DE4133392C1

DE4133392C1 - Determining progress of mining material spreader - receiving signals from at least four satellites at end of tipping arm and at vehicle base and calculating actual geodetic positions and height of material tip

Info

Publication number: DE4133392C1
Application number: DE19914133392
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 5042 Erftstadt De Schaefer; Herbert Dr. 5000 Koeln De Krauss; Jochen Dipl.-Ing. 5020 Frechen De Kittlaus
Original assignee: Rheinbraun AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1991-10-09
Filing date: 1991-10-09
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2011-10-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Absetzer nach dem jeweiligen Oberbegriff der Ansprüche 1 und 10. Der Absetzer weist unter anderem eine ortsbewegliche, beispielsweise auf einem Raupenfahr werk verfahrbare Tragkonstruktion auf, an welcher ein Ausleger be weglich, d. h. schwenkbar in horizontaler und vertikaler Richtung, angebracht ist. Über den Ausleger läuft ein Förderband, mit wel chem der Abraum zum Abwurfende des Auslegers transportiert wird, von dem aus der Abraum auf der Abraumkippe verstürzt wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannte Art werden beispw. aus der Schrift bulk solids handling, Vol. 8, 1988, N. 3, Seiten 329ff als bekannt vorausgesetzt.

In einer älteren Patentanmeldung hat die Anmelderin ein ähnliches "Verfahren zum Bestimmen des Abbaufortschrittes mittels Satelli ten-Geodäsie" zum Patent angemeldet (Az.: P 40 11 316.7-35 vom 07.04.90). Bei diesem älteren Verfahren werden die Position und die Ausrichtung der Gewinnungseinrichtung eines ortsbeweglichen Groß-Gewinnungsgerätes, insbesondere des Schaufelrades seines Schaufelradbaggers, mittels Satelliten-Geodäsie unter Verwendung eines Empfängers in der Nähe des Schaufelrades und eines weiteren Empfängers an einer anderen Stelle des Groß-Gewinnungsgerätes be stimmt. Das ältere Verfahren geht von der Überlegung aus, daß dort, wo sich das Schaufelrad innerhalb des Abbaufeldes befindet, kein Material vorhanden sein kann. Es gilt daher, die Position des Schaufelrades innerhalb des Abbaufeldes genau zu ermitteln um festzustellen, welche Mengen an Material, beispielsweise Abraum oder Mineral, insbesondere Kohle, gefördert wurden.

Auch im Falle der vorliegenden Erfindung handelt es sich um die Steuerung eines Großgerätes nämlich eines Absetzers, der innerhalb eines Tagebaus mit dem Groß-Gewinnungsgerät, nämlich dem Schaufel radbagger zusammenwirkt. Der vom Schaufelradbagger gewonnene Ab raum wird über Bandanlagen zum Absetzer gefördert und von dem Ab setzer auf der Abraumkippe verstürzt. Dabei kann es sich sowohl um eine Innenkippe handeln, d. h. um eine Abraumkippe wo der Abraum innerhalb der Grube verstürzt wird, welche zur Gewinnung des Mine rals zuvor ausgebaggert wurde. Es kann sich aber auch um eine Außenkippe handeln, wo der Abraum außerhalb der Grube verstürzt wird, aus welcher er zuvor zusammen mit dem Mineral gewonnen wurde. Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf beide Arten von Abraumkippen, auf denen der Abraum abgelagert wird.

Im Gegensatz zur Feststellung der Position des Schaufelrades eines Gewinnungsgerätes entsprechend der älteren Anmeldung liegen bei der Verkippung von Abraum auf einer Abraumkippe mit Hilfe eines Absetzers unterschiedliche Verhältnisse vor. Hier reicht es nicht aus, eine analoge Aussage zu treffen, daß dort, wo sich das Ab wurfende des Auslegers des Absetzers befindet, auch Abraum vorhan den sein muß. Vielmehr muß das Vorhandensein von Abraum auch tat sächlich, d. h. meßtechnisch festgestellt werden.

Es ist daher Aufgabe für die vorliegende Erfindung, ein Verfahren und einen Absetzer zum Bestimmen des Verkippungsfortschritts und der auf der Abraumkippe verkippten Massen der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe das Verkippungsgeschehen zeitnah erfaßt werden kann, damit Daten der Abraumkippe hinreichend genau bestimmt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß in den Ansprüchen 1 und 10 angegeben. Dazu wird mit Hilfe der Satelliten- Geodäsie die genaue Lage des Abwurfendes des Absetzers innerhalb der Abraumkippe bestimmt. Weiterhin wird durch berührungslose Entfernungsmessung mit Hilfe von Laser-Scannern die jeweilige Entfernung zwischen dem Abwurfende und der Abraumkippe festgestellt, so daß darüber eine Aussage möglich wird, ob und wenn ja, wieviel Abraum unterhalb des Abwurfendes des Absetzers verkippt wurde.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zur Bestimmung der geometrischen Position, d. h. der Lagekoordinaten und Höhen eines Punktes mittels Satelliten-Geodäsie sind grundsätzlich mindestens vier Satelliten erforderlich, deren ausgesendete Signale von einem Empfänger, der dem zu bestimmenden Punkt entspricht, gleichzeitig empfangen werden können. Die Koordinaten des zu bestimmenden Punktes werden dabei in der Weise ermittelt, daß jeweils die Entfernung von diesem Punkt zu drei Satelliten bestimmt wird, wobei zur Bestimmung der Entfernung die Laufzeit, d. h. die Zeitdifferenz zwischen Ankunfts- und Aussende zeit, der Sendesignale herangezogen wird. Da aber die Satelliten einerseits und der Empfänger andererseits unterschiedliche Zeit meßsysteme aufweisen, ist der vierte Satellit zur Angleichung der Zeitmeßsysteme und somit zur Bestimmung der Bezugszeit notwendig. Damit ist gewährleistet, daß die tatsächlichen Laufzeiten der Sig nale ermittelt werden können. Da die jeweiligen Koordinaten der Satelliten bekannt sind, können aus den jeweiligen Entfernungen und der Zeitangleichung zum Empfänger dessen Koordinaten eindeutig bestimmt werden.

Zur Satelliten-Geodäsie ist beispielsweise das im Aufbau befind liche Global-Positioning-System (GPS) der USA geeignet. Bei diesem System sind mindestens 21 Navigationssatelliten geplant, die die Erde umkreisend so angeordnet sind, daß von jeder Stelle der Erde zu jeder Zeit mindestens vier Satelliten gleichzeitig anpeilbar sind.

Bei einer Koordinatenbestimmung mittels Satelliten-Geodäsie er reicht man bei einer absoluten Positionsmessung, d. h., wenn die Koordinaten eines Punktes direkt aus den gemessenen Entfernungen ermittelt werden, derzeit eine Genauigkeit von etwa ± 10 m. Diese Abweichung ist insbesondere dadurch begründet, daß die Sendesigna le in Form von elektromagnetischen Wellen auf ihrem Weg zur Erde unterschiedliche Medien durchlaufen müsen, die die Wellen unter schiedlich durch Brechung ablenken und deren Laufzeit unterschied lich beeinflussen. Es ist daher zweckmäßig, einen weiteren Empfän ger vorzusehen, der in der Nähe des zu bestimmenden Punktes ange ordnet ist und dessen Koordinaten bekannt sind. Durch das soge nannte Differentialmeßverfahren können dann die nicht vorausseh baren und nicht berechenbaren Einflüsse der unterschiedlichen Medien auf die Wellenausbreitung eliminiert werden, da davon aus zugehen ist, daß die Signale zu den jeweiligen Empfängern in etwa die gleichen Wege durchlaufen. Bei dieser Meßmethode kann derzeit eine Genauigkeit von ca. ± 0,01 m erreicht werden. Dazu wird auf WO 87/06 713 verwiesen, auf deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich Bezug genommen wird.

Die Zeitabstände zwischen zwei Koordinatenbestimmungen mittels Satelliten-Geodäsie hängen unter anderem ab von der Rechenge schwindigkeit des Rechners, der die empfangenen Signale auswertet. Je nach Rechenleistung können die Meßintervalle beispielsweise nur eine Sekunde betragen. Diese kurze Ermittlungszeit der Koordinaten ermöglicht eine nahezu kontinuierliche Erfassung der Positionen von beweglichen Geräten.

Die Möglichkeit der relativ genauen Koordinatenbestimmung bei kur zen Meßintervallen mittels Satelliten-Geodäsie soll gemäß der Er findung zur Bestimmung der Koordinaten der Verkippungseinrichtung eines ortsbeweglichen Groß-Verkippungsgerätes verfügbar gemacht werden. Dabei handelt es sich insbesondere um die Position des Abwurfendes eines im Tagebau eingesetzten Absetzers. Das die Ver kippungseinrichtung darstellende Abwurfende wird von einem Ausle ger getragen. Dieser Ausleger ist im allgemeinen in senkrechter und horizontaler Ebene schwenkbar an der ortsbeweglichen Tragkon struktion des Absetzers angebracht. Es wird im folgenden überwie gend von einem Absetzer gesprochen, ohne daß damit jedoch eine Einschränkung verbunden sein soll.

Für das Betreiben eines Tagebaus sind die Bilanz der verstürzten Massen sowie die aktuelle Topographie der Abraumkippe von beson derer Bedeutung. Für einen Tagebau wird im allgemeinen ein Modell der Abraumkippe erstellt, welches die Anordnung der einzelnen Schichten der Abraumkippe, deren Mächtigkeiten usw. angibt. Bei diesen Schichten handelt es sich einmal um solche, die das stand feste Material, beispielsweise Tone, Lehme oder dergleichen, ent halten und zum anderen um die Schichten, die aus weniger stand festem Material wie z. B. Sanden und Kiesen bestehen. Anhand die ses Kippenmodells kann durch einen Vergleich zwischen der Aus gangssituation und der aktuellen Topographie festgestellt werden, welche Mengen welcher Materialien wo bereits verstürzt worden sind. D. h., daß durch einen derartigen Vergleich immer die aktu elle Topographie der Abraumkippe wiedergegeben wird. Zur Feststel lung der verstürzten Massen nach Menge, Lage und Beschaffenheit sind bisher manuelle Vermessungsverfahren üblich, so daß wegen des damit verbundenen relativ hohen Zeitaufwandes lediglich alle 14 Tage ein genauer Plan erstellt und das Kippenmodell aktuali siert werden konnte.

Aus der Deutschen Patentanmeldung DE 39 26 223.5 A1, EP 4 12 398 A1 welche die Anmelderin mit zwei weiteren Anmelderinnen gemeinschaft lich getätigt hat, ist ein Verfahren zur Fördervolumenmessung aus der Schnittkontur eines Schaufelradbaggers oder von anderen Tage baugeräten mit Hilfe von Impulslaufzeit-Messungen der Geometrie eines Abbauortes bekannt geworden (Relativ-Verfahren). Die Ermitt lung der Geometrie des Abbauortes erfolgt durch einen in einem vom Tagebaugerät mitgeführten, lageorientierten Meßlaser erzeugten Laserstrahl über Laufzeitmessungen des Laserlichtes, wobei die Laufzeit in einem Rechner ausgewertet wird.

Bei dieser bekannten Anmeldung geht es also bereits um die Ermitt lung der Tagebaugeometrie von Gewinnungsgeräten mit Hilfe von Laser-Scannern. Ein Hinweis darauf, wie diese bekannte Technik in der aufgabengemäßen Weise für das Verstürzen von Abraum angewendet werden kann, ist in der bekannten Patentanmeldung nicht enthalten. Insbesondere fehlt es an jeglichem Hinweis darauf, daß es zur ge nauen Bestimmung des Verkippungsfortschritts auf einer Abraumkippe zwingend erforderlich ist, zuvor die Position des Abwurfendes des Absetzers zu ermitteln, dieser Position die jeweilige Höhe der verstürzten Massen zuzuordnen und das Ganze in ein vorbereitetes Kippenmodell einzuordnen, um zu zuverlässigen Aussagen über den Aufbau und die Gestalt der Abraumkippe zu gelangen (Absolut-Ver fahren).

Mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe auf vorteilhafte Weise gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestal tungen des Verfahrens ergeben sich aus den einzelnen Unteran sprüchen 2 bis 9. In diesem Zusammenhang ist als vorteilhafte Ausführungsform hervorzuheben, daß der erste Empfänger am Abwurf ende des Auslegers angeordnet ist und aus den ermittelten Positio nen die dreidimensionale Lage des Laser-Scanners ermittelt wird.

In den Unteransprüchen 11 bis 14 wird sodann angegeben, nach wel chen Merkmalen ein Absetzer ausgestaltet sein muß, damit man mit seiner Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchführen kann.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigen jeweils in nicht-maßstäblicher und verein fachter Darstellung die

Fig. 1 die Seitenansicht eines Absetzers in einem Tagebau,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Absetzer der Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Abwurfendes des Abset zers innerhalb des Verkippungsmodells,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Verkippungsmodells der Fig. 3 in verkleinertem Maßstab und

Fig. 5 eine Ausführungsform der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Hardware-Komponenten und deren Verknüp fung.

Der in der Fig. 1 dargestellte Absetzer 4 weist einen ortsbeweglichen Teil oder eine Tragkonstruk tion 5 auf, die mit einem Fahrwerk 6 versehen ist, mit dessen Hilfe der Absetzer 4 auf dem Planum 7 der Abraumkippe 8 bewegt werden kann. Die Tragkonstruktion 5 ist gegenüber dem Fahr werk 6 um eine vertikale Achse 9 drehbar. An der Tragkonstruk tion 5 ist ein Ausleger 10 in vertikaler Ebene schwenkbar ange bracht. Vom freien Abwurfende 11 des Auslegers 10 herab wird Ab raum 12 auf der Abraumkippe 8 verstürzt. Der Absetzer 4 befindet sich in einem Tagebau 13 und schüttet dort die Abraumkippe 8 als sogenannte "Innenkippe" auf.

In der Nähe des Abwurfendes 11 ist am Ausleger 10 ein zweiter Em pfänger 1 (GPS-Antenne 1) angeordnet. Auf dem Pylon 14 der Trag konstruktion 5 befindet sich ein erster Empfänger 2 (GPS- Anten ne 2). Ein dritter Empfänger oder Bezugsempfänger 3 befindet sich ortsfest auf dem Dach eines Gebäudes 15, das außerhalb des Tagebaus 13 angeordnet ist (Fig. 1).

Innerhalb der Radiosichtweite der Empfänger 1, 2 und 3 wird die Erde von vier Satelliten 16, 17, 18 und 19 umkreist. Die Satelli ten 16, 17, 18 und 19 bewegen sich beispielsweise jeweils auf Um laufbahnen, die voneinander verschieden sein können. Der Satellit 16 bewegt sich auf der Umlaufbahn 20, der Satellit 17 auf der Umlaufbahn 21, der Satellit 18 auf der Umlaufbahn 22 und schließlich der Satellit 19 auf der Umlaufbahn 23 um die Erde. Die Umlaufbahnen 20, 21, 22 und 23 sowie die geozentrischen Koordina ten der Satelliten 16, 17, 18 und 19 sind zu jederzeit bekannt und werden von den Satelliten 16 bis 19 fortlaufend als Meßsignale ausgesendet.

Wie aus der Fig. 1 weiter erkennbar, stehen die Empfänger 1, 2 und 3 über die Meßstrahlen oder Meßsignale 25, 27, 30, 33 bzw. 26, 29, 32, 34 bzw. 24, 27, 31 und 35 mit jeweils jedem der Satelliten 16, 17, 18 und 19 in Verbindung.

Sobald einer der Satelliten 16 bis 19 außerhalb der Empfangssicht weite eines der Empfänger 1 bis 3 gerät, tritt an seine Stelle ein anderer Satellit des GPS-Systems, welches bis zu einundzwanzig Satelliten umfassen kann. Es ist also dafür Sorge getragen, daß sich stets vier Satelliten innerhalb der Radiosichtweite der Em pfänger 1 bis 3 befinden. Demnach stellt die Fig. 1 einen zeit lichen Ausschnitt aus der Sende-Empfangssituation zwischen den Empfängern 1 bis 3 und den Satelliten 16 bis 19 dar. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß zu jeder beliebigen Zeit ein Empfän ger 1 bis 3 mit vier Satelliten gleichzeitig in Verbindung steht, so daß jederzeit die dreidimensionalen Koordinaten jedes der Em pfänger 1 bis 3 eindeutig bestimmt werden können.

An dem dem Abwurfende 11 abgekehrten Ende weist der Absetzer 4 einen weiteren, mit der Tragkonstruktion 5 verbundenen Ausleger 36 auf. Beide Ausleger 10 und 36 sind mit Förderbändern (nicht ge zeigt) versehen, über die die von einem Schaufelradbagger (nicht gezeigt) im Tagebau 13 an anderer Stelle gewonnenen Abraummassen dem Absetzer 4 zugeführt werden, um schließlich über das Abwurf ende 11 des Auslegers 10 auf der Abraumkippe 8 verstürzt zu wer den.

Der am vorderen Abschnitt des Auslegers 10 in der Nähe des Abwurf endes 11 angeordnete zweite Empfänger 1 ist so positioniert, daß er mit seiner Antenne bei jeder denkbaren Position des Auslegers 10 die Signale der Satelliten 16, 17, 18 und 19 empfangen kann. Der auf dem Pylon 14 angeordnete erste Empfänger 2 wird durch keine Aufbauten des Absetzers 4 überschattet, so daß auch der erste Em pfänger 2 stets mit den Satelliten 16, 17, 18 und 19 in Empfangs sichtverbindung stehen kann.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die Koordinaten der Empfänger 1 und 2 gleichzeitig mittels Satelliten-Geodäsie be stimmt. Mit den Koordinaten liegt der Abstand 37 zwischen den Em pfängern 1 und 2 fest. Diesem Abstand 37 läßt sich eindeutig eine Winkellage des Auslegers 10 in einer vertikalen Ebene zuordnen, wodurch auch die Lage des Abwurfendes 11 in Bezug auf die Empfän ger 1 und 2 eindeutig festliegt. Da die Empfänger 1 und 2 in Bezug auf die vertikale Achse 9 keine relative Bewegung zueinander aus führen, sind mit der Richtung der Geraden 37, die durch die beiden Empfänger 1 und 2 verläuft, auch die Ausrichtung des Auslegers 10 und damit die Position des Abwurfendes 11 im Raum festgelegt. Eine mögliche seitliche Neigung des Absetzers 4 ist gering und kann dabei unberücksichtigt bleiben.

Sollte die seitliche Neigung des Absetzers 4 jedoch nicht vernach lässigbar klein sein, muß ein weiterer Empfänger an dem Absetzer 4 vorgesehen sein, damit die Neigung auch erfaßt werden kann.

Wie aus der Draufsicht der Fig. 2 erkennbar, befindet sich die vertikale Achse 9, d. h. die Schwenkachse des Absetzers 4 in einer fixierten Stellung 38 zwischen den beiden Positionen 39 und 40. Die Position 38 befindet sich beispielsweise in der Mitte der die Positionen 39 und 40 miteinander verbindenden strichpunktierten Linie 41. Die Linie 41 deutet die Richtung 42 an, auf der sich der Absetzer 4 über das Planum 7 bewegt, um Abraum zu verkippen. Diese Bewegung ist nicht kontinuierlich, vielmehr muß man sich vorstel len, daß der Absetzer 4 zunächst in der Position 39 gehalten hat, um Abraum zu verkippen, sodann in die Position 38 gefahren ist, welche in der Fig. 2 festgehalten wurde und, nachdem er seine Ar beit in der Pos. 38 beendet haben wird, in die Position 40 fahren wird, um dort erneut Abraum zu verkippen. Die Positionen 38, 39 und 40 stellen deshalb Stillstandspositionen für den Absetzer 4 dar, aus denen heraus er jeweils Abraum auf der Abraumkippe 8 ver kippt.

In diesen jeweiligen Stillstandspositionen 38, 39 und 40 wird der Ausleger 10 nacheinander um die vertikale Achse 9 verschwenkt. In Bezug auf die vertikale Achse 9 befindet sich der Ausleger 10 in der Fig. 3 in seiner linken äußeren Schwenkposition, welche durch die strichpunktierte Linie 43 angedeutet ist. In lotrechter Stel lung in Bezug auf die Bewegungsrichtung 41 ist der Ausleger 10 beispielsweise in Richtung der strichpunktierten Linie 44 und in der äußersten rechten Schwenkstellung der vertikalen Achse 9 in Richtung der strichpunktierten Linie 45 angeordnet. Der Ausle ger 10 ist also um die mittlere Schwenkposition 44 nach rechts und links jeweils um die Winkel 46 verschwenkbar.

In der gezeigten linken Schwenkposition 43 wird Abraum vom Abwurf ende 11 des Auslegers 10 verstürzt und fällt auf die Abraumkippe 8 nieder, um dort einen Haufen bilden, dessen Grundriß durch die Kreislinie 47 angedeutet ist. Entsprechendes gilt für die Kreise 48 und 49, welche den Schwenkpositionen 44 und 45 zuzuord nen sind. Wie man aus der Draufsicht deutlich sieht, überschneiden die Kreise, Bereich 47 bis 49, einander in den Sektoren 50. Somit ergibt sich ein kontinuierlich durchlaufendes Verkippungsprofil, welches durch die strichpunktierte Linie 51 angedeutet wird. Der von dem Abwurfende 11 herabfallende Abraum trifft beispielsweise auf dem Haufen 47 im Punkt oder Gipfelpunkt 52 auf, der auch in der Seitenansicht der Fig. 1 angedeutet ist.

Die Höhe 51 des Abraumprofils über dem Planum 7 wird nun exakt ermittelt. Zu diesem Zweck sind zu beiden Seiten des Abwurfen des 11 des Auslegers 10 je ein Laser-Scanner 61 und 62 angeordnet. Die beiden Laser-Scanner 61 und 62 sind jeweils um vertikale Ebe nen 53 und 54 schwenkbar, wie sie durch die jeweils strichpunk tierten Linien angedeutet sind. Der Winkel 55 (Fig. 1) gibt den Schwenkbereich beispielsweise des Laser-Scanners 61 innerhalb der vertikalen Ebene 53 an. Innerhalb dieser vertikalen Meßebene 53 werden von dem Laser-Scanner 61 nacheinander die Punkte 56, 57, 52, 58, 59 und 60 abgetastet. Während sich der Meßpunkt 56 auf der Oberkante der Böschung der Abraumkippe 8 befindet und somit gegen über dem Laser-Scanner 61 eine fast horizontale Lage einnimmt, befindet sich der Meßpunkt 60 auf dem Planum 7 weit unterhalb des Laser-Scanners 61 und ist von diesem, wie in der Fig. 1 angegeben, ungefähr 50 m weit entfernt. Gemessen am Schwenkbereich 55 befin den sich die Meßpunkte 52 und 56 bis 60 jeweils unter einem Winkel zwischen 5 und 30°, vorzugsweise 10°, weit auseinander. Durch die Abtastung erhält man also ein Schnittprofil der Abraumkippe 8 längs der vertikalen Ebene 53, welches durch die Folge der Meß punkte 56, 57, 52, 58, 59 und 60 dargestellt werden kann, wie das in der Seitenansicht der Fig. 1 der Fall ist. Hierzu ist zu dem Meßpunkt 52 noch auszuführen, daß sich das Tal 63 im Schatten des Meßstrahls, der die Entfernung 64 darstellt, befindet, der die Entfernung zwischen dem Laser- Scanner 61 und dem Meßpunkt 52 darstellt. Die genaue Lage des Tals 63 wird beispielsweise rechnerisch aus den bekannten Daten des Schüttwinkels des jeweils verkippten Abraummaterials ermit telt.

Beim Verschwenken des Auslegers 10 zwischen den Schwenkpositi onen 43, 44 und 45 wird der in Schwenkrichtung hintere Laser- Scanner, in diesem Falle der Laser-Scanner 61 benutzt. Anders beim Verschwenken des Auslegers 10 Von der rechten Schwenkposition 45 in die linke Schwenkposition 43; in diesem Falle würde der Laser- Scanner 62 benutzt werden, um das Abraumprofil längs der vertika len Meßebene 54 zu ermitteln. Es wird also jeweils der in Schwenk richtung hintere Laser-Scanner zur Ermittlung des Abraumprofiles benutzt.

Mit der Erstellung eines Abraumprofils beispielsweise analog dem Abraumprofil der Fig. 1 allein ist es aber noch nicht getan. Das Ganze macht erst Sinn, wenn darüber auch der Fortschritt des Ver kippens festgestellt werden kann. Zu diesem Zweck wird die Abraum kippe 8 in ein Rastermodell unterteilt, dessen Netz oder geodätisches Modell 65 durch die unterbrochenen Linien in der Fig. 2 dargestellt ist. Das Rastermo dell besteht aus einzelnen Säulenwürfeln 66, wie sie in der Fig. 3 noch einmal perspektivisch vergrößert herausgezeichnet sind. In Bezug auf die Böschungen 67 und 68 nehmen die Säulenwürfel 66 je weils unterschiedliche Höhen an, denen rechnerische Höhen, be zeichnet durch die Großbuchstaben "H_x", zugeordnet sind. Auf diese Weise wird die gesamte Höhe "H" der Böschung 68 über ihre Tiefe "T" in einzelne Rasterwürfel 66 unterteilt, denen unter schiedliche Höhen "H_x" zugeordnet sind. Die unterschiedlichen Höhen "H_x" sind eine Funktion des Böschungswinkels 69, welcher sich auf der Böschung 68 in Abhängigkeit von dem jeweils verstürz ten Abraum 12 selbsttätig einstellt und aus geomechanischen Daten bekannt ist. Mithin sind also die Zwischenhöhen "H_x" der einzel nen Rasterwürfel ansich bekannt und liegen ebenfalls dem Raster modell 65 der Abraumkippe 8 zugrunde. Mit Hilfe der Laser- Scanner 61 bzw. 62 wird durch das Abtasten der Meßpunkte 52 und 56 bis 60 jeweils festgestellt, wieviel Abraum sich tatsächlich in den einzelnen Rastersäulen 66 befindet. Dieser so festgestellte Ist-Wert wird mit dem der Fig. 3 entsprechenden Rastermodell als Soll-Wert verglichen und ergibt sodann ein Maß für die Menge des tatsächlich verkippten Abraums bzw. für den Verkippungsfortschritt auf der Abraumkippe 8.

Wie in der Fig. 2 weiter erkennbar, ist das Rastermodell 65 lot recht in Bezug auf die mittlere Schwenkstellung 44 des Abset zers 10 ausgerichtet. Dadurch ergeben sich in der linken Schwenk stellung 43 bzw. rechten Schwenkstellung 45 jeweils Verdrehungen der Meßebenen 53 bzw. 54 um einen Winkel 70 bezüglich der mittle ren Schwenkstellung 44. Die sich aus einer solchen Verdrehung 70 ergebende Meßungenauigkeit ist aber im Hinblick auf das Gesamtge schehen der Abraumverkippung vernachlässigbar gering. Wo sie es nicht sein sollte, kann sie häufig durch mathematische Korrekturen im Rechner ausgeglichen werden. Eine andere Möglichkeit des Aus gleichs besteht allerdings auch darin, die Laser-Scanner 61 bzw. 62 in Bezug auf die jeweilige Schwenkrichtung des Auslegers 10 gegenläufig zu verschwenken. Dadurch wird die Genauigkeit des Ab tast- und Meßverfahrens weiterhin gesteigert, wofür allerdings im allgemeinen in dem großen Betrieb eines Tagebaus nicht immer eine Notwendigkeit vorliegt; ganz abgesehen davon, daß eine mögliche Lageregelung der Laser-Scanner 61 bzw. 62 im Gegenlauf zur jewei ligen Schwenkbewegung des Auslegers 10 einen erhöhten Aufwand an Steuerungs- und Regelungstechnik notwendig macht.

In Fig. 5 ist das Ausführungsbeispiel eines Rechnersystems und eine mögliche Verknüpfung seiner Hardware-Komponenten dargestellt. Die Empfänger 1 und 2, die auf dem Absetzer 4 angeordnet sind, speisen über die Verbindungen 71 und 72 ihre Meßdaten in einen Prozeßrechner 73 ein. Der Prozeßrechner kann beispielsweise auf dem Absetzer 4 angeordnet sein und sich dort vorzugsweise inner halb von dessen Führerstand (nicht gezeigt) befinden. Der dritte, ortsfest auf dem Gebäude 15 am Rand des Tagebaus 13 angeordnete Empfänger 3 ist über die Verbindung 74 ebenfalls mit dem Prozeß rechner 73 verbunden. Die Verbindungen 71, 72 und 74 können bei spielsweise Leitungen oder Funkstrecken sein, welche sich zur Da tenübertragung eignen. Aber auch die Laser-Scanner 61 und 62 stehen über Verbindungen 75 bzw. 76 mit dem Prozeßrechner 73 in ständiger Verbindung. Für die Verbindungen 75 und 76 gilt das Gleiche wie für die übrigen Verbindungen, nämlich daß sie aus Leitungen oder Funkstrecken zur Datenübertragung bestehen können.

Dem Prozeßrechner 73 ist außerdem eine Steuereinheit 77 zugeord net, über welche Daten hinsichtlich der Art des von dem Absetzer 4 zu verstürzenden Abraums 12 und Signale für einen Stopp oder An laufen des Abraums sowie der jeweiligen Schwenkposition des Ausle gers 10 in den Prozeßrechner 73 über die Verbindungsleitung 78 eingegeben werden.

Sowohl der Prozeßrechner 73 als auch der mit ihm kontinuierlich über die Leitung 79 in Verbindung stehende Hauptrechner 80 können Informationen bzw. Daten enthalten, welche ein digitales Modell 65 der Abraumkippe 8 betreffen, auf welcher von dem Ausleger 10 Ab raum 12 verstürzt wird. Es ist üblich, einen Rechner 81 zur Be triebsüberwachung vorzusehen, welcher statistische Daten des Tage baubetriebes bzw. der Abraumkippe 8 sammelt und vorhält. Solche Daten bestehen beispielsweise aus Informationen über Betrieb oder Störungen von Bandanlagen oder über die Belegung von Bandwaagen sowie über die Art und Konsistenz des jeweils zu verkippenden Ab raummaterials. Die Verbindung 82 zwischen dem Prozeßrechner 73 und dem Rechner 81 wird beispielsweise über eine Funkstrecke 82 oder ein Datenkabel hergestellt.

Der Rechner 81 zur Betriebsüberwachung steht ebenfalls mit dem Hauptrechner 80 in Verbindung, welcher beispielsweise im Gebäu de 15 der Markscheiderei des Tagebaus 13 installiert ist. Über die wechselseitigen Verbindungen 83 werden zwischen den Rechnern 80 und 81 Korrekturen ausgetauscht. Andererseits steht der in der Markscheiderei installierte Hauptrechner 80 auch über die Verbin dung 79 mit dem Prozeßrechner 73 auf dem Absetzer 4 auf Abruf in Verbindung. Hiermit ist eine Verknüpfung zwischen den drei Rech nern 73, 80 und 81 hergestellt, die eine Kommunikation dieser drei Rechner untereinander ermöglicht. Weiterhin steht der Hauptrech ner 80 noch über eine Verbindung 84 mit einem Großrechner 85 in Verbindung, der an einem anderen Ort aufgestellt sein kann. In dem Großrechner 85 sind sämtliche, auch über die Abraumkippe 8 hinaus gehenden Daten des Betriebsgeschehens gespeichert. Die Übertragung der Daten über die gezeigten Verbindungen 79, 82, 83 und 84 kann sowohl über Funk als auch über Kabel, beispielsweise Kupfer- oder Glasfaserkabel, erfolgen.

Einzelheiten der Verkippung sind in den Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt. Der Ausleger 10 wird so bewegt, daß das Abwurfende 11 nacheinander die einzelnen Rastersäulen 66 erreicht. Zu diesem Zweck wird der Ausleger 10 in Richtung des Pfeiles 86 über den Bereich der Schwenkstellungen 43 und 45 verschwenkt. Daneben kann der Ausleger aber auch noch in Grenzen um einen Drehpunkt 87 der Tragkonstruktion 5 in einer vertikalen Ebene verschwenkt werden, deren jeweilige Spur auf dem Planum 7 beispielweise durch die Mit tellinien 43, 44 und 45 angedeutet ist. Bei jeder Verschwenkung des Auslegers 10 in einer der vertikalen Ebenen 43, 44 und 45 ver ändert sich der Abstand 37 zwischen den Antennen 1 und 2 ent sprechend ebenso wie das für die Lage des Abwurfendes 11 in der Projektion auf das Planum 7 der Fall ist. Die durch ein Verschwen ken des Auslegers 10 um den Drehpunkt 87 mögliche Veränderung der Wurfweite des Abraums 12 ist jedoch gering und muß allenfalls be rücksichtigt werden, wenn der Absetzer 4 eine Abraumkippe 8 in extremer Hoch- oder Tiefschüttung aufschüttet.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß nahezu zu jedem Zeitpunkt eine aktuelle Massenbilanz und eine aktuelle Geo metrie einer Abraumkippe erstellt werden können. Die Bestimmung der Koordinaten der jeweiligen Empfänger erfolgt dabei näherungs weise kontinuierlich, z. B. einmal pro Sekunde. Diesen Meßdaten werden die Abstände zugeordnet, welche sich aus der Abtastung der Abraumkippe mit den Laser-Scannern ergeben. Alle Daten sind im wesentlichen sofort verfügbar, so daß eine effektive Steuerung und Planung des Einsatzes des Absetzers im Betriebsgeschehen des Tage baus möglich wird.

Ziffernverzeichnis

1 GPS-Antenne 1
2 GPS-Antenne 2
3 GPS-Antenne 3
4 Absetzer
5 Tragkonstruktion
6 Fahrwerk
7 Planum
8 Abraumkippe
9 vertikale Achse
10 Ausleger
11 Abwurfende
12 Abraum
13 Tagebau
14 Pylon
15 Gebäude
16 Satellit
17 Satellit
18 Satellit
19 Satellit
20 Umlaufbahn
21 Umlaufbahn
22 Umlaufbahn
23 Umlaufbahn
24 Meßstrahl
25 Meßstrahl
26 Meßstrahl
27 Meßstrahl
28 Meßstrahl
29 Meßstrahl
30 Meßstrahl
31 Meßstrahl
32 Meßstrahl
33 Meßstrahl
34 Meßstrahl
35 Meßstrahl
36 Ausleger
37 Abstand
38 fixierte Stellung
39 Position
40 Position
41 Verbindungslinie
42 Bewegungsrichtung
43 linke Schwenkposition
44 mittlere Schwenkposition
45 rechte Schwenkposition
46 Schwenkwinkel
47 Haufengrundriß
48 Haufengrundriß
49 Haufengrundriß
50 Überschneidungssektor
51 Höhenlinie des Verkippungsprofils
52 Gipfelpunkt
53 vertikale Ebene
54 vertikale Ebene
55 Abtastbereich
56 Meßpunkt
56 Meßpunkt
57 Meßpunkt
58 Meßpunkt
59 Meßpunkt
60 Meßpunkt
61 Laser-Scanneer
62 Laser-Scanner
63 Tal
64 Meßstrahl
65 Rastermodell
66 Säulenwürfel
67 Böschung
68 Böschung
69 Böschungswinkel
70 Verdrehungswinkel
71 Verbindung
72 Verbindung
73 Prozeßrechner
74 Verbindung
75 Verbindung
76 Verbindung
77 Steuereinheit
78 Verbindungsleitung
79 Verbindung
80 Hauptrechner
81 Rechner Betriebsüberwachung
82 Verbindung
83 wechselseitige Verbindung
84 Verbindung
85 Großrechner
86 Schwenkrichtung
87 Drehpunkt

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Verkippungsfortschrittes und der auf einer Abraumkippe verkippten Massen, die mit Hilfe eines Absetzers, der eine ortsbewegliche Tragkonstruktion aufweist, an welcher ein mit einem Abwurfende versehener Ausleger beweglich angebracht ist, auf der Abraumkippe verstürzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- die gesendeten Meßsignale von wenigstens vier, die Erde auf Umlaufbahnen umkreisenden Satelliten mit Hilfe von wenig stens zwei Empfängern empfangen werden, von denen ein erster in der Nähe des Abwurfendes und der zweite auf der Tragkonstruktion angeordnet ist,
- die empfangenen Meßsignale einem Rechnersystem zuführt und dort die Orientierung des Auslegers im Raum sowie die geo dätische Position des Abwurfendes ermittelt werden,
- wenigstens ein jeweils in einem Bereich unterhalb des Ab wurfendes befindlichen Punkt der Abraumkippe vom Abwurfende aus mit Hilfe von wenigstens einem Laser-Scanner abgetastet und dabei die Entfernung zwischen dem Abwurfende und dem Punkt gemessen wird,
- der Meßwert der Entfernungsmessung im Rechnersystem der geo dätischen Position des Abwurfendes zugeordnet und aus
- der weiteren Zuordnung dieses Meßwerts zu einem im Rechner system gespeicherten Modell der Abraumkippe die aktuelle Verkippungshöhe des Abraums auf der Abraumkippe festgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale von wenigstens vier Satelliten gleichzeitig von einem als Bezugsempfänger dienenden dritten Empfänger empfan gen werden, der mit bekannter geodätischer Position ortsfest in der Umgebung des Absetzers angeordnet ist und die Meßsig nale, die gleichzeitig von den drei Empfängern empfangen wer den, dem Rechnersystem zugeführt werden und dort die Koordina ten des ersten und des zweiten Empfängers relativ zu denen des Bezugsempfängers bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Bezugsempfänger dienende dritte Empfänger in einer Position angeordnet wird, die einen Bezugspunkt in einem für die aufzu schüttende Abraumkippe maßgeblichen Koordinatensystem dar stellt und die ermittelten Positionen des ersten Empfängers und des zweiten Empfängers auf dem Absetzer einem Rechner zu geführt werden, in welchem die Positionen der Empfänger in Koordinaten dieses lokalen Koordinatensystems transformiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Positionen der Empfänger in zeitlichen Abstän den von 0,3 sec bis 600 sec erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Empfänger auf der ortsbeweglichen Tragkonstruktion an geordnet ist, welche den beweglichen Ausleger trägt, und aus den ermittelten Positionen des ersten und des zweiten Empfän gers auch deren Abstand voneinander im Rechnersystem ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Laser-Scanner nacheinander eine Mehrzahl von Punkten abge tastet wird, die entlang wenigstens einer, insbesondere vertikalen Linie angeordnet sind und dabei die jeweilige Entfernung zwischen dem Abwurfende und dem Abraum gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser-Scanner zum Abtasten einzelner Punkte von Punkt zu Punkt jeweils um Winkel zwischen 5 und 30°, vorzugsweise 10°, über einen Bereich von annähernd 180° verschwenkt wird.

8. Verfahren nach einem der Anprüche 1 oder 6, 7, dadurch ge kennzeichnet, daß Punkte mit Hilfe von zwei Laser-Scannern abtastet werden, von denen je einer auf jeder Seite des Abwurfendes auf dem Ausleger angeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem jeweils der Schwenkrichtung des Auslegers abgewandten Laser-Scanner abtastet wird.

10. Absetzer zum Bestimmen des Verkippungsfortschrittes und der auf einer Abraumkippe verkippten Massen, mit einer ortsbeweglichen Tragkonstruktion an welcher ein Ausleger beweglich angebracht ist, der ein Abwurfende aufweist, von dem herab der Abraum auf der Abraumkippe verstürzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- zum Empfang von Meßsignalen (24 bis 35), welche von wenig stens vier Satelliten (16 bis 19) ausgesandt werden, die die Erde umkreisen und sich jeweils in Empfangssichtweite vom Ab setzer (4) befinden, ein erster Empfänger (2) auf dem orts beweglichen Teil (5) und
- ein zweiter Empfänger (1) auf dem Ausleger (10) in der Nähe des Abwurfendes (11) angeordnet ist,
- zur Ermittlung der Entfernung (64) zwischen dem Abwurf ende (11) und wenigstens einem in einem Bereich (47 bis 49) unterhalb des Abwurfendes (11) auf der Abraumkippe (8) be findlichen Punkt (52) wenigstens ein Laser-Scanner (61) auf dem Ausleger (10) sowie
- ein Rechnersystem (73, 80, 81) mit einem ge speicherten geodätischen Modell (65) der Abraumkippe (8), in welchem die jeweils gemessene Entfernung (64) dem Mo dell (65) zugeordnet ist, vorgesehen ist.

11. Absetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser-Scanner (61) am Abwurfende (11) des Auslegers (10) ange ordnet ist.

12. Absetzer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser- Scanner (61) in einer vertikalen Ebene (53) schwenkbar ist.

13. Absetzer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Seite des Abwurfendes (11) je ein Laser-Scanner (61, 62) angeordnet ist.

14. Absetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebung des Absetzers (4) ein dritter Bezugsempfänger (3) ortsfest angeordnet ist, und daß alle drei Empfänger (1, 2, 3) mit demselben Rechnersystem (73, 80, 81) verbindbar sind.