冲击式压实机10的运动模型连同从IMU70、72、74获得的加速度数据，可以计算施加的力。对用于计算承载能力有意义的力将为滚筒冲击期间计算的峰值力。
[0237] 如上所述，IMU70、72、74和处理器50形成为土壤压实系统200的一部分，土壤压实系统200还包括两个图形用户界面202、204(以下称为“GUI”)，每个图形用户界面连接到无线通信单元206，以便允许GUI202、204和处理器50之间的通信(例如通过利用蓝牙技术)。一个GUI202安装在拖拉机99上(或者如果是自推进则安装在冲击式压实机10上)，拖拉机99拖拉冲击式压实机10，而另一个GUI204位于远离拖拉机99的现场位置处。
[0238] 如上所述，处理器50执行全部数据操作和计算，这些数据操作和计算需要然后作为有用的测量值和信息被发送给GUI202、204，用于显示目的。系统200还包括储存装置(不具体地显示)，处理器50将计算的信息存储在储存装置上。处理器50通常用作闭环控制系统。
[0239] GUI202、204被配置成通过利用来源于GNSS单元80的位置数据显示冲击式压实机10相对于指定压实路线的当前位置。参照规定标准获得的土壤强度的程度的图解表示将以绘图的形式被记录。该绘图可被定制成允许显示色码位置单元的栅格内的属性选择，2
其中每一个单元表示压实场所的面积(例如，1m)。
[0240] 在压实开始之前，用户可以经由GUI202、204中的一个输入特定信息，例如场所压实规范、压实场所边界和设计路线。这种信息被发送给处理器50，处理器50通过使用算法可以自动地计算大多数有效路线，以均匀地覆盖整个压实场所。当冲击式压实机10在压实场所上移动时，对于每个单元测量的土壤强度是该单元内收集的所有测量数据的平均值。对于每个单元计算的平均土壤强度然后与规定的标准值相比较，并且单元基于比较被颜色编码。更具体地，单元可以根据彩虹的颜色被颜色编码，其中诸如红色和橙色的所谓的“暖”色指示较差压实，而诸如绿色和蓝色的所谓的“冷”色指示已经满足的规定标准。
[0241] 处理器50可以被配置成提供导航功能，其中处理器50将导航指令发送到GUI202、204，这进而为操作者提供视觉和听觉导航指令，用于遵循计算的预先确定的路线。处理器
50可以被配置成将指示消息发送至GUI202、204(这进而将(例如视觉和/或听觉)指示通信给操作者)，命令操作者加速或者减速拖拉机速度。可选地，处理器50可以被配置成自动控制拖拉机99(或者如果自驱动则是冲击式压实机)。GUI202、204被配置成允许操作者或者现场工程师
修改土壤强度的规定标准，并且在需要时在操作期间调节/计划用于冲击式压实机10的新路线。这将给出现场工程师在不停止压实
进程的情况下与冲击式压实机操作者通信的能力，因此使压实过程的效率最大化。处理器50可以进一步被配置成经由GUI202、204视觉地和/或听觉地通信至操作者已经获得需要的土壤强度。
[0242] 在一个实施例中，冲击式压实机10和处理器50可以被配置成允许冲击式压实机10被远程控制，以便消除冲击式压实机上操作者的使用。在这种情况下，冲击式压实机10的期望的路线和速度可以对于具体现场预先编程到处理器50中。诸如IMU70、72、74的GNSS80的GNSS单元可用于跟踪冲击式压实机10的进程并确保冲击式压实机10保持在路线上。可选地，可以使用单独的GNSS单元。系统200可以被配置成确定冲击式压实机10的周围的事物而不管附近是否存在可能需要被避免的障碍。处理器50将能计划最佳路线并控制
牵引车量99，以跟随编程的路线，如果在路上具有某些事情和/或避免危险障碍则停止。
[0243] 冲击式压实机10和系统200提供确定整个压实现场上的土壤是否真正被充分压实。冲击式压实机10和系统200在压实期间或者之后进一步提供整个压实现场的土壤强度测量，而不需要执行当前使用的诸如板承载测试的传统土壤测试，该传统土壤测试是冗长、耗时且昂贵的。
[0244] 发明人相信冲击式压实机10和系统200将要提供用于确定紧实土壤是否具有足够强度以支持其在未来需要承载的任何负载的更好、更快、更方便且更可靠的方法。
