DE1473931A1 - Einrichtung zur fortwaehrenden Ermittlung der Istlage eines beweglichen Geraetes in einem Bezugskoordinatensystem - Google Patents

Description

.•Ing. H. FMTRnHESUCH P 18 3

Dipl. Ji ■ ' j. :c ',] ■! AHN T-Bohr-S teuerung

München,den 12.10.1965

CONTRAVES AG., ZUERICH (SCHWEIZ)

Schaffhauser Str. 580

Patentanmeldung

Einrichtung zur fortwährenden Ermittlung der Istlage eines beweglichen Gerätes in einem Bezugskoordinatensystem.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Einrichtung zur fortwährenden Ermittlung der Istlage eines beweglichen Gerätes in einem dreiachsigen Bezugskoordinatensystem, dessen Längsachse annähernd in einer vorgegebenen Hauptbewegungsrichtung des Gerätes liegt. Das Problem zur Ermittlung der Istlage eines beweglichen Gerätes ist beispielsweise bei der Fernlenkung einer Lenkrakete längs einer Leitachse zu lösen, und es sind auch Mittel zur

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* .lösung dieser Aufgabe bekannt. So können z.B. Lenkraketen so ausgerüstet werden, dass sie sich selbst in einem Radarstrahl zu orten und servomotorisch in den' Radarstrahl hineinzulenken vermögen.

Anderseits sind zur Verwendung an einer Leitstelle am Boden, in einem Flugzeug oder in einem Schiff Vermessungseinrichtungen bekannt, mit deren. Hilfe es möglich ist, die momentane Istlage einer zu lenkenden Rakete oder auch eines bemannten Flugzeuges in Bezug auf eine Leitstrahlachse bezw. vorbestimmter Gleitbahnen zu vermessen und dem georteten Gerät entweder die ermittelten Lagefehler zur Selbst-Kurskorrektur oder direkt die geeigneten Kurskorrektur-Kommandosignale zu übermitteln. Dabei können ausser Radar- und Funksignal-Bündeln auch Lichtbündel, im Sonderfall der Waffenlenkung nach einer Zieldeckungsbahn auch die optische Visiergerade zum Ziel als Leitstrahlachse dienen. Diese bekannten Systeme sind aber beispielsweise ganz und gar ungeeignet, um die momentane Istlage einer Tunnelbohrmasehine oder auch eines andern Bodenbearbeitungsgerätes fortwährend zu vermessen und gegebenfalls mit programmierten Sollwerten zu vergleichen und aus dem Vergleich der Sollwertkomponenten mit den ermittelten Istwertkomponenten die erforderlichen Verstellungen des Gerätes abzuleiten. So sind, infolge der unvermeidlichen Reflexionen, in einem !Tunnel und längs der Erdoberfläche weder Radar- noch Funksignalbündel brauchbar.

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Gemäss vorliegender Erfindung ist eine Einrichtung zur fortwährenden Ermittlung der Istlage eines beweglichen Gerätes in einem dreiachsigen Bezugskoordinatensystem, dessen Längsachse annähernd in einer vorgegebenen Hauptbewegungsrichtung des Gerätes liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Längs-Koordinatenachse durch ein extrem enges Lichtbündel apparativ erfühlbar ist und dass am beweglichen Gerät ein Sensor für das Lichtbündel servomotorisch in zwei Querkoordinatenrichtungen verstellbar angebaut ist, die zwangsläufig stets mindestens angenähert parallel zu den Querachsen des Bezugskoordinatensystems orientiert bleiben oder unter bekanntem Winkel dazu verdreht sind, und dass der Sensor derart ausgebildet und derart mit den servomotorischen Verstellantrieben zusammenwirkt, dass sein Zentrum dauernd · annähernd in der Lichtbündelachse gehalten wird.

Auf diese Weise ist es möglich, den Sensor beispielsweise über das Arbeitsprofil des Gerätes hinaus in ein dort vorhandenes Lichtbündel hinein zu verstellen und aus den dazu notwendigen Verschiebungsstrecken des Sensorzentrums gegenüber einem gerätefesten Fixpunkt die momentanen Ablagekomponenten des Gerätes von der Lichtstrahlachse zu ermitteln. Ausserdem ist eine derartige "Nulleinstellungsmethode" geeignet, die gemessenen Lagekoordinaten praktisch fehlerfrei zu liefern, ohne dass dazu der Sensor ein linear mit der Ablage des Lichtbündels aus dem Sensorzentrum anwachsendes Fehlersignal zu liefern hätte. Es ist vor allem zu beachten, dass durch

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die Erfindung nicht gefordert wird, dass sich das Gerät stets genau längs oder sogar in der Lichtbündelachse "befinden und bewegen müsse. Vielmehr lässt es die erfindungsgemässe Einrichtung zu, den gerätefesten Bezugspunkt für die Sensorlage links oder rechts, über oder unter der Lichtstrahlachse zu halten, in dem Masse, wie die möglichen Bewegungswege der servomotorischen Sensor-Verstellantriebe dies zulassen.

Wie nachstehend anhand der Zeichnung noch erläutert wird, " kann die erfindungsgemässe Einrichtung durch zusätzliche Massnahmen noch so ausgebaut werden, dass nicht nur die momentane Lage, sondern auch die momentane Orientierung des Gerätes jederzeit ermittelt und mit programmatisch vorgegebenen Sollwerten verglichen werden kann.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt in Form eines geometrischen

Schaubildes ein'beispielsweises Realisierungsprinzip der Erfindung.

' Fig. 2 zeigt schematisch im Grundriss, der aber ebenso gut als Aufriss betrachtet werden kann, eine beispielsweise Anwendung einer erfindungsgemässen Einrichtung,

Fig. 3 zeigt die Ansicht einer rotierenden Sensorblende, wie sie in einem Sensor verwendet werden kann, wie er beispielsweise in

Fig. 4 halbschematisch dargestellt ist in Verbindung mit dem Lichtbündel, den servomotorischen Verstellantrieben und der elektronischen Auswerteschaltung. 9 098^3/0120

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zur Gewinnung der Steuersignale für die Servomotoren.

Fig. 5 stellt ein Zeit- bezw. Winkeldiagramm für die Referenzsignale und den Fotozellenstrom i für verschiedene Relativlagen der Lichtbündelachse zum Zentrum der Sensorblende dar. Weiterhin zeigen:

Fig. 6: ein Schaltschema zur Erzeugung der Steuerspannungen für die Servomotoren, d.h. für den in Fig. 4 mit D bezeichneten Block, ·

Fig. 7: ein Prinzipschema für die Auswertung und fur den

Vergleich der servomotorisch ermittelten Ablage- «

komponenten der gerätefesten Bezugspunkte von der Lichtachse mit vorgegebenen entsprechenden Werten.

Fig. 8: ein Beispiel eines Armaturenbrettes im Führerstand einer Tunnelbohrmaschine, die mit einer erfindungsgemässen Lageermittlungseinrichtung ausgerüstet ist.

In Fig. 1 ist ein Balken G sichtbar, der einen festen Bau-Teil eines Arbeitsgerätes, z.B. einer Tunnelbohrmaschine bilden mag. Zwei ausgezeichnete Eckpunkte (L und O2 dieses Balkens G bilden die Ursprünge je eines gerätefesten Bezugskoordinatensystems JZ. π L· bezw. -Ξ-^Η,Ζ, wobei die beiden Koordinatensysteme zwangsläufig zur Parallelität und zur festen Distanzierung in der gemeinsamen Z-Achse auf einen bekannten Distanzwert l_z starr verbunden sind. Es ist vorgesehen, dass die

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Koordinatensysteme ^. |-f j£ und JL- W Z. entweder dauernd ao orientiert werden, dass sie praktisch genau mit den ebenfalls eingezeichneten Koordinatensystemen X. , Y., Z bezw. Xp Yp Z in Deckung sind, in welchen die Lage der Y-Achsen durch das Lot in den Ursprüngen definiert ist oder dass die Verdrehung JP der beiden Systeme stets bekannt ist. Mit A ist die räumlich definierte Zentralachse eines extrem engen Lichtbündels bezeichnet, zu welcher die Z-Achse des Gerätes, also dessen Hauptachse und Hauptbewegungsrichtung, einigermassen, aber nicht genau, gleichgerichtet' sei.

Die momentane Lage und Orientierung des Gerätes, d.h. die ' Lage der Balkenpunkte (L , O₂ und die Orientierung der 'Geräteachse 0, Op kann durch fortwährende Ermittlung der Schnittpunkte SO₁ SOp der Ebenen ~ W bezw. ~ M mit der Achse A des Lichtbündels, bezw. der Koordinatenwertpaare

und t_% Of^ dieser Schnittpunkte genau definiert werden. Voraussetzung zur technischen Realisierung dieses Prinzipes ist es, dass am Gerät G d.h. am Balken, der in Fig. 1 gezeichnet ist, Sensoren S. , Sp befestigt und je in zugeordneten gerätefesten Quer-Koordinatenrichtungen -· ü bezw.J-Jj₁ W verschiebbar sind und dass es möglich ist, zu erfühlen, ob die Zentren SO. , SO₂ der beiden Sensoren genau in der Lichtbündelachse A liegen. Unter diesen Umständen definieren die Koordinatenpaare f f Vj bezw. Ij₁ Tt_x genau die Positionen der Sensorzentren SO., SO₂ gegenüber dem Balken

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G, d.h. dem Gerät. Sofern weiterhin noch der Winkel !? jederzeit bekannt ist, um welchen die gerätefesten Koordinatensysteme

■ -»_ IJ bezw. _— _t W gegenüber den räumlich festen, d.h. z.B. auf das Lot bezogenen Koordinatensystemen X. Y. bezw. X₂ Yp verdreht ist, lassen sich die Lagen der beiden gerätefesten Punkte O₁ und 0_? in einem räumlich festen Koordinatensystem, gegeben durch die Lichtbündelachse A als Z-Achse und die horizontalen bezw. vertikalen Richtungen X,Y nach folgenden Beziehungen genau definieren:

x= V cos y - M sin Jf y = t sin !f + Tf cos Jf

Aus den so errechneten Wertepaaren x. y.. und x„ y_? lassen sich gemäss nachfolgender Beziehung die Komponenten \ , eC des Winkels zwischen der Achse Z, d.h. der Geraden 0-j 0„ und der Lichtbündelachse A in der YZ- bezw. XZ-Ebene errechnen. * ^y2~^y1

tg

XpX] Ig

tgeC = -η = k(x,-X, )

Unter der Voraussetzung, dass die vier Sollwerte X2s» ^y2s tgoL , tg 1 , welche die Lage des einen Bezugspunktes Op und die beiden Richtungswinkel oC ^ definieren, bekannt sind, lassen sich jeweils -durch Vergleich jedes Istwertes mit dem zugehörigen Sollwert die Lage-bezw. Orientierungsfehler f_x, fy, f^, f^ ermitteln, die einer servomotorischen Korrektur der betreffenden Istwerte oder einer Handkorrektur durch eine

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Bedienungsperson zugrunde liegen können.

Gemäss Fig. 2, die den Grundriss eines zu bohrenden Stollens oder Tunnels zeigt, ist eine Tunnelbohrmaschine G- schematisch dargestellt, für deren momentane Lage der Punkt.O₂ vorn und für dessen Orientierung der Punkt 0- bezw. der Richtungswinkel

et massgebend ist. Sofern die Fig. 2 als Aufriss betrachtet würde, wäre an Stelle des Horizont-Winkels oL· der Höhenrichtwinkel λ wie in Fig. 1 einzutragen. Die räumliche Lage des Bezugssystems, auf welches die für jede Lage des Maschinenpunktes Op längs der Tunnel-Mittelachse voraus berechenbaren Soll-Quadrupel

^X2s' ^y2s' ^tgCpCs' ^Λ bezogen sind,

wird an einer Stelle LS am Ende des gebohrten Tunnelabschnittes eine Vorrichtung, z.B. ein Laser, zur Erzeugung eines extrem engen Lichtbündels, vorzugsweise unter dem Tunnelscheitel fest montiert und so gerichtet, dass der erzeugte Lichtstrahl A über eine längere Tunnelstrecke als Bezugslinie brauchbar ist. Die Sollwertquadrupel für die Bestimmung der Lage und Orientierung der Bohrmaschine G- werden in Bezug auf die dadurch gegebene Leitgerade A für jede Distanz von der Lichtbündelquelle LS ermittelt und beispielsweise dem Bohrmaschinenführer in tabellarischer Form übergeben. Dieser kann, wie später anhand von Fig. 8 erläutert werden wird, an seinem Instrumentarium jederzeit die Lagefehlerkomponenten f_x f und die Orientierungsfehler f^ f* ablesen und entsprechende Mass-

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nahmen zur Verminderung dieser Fehler treffen. Es ist leicht ersichtlich, dass auf diese Weise die Bohrmaschine dauernd im Arbeitsbetrieb gehalten werden kann, solange die Lage des Lichtbündels A noch passt und dessen Intensität noch ausreicht. Im allgemeinen wird das bei Stollenbauten etwa für eine Bohrstrecke von ca. 100 m, also mindestens für mehrere Arbeitstage ausreichen. Demgegenüber war es mit den bisher verfügbaren Einrichtungen notwendig, spätestens nach wenigen Stunden eine langwierige und teure theodolithische Vermessung von Lage und Orientierung der Bohrmaschine vorzunehmen.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 3,4,5 und 6 werden die Ausbildung und Wirkungsweise der Sensoren, die servomotorischen Verstellantriebe für die Sensoren sowie die zugehörigen Schaltungsmittel besprochen.

4 Auf dem Arbeitsgerät G (siehe Fig. 2) sind zwei Trägerplatten 1, und 1 ρ in vorbestimmter Orientierung und in vorbestimmter Distanz 1 fest montiert. Jede dieser Platten bildet den Träger eines Sensors und von dessen servomotorischen Verstellantrieben. Auf Schlitten-Führungen 10 dieser Grund-Platten sind Zwischenplatten 2p bezw. 2, in Richtung quer zur Papierebene, d.h. in der Koordinatenachse jz* verschiebbar. Zu diesem Zweck sei an der Grundplatte 1 ein Servomotor SM befestigt, dessen Abtriebszahnrad 11 in eine Zahnstange 21 an der Unterseite der Zwischenplatte 2 eingreift. In Führungen 22 der Zwischenplatte 2 ist ein Sensorgehäuse 3

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•in der vertikalen Richtung \^ verschiebbar, zu welchem Zweck an der Zwischenplatte 2 ebenfalls ein Servomotor SM befestigt ist, dessen Abtriebszahnrad 23 in eine Zahnstange am Sensorgehäuse 3 eingreift.

Im Sensorgehäuse 32 i⁸^ eine Bildoptik 30 montiert, deren optische Achse mit a2 bezeichnet ist. In gleicher Weise ist in dem nur teilweise gezeichneten Sensorgehäuse 3₁ der Grundplatte I₁ die optische Achse mit &y bezeichnet.

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Ueber der Bildoptik 30 ist, um die optische Achse drehbar, eine Blendenscheibe 31 gelagert, die in Fig. 3 in Ansicht von oben gezeigt ist, Sie wird von einem im Sensorgehäuse 3 fest montierten Synchronmotor 34 über ein Zahnrad 35 angetrieben. Die Blendenscheibe 31 enthält einen offenen 90°- Sektor 310 und trägt zwei zueinander um 90° verstellte Randumfangsstreifen 31_χ 31 > die sich je über 180 Bogengrade erstrecken. . Eine Lampe 36 wirkt mit zwei Fotozellen 36_χ, 36y derart ' zusammen, dass diese Fotozellen bei der Drehung der Blendenscheibe elektrische Referenzsignale r_x bezw. r_v erzeugen, deren zeitlicher Verlauf in Abhängigkeit von den in Fig. 3 eingetragenen Winkelstellungen in Fig. 5 eingezeichnet ist. Ueber der Blendenscheibe 31 ist, unter 45° geneigt, ein Spiegel 37 eingebaut, der dazu bestimmt ist, das Lichtbündel A in Richtung der optischen Achse a^ des Sensors umzulenken. Das vorgelagerte Sensorgehäuse 3-| ist mit einem halbdurchlässigen Spiegel 37^ ausgerüstet, sodass dort nur ein Teil dee Lichtes abgelenkt wird.

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Das nach unten gespiegelte Lichtbündel wird von der Sensoroptik 30 auf die Fotozelle 38 gesammelt, in welcher ein Fotostrom i erzeugt wird. Für vier mögliche Lagen des Bündelzentrums A·*, A2, A^ , A in Bezug auf die Scheibe 31 sind die entsprechenden Zeitdiagramme der Fotoströme i-^, ip, 1, , i am Ausgang der Fotozelle 38 in Fig. 5 dargestellt. Man sieht daraus, dass bei zentraler Lage des Lichtbündels A in der Sektorblende 31 der Fotostrom i_Q unverändert bleibt und bei der dargestellten Verschiebung des Lichtbündels in der Richtung „Ξ. aus dem Blendenzentrum schrittweise in die Form i, übergeht. Eine Verschiebung des Lichtbündels A in der ^-Richtung ergäbe dieselben Stromdiagramme, aber mit 90° Phasenverschiebung. Es ist aus Fig. 5 leicht ersichtlich, dass der zeitliche Mittelwert i des Fotostromes i in allen Legen unverändert bleibt. Gemäss Fig. 4 wird der gebildete Fotostrom i in einem Regelverstärker RV in bekannter Weise auf konstanten Pegel verstärkt und anschliessend in einem Diskriminator D, der in Fig. 6 dargestellt ist zur Bildung der (Jleichspannungs-Signale Δ % und Δ V ausgewertet. Dieser Diskriminator D umfasst gemäss Fig. 6 einen Eingangsübertrager Ue, Dioden Di,Transistorpaare Ty^ , Typ bezw. Tx-j , TX2 sowie gegengekoppelte Endverstärker EV und Widerstände, bezw. Kapazitäten C in einer leichtverständlichen und an sich bekannten Schaltung. Diese Signale werden gemäss Fig.-'4 in Verstärkern Kw bezw. K verstärkt und als Steuer-

Kw bezw. K

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spannungen Uy. , Us den genannten Servomotoren SM zugeführt, sodass diese das Sensorgehäuse 3 so bewegen, dass das Zentrum Blendenscheibe 31 stets auf das Zentrum des Lichtbündels A
wandert. Es ist in Fig. 4 auch gezeigt, wie durch Umstellung vom Umschaltkontakten UK auch eine Handverstellung der
Sensorachse a₂ in eine vorgewollte Position erreicht werden kann. Es sei hier noch bemerkt, dass mit Vorteil ein Licht_k bündel A verwendet wird, das mit einer Frequenz von beispielsweise 1000 Hz gechoppt wird, weil auf diese Weise Streulicht 'keinen Einfluss ausübt und zur Auswertung Wechselstromschaltungen verwendbar sind.
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In Fig. 7 ist dargestellt, wie die sich servomotorisch
einstellenden, jeweiligen Drehstellungen der beiden Servomotorwellen SM in beiden Sensoren mittels mechanischelektrischen Wandlern Wa in elektrische Wechselstrom-Signale umgewandelt werden können, die mit Hilfe bekannter Sinus-' Xosinusrechner KT oder Resolvern, deren gemeinsame Verstellwelle Wyp in Funktion des früher definierten Winkels Zf
verdreht wird. Beispielsweise kann ein Pendel P zur Einstellung der Welle W₁^ auf den Neigungswinkel Jf verwendet
werden. So entstehen an den Ausgängen der Resolver KT die
Istwertpaare x-t/y-j bezw. Xp^Vp.

Ein induktives Pick-off Qy bekannter Bau- und Wirkungsweise, dessen Rotor von der Welle t/g verdreht wird, kann zur
Fernanzeige des momentanen Wertes des Neigungswinkels ^f

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der Bohrmaschine gegen die Horizontale X verwendet werden. Von Einstellwellen Ws aus können jederzeit die momentan gültigen Sollwertquadrupel x_2s, y₂ , tgoU, tg A, eingestellt werden, die in Wandlern Wa in entsprechende Wechselstromsignale •umgewandelt werden. Unter Verwendung von Differentialübertragern DU und Demodulatoren DEM lassen sich in der Schaltung nach Fig. 7 die momentanen Einstell- bezw. Orientierungsfehler λ

^fx ^{= X}2"^X2_S; ^fy ⁼ ^2

f^ = Ic(X₂-X₁) - tgoC; f^ = g^

als fernanzeigbare G-Ie ichs tr oms ignale ermitteln.

Endlich zeigt noch Fig. 8 ein Beispiel eines Instrumentenbrettes im Ueberwachungsraum der Bohrmaschine.

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Claims (6)

1. 931

   Patentansprüche

   l) Einrichtung zur fortwährenden Ermittlung der Istlage eines beweglichen Gerätes in einem dreiachsigen Bezugs-Koordinatensystem, dessen Längsachse annähernd in einer vorgegebenen Hauptbewegungsrichtung des Gerätes liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Längs-Koordinatenachse durch ein extrem enges Lichtbündel (A) apparativ erfühlbar ist, und dass am beweglichen Gerät (G) ein Sensor (S) für das Lichtbündel servomotorisch in zwei Quer-Xoordinatenrichtungen ( jEI » H ) verstellbar angebaut ist, die zwangsläufig stets mindestens angenähert parallel zu den Querachsen des Bezugs-Koordinatensystems orientiert bleiben oder unter bekanntem Winkel (!f ) dazu verdreht sind, und dass der Sensor derart ausgebildet ist und mit seinen servomotorischen Verstellantrieben (SM) zusammenwirkt, dass sein Zentrum dauernd annähernd in der Lichtbündelachse gehalten wird.
2. 2) Einrichtung nach Patentanspruch 1, bei welcher als eine Querachse des Bezugskoordinatensystems stets das Lot durch jeden Punkt der Längsachse gilt, dadurch gekennzeichnet, dass am Gerät eine Vorrichtung (Q) zur Ermittlung der jeweiligen Abweichung (*f) der entsprechenden Sensorverschiebungsrichtung von der Lotrichtung angeordnet ist.

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3. 3) Einrichtung nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennze ichnet, dass am Gerät ein zweiter Sensor (Sp) mit zugeordnetem Verschiebungsmechanismus in vorbestimmter Distanz (l_z) und parallel dazu angeordnet ist, welcher dazu bestimmt und ausgebildet ist, die Ist-Koordinaten eines zweiten Fixpunktes am Gerät in demselben Koordinatensystem und damit die Ist-Komponenten einer Geräterichtung zu erzeugen.
4. 4) Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine motorisch zur Rotation um die optische Achse (a~) eines Abbildungssystems (30) angetriebene Blende (31) mit einem offenen Sektor (310) sowie in der Bildebene des Abbildungssystems eine Fotozelle (38) umfasst, aus deren

   •in Abhängigkeit von der Relativlage der optischen Systemachse (a_?) zur Lichtbündelachse (A) moduliertem ?otostrom (i) unter Benützung von nur von der Blendenrotation ab- · hängigen Referenz-Signalen (r , r_v) in einer Fehlerdetektor-Schaltung zwei Fehlerspannungen (^f ,ΔΊρ) zur Steuerung der beiden Servomotorantriebe (SI·'.) gewonnen werden, die zur servomotorischen Verstellung der optischen Systemachse in das Lichtbündel (A) dienen.
5. 5) Einrichtung naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensoren (S-j , S2) je einen Umlenkspiegel (37) zum Eingreifen in das Licht-

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   bündel (A) umfassen und dass dem ersten, der Lichtquelle näheren Sensor (S^ ) ein halbdurchlässiger Spiegel (37-j ) zugeordnet ist.
6. 6) Einrichtung nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennze ichne t , dass das Gerät Mittel zur Eingabe der Soll-Lage (x„, y_) und Soll-Orientierung (^SoC_si ^sAc ) ⁱⁿ programmierter Abhängigkeit von. der momentanen Distanz von der Lichtbündelquelle und zur Ermittlung bestehender Lage- und Orientierungsfehler (f_x, f_yf f^ , f^ ) umfasst.

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