[0001] Die Erfindung betrifft ein Positioniersystem für ein, insbesondere selbstfahrendes, Bodenbearbeitungsfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Bodenbearbeitungsfahrzeug mit einem solchen Positioniersystem und eine Messanordnung mit einem solchen Positioniersystem.
[0002] Bodenbearbeitungsfahrzeuge, wie Rasenmäher, Markiergeräte, Reinigungsgeräte oder Baumaschinen, sollen üblicherweise eine Bodenbearbeitung über einen vorgegebenen Bereich eines Terrains bzw. entlang eines vorgegebenen Weges durchführen. Um eine Bewegung des Fahrzeugs über den Bereich oder entlang des Weges zu erreichen, ist eine entsprechende Führung bzw. Steuerung des Fahrzeugs, die üblicherweise mittels Positioniersystemen realisiert wird, erforderlich. Die Positioniersysteme verwenden beispielsweise mechanische oder induktive Positionselemente zur Bereitstellung von Positionsinformationen für das Fahrzeug. Vorteile hinsichtlich Genauigkeit, Zeitbedarf und Handhabungsfreundlichkeit bietet die Verwendung von optischen Positioniersystemen zur Positionsbestimmung und daraus Steuerung des Bodenbearbeitungsfahrzeugs.
[0003] So sind diverse optische Positioniersysteme bekannt, die auf einer Positionsbestimmung relativ zu Referenzobjekten basieren. Ein solches Positioniersystem umfasst eine Sende- und eine Empfangskomponente für Messungen anhand optischer Strahlung zu den Referenzobjekten - die beispielsweise Reflektoren darstellen - welche Komponenten dem Bodenbearbeitungsfahrzeug zugeordnet, im Allgemeinen auf diesem montiert, sind. Aus den Messungen können Rückschlüsse über den Standort des Positioniersystems bzw. den Standort/die Position des Bodenbearbeitungsfahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten abgeleitet werden. Die so bestimmte Position wird als Grundlage einer Steuerung des Fahrzeugs verwendet.
[0004] Sind die Referenzobjekte hinsichtlich ihrer Position bekannt, so kann die absolute Position des Fahrzeugs abgeleitet werden. Dies setzt jedoch Referenzobjekte voraus, die entweder hinsichtlich ihrer Position bekannt sein oder vermessen werden müssen. In vielen Fällen - beispielsweise für Privatpersonen - ist eine solche Vermessung zu aufwändig und auch nicht notwendig, da oftmals die Kenntnis der Relativposition ausreichend ist.
[0005] Ein wichtiges Kriterium bei den optischen Positioniersystemen zur Positionsbestimmung relativ zu - im Allgemeinen mehreren - Referenzobjekten, ist die Messgeschwindigkeit. Meist müssen für eine eindeutige Positionsbestimmung Messungen zu zwei oder mehr Referenzobjekten erfolgen. Um das Bodenbearbeitungsfahrzeug gattungsgemäss genau führen zu können, sind also üblicherweise mehrere Messungen innerhalb eines vorgegebenen, im Verhältnis zur Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs kleinen Zeitintervalls - z.B. drei Messungen pro Sekunde für eine Positionsbestimmung pro Sekunde - erforderlich.
[0006] Als optische Positioniersysteme für Bodenbearbeitungsfahrzeuge sind Positioniersysteme mit Triangulationssensoren bekannt. Mittels der Triangulationssensoren werden anhand von Winkelmessungen zu reflektiven Referenzobjekten die Richtungen zu den Referenzobjekten und daraus die Position des Positioniersystems respektive Bodenbearbeitungsfahrzeugs gegenüber diesen bestimmt.
[0007] So beschreibt die US 5 426 584 ein Steuersystem für einen Rasenmäher als Bodenbearbeitungsfahrzeug mit einem Triangulationssensor zur Bestimmung der Position des Rasenmähers gegenüber reflektiven Referenzpunkten. Der Triangulationssensor umfasst eine Laserquelle zur Emission von Laserstrahlen und einen Strahl-Scanner zur Erzeugung einer im Wesentlichen horizontalen, rotierenden Emissionsrichtung der Strahlen, sodass die Strahlen gegen die Referenzpunkte gelenkt werden. Die an den Referenzpunkten reflektierten Strahlen werden von einem Detektor des Triangulationssensors detektiert und in Bezug auf die Horizontalwinkel zwischen den Referenzpunkten ausgewertet. Damit die Strahlen auch dann in die horizontale Richtung gelenkt werden, wenn der Rasenmäher über Unebenheiten, wie Wellen oder Senken, des Terrains fährt, ist der Strahl-Scanner kardanisch aufgehängt.
[0008] Um die Winkel mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmen zu können, müssen die Messungen zu genau festgelegten - quasi punktförmigen - Referenzpunkten erfolgen. Fährt der Rasenmäher über unebenes Terrain, so werden die Strahlen zwar aufgrund der kardanischen Aufhängung horizontal emittiert, die Referenzpunkte aber - aufgrund des Niveuunterschieds - dennoch nicht getroffen. Deshalb ist der Strahl-Scanner mit einem zusätzlichen Präzessionsmechanismus für eine Scanbewegung der Strahlen in vertikaler Richtung ausgebildet. Die Scanbewegung ist jedoch nicht exakt kontrollierbar, was Ungenauigkeiten in der Messung und damit in der Positionsbestimmung und Steuerung des Rasenmähers bewirkt.
[0009] Die US 6 556 598 zeigt ein ähnliches System zum Bestimmen der Position eines Rasenmähers gegenüber Referenzpunkten nach dem Prinzip der Triangulation. Das System umfasst eine pendelnd aufgehängte Laser-Projektionseinheit mit einem Laser zur Emission von Laserstrahlung und einem um eine vertikale Achse rotierenden Spiegel zum Erzeugen einer rotierenden Emissionsrichtung der Strahlung. Die Laserstrahlung wird gegen die Referenzpunkte gerichtet und die an den Referenzpunkten reflektierte Strahlung zu einem Detektor des Systems gelenkt. Damit die Referenzpunkte exakt getroffen werden und der Auftreffpunkt der Strahlung genau bestimmbar ist, wird die Strahlung durch zusätzliches Rotieren des Spiegels um eine horizontale Achse auch in vertikaler Richtung kontrolliert rotiert.
Die exakten - horizontalen und vertikalen - Rotationswinkel des Spiegels werden mittels Winkelencodern gemessen und in die Winkelbestimmung der Referenzpunkte einbezogen. Die Ausbildung des Systems sowie die Datenauswertung sind also äusserst komplex.
[0010] Die Aufgabe der Erfindung ist es, Nachteile des Standes der Technik zu beheben und ein wenig komplexes und einfach zu handhabendes Positioniersystem für ein Bodenbearbeitungsfahrzeug sowie ein Bodenbearbeitungsfahrzeug mit einem solchen Positioniersystem und ein mit dem Positioniersystem kooperierendes Referenzobjekt zur Verfügung zu stellen.
[0011] Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 12, 14 oder der abhängigen Ansprüche gelöst bzw. die Lösungen weitergebildet.
[0012] Die Erfindung basiert auf der konsequenten Integration einer optisch entfernungsmessenden Funktionalität in ein Positioniersystem für ein Bodenbearbeitungsfahrzeug. Indem die optische Entfernungsmessung und deren Vorteile für das Bodenbearbeitungsgerät anwendbar gestaltet werden, wird ein Positioniersystem geringer Komplexität zur gattungsgemäss genauen Positionsbestimmung bereitgestellt.
[0013] Die Positionsbestimmung beruht auf Entfernungsmessungen zu Referenzobjekten - das erfindungsgemässe Positioniersystem ist ein sogenanntes "self-positioning system". Anhand der Entfernungsmessungen können die Position des Bodenbearbeitungsfahrzeugs gegenüber den Referenzobjekten festgestellt und daraus Steueranweisungen für das Bodenbearbeitungsfahrzeug abgeleitet werden.
[0014] Das erfindungsgemässe Positioniersystem verfügt über einen Sender zur Emission von optischen Sendestrahlen, insbesondere Laserstrahlen, die gegen die Referenzobjekte gerichtet werden. Die Sendestrahlen werden nach ihrer Aussendung und nachfolgenden Reflexion an den Referenzobjekten mittels eines Empfängers des Positioniersystems wieder erfasst, wobei aus den Empfangssignalen des Empfängers die Entfernungen zu den Referenzobjekten, insbesondere nach dem Phasenmessprinzip oder dem Prinzip der Pulslaufzeitmessung, bestimmt werden.
[0015] Das Richten der Sendestrahlen gegen die Referenzobjekte und der reflektierten Strahlen als Empfangsstrahlen gegen den Empfänger erfolgt mittels eines Umlenkmittels des Positioniersystems. Das Umlenkmittel ist dabei zum Erzeugen einer horizontalen und rotierenden Emissionsrichtung der Sendestrahlen ausgebildet und um eine vertikale Achse rotierbar angeordnet.
[0016] Aus den gemessenen Entfernungen, die Positionsinformationen der Referenzobjekte darstellen, werden weiters mittels einer Rechen- und Steuerkomponente des Positioniersystems die Position des Bodenbearbeitungsfahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten abgeleitet und aus der Kenntnis der Position Steueranweisungen für das Bodenbearbeitungsfahrzeug zumindest in Bezug auf dessen Fahrweg erzeugt. Sind die Referenzobjekte in einem Koordinatensystem eingemessen, so kann die Position des Bodenbearbeitungsfahrzeugs in diesem Koordinatensystem bestimmt werden und das Fahrzeug beispielsweise entsprechend einem im Koordinatensystem vorgegebenen Weg gesteuert werden. Bei nicht-eingemessenen Referenzobjekten erfolgt die Steuerung des Fahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten.
Die Grenzen der zu bearbeitenden Fläche, die das Bodenbearbeitungsfahrzeug relativ zu den Referenzobjekten abfahren soll, kann von der Rechen- und Steuerkomponente z.B. im Rahmen einer Lernfahrt gespeichert werden. Die Rechen- und Steuerkomponente kann auch ein Steuerprogramm aufweisen, welches verschiedene Eingabeparameter berücksichtigt. Beispielsweise können verschiedene Fahrmuster für die zu bearbeitenden Fläche abgespeichert sein.
[0017] Der Sender und der Empfänger des Positioniersystems sind Bestandteil eines Entfernungsmessers. Als Entfernungsmesser wird beispielsweise eine Vorrichtung in der Art des unter dem Produktnamen "Disto" vertriebenen Laserentfernungsmessers der Firma Leica Geosystems, Schweiz, eingesetzt. Dem Entfernungsmesser ist zusätzlich eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet. Diese kann durch die vorgängig erwähnte Rechen- und Steuerkomponente realisiert bzw. in diese integriert sein. Alternativ können die Datenverarbeitungseinheit ein Bauteil des Entfernungsmessers und die Rechen- und Steuerkomponente ein weiteres, vom Entfernungsmesser separates Bauteil des Positioniersystems darstellen. Die Datenverarbeitungseinheit ist zum Bestimmen der Entfernungen aus den Empfangssignalen vorgesehen.
Beispielsweise wird ein Mikrokontroller als Datenverarbeitungseinheit verwendet, wobei der Mikrokontroller insbesondere auch zur Frequenzsteuerung von Sender und/oder Empfänger ausgebildet ist.
[0018] In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Positioniersystem zur Entfernungsmessung nach dem Phasenmessprinzip ausgeführt. Dazu werden die Sendestrahlen des Senders mit einer hochfrequenten Modulationsfrequenz intensitätsmoduliert. Die an einem Referenzobjekt reflektierten Sendestrahlen werden vom Empfänger empfangen und anschliessend zum Erzeugen eines niederfrequenten Messsignals für die Datenauswertung mit einer Mischerfrequenz gemischt. Um die Entfernung zu bestimmen, wird die Phasendifferenz des Messsignals mit einem Referenzsignal gebildet.
[0019] Um mit dem erfindungsgemässen Positioniersystem entsprechend durch Auswertung der Phasenlage der Signale die Entfernungen messen zu können, werden die Parameter der Entfernungsmessung in Bezug auf die Anwendung für das Bodenbearbeitungsfahrzeug angepasst. Da für eine präzise Steuerung eines Bodenbearbeitungsgeräts Positionsbestimmungen in kurzen Zeitintervallen, wie etwa eine Positionsbestimmung pro Sekunde, durchgeführt werden müssen und für eine Positionsbestimmung im Allgemeinen zwei oder mehr Messungen zu Referenzobjekten erforderlich sind, ist die Rotationsgeschwindigkeit des Umlenkmittels respektive der Sendestrahlen entsprechend hoch. Beispielsweise führt das Umlenkmittel drei volle (360[deg.]) Umdrehungen pro Sekunde durch.
Dies bedingt jedoch eine äusserst kurze Signalzeit - z.B. um den Faktor 1000 kürzer als für einen üblichen Entfernungsmesser - der Sende- und Empfangsstrahlen für die Entfernungsmessung. Um nun dennoch auswertbare Empfangssignale zu erhalten, wird die niederfrequente Phasenmessfrequenz im Vergleich zu einer in einem üblichen Entfernungsmesser, wie dem "Disto", verwendeten Phasenmessfrequenz - die im Bereich von einigen kHz liegt - erhöht - beispielsweise auf eine Phasenmessfrequenz im Bereich von 100 kHz. Damit können auch für kurze Signalzeiten - z.B. von etwa 100 [micro]s - ausreichend viele Signalperioden für die Phasenmessung erfasst werden.
[0020] In einer Weiterbildung der Erfindung werden zusätzlich zu den Entfernungen auch die Winkel der Referenzobjekte zueinander berücksichtigt. Mit bekannter Fahrtrichtung des Bodenbearbeitungsfahrzeugs können weiters auch die Winkel der Referenzobjekte zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs bestimmt werden. Die Winkel sind aus der konstanten Rotationsgeschwindigkeit des Umlenkmittels und den Empfangssignalen des Empfängers ableitbar. Zur Steigerung der Messgenauigkeit können zusätzlich Mittel zum Erfassen/Überwachen der Rotationsgeschwindigkeit eingesetzt werden, wie z.B. eine Lichtschranke zum Abgreifen von Referenzsignalen für die Winkelbestimmung. Damit sind die Rotationsgeschwindigkeit regelbar sowie Unregelmässigkeiten in der Rotationsbewegung - ein "Eiern" - berücksichtig- und korrigierbar.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden bei einer 360[deg.]-Rotation des Umlenkmittels vier Referenzsignale abgegriffen.
[0021] Als Referenzobjekte, zu denen die Entfernungs- und ggf. Winkelmessungen erfolgen, eignen sich insbesondere kooperative Objekte, die im Vergleich zu nicht-kooperativen Objekten einen, z.B. 50fach, höheren Reflexionsgrad aufweisen. Derartige Referenzobjekte können anhand ihres Reflexionsvermögens vom Hintergrund unterschieden werden, sodass die Positionen der Referenzobjekte bereits aus der Schwankung in der Intensität der an den Objekten reflektierten Strahlung festgelegt werden können. Anhand der Bestimmung der Entfernung und ggf. des Winkels bei den Intensitätsmaxima ist mit bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise auch in der Photogrammetrie verwendet werden, die Position des Positioniersystems respektive Bodenbearbeitungsfahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten ableitbar. Ein Beispiel hierfür stellen Korrelationsverfahren bzw. Korrelationsrechnungen dar.
[0022] Die kooperativen Referenzobjekte weisen eine reflektive Oberfläche auf, die z.B. aus Tripelprismen, Mikrolinsen, Glaskugeln, reflektierender Folie oder anderen üblichen Reflexionselementen ausgebildet ist. Da für das erfindungsgemässe Positioniersystem keine quasi-punktförmigen Reflektoren benötigt werden, können vorteilhaft in der Höhe erstreckte Referenzobjekte, wie Reflektorstäbe, eingesetzt werden, sodass keine Zielsuche in vertikaler Richtung durchgeführt werden muss. Gegebenenfalls können als Referenzobjekte auch alternative, optische Strahlung reflektierende Ziele, wie z.B. weisse Hauswände, verwendet werden. Solche Ziele wie Hauswände oder andere - vorzugsweise nicht oder schwer verschiebbare - Objekte können insbesondere zur - langsameren - Überprüfung der Referenzobjekte herangezogen werden.
Damit können Abweichungen - z.B. aufgrund von Verschiebungen - der Positionen der Referenzobjekte erkannt und das Positioniersystem in Bezug auf die Referenzobjekte rekalibriert werden.
[0023] Die Anzahl der benötigten Referenzobjekte ist abhängig von deren Lage, der Beschaffenheit des zu bearbeitenden Terrains, und der beabsichtigten Genauigkeit der Messung. Im Regelfall werden aber, abgesehen von besonders günstigen Konstellationen, mindestens 3 oder 4 Referenzobjekte benötigt. Wird zusätzlich ein Winkel berücksichtigt, kann die Zahl der Referenzobjekte auf zwei reduziert werden. Bei speziellen Rahmenbedingungen - z.B. wenn das Bodenbearbeitungsfahrzeug auf eine Docking Station zufährt, kann die Positionierung des Fahrzeugs auch mit einem einzigen Referenzobjekt erfolgen. Die Anzahl der benötigten Referenzobjekte kann auch reduziert werden, indem die Referenzobjekte voneinander unterscheidbar gestaltet werden, beispielsweise durch Aufbringen von Codierungen oder durch Filter.
Beispielsweise sind in einer erfindungsgemässen Ausführungsform Referenzpfosten mit unterschiedlichen Durchmessern als codierte Referenzobjekte vorgesehen. Anhand der Entfernungsmessung, der Rotationsgeschwindigkeit des Umlenkmittels und den unterschiedlichen Signalbreiten können die Pfostendurchmesser ermittelt und die verschiedenen Referenzpfosten identifiziert werden. Alternativ können zum Erzeugen desselben Effekts auch zwei Pfosten nebeneinander platziert werden.
[0024] Die jeweils tatsächlich benötigte Zahl an Referenzobjekten ist zusätzlich abhängig von möglichen Einschränkungen zur Reduzierung einer Mehrdeutigkeit. Bei drei Entfernungsmessungen zu den verschiedenen Referenzobjekten wird durch die drei Entfernungen eine Ebene definiert, an der die zu bestimmende Relativposition gespiegelt werden kann. Als Lösung ergeben sich zwei mögliche Positionen, von denen aber meist eine Position aus Plausibilitätsgründen, z.B. weil sie unter der Erdoberfläche liegen würde, oder aufgrund einfacher weiterer Informationen ausgeschlossen werden kann, wie z.B. der Unterscheidung zwischen Nord und Süd, die auch durch einen einfachen Magnetkompass getroffen werden kann.
Die Menge der Referenzobjekte wird insbesondere so gewählt, dass nach Möglichkeit von jedem Punkt des zu bearbeitenden Terrains aus wenigstens zwei der Referenzobjekte erfasst werden können.
[0025] Zur Überbrückung kurzfristiger Sichtverluste zu den Referenzobjekten und/oder zur Identifikation der erfassten Referenzobjekte können dem Positioniersystem respektive dem Bodenbearbeitungsfahrzeug weitere Komponenten zur Positionsbestimmung zugeordnet sein. Beispielsweise weist das Positioniersystem zusätzlich Komponenten zur Richtungsmessung, wie einen Kompass, und/oder Inertialsensoren, die eine Veränderung bezüglich einer bekannten Startposition registrieren, auf. Ebenfalls möglich ist die Anbringung eines GPS-Sensors. Mit einem GPS-Sensor kann die Position des Positioniersystems grob und anhand einer Entfernungs- und ggf. Winkelmessung auf ein Referenzobjekt genau bestimmt werden.
[0026] Der Sender des erfindungsgemässen Positioniersystems umfasst eine Strahlungsquelle, insbesondere einen Laser, und eine Sendeoptik - Kollimationsoptik - zum Aussenden eines kollimierten Sendestrahlenbündels für die Entfernungsmessung. Ein Laser als Sender ist zur Emission von Sendestrahlen in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich ausgebildet. In einer Ausführungsform der Erfindung wird als Sender ein Laser, der Sendestrahlen im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, z.B. im Bereich zwischen 790 nm und 950 nm, insbesondere Sendestrahlen der Wellenlänge von 850 nm, aussendet, eingesetzt. Neben einem nicht-sichtbare Strahlung emittierenden Sender kann eine zusätzliche sichtbare Strahlungsquelle vorgesehen werden, die z.B. bei einer Lernfahrt des Positioniersystems verwendet werden kann, damit ein Benutzer den unsichtbaren Strahl nicht unbewusst abdeckt.
Damit kann auch die Sichtverbindung des Positioniersystems zu den zur Positionsbestimmung benötigten Referenzobjekten visuell überprüft werden.
[0027] Der Empfänger weist eine Empfangsoptik sowie ein für die Emissionswellenlänge des Senders sensitives Empfangselement auf. Insbesondere ist das Empfangselement eine Photodiode, z.B. eine Pin-Diode oder eine Avalanche-Diode.
[0028] Für Entfernungsmessungen nach dem Phasenmessprinzip weist der Entfernungsmesser mit dem Sender und dem Empfänger als Bestandteile weitere in Bezug auf die Phasenmessung übliche Komponenten auf. So sind beispielsweise ein Strahlteiler zum Abzweigen eines Teils der Sendestrahlen als Referenzstrahlen sowie ein Referenzempfänger zum Empfangen der Referenzstrahlen nach Durchlaufen eines Referenzweges vorgesehen. Im Referenzweg können weitere optische Elemente angeordnet sein. Weitere verwendete oder verwendbare Komponenten sind Frequenzmischer und Phasenmesser.
[0029] Um die Sendestrahlen des Senders in die rotierende Emissionsrichtung zu lenken, ist das Umlenkmittel des Positioniersystems wie vorgängig erwähnt um eine vertikale Achse rotierbar angeordnet. Weiters ist das Umlenkmittel derart ausgebildet und gegenüber dem Sender angeordnet, dass die Sendestrahlen im Wesentlichen in einer Horizontalebene rotiert werden. Insbesondere erfolgt die Rotation kontinuierlich um 360[deg.]. Bei kontinuierlicher 360[deg.]-Rotation des Umlenkmittels wird durch die Sendestrahlen die Umgebung ringsum das Positioniersystem gleichmässig nach Referenzobjekten abgetastet, sodass in der Horizontalebene gelegene Objekte, die nicht durch Hindernisse verdeckt sind, erfasst werden.
[0030] Das Umlenkmittel ist durch ein optisches Reflexionselement, wie einen Spiegel oder ein Prisma, realisierbar. Das Reflexionselement ist rotierbar ausgeführt, beispielsweise indem es in, an oder auf einem Rotationselement angeordnet ist, welches durch einen Antrieb in Rotationsbewegung versetzt wird. Der Antrieb erfolgt motorisch. Zum Antrieb können ausser dem Motor Komponenten wie Zahn- oder Reibriemen, oder Zahnräder als Antriebsmittel eingesetzt sein.
[0031] In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Positioniersystems ist ein Spiegel als Umlenkmittel in einem Winkel von 45[deg.] an einem Hohlkörper als Rotationselement, durch welchen die Sende- bzw. Empfangsstrahlen zum Umlenkmittel bzw. zum Empfänger geführt werden, angeordnet. Der Hohlkörper wird über einen Motor und einen Zahnriemen mit einer festen Rotationsgeschwindigkeit um die vertikale Achse durch seinen Schwerpunkt rotiert.
[0032] Um die Horizontalität der Sendestrahlen auch dann zu gewährleisten, wenn das Bodenbearbeitungsfahrzeug über Unebenheiten, wie Wellen und Senken, eines Terrains oder ein Terrain mit unterschiedlichen Niveaus fährt, sind Sender, Empfänger und Umlenkmittel des erfindungsgemässen Positioniersystems in bzw. an einer Aufnahme angeordnet, die pendelartig an einer Trägerkomponente angeordnet ist. Durch die pendelartige Anordnung der Aufnahme erfolgt eine Ausrichtung derselben - und damit auch von Sender, Empfänger und Umlenkmittel - unter der Wirkung der Schwerkraft, also vertikal. Infolge der schwerkraftbeeinflussten vertikalen Ausrichtung von Sender, Empfänger und Umlenkmittel werden die Entfernungsmessungen in den verschiedenen Stellungen des Bodenbearbeitungsfahrzeugs in einer Ebene, die im Wesentlichen horizontal ist, durchgeführt.
[0033] Die pendelartige Anordnung kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Beispielsweise ist die Trägerkomponente als Platte mit einer rahmenartigen Konstruktion oder einer Halterung, in welcher die Aufnahme - in zwei Richtungen - schwingbar aufgehängt ist, ausgeführt. Die Trägerkomponente kann einen Kardanring bzw. -ringe für eine kardanische Aufhängung der Aufnahme aufweisen. Alternativ kann die Trägerkomponente eine entsprechende Lageraufnahme aufweisen, in welcher die Aufnahme gelagert ist, beispielsweise über ein oder zwei Lager, wie Kugellager oder ein Kugelgelenk mit z.B. zwei rotatorischen Freiheitsgraden. Die Trägerkomponente ist auch durch ein Bauteil des Bodenbearbeitungsfahrzeugs bildbar.
[0034] Die Aufnahme kann aus mehreren Bauteilen, z.B. Gehäusen oder Gehäuseteilen, zusammengesetzt, oder aber einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise stellt die Aufnahme ein Gehäuse dar, in welchem der Sender und der Empfänger fest und das Umlenkmittel rotierbar angeordnet sind. Eine solche Ausbildung umfasst weiters eine Öffnung, wie ein Fenster, für die Sende-und Empfangsstrahlen. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Aufnahme ein Gehäuse für den Sender und den Empfänger, einen Hohlkörper, durch welchen die Sende- und Empfangsstrahlen in Richtung des Umlenkmittels geleitet werden, sowie ein auf dem Hohlkörper drehbar angeordnetes Rotationselement, auf welchem das Umlenkmittel mittels eines Halters positioniert ist.
[0035] In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Anordnung von Sender, Empfänger und Umlenkmittel des erfindungsgemässen Positioniersystems derart, dass ein möglichst kompaktes und stabiles System bereitgestellt wird. Indem die Anordnung so gewählt wird, dass die Strahlführung über vergleichsmässig wenige optische Elemente erfolgt, werden die Komplexität des Systems sowie Strahlungsverluste gering gehalten.
[0036] So sind in einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Positioniersystems der Sender, der Empfänger und das Umlenkmittel derart angeordnet, dass der Strahlengang der Sendestrahlen und der Strahlengang der Empfangsstrahlen im Wesentlichen parallel sind. Dazu sind Sender und Empfänger möglichst nahe nebeneinander und gegenüber dem Umlenkmittel so angeordnet, dass die vom Sender emittierten Sendestrahlen auf eine Umlenkfläche des Umlenkmittels treffen, an der Umlenkfläche in Richtung der Referenzobjekte reflektiert werden, und die von den Referenzobjekten reflektierten Strahlen über dieselbe Umlenkfläche zum Empfänger reflektiert werden.
[0037] In einer weiteren Ausführungsform sind der Sender, der Empfänger und das Umlenkmittel derart angeordnet, dass die Sendestrahlen und die Empfangsstrahlen koaxial sind.
[0038] In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Anordnung von Sender, Empfänger und Umlenkmittel derart, dass der Strahlengang der Sendestrahlen zwischen Sender und Umlenkmittel und der Strahlengang der Empfangsstrahlen zwischen Umlenkmittel und Empfänger und die vertikale Achse, um die das Umlenkmittel rotiert und die beispielsweise eine Rotationsachse durch den Schwerpunkt der Anordnung darstellt, im Wesentlichen parallel und gegebenenfalls koaxial sind. Solche Anordnungen sind für verschiedene Entfernungsmesser an sich bekannt.
[0039] Das erfindungsgemässe Positioniersystem kann zum Schutz der Systemkomponenten ein Schutzgehäuse, z.B. ein kuppelartiges Plastik-Gehäuse, aufweisen. Das Gehäuse ist vorzugsweise transparent ausgeführt oder weist entlang seines Umfangs ein Fenster für die Sende- und Empfangsstrahlen des Systems auf. Das Positioniersystem ist beispielsweise auf einer Plattform des Bodenbearbeitungsgeräts montiert. Ebenso kann ein Bodenbearbeitungsgerät zur integrierten Aufnahme des Positioniersystems ausgebildet sein. Z.B. ist die Ausbildung derart, dass ein Teil des Systems in das Bodenbearbeitungsfahrzeug eingesetzt - versenkt - wird.
[0040] Indem das erfindungsgemässe Positioniersystem als kompaktes, handliches und vergleichsweise kleines und leichtes System ausgebildet ist - was vorteilhaft mit einer Verwendung eines Entfernungsmessers gemäss dem vorgängig erwähnten "Disto" realisierbar ist - kann ein Bodenbearbeitungsfahrzeug, welches z.B. einen Rasenmäher darstellt, zur modulartigen Aufnahme des Positioniersystems ausgebildet werden. Ebenfalls kann ein Bodenbearbeitungsfahrzeug in einfacher Art und Weise mit dem erfindungsgemässen Positioniersystem auf- oder umgerüstet werden.
Die Verwendung eines Entfernungsmessers gemäss dem "Disto" birgt weiters den Vorteil, dass dieser bereits als vollständiges System zur Entfernungsmessung verfügbar ist und lediglich eine Schnittstelle zur Kommunikation mit der Rechen- und Steuereinheit vorzusehen oder aber die Rechen- und Steuerkomponente - z.B. in Form einer entsprechenden Software - in den Entfernungsmesser respektive dessen Datenverarbeitungseinheit zu integrieren ist.
[0041] Das erfindungsgemässe Positioniersystem ist für die Anordnung am Bodenbearbeitungsgerät zusätzlich dadurch optimiert, dass die Rotation der Sendestrahlen mit der Rotation lediglich des Umlenkmittels verwirklicht wird. Damit werden unter anderem Probleme der Kabelführung vermieden. So kann bei einer - z.B. an einer für einen Bediener günstigen Position - im Bodenbearbeitungsgerät angeordneten Rechen- und Steuerkomponente eine Kommunikation zum Sender und Empfänger bzw. zur Datenverarbeitungseinheit einfach über Kabelverbindungen erfolgen.
[0042] Das Bodenbearbeitungsfahrzeug, für welches das erfindungsgemässe Positioniersystem vorgesehen ist, kann im Prinzip jedes bewegliche Gerät/Fahrzeug darstellen. Beispielsweise wird das Positioniersystem auf einem Rasenmäher, der selbständig ein Terrain abfährt, oder auf einem Markiergerät zum Erzeugen von Markierlinien und/oder -flächen eingesetzt. Ebenso kann das Positioniersystem zum Navigieren von Baumaschinen, wie Bagger, Fertiger oder Lastwagen, verwendet werden. Eine weitere günstige Einsatzmöglichkeit für das erfindungsgemässe Positioniersystem stellt die Verwendung desselben auf einem Reinigungsgerät dar. Wird das Reinigungsgerät z.B. in einer Tiefgarage eingesetzt, können bereits vorhandene Pfosten vorteilhaft als Referenzobjekte verwendet werden. Dazu kann ggf. eine reflektive Beschichtung, wie eine Reflexfolie, auf den Pfosten angebracht werden.
[0043] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben. Im Einzelnen zeigen
<tb>Fig. 1<sep>ein erfindungsgemässes Bodenbearbeitungsfahrzeug, Positioniersystem und Referenzobjekt;
<tb>Fig. 2<sep>einen Ausschnitt des Positioniersystems aus Fig. 1 und ein Referenzobjekt auf Fig. 1;
<tb>Fig. 3<sep>ein typisches Empfangssignal eines erfindungsgemässen Positioniersystems;
<tb>Fig. 4<sep>ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Positioniersystems;
<tb>Fig. 5A-5D<sep>ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Positioniersystems in vier Ansichten;
<tb>Fig. 6A-6C<sep>drei verschiedene Bodenbearbeitungsfahrzeuge mit einem erfindungsgemässen Positioniersystem.
[0044] In Fig. 1 dargestellt sind ein erfindungsgemässes Bodenbearbeitungsfahrzeug mit einem erfindungsgemässen Positioniersystem 1a sowie eine Mehrzahl erfindungsgemässer Referenzobjekte. Ein selbstfahrender Rasenmäher 2a stellt hier das Bodenbearbeitungsfahrzeug dar, welcher Rasenmäher 2a anhand des Positioniersystems 1a und der Referenzobjekte über ein zu bearbeitendes - zu mähendes - Terrain T navigiert wird. Die Referenzobjekte sind als Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f mit einer reflektiven Beschichtung - Reflektorstäbe - ausgebildet. Über das Terrain T verteilt sind sechs Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f angeordnet, wobei einer der Pfosten 3c an einer Docking Station DS für den Rasenmäher 2a angeordnet ist. Die Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f sind hier lediglich skizziert, die spezielle Ausführung kann mit codierten Pfosten erfolgen.
Beispielsweise weisen die Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f - wie für den Pfosten 3d rechts oben angezeigt - unterschiedliche Durchmesser auf und/oder es sind Kombinationen von zwei oder mehreren Pfosten vorgesehen. Je nach Art und/oder Anzahl der Pfosten empfängt das Positioniersystem 1a unterschiedliche Signale, anhand derer die jeweiligen - codierten - Pfosten identifizierbar sind.
[0045] Das optische Positioniersystem 1a emittiert horizontale Laser-Sendestrahlen 5a in eine rotierende Emissionsrichtung, wie durch den Pfeil angedeutet. Die Beschaffenheit des Terrains T und die Anzahl und Anordnung der Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f sind derart, dass das auf dem Rasenmäher 2a angeordnete Positioniersystem 1a von jeder Position des Terrains T aus wenigstens drei Pfosten detektiert. Das Positioniersystem 1a ist hier teilweise im Rasenmäher 2a versenkt, sodass Rasenmäher 2a und System eine kompakte Anordnung bilden. Weiters wird durch die teilweise Versenkung die Anordnung niedrig gehalten, wodurch auch die Höhe der Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f verringert werden kann.
[0046] Ein Ausschnitt des Positioniersystems 1a aus Fig. 1 und ein Pfosten 3a aus Fig. 1 sind in Fig. 2 detaillierter dargestellt. Der Pfosten 3a ist mit einer reflektiven Beschichtung 3a versehen. Wie aus dem herausgezeichneten Detail des Pfostens 3a ersichtlich ist die Beschichtung aus einer Vielzahl von Glaskügelchen 3a gebildet. Der Pfosten 3a ist 3 cm im Durchmesser D und die reflektive Beschichtung 3a 1 m in der Höhe H erstreckt. Der gezeigte Ausschnitt des Positioniersystems 1a umfasst einen Umlenkspiegel 9a, der als Umlenkmittel die Sendestrahlen 5a einer - nicht dargestellten - Laserdiode als Sender des Positioniersystems 1a in Richtung des Pfostens 3a lenkt, an welchem Pfosten 3a sie zurück zum Umlenkspiegel 9a reflektiert werden. Dadurch, dass der reflektive Pfosten 3a in der Höhe erstreckt ist, ist eine sehr hohe Trefferwahrscheinlichkeit des Pfostens 3a gegeben.
Für ein Terrain, das bedeutende Niveauunterschiede aufweist, können entsprechend höhere Pfosten verwendet werden.
[0047] Wie mit dem Pfeil angezeigt wird der Umlenkspiegel 9a rotiert. Dazu ist der Umlenkspiegel 9a in einer Spiegelhalterung 9a gehaltert, die auf einem ein Rotationselement bildenden zylindrischen Hohlkörperaufsatz 15a angebracht ist, welcher über einen Motor in Rotationsbewegung versetzt wird. Die Sendestrahlen 5a gelangen durch den Hohlkörperaufsatz 15a zum Umlenkspiegel 9a. Am Umlenkspiegel 9a werden die Strahlen derart umgelenkt, dass sie im Wesentlichen horizontal sind. Weiters werden die Strahlen durch die Rotation des Umlenkspiegels 9a rotiert - hier um 360[deg.]. Über die Anordnung mit dem Umlenkspiegel 9a ist eine Schutzhülle in der Art einer transparenten Kunststoff-Glocke 21 gesetzt.
Die Öffnung der Kunststoff-Glocke 21 ist nur zwecks der Darstellung der Schraubverbindung 21 zwischen der Kunststoff-Glocke 21 und einer ringförmigen Platte 22 eingezeichnet, die Glocke ist geschlossen. Alternativ zur transparenten Schutzhülle kann auch eine Hülle mit einem Fenster entlang des Umfangs verwendet werden.
[0048] Die ringförmige Platte 22 ist am Rasenmäher 2a von Fig. 1 angebracht. Zur Aufnahme des Teils des Positioniersystems 1a, der sich unterhalb der Kunststoff-Glocke 21 erstreckt, weist der Rasenmäher 2a eine Ausnehmung auf. Der Rasenmäher 2a kann auch eine Ausnehmung aufweisen, in welche die Platte 22 einsetzbar ist. Alternativ kann der Rasenmäher 2a bereits mit einer integrierten Platte ausgebildet werden oder sein, in welche das Positioniersystem 1a einsetzbar ist. Der nicht dargestellte Teil des Positioniersystems 1a - an der Unterseite der Glocke - ist also im Rasenmäher 2a versenkt und gegen mechanische und umweltbedingte Beschädigungen gut geschützt.
[0049] Fig. 3 zeigt ein typisches Empfangssignal 8 eines Empfängers eines erfindungsgemässen Positioniersystems für eine 360[deg.]-Umdrehung des Umlenkmittels. Das innere Signal stellt ein Referenzsignal 8 in Bezug auf die Rotationsbewegung des Umlenkmittels des Systems dar. Das Referenzsignal 8 ist mit einem Sensor, wie z.B. einer Lichtschranke, zur Kontrolle und ggf. Korrektur der Rotationsbewegung aufgenommen - im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Messungen 8a-8dauf 360[deg.] durchgeführt. Das Empfangssignal 8 zeigt drei Peaks 8a, 8b, 8c. Die Peaks 8a, 8b, 8c stellen von reflektiven Referenzobjekten reflektierte Signale dar, die anhand ihrer Intensität vom Hintergrund unterschieden werden können.
Die - unterschiedlichen - Peaks 8a, 8b, 8c korrespondieren weiters zu Referenzobjekten mit verschiedenen Durchmessern und/oder Reflexionsvermögen, sodass eine Zuordnung zu spezifischen Referenzobjekten möglich ist. Aus dem Empfangssignal 8 werden drei Entfernungen zu den korrespondierenden Referenzobjekten berechnet. Zusätzlich werden aus dem Empfangssignal 8 und der bekannten Rotationsgeschwindigkeit - unter Berücksichtigung des Referenzsignals 8 - die Horizontalwinkel zwischen den Referenzobjekten ermittelt. Da hier ausserdem die Fahrtrichtung 16 des Bodenbearbeitungsfahrzeugs bekannt ist, sind auch die Horizontalwinkel zwischen der Fahrtrichtung 11 und den Referenzobjekten bestimmbar.
[0050] Die Fig. 4 zeigt eine detailliertere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Positioniersystems 1b für ein Bodenbearbeitungsfahrzeug. Die Aufnahme 14b des Positioniersystems 1b ist aus mehreren Bauteilen, wie Gehäuseteilen, zusammengesetzt. In der Aufnahme 14b sind in einem weiteren Gehäuse 23 der Sender, der Empfänger und die Rechen- und Steuerkomponente des Positioniersystems 1b angeordnet. Sender, Empfänger und Rechen- und Steuerkomponente bilden einen Entfernungsmesser 12b in etwa gemäss dem "Disto" der Firma Leica Geosystems. Im Unterschied zum "Disto" ist der Entfernungsmesser 12b für die Verwendung auf einem Bodenbearbeitungsfahrzeug angepasst. So emittiert der Sender etwa Sendestrahlen 5b mit einer Frequenz von wenigstens 100 kHz, um Entfernungsmessungen nach dem Phasenmessprinzip für sehr kurze Signalzeiten - von ca. 100 [micro]s - zu ermöglichen.
Die kurzen Signalzeiten entstehen aus der Rotation der Sendestrahlen 5b, welche anhand eines Umlenkmittels 9b, das mit wenigstens drei Umdrehungen pro Sekunde rotiert wird, verwirklicht wird. Das Umlenkmittel 9b ist auf einem Rotationselement 15b in Form eines Hohlkörpers befestigt. Das Rotationselement 15b wiederum ist um eine vertikale Achse 10b drehbar auf einem Hohlzylinder 14b der Aufnahme 14b aufgesetzt und bildet ebenfalls einen Bestandteil der Aufnahme 14b. Die Rotation erfolgt anhand eines motorischen Antriebs über einen Zahnriemen 16.
[0051] Über das Umlenkmittel 9b werden die Sendestrahlen 5b des Senders in eine rotierende Emissionsrichtung gelenkt und die reflektierten Sendestrahlen als Empfangsstrahlen 7b zum Empfänger. Um zu erreichen, dass die Sendestrahlen 5b in einer Ebene, die im Wesentlichen horizontal ist, rotiert werden, ist die Aufnahme 14b des Positioniersystems 1b kardanisch in einer Trägerkomponente 13b aufgehängt. Damit richtete sich die Aufnahme 14b auch bei Neigungsstellungen des Bodenbearbeitungsfahrzeugs schwerkraftbeeinflusst vertikal aus, sodass die Horizontalität der Sendestrahlen 5b beibehalten wird. Die Trägerkomponente 13b umfasst eine erste Halterung 13b, in welcher die Aufnahme 14b um eine erste Achse drehbar gelagert ist und eine zweite Halterung 13b, in welcher die erste Halterung 13b um eine zweite Achse drehbar gelagert ist.
Die zweite Halterung 13b wird über Schrauben 17 und Dämpfungselemente 18 an einer Plattform 20 des Bodenbearbeitungsfahrzeugs angebracht.
[0052] In den Teilfiguren 5Abis 5D ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Positioniersystems 1c in verschiedenen Ansichten dargestellt, wobei Fig. 5A eine Draufsicht auf das Positioniersystem 1c zeigt, Fig. 5Beinen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 5A, Fig. 5C eine Seitenansicht des Positioniersystems 1c und Fig. 5Deinen Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B aus Fig. 5C. Die Figuren werden im Folgenden zusammenhängend beschrieben.
[0053] Das dargestellte Positioniersystem 1c weist eine Aufnahme 14c auf, die aus einem Aufnahmekörper mit einem zylindrischen Hohlkörper 14c und einem Rotationselement 15c zusammengesetzt ist. Das Rotationselement 15c ist als Spiegelhalter für einen Spiegel 9c als Umlenkmittel ausgebildet und über eine Kugellagerung 25 drehbar am zylindrischen Hohlkörper 14c gelagert. Das Rotationselement 15c weist eine Aussenverzahnung 26 auf und wird über ein Ritzel 27, das von einem Elektromotor 28 angetrieben wird, rotiert. Am zylindrischen Hohlkörper 14c ist weiters - an einem Flansch des Hohlkörpers 14c - ein Sensor 24 angeordnet, der Referenzsignale in Bezug auf die Rotationsbewegung abgreift.
[0054] Im Aufnahmekörper sind ein Sender 4c und ein Empfänger 6c des Positioniersystems 1c angeordnet. Der Sender 4c umfasst eine Laserdiode sowie eine Kollimationsoptik, der Empfänger 6c eine Photodiode und eine Empfangsoptik. Vom Sender 4c emittierte Sendestrahlen gelangen durch den zylindrischen Hohlkörper 14c zum Spiegel 9c, wo sie reflektiert werden. Die an Referenzobjekten reflektierten Sendestrahlen treffen wieder auf den Spiegel 9c und werden als Empfangsstrahlen zum Empfänger 6c reflektiert. Die Sende- und Empfangsstrahlen sind nicht eingezeichnet. Sender 4c, Empfänger 6c und Spiegel 9c sind hier derart angeordnet, dass der Strahlengang der Sendestrahlen und der Strahlengang der Empfangsstrahlen im Wesentlichen parallel sind.
Dazu sind der Sender 4c und der Empfänger 6c möglichst nahe nebeneinander angeordnet, sodass die Sende- und Empfangsstrahlen über dieselbe Fläche des Spiegels 9c und ohne zusätzliche optische Elemente lenkbar sind, was die Ausbildung eines wenig komplexen und kompakten Systems zur Entfernungsmessung ermöglicht.
[0055] Die Laser- und Photodiode des Positioniersystems sind auf einer Leiterplatte 29 angebracht, die weiters auch einen Mikroprozessor als Datenverarbeitungseinheit umfasst. Sender 4c, Empfänger 6c und Mikroprozessor bilden einen Entfernungsmesser 12c. Der Mikroprozessor ist zusätzlich als Rechen- und Steuereinheit zum Berechnen der Position des Positioniersystems 1c bzw. des Bodenbearbeitungsfahrzeugs, für welches das Positioniersystem 1c verwendet wird, und zum Ableiten von Steueranweisungen für das Fahrzeug ausgeführt. Alternativ könnte am Entfernungsmesser 12c eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einer Rechen- und Steuereinheit ausgebildet und die Rechen- und Steuereinheit ausserhalb der Aufnahme 14c angeordnet sein.
[0056] Die Aufnahme 14c des Positioniersystems 1c ist pendelartig an einer Trägerkomponente 13c des Systems angeordnet. Die Trägerkomponente 13c umfasst einen ersten Kardanring 13c und einen zweiten Kardanring 13c, über welche Kardanringe 13c und 13c die Aufnahme 14c kardanisch aufgehängt ist, sodass sie sich unter der Wirkung der Schwerkraft vertikal ausrichtet. Mit der Ausrichtung der Aufnahme 14c erfolgt natürlich auch eine entsprechende Ausrichtung aller in, an oder auf der Aufnahme 14c angeordneten Komponenten, so z.B. des Entfernungsmessers 12c und des Spiegels 9c.
[0057] In den Fig. 6A bis 6C ist ein erfindungsgemässes Positioniersystem für verschiedene Bodenbearbeitungsfahrzeuge gezeigt. Die Darstellungen der Figuren sind nicht als massstäblich zu betrachten.
[0058] Fig. 6A zeigt in Draufsicht einen Markierwagen 2d als Bodenbearbeitungsfahrzeug zum Erzeugen bodengebundener Markierungen 31 auf einem Untergrund - z.B. auf einem Sportplatz. Auf dem Untergrund sind als Referenzobjekte zylindrische Reflektorstäbe 3g platziert. Diese werden anhand der Sendestrahlen 5d des auf dem Markierwagen 2d angeordneten Positioniersystems 1d abgetastet. Die Sendestrahlen werden in eine horizontale, rotierende Emissionsrichtung gesendet, sodass sie eine horizontale Strahlebene 30 aufspannen.
[0059] Das Bodenbearbeitungsfahrzeug aus Fig. 6Bstellt einen Gleitschalungsfertiger 2e beim Erstellen einer Belagschicht 32 entlang eines vorgegebenen Weges dar. Entlang des Weges sind Reflektorstäbe 3h als Referenzobjekte angeordnet. Die Reflektorstäbe 3h können beispielsweise jeweils 30 m voneinander entfernt angeordnet sein. Auf der Fahrerkabine des Gleitschalungsfertigers 2e ist ein erfindungsgemässes Positioniersystem 1e angebracht. Das Positioniersystem emittiert Strahlung und tastet anhand der Rotation der Strahlung um eine vertikale Achse 10e die Umgebung kontinuierlich nach den Referenzobjekten ab. Mittels der vom Positioniersystem emittierten und empfangenen Strahlung werden die Entfernungen zu den Referenzobjekten und daraus die Position des Gleitschalungsfertigers 2e relativ zu diesen bestimmt.
Sind die Reflektorstäbe 3h in ein Koordinatensystem - z.B. des Geländes - eingemessen, so kann die absolute Position des Fertigers bestimmt und dieser entsprechend gesteuert werden. Alternativ kann der vorgegebene Weg relativ zu den Reflektorstäben 3h festgelegt, respektive die Reflektorstäbe 3h entsprechend positioniert werden, und der Fertiger relativ zu den Reflektorstäben 3h gesteuert werden.
[0060] In Fig. 6C ist ein Bagger 2f als Bodenbearbeitungsfahrzeug mit einem erfindungsgemässen Positioniersystem 1f dargestellt. Das Positioniersystem 1f ist - ebenso wie in den vorangehenden Fig. 6A und 6B- lediglich durch ein Gehäuse skizziert, was jedoch nicht ausschliesst, dass z.B. die Rechen- und Steuerkomponente des Positioniersystems 1f in der Fahrerkabine angeordnet ist und in Kommunikationsverbindung - über Kabel oder Funk - mit dem Empfänger oder einer Datenverarbeitungseinheit des Positioniersystems 1f steht. Auf dem zu bearbeitenden Terrain T2 sind vier Reflektorstäbe 3i positioniert. Das Positioniersystem 1f tastet mittels Laserstrahlung kontinuierlich die Umgebung um eine vertikale Achse 10f ab.
Aus den erfassten Reflektorstäben 3i werden in der Rechen- und Steuerkomponente die Relativposition des Baggers 2f und Steueranweisungen in Bezug auf dessen Positionierung abgeleitet.
The invention relates to a positioning system for a, in particular self-propelled, tillage vehicle according to the preamble of claim 1, and a tillage vehicle with such a positioning system and a measuring arrangement with such a positioning system.
Tillage vehicles, such as lawn mowers, markers, cleaning equipment or construction machinery, should usually perform a tillage over a given area of a terrain or along a predetermined path. In order to achieve a movement of the vehicle over the area or along the way, a corresponding guidance or control of the vehicle, which is usually realized by means of positioning systems, is required. The positioning systems use, for example, mechanical or inductive position elements to provide position information for the vehicle. Advantages in terms of accuracy, time and ease of use are provided by the use of positioning optical positioning systems and control of the tillage vehicle therefrom.
Thus, various optical positioning systems are known which are based on a position determination relative to reference objects. Such a positioning system comprises a transmitting and a receiving component for measurements by optical radiation to the reference objects - for example, represent reflectors - which components associated with the tillage vehicle, generally mounted on this are. From the measurements, conclusions about the location of the positioning system or the location / position of the tillage vehicle relative to the reference objects can be derived. The position thus determined is used as the basis of control of the vehicle.
If the reference objects are known in terms of their position, the absolute position of the vehicle can be derived. However, this requires reference objects that either have to be known or measured in terms of their position. In many cases - for example, for private individuals - such a survey is too time-consuming and not necessary, since often the knowledge of the relative position is sufficient.
An important criterion in the optical positioning systems for position determination relative to - in general several - reference objects, is the measurement speed. In most cases, measurements must be made for two or more reference objects for unambiguous position determination. In order to be able to guide the tillage vehicle in the generic manner, therefore, several measurements are usually taken within a predetermined time interval, which is small in relation to the travel speed of the vehicle - e.g. three measurements per second for a position determination per second - required.
Positioning systems with triangulation sensors are known as optical positioning systems for ground handling vehicles. By means of the triangulation sensors, the directions to the reference objects are determined on the basis of angle measurements to reflective reference objects, and therefrom the position of the positioning system or ground-working vehicle relative thereto.
Thus, US 5 426 584 describes a control system for a lawnmower tillage vehicle with a triangulation sensor for determining the position of the lawn mower against reflective reference points. The triangulation sensor comprises a laser source for emitting laser beams and a beam scanner for generating a substantially horizontal, rotating emission direction of the beams so that the beams are directed against the reference points. The beams reflected at the reference points are detected by a detector of the triangulation sensor and evaluated with respect to the horizontal angles between the reference points. In order for the jets to be steered in the horizontal direction as the lawnmower travels over bumps, such as waves or depressions, of the terrain, the beam scanner is gimballed.
In order to determine the angle with the required accuracy, the measurements must be made to exactly defined - virtually point-like - reference points. If the lawn mower drives over uneven terrain, the rays are emitted horizontally due to the gimbal, but the reference points are not hit due to the difference in level. Therefore, the beam scanner is formed with an additional precessing mechanism for scanning movement of the beams in the vertical direction. However, the scanning movement is not exactly controllable, which causes inaccuracies in the measurement and thus in the position determination and control of the lawnmower.
US 6 556 598 shows a similar system for determining the position of a lawnmower with respect to reference points according to the principle of triangulation. The system includes a pendulum suspended laser projection unit having a laser for emitting laser radiation and a mirror rotating about a vertical axis for generating a rotating emission direction of the radiation. The laser radiation is directed against the reference points and the radiation reflected at the reference points is directed to a detector of the system. So that the reference points are exactly hit and the point of impact of the radiation can be determined exactly, the radiation is rotated in a controlled manner by additionally rotating the mirror about a horizontal axis, also in the vertical direction.
The exact - horizontal and vertical - rotation angles of the mirror are measured by angle encoders and included in the angle determination of the reference points. The training of the system and the data analysis are so extremely complex.
The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a somewhat complex and easy-to-use positioning system for a tillage vehicle and a tillage vehicle with such a positioning system and a cooperating with the positioning reference object.
These objects are achieved by the subject-matter of claims 1, 12, 14 or the dependent claims and the solutions developed further.
The invention is based on the consistent integration of an optical distance measuring functionality in a positioning system for a tillage vehicle. By making optical range finding and its benefits applicable to the harrow, a low complexity positioning system for generic positioning is provided.
The position determination is based on distance measurements to reference objects - the inventive positioning system is a so-called "self-positioning system". Based on the distance measurements, the position of the tillage vehicle relative to the reference objects can be determined and derived therefrom control instructions for the tillage vehicle.
The inventive positioning system has a transmitter for emitting optical transmission beams, in particular laser beams, which are directed against the reference objects. The transmission beams are detected again after their transmission and subsequent reflection on the reference objects by means of a receiver of the positioning system, the distances to the reference objects, in particular according to the phase measurement principle or the principle of pulse transit time measurement, are determined from the received signals of the receiver.
The directing of the transmission beams against the reference objects and the reflected beams as receiving beams against the receiver by means of a deflection of the positioning system. The deflection means is designed to generate a horizontal and rotating emission direction of the transmission beams and arranged rotatable about a vertical axis.
From the measured distances representing position information of the reference objects are further derived by means of a computing and control component of the positioning of the position of the tillage vehicle relative to the reference objects and generated from the knowledge of the position control instructions for the tillage vehicle, at least in relation to the track , If the reference objects are calibrated in a coordinate system, then the position of the groundworking vehicle in this coordinate system can be determined and the vehicle can be controlled, for example, according to a predetermined path in the coordinate system. For non-measured reference objects, the control of the vehicle takes place relative to the reference objects.
The boundaries of the area to be worked which the tiller is to depart relative to the reference objects may be determined by the computing and control component e.g. be saved as part of a learning journey. The calculation and control component can also have a control program which takes into account various input parameters. For example, different driving patterns for the surface to be processed can be stored.
The transmitter and the receiver of the positioning system are part of a rangefinder. As a rangefinder, for example, a device in the manner of the sold under the product name "Disto" laser rangefinder company Leica Geosystems, Switzerland, is used. The rangefinder is additionally assigned a data processing unit. This can be realized or integrated into the previously mentioned calculation and control component. Alternatively, the data processing unit may represent one component of the rangefinder and the computing and control component another, separate from the rangefinder component of the positioning. The data processing unit is provided for determining the distances from the received signals.
For example, a microcontroller is used as a data processing unit, wherein the microcontroller is designed in particular for the frequency control of the transmitter and / or receiver.
In one embodiment of the invention, the positioning system is designed for distance measurement according to the phase measurement principle. For this purpose, the transmission beams of the transmitter are intensity-modulated with a high-frequency modulation frequency. The transmitted beams reflected at a reference object are received by the receiver and then mixed with a mixer frequency to generate a low-frequency measurement signal for the data evaluation. To determine the distance, the phase difference of the measurement signal is formed with a reference signal.
In order to be able to measure the distances with the positioning system according to the invention by evaluating the phase position of the signals, the parameters of the distance measurement are adapted in relation to the application for the ground-handling vehicle. Since positional determinations must be made in short time intervals, such as a position determination per second, for a precise control of a harrow, and generally two or more measurements are required for a position determination to reference objects, the rotational speed of the deflection means and the transmission beams is correspondingly high. For example, the diverter performs three full (360 °) revolutions per second.
However, this requires a very short signal time - e.g. by a factor of 1000 shorter than for a conventional rangefinder - the transmit and receive beams for the distance measurement. However, in order to still obtain evaluable received signals, the low-frequency phase measuring frequency is increased, for example, to a phase measuring frequency in the range of 100 kHz compared to a phase measuring frequency used in a conventional rangefinder, such as the "Disto". Thus, even for short signal times - e.g. of about 100 [micro] s - enough signal periods for the phase measurement are detected.
In one embodiment of the invention, the angles of the reference objects to each other are taken into account in addition to the distances. With known direction of travel of the tillage vehicle, the angle of the reference objects can also be determined to the direction of travel of the vehicle. The angles can be derived from the constant rotational speed of the deflecting means and the received signals of the receiver. In addition, to increase the measurement accuracy, means for detecting / monitoring the rotational speed may be used, e.g. a light barrier for picking up reference signals for angle determination. Thus, the rotational speed can be controlled and irregularities in the rotational movement - an "eggs" - considered and corrected.
In one embodiment of the invention, four reference signals are tapped during a 360 ° rotation of the deflection means.
In particular, cooperative objects which, in comparison to non-cooperative objects, are suitable as reference objects for which the distance and, if appropriate, angle measurements are carried out, are suitable. 50 times, have higher reflectance. Such reference objects can be distinguished by their reflectivity from the background, so that the positions of the reference objects can already be determined from the fluctuation in the intensity of the radiation reflected at the objects. On the basis of the determination of the distance and optionally of the angle in the intensity maxima, the position of the positioning system or tillage vehicle relative to the reference objects can be derived by known methods, as used for example in photogrammetry. An example of this are correlation methods or correlation calculations.
The cooperative reference objects have a reflective surface, e.g. is formed of triple prisms, microlenses, glass beads, reflective film or other conventional reflection elements. Since no quasi-point-shaped reflectors are required for the positioning system according to the invention, it is advantageously possible to use reference objects extending in height, such as reflector rods, so that no target search in the vertical direction has to be carried out. Optionally, as reference objects, alternative targets reflecting optical radiation, such as e.g. white house walls, to be used. Such goals as house walls or other - preferably not or difficult to move - objects can be used in particular for - slower - Review of the reference objects.
This allows deviations - e.g. due to shifts - the positions of the reference objects are detected and the positioning system is recalibrated with respect to the reference objects.
The number of required reference objects depends on their location, the nature of the terrain to be processed, and the intended accuracy of the measurement. As a rule, apart from particularly favorable constellations, at least 3 or 4 reference objects are required. If an angle is additionally taken into account, the number of reference objects can be reduced to two. For special conditions - e.g. When the tillage vehicle travels to a docking station, the positioning of the vehicle may also be with a single reference object. The number of required reference objects can also be reduced by making the reference objects distinguishable from each other, for example by applying codes or filters.
For example, in an embodiment according to the invention, reference posts with different diameters are provided as coded reference objects. Based on the distance measurement, the rotational speed of the deflection and the different signal widths, the post diameter can be determined and the various reference posts are identified. Alternatively, two posts can be placed side by side to create the same effect.
The actually required number of reference objects is additionally dependent on possible restrictions to reduce ambiguity. With three distance measurements for the different reference objects, the three distances define a plane at which the relative position to be determined can be mirrored. As a solution there are two possible positions, of which, however, one position is usually due to plausibility reasons, e.g. because it would be below the surface of the earth, or excluded due to simple further information, e.g. the distinction between north and south, which can also be met by a simple magnetic compass.
In particular, the set of reference objects is selected such that, if possible, at least two of the reference objects can be detected from each point of the terrain to be processed.
To bridge short-term visual loss to the reference objects and / or for the identification of the detected reference objects, the positioning system or the tillage vehicle may be assigned further components for determining the position. For example, the positioning system additionally comprises direction-measuring components, such as a compass, and / or inertial sensors, which register a change with respect to a known starting position. Also possible is the attachment of a GPS sensor. With a GPS sensor, the position of the positioning system can be roughly determined by means of a distance and possibly angle measurement on a reference object.
The transmitter of the positioning system according to the invention comprises a radiation source, in particular a laser, and a transmission optics - collimation optics - for emitting a collimated transmission beam for the distance measurement. A laser as a transmitter is designed to emit transmission beams in a predetermined wavelength range. In one embodiment of the invention, the transmitter used is a laser which emits transmission beams in the non-visible wavelength range, e.g. in the range between 790 nm and 950 nm, in particular transmission beams of the wavelength of 850 nm emits, used. In addition to a non-visible radiation emitting transmitter, an additional visible radiation source may be provided, e.g. can be used during a learning run of the positioning system, so that a user does not unconsciously cover the invisible beam.
As a result, the visual connection of the positioning system to the reference objects required for determining the position can also be checked visually.
The receiver has a receiving optical system and a sensitive to the emission wavelength of the transmitter receiving element. In particular, the receiving element is a photodiode, e.g. a pin diode or an avalanche diode.
For distance measurements according to the phase measurement principle, the rangefinder with the transmitter and the receiver as constituents further in relation to the phase measurement usual components. For example, a beam splitter for branching a part of the transmission beams as reference beams and a reference receiver for receiving the reference beams after passing through a reference path are provided. In the reference path further optical elements can be arranged. Other components used or usable are frequency mixers and phase meters.
In order to direct the transmission beams of the transmitter in the rotating emission direction, the deflection of the positioning system is arranged as mentioned above rotatable about a vertical axis. Furthermore, the deflecting means is designed and arranged relative to the transmitter, that the transmission beams are rotated substantially in a horizontal plane. In particular, the rotation is continuously 360 °. With continuous 360.degree. Rotation of the deflection means, the transmission radiation scans the surroundings around the positioning system uniformly for reference objects, so that objects located in the horizontal plane that are not obscured by obstacles are detected.
The deflection means can be realized by an optical reflection element, such as a mirror or a prism. The reflection element is designed to be rotatable, for example by being arranged in, on or on a rotary element which is set in rotational motion by a drive. The drive is motorized. To drive components other than the engine such as toothed or friction belt, or gears may be used as drive means.
In one embodiment of the positioning system according to the invention, a mirror is arranged as deflection means at an angle of 45 [deg.] On a hollow body as a rotation element, through which the transmitting or receiving beams are guided to the deflection means or to the receiver. The hollow body is rotated by a motor and a toothed belt at a fixed rotational speed about the vertical axis through its center of gravity.
In order to ensure the horizontality of the transmission beams even when the tillage vehicle over unevenness, such as waves and depressions, terrain or terrain with different levels moves transmitter, receiver and deflection of the inventive positioning are arranged in or on a recording , which is arranged like a pendulum on a carrier component. Due to the pendulum-like arrangement of the recording is an orientation of the same - and thus also of transmitter, receiver and deflection - under the action of gravity, ie vertically. Due to the gravity-biased vertical orientation of transmitter, receiver and diverter, the range measurements in the various positions of the tillage vehicle are performed in a plane that is substantially horizontal.
The pendulum-like arrangement can be realized in different ways. For example, the support component is designed as a plate with a frame-like construction or a holder in which the receptacle - in two directions - is swingably suspended executed. The carrier component may include gimbals for cardan suspension of the receptacle. Alternatively, the carrier component may comprise a corresponding bearing receptacle in which the receptacle is mounted, for example via one or two bearings, such as ball bearings or a ball joint with e.g. two rotational degrees of freedom. The carrier component can also be formed by a component of the soil cultivation vehicle.
The receptacle can be made of several components, e.g. Housings or housing parts, assembled, or be formed in one piece. For example, the receptacle is a housing in which the transmitter and the receiver are fixed and the deflection means are rotatably arranged. Such a construction further includes an aperture, such as a window, for the transmit and receive beams. In another embodiment, the receptacle comprises a housing for the transmitter and the receiver, a hollow body, through which the transmitting and receiving beams are directed in the direction of the deflection means, as well as a rotatably mounted on the hollow body rotation member on which the deflection means positioned by means of a holder is.
In one embodiment of the invention, the arrangement of transmitter, receiver and deflection means of the inventive positioning system is such that the most compact and stable system is provided. By choosing the arrangement so that the beam guidance takes place over comparatively few optical elements, the complexity of the system as well as radiation losses are kept low.
Thus, in one embodiment of the positioning system according to the invention, the transmitter, the receiver and the deflection means are arranged such that the beam path of the transmission beams and the beam path of the reception beams are substantially parallel. For this purpose, the transmitter and receiver are as close as possible to each other and arranged opposite the deflection so that the transmitter emitted by the transmitter radiation meet a deflection of the deflection, are reflected at the deflection in the direction of the reference objects, and the reflected from the reference objects rays over the same deflection to the receiver be reflected.
In a further embodiment, the transmitter, the receiver and the deflection means are arranged such that the transmission beams and the reception beams are coaxial.
In a further embodiment, the arrangement of transmitter, receiver and deflection means is such that the beam path of the transmission beams between the transmitter and deflection and the beam path of the receiving beams between the deflection and the receiver and the vertical axis about which the deflection rotates and the example Represents rotation axis through the center of gravity of the arrangement, are substantially parallel and optionally coaxial. Such arrangements are known per se for different rangefinders.
The positioning system according to the invention can, for the protection of the system components, comprise a protective housing, e.g. a dome-like plastic housing. The housing is preferably made transparent or has along its circumference a window for the transmission and reception beams of the system. For example, the positioning system is mounted on a platform of the harrow. Likewise, a tillage device for integrated recording of the positioning system can be formed. For example, the training is such that a part of the system is used - sunk - in the tillage vehicle.
By designing the positioning system according to the invention as a compact, handy and comparatively small and lightweight system - which is advantageously feasible with the use of a rangefinder according to the previously mentioned "Disto" - a ground-handling vehicle, e.g. represents a lawn mower, are designed for modular recording of the positioning. Also, a tillage vehicle in a simple manner with the inventive positioning or upgraded.
The use of a distance meter according to the "Disto" has the further advantage that it is already available as a complete system for distance measurement and provide only an interface for communication with the computing and control unit or the computing and control component -. in the form of appropriate software - to be integrated into the rangefinder or its data processing unit.
The positioning system according to the invention is additionally optimized for the arrangement on the harrow by the fact that the rotation of the transmitted beams is realized with the rotation of only the deflection means. This avoids cable routing problems, among other things. Thus, with a - e.g. at a favorable position for an operator - arranged in the soil cultivation device computing and control component communication to the transmitter and receiver or to the data processing unit simply via cable connections.
The tillage vehicle, for which the positioning system according to the invention is provided, can in principle represent any movable device / vehicle. For example, the positioning system is used on a lawnmower that autonomously departs a terrain, or on a marker for generating marking lines and / or surfaces. Similarly, the positioning system can be used to navigate construction machinery such as excavators, pavers or trucks. Another advantageous application for the positioning system according to the invention is the use of the same on a cleaning device. used in an underground car park, existing posts can be used advantageously as reference objects. For this purpose, if necessary, a reflective coating, such as a reflective foil, be mounted on the post.
The invention will now be described purely by way of example with reference to exemplary embodiments shown schematically in the drawings. Show in detail
<Tb> FIG. 1 <sep> an inventive tillage vehicle, positioning system and reference object;
<Tb> FIG. 2 <sep> a section of the positioning system of Figure 1 and a reference object on Fig. 1.
<Tb> FIG. 3 <sep> a typical received signal of a positioning system according to the invention;
<Tb> FIG. 4 <sep> an embodiment of a positioning system according to the invention;
<Tb> FIG. 5A-5D <sep> another embodiment of a positioning system according to the invention in four views;
<Tb> FIG. 6A-6C <sep> three different tillage vehicles with a positioning system according to the invention.
1 shows an inventive tillage vehicle with a positioning system 1a according to the invention and a plurality of reference objects according to the invention. A self-propelled lawnmower 2a here represents the groundworking vehicle, which lawnmower 2a is navigated by means of the positioning system 1a and the reference objects via a terrain T to be machined - to be mowed. The reference objects are designed as posts 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f with a reflective coating - reflector rods. Distributed over the terrain T are six posts 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, one of the posts 3c being arranged at a docking station DS for the lawnmower 2a. The posts 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f are only sketched here, the special design can be done with coded posts.
For example, the posts 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f - as indicated for the post 3d at the top right - have different diameters and / or combinations of two or more posts are provided. Depending on the type and / or number of posts, the positioning system 1a receives different signals from which the respective coded posts can be identified.
The optical positioning system 1a emits horizontal laser transmission beams 5a in a rotating emission direction as indicated by the arrow. The nature of the terrain T and the number and arrangement of the posts 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f are such that the positioning system 1a disposed on the lawnmower 2a detects at least three posts from every position of the terrain T. Here, the positioning system 1a is partially recessed in the lawnmower 2a, so that the lawnmower 2a and the system form a compact arrangement. Furthermore, the arrangement is kept low by the partial sinking, whereby the height of the posts 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f can be reduced.
A detail of the positioning system 1a of FIG. 1 and a post 3a of FIG. 1 are shown in more detail in FIG. The post 3a is provided with a reflective coating 3a. As can be seen from the detailed detail of the post 3a, the coating is formed from a plurality of glass beads 3a. The post 3a is 3 cm in diameter D and the reflective coating 3a extends 1 m in height H. The section of the positioning system 1a shown comprises a deflection mirror 9a which deflects the transmission beams 5a of a laser diode (not shown) as a transmitter of the positioning system 1a in the direction of the post 3a, at which posts 3a they are reflected back to the deflection mirror 9a. As a result of the fact that the reflective pillar 3a extends in height, a very high probability of hit of the pillar 3a is given.
For a terrain that has significant level differences, higher posts may be used.
As indicated by the arrow, the deflecting mirror 9a is rotated. For this purpose, the deflecting mirror 9a is held in a mirror mount 9a, which is mounted on a rotary element forming a cylindrical hollow body attachment 15a, which is rotated by a motor in rotational movement. The transmission beams 5a pass through the hollow body attachment 15a to the deflection mirror 9a. At the deflection mirror 9a, the beams are deflected in such a way that they are substantially horizontal. Furthermore, the rays are rotated by the rotation of the deflection mirror 9a - here by 360 °. About the arrangement with the deflecting mirror 9a a protective cover in the manner of a transparent plastic bell 21 is set.
The opening of the plastic bell 21 is shown only for the purpose of illustrating the screw 21 between the plastic bell 21 and an annular plate 22, the bell is closed. As an alternative to the transparent protective cover, it is also possible to use a sleeve with a window along the circumference.
The annular plate 22 is attached to the lawnmower 2a of FIG. For receiving the part of the positioning system 1a, which extends below the plastic bell 21, the lawnmower 2a has a recess. The lawnmower 2a may also have a recess into which the plate 22 can be inserted. Alternatively, the lawnmower 2a can already be formed or be with an integrated plate into which the positioning system 1a can be inserted. The unillustrated part of the positioning system 1a - on the underside of the bell - so sunk in the lawnmower 2a and well protected against mechanical and environmental damage.
FIG. 3 shows a typical received signal 8 of a receiver of a positioning system according to the invention for a 360 ° rotation of the deflection means. The inner signal represents a reference signal 8 with respect to the rotational movement of the deflecting means of the system. The reference signal 8 is connected to a sensor, such as e.g. a photoelectric sensor, recorded for checking and possibly correcting the rotational movement - in the embodiment shown four measurements 8a-8dauf 360 ° are performed. The received signal 8 shows three peaks 8a, 8b, 8c. The peaks 8a, 8b, 8c represent signals reflected by reflective reference objects, which can be distinguished from the background by their intensity.
The - different - peaks 8a, 8b, 8c correspond further to reference objects with different diameters and / or reflectivity, so that an assignment to specific reference objects is possible. From the received signal 8, three distances to the corresponding reference objects are calculated. In addition, the horizontal angles between the reference objects are determined from the received signal 8 and the known rotational speed, taking into account the reference signal 8. Since here also the direction of travel 16 of the tillage vehicle is known, and the horizontal angle between the direction 11 and the reference objects can be determined.
FIG. 4 shows a more detailed embodiment of a positioning system 1b according to the invention for a ground-handling vehicle. The receptacle 14b of the positioning system 1b is composed of several components, such as housing parts. In the receptacle 14b, the transmitter, the receiver and the computing and control component of the positioning system 1b are arranged in a further housing 23. Transmitter, receiver and computing and control component form a rangefinder 12b approximately according to the "Disto" Leica Geosystems. Unlike the "Disto", the rangefinder 12b is adapted for use on a tillage vehicle. For example, the transmitter emits transmit beams 5b at a frequency of at least 100 kHz in order to enable distance measurements according to the phase measurement principle for very short signal times - of approximately 100 [micro] s.
The short signal times arise from the rotation of the transmission beams 5b, which is realized by means of a deflection means 9b, which is rotated at at least three revolutions per second. The deflection means 9b is mounted on a rotary member 15b in the form of a hollow body. The rotation element 15b in turn is rotatably mounted about a vertical axis 10b on a hollow cylinder 14b of the receptacle 14b and also forms part of the receptacle 14b. The rotation takes place by means of a motor drive via a toothed belt 16.
Via the deflection means 9b, the transmission beams 5b of the transmitter are directed in a rotating emission direction and the reflected transmission beams as reception beams 7b to the receiver. In order to cause the transmission beams 5b to be rotated in a plane which is substantially horizontal, the receptacle 14b of the positioning system 1b is gimballed in a carrier component 13b. In this way, the receptacle 14b also aligned vertically in the case of inclination positions of the groundworking vehicle with gravitational influence, so that the horizontality of the transmitted beams 5b is maintained. The carrier component 13b comprises a first holder 13b, in which the receptacle 14b is rotatably mounted about a first axis and a second holder 13b, in which the first holder 13b is rotatably mounted about a second axis.
The second bracket 13b is attached via screws 17 and damping elements 18 to a platform 20 of the tillage vehicle.
In the subfigures 5A to 5D, an embodiment of a positioning system 1c according to the invention is shown in different views, wherein Fig. 5A shows a plan view of the positioning system 1c, Fig. 5B shows a cross section along the section line AA of Fig. 5A, Fig. 5C is a side view of the positioning system 1c and Fig. 5D is a cross section along the section line BB of Fig. 5C. The figures will be described in the following.
The illustrated positioning system 1c has a receptacle 14c, which is composed of a receiving body with a cylindrical hollow body 14c and a rotary member 15c. The rotation element 15c is designed as a mirror holder for a mirror 9c as deflection means and rotatably supported by a ball bearing 25 on the cylindrical hollow body 14c. The rotation element 15c has an outer toothing 26 and is rotated via a pinion 27 which is driven by an electric motor 28. On the cylindrical hollow body 14c is further - on a flange of the hollow body 14c - a sensor 24 is arranged, which picks up reference signals with respect to the rotational movement.
In the receiving body, a transmitter 4c and a receiver 6c of the positioning system 1c are arranged. The transmitter 4c comprises a laser diode and a collimating optics, the receiver 6c a photodiode and a receiving optics. Transmission beams emitted by the transmitter 4c pass through the cylindrical hollow body 14c to the mirror 9c, where they are reflected. The transmitted beams reflected from reference objects again strike the mirror 9c and are reflected as receive beams to the receiver 6c. The transmit and receive beams are not shown. Transmitter 4c, receiver 6c and mirror 9c are arranged here such that the beam path of the transmission beams and the beam path of the reception beams are substantially parallel.
For this purpose, the transmitter 4c and the receiver 6c are arranged as close to each other as possible, so that the transmit and receive beams are steerable over the same surface of the mirror 9c and without additional optical elements, which allows the formation of a less complex and compact system for distance measurement.
The laser and photodiode of the positioning system are mounted on a printed circuit board 29, which further includes a microprocessor as a data processing unit. Transmitter 4c, receiver 6c and microprocessor form a rangefinder 12c. The microprocessor is additionally implemented as a calculation and control unit for calculating the position of the positioning system 1c or the tillage vehicle for which the positioning system 1c is used, and for deriving control instructions for the vehicle. Alternatively, an interface for communication with a computing and control unit could be formed on the rangefinder 12c and the computing and control unit be arranged outside the receptacle 14c.
The receptacle 14c of the positioning system 1c is arranged like a pendulum on a support component 13c of the system. The carrier component 13c comprises a first gimbal 13c and a second gimbal 13c, via which gimbals 13c and 13c the receptacle 14c is gimballed so that it vertically aligns under the action of gravity. Of course, with the orientation of the receptacle 14c, a corresponding alignment of all components arranged on or on the receptacle 14c, such as e.g. the rangefinder 12c and the mirror 9c.
In FIGS. 6A to 6C, a positioning system according to the invention for various soil tillage vehicles is shown. The representations of the figures are not to be considered as true to scale.
Fig. 6A shows in plan view a marking cart 2d as a tilling vehicle for generating ground-based markings 31 on a ground - e.g. on a sports field. On the ground cylindrical reflector rods 3g are placed as reference objects. These are scanned on the basis of the transmitted beams 5d of the positioning system 1d arranged on the marking trolley 2d. The transmission beams are transmitted in a horizontal, rotating emission direction so that they span a horizontal beam plane 30.
The tillage vehicle of Fig. 6B illustrates a slipform paver 2e in forming a coating layer 32 along a predetermined path. Along the path, reflector rods 3h are arranged as reference objects. The reflector rods 3h may be arranged, for example, each 30 m apart. On the driver's cab of the slipform paver 2e, a positioning system 1e according to the invention is mounted. The positioning system emits radiation and continuously scans the environment for the reference objects based on the rotation of the radiation about a vertical axis 10e. By means of the radiation emitted and received by the positioning system, the distances to the reference objects and from this the position of the slipform paver 2e relative to these are determined.
If the reflector rods 3h are in a coordinate system - e.g. of the terrain - the absolute position of the paver can be determined and controlled accordingly. Alternatively, the predetermined path relative to the reflector rods 3h set, respectively, the reflector rods 3h are positioned accordingly, and the paver be controlled relative to the reflector rods 3h.
FIG. 6C shows an excavator 2f as a ground-handling vehicle with a positioning system 1f according to the invention. The positioning system 1f is - just as in the preceding Figs. 6A and 6B- sketched only by a housing, which does not exclude, however, that e.g. the computing and control component of the positioning system 1f is arranged in the driver's cab and is in communication with the receiver or a data processing unit of the positioning system 1f via cable or radio. Four reflector rods 3i are positioned on the terrain T2 to be processed. The positioning system 1f continuously scans the surroundings around a vertical axis 10f by means of laser radiation.
From the detected reflector rods 3i, the relative position of the excavator 2f and control instructions with respect to its positioning are derived in the computing and control component.