-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
13. Die Erfindung betrifft insbesondere das Steuern einer industriellen
Maschine, beispielsweise einer Bodenebnungsmaschine, eines Krans, eines
Baggers oder dergleichen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Während
des Straßenbaus
oder des Einebnens von Boden, beispielsweise für Gebäude, Parks oder Spielplätze, Fahrzeugparkplätze oder
dergleichen, werden Bodenbearbeitungsmaschinen verwendet, welche
dem Bodenabschnitt eine vorbestimmte Topografie geben sollen, indem
sie einerseits Material abgraben und andererseits Material anhäufen.
-
Es ist in diesem Zusammenhang wichtig, dass
die Arbeitswerkzeuge an den Maschinen, die verwendet werden, genau
auf den exakt richtigen Arbeitspegel in dem vorgesehenen Abschnitt
gesteuert werden können.
Die Steuerung sollte bevorzugt sogar in der Lage sein, automatisch
ferngesteuert zu werden, so dass die gewünschte Topografie in der richtigen
Position innerhalb eines Abschnitts in ein Computerprogramm geschrieben
werden können sollte,
und Information betreffend eine geeignete Verarbeitung sollte kontinuierlich
und automatisch an den Fahrer des Fahrzeugs gegeben werden können. In
Fällen,
in denen es möglich
ist, sollte sie auch in der Lage sein, ein automatisches Steuern
der Maschinen durchzuführen,
um eine bestimmte Arbeit vollständig
automatisch durchzuführen.
-
Dies bedeutet, dass man bei Bodenbearbeitungsausrüstung die
genaue Raumposition der Arbeitswerkzeugspositionen im Raum, der
Winkelposition sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung
als auch ihre Arbeitsrichtungen nachverfolgen muss.
-
Beschreibung
des Standes der Technik
-
US-A-4,807,131 (Clegg Engineering)
beschreibt ein Bodenbearbeitungssystem unter Einsatz eines Instruments
mit einem horizontalen, Ebenen-identifizierenden, rotierenden Taststrahl
und einem an der Bodenbearbeitungsmaschine angeordneten Höhenindikator,
der durch den Taststrahl getroffen werden soll. Der Höhenindikator
ist direkt an dem Arbeitswerkzeug der Maschine angeordnet, beispielsweise
an der Schaufel eines Baggers. Ferner kann ein separater Positionsgenerator
an der Maschine angeordnet sein und mit einem elektronischen Abstandsmessinstrument
zusammenarbeiten, um die Position der Maschine in der zu behandelnden Region
anzugeben. Die Signale von den verschiedenen, oben genannten Indikatoren
werden einem Computer zugeführt,
welchem Informationen über die
gewünschte
Topografie der Bodenregion über vorbestimmte
Verbunddaten gegeben werden, und der die Messwerte verarbeitet und
Anweisungen zum Steuern des Arbeitswerkzeugs der Maschine gibt.
-
Das Bestimmen der Ausrichtung und
Neigung über
Maschinenbewegungen ist ein langsames Verfahren. Gleichermaßen ist
eine Positions- und Höhenbestimmung
mit Hilfe der GPS-Technik oder mit einer elektronischen Winkel- und Abstandsmessung
oft nicht ausreichend schnell, um in der Lage zu sein, die Position
und vor allem die Höhe
mit ausreichender Genauigkeit während
schneller Verschiebungen zu messen.
-
EP-A-811 727 offenbart ein ähnliches
Steuersystem und erwähnt
die Probleme mit Geräuschen und
Vibrationen, ohne eine klare Lösung
zu geben.
-
Aufgaben der
Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es,
eine Steuerung bzw. eine Steueranzeige für eine Bodenbearbeitungsmaschine
bereitzustellen, die eine angemessene Steuerung der Maschine mit
so wenig Messeinheiten wie möglich,
die außerhalb
der Maschine angeordnet sind, ermöglicht.
-
Eine weitere Aufgabe ist es, eine
sofortige, kontinuierliche und korrekte Positions- und Richtungsbestimmung
einer Bodenbearbeitungsmaschine während der Arbeit, sogar während schneller
Bewegungen, bereitzustellen.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine
Steuerung einer Bodenbearbeitungsmaschine zu erzeugen, bei der die
Anzeige der Arbeitsposition und der Arbeitsrichtung des Arbeitsteils
der Maschine wichtig ist, jedoch bei der der Einfluss von Vibrationen
des Arbeitsteils, unvorteilhafte Umgebung, verdeckte Positionen
etc. beseitigt ist.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine
direkte Positionsbestimmung und ein automatisches Folgen des Arbeitsabschnitts
des Maschinenarbeitsteils während
des Arbeitsvorganges bereitzustellen.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein
flexibles System bereitzustellen, das zum Messen der gegenwärtigen Arbeitsposition
und der Arbeitsrichtung für
unterschiedliche Arten von Arbeitsmaschinen nutzbar ist, beispielsweise
Bodenbearbeitungsmaschinen, Grabmaschinen, Krane etc.
-
Darstellung
der Erfindung
-
Die oben genannten Aufgaben werden
mit einer Vorrichtung gelöst,
welche die in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale besitzt. Weitere Eigenschaften und Entwicklungen sind in
den weiteren Ansprüchen
angegeben.
-
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Positions- und
Ausrichtungs-bestimmende Vorrichtung einerseits eine relativ langsame,
genau bestimmende Vorrichtung, die in Zeitintervallen genau die
gegenwärtige
Positionsausrichtung der Maschine misst, und andererseits eine schnell
bestimmende Vorrichtung, die auf Positions- und/oder Ausrichtungsveränderungen
reagiert, um die Berechnung zwischen den Zeitintervallen zu berechnen
und zu aktualisieren, aufweist. Diese schnell bestimmende Vorrichtung
muss in diesem Falle nur für
kurze Zeitdauern stabil sein, da ein langsamer Drift durch eine
Aktualisierung von der langsameren Vorrichtung korrigiert wird.
-
Die relativ langsame, genaue Positions-
und Ausrichtungsbestimmung kann mit Hilfe einer stationären Messstation
stattfinden, beispielsweise einem geodätischen Instrument mit einem
automatischen Zielfolge- oder Radionavigationssystem, beispielsweise
GPS (Global Positioning System), das in der Nähe der Arbeitsmaschine zur
Positionsbestimmung in Zusammenarbeit mit der Detektorvorrichtung
angeordnet ist. Die Neigung kann ebenso bestimmt werden, beispielsweise
mittels Neigungsmessern (Inklinometern), und die Ausrichtung um
die vertikale Achse beispielsweise durch einen Kompass oder einem
nord-suchenden Kreiselkompass.
-
Die für eine kurze Zeitdauer stabile,
bestimmende Vorrichtung kann daher eine Beschleunigungsmessvorrichtung
an der Maschine zum Messen der Beschleunigung der Maschine in mindestens einer
Richtung, bevorzugt in mehreren, voneinander unterschiedlichen Richtungen,
aufweisen, wobei die Berechnungseinheit die angezeigte Beschleunigung oder
Beschleunigungen doppelintegriert und das letzte berechnete Ergebnis
der Position in dem festen Koordinatensystem aktualisiert.
-
Wenn eine schnelle Bestimmung einer
Veränderung
der Ausrichtung benötigt
wird, wird bevorzugt ein weiterer Beschleunigungsmesser oder ein Kreiselkompass
für jede
Achse verwendet, um welche eine Rotation bestimmt werden soll. Die
Signale von diesen Sensoren werden nach geeigneter Integration und
Umwandlung von dem Koordinatensystem der Maschine in ein festes
Koordinatensystem verwendet, um die Positionsbestimmungen für die Maschine
in dem festen Koordinatensystem zu aktualisieren. Ein geeigneter
Weg zum Zusammensetzen der Informationen von den langsamen und den schnellen
Sensoren auf optimale Weise ist das Verwenden des Kalmann-Filterns.
-
Das Messen und die Berechnung werden
bevorzugt kontinuierlich in Intervallen durchgeführt, während die Maschine in Betrieb
ist. Die Berechnungseinheit berechnet nach jedem Messen die Position
und möglicherweise
die Richtung des Arbeitens und die Geschwindigkeit des Arbeitens
des Arbeitsteils der Maschine unter Verwendung der letzten und früherer Berechnungsergebnisse
für die
Position. Die Berechnungseinheit kann ebenso frühere Berechnungsergebnisse
verwenden, um die wahrscheinliche Anordnung, Ausrichtung, Arbeitsrichtung und
Geschwindigkeit eine bestimmte Zeit im Voraus für den Arbeitsteil der Arbeitsmaschine
vorherzusagen.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Durch die Erfindung wurde ein Messsystem erzeugt,
das leicht zu verwenden ist und das ferner vergleichsweise kostengünstig ist.
Bereits vorhandene Stationen zum Vermessen eines Bereichs können zum
Steuern der Arbeitsmaschinen verwendet werden. Dies bedeutet, dass
eine spezielle Ausrüstung für die Stationen
nicht speziell zur Verwendung mit der Erfindung zum Arbeitsort gebracht
oder transportiert werden muss. Allerdings ist an der Arbeitsmaschine
eine zusätzliche
Ausrüstung
erforderlich.
-
Kurze Beschreibung
der Figuren
-
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei
-
1 zeigt
schematisch einen Bagger mit einer ersten Ausführungsform eines Messsystems
gemäß der Erfindung,
-
2 zeigt
ein Blockdiagramm einer Beschleunigungsmessvorrichtung,
-
3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Systems gemäß der Erfindung,
-
4 zeigt
eine Ausführungsform
der Position eines Reflektors an dem Bagger in 3,
-
5A zeigt
eine Ausführungsform
einer Detektoreinheit, die in dem Messsystem gemäß der Erfindung verwendet wird,
-
5B zeigt
eine Ausführungsform
eines Detektors für
die Vorrichtung in 5A,
-
5C zeigt
eine zweite Ausführungsform eines
Detektors für
die Vorrichtung in 5A,
-
6 zeigt
schematisch einen Bagger mit einer dritten Ausführungsform eines Messsystems
gemäß der Erfindung,
-
7 zeigt
ein Blockdiagramm für
ein vollständiges
Messsystem gemäß der Erfindung;
-
8 zeigt
ein Bild auf einen Schirm in der Steuerkabine des Baggers.
-
Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
-
Ausführungsform 1:
-
Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ein geodätisches
Instrument 1 auf einer zu behandelnden Bodenfläche aufgestellt.
Das Instrument 1 ist beispielsweise ein elektronisches
Abstandsmessinstrument 2 mit einer integrierten Abstands-
und Winkelmessung des Typs, der als "Totalstation" bezeichnet wird
und der von SPECTRA PRECISION AB vermarktet wird, d. h. mit kombinierten,
fortschrittlichen Elektronik- und Computertechniken. Die Position
und die horizontale Winkelposition des Instruments 1 wird
zuerst auf herkömmliche
Weise, die dem Fachmann bekannt ist, gemessen. Dies kann beispielsweise
durch Messen gegen Punkte in der Region mit vorbestimmten Positionen
durchgeführt
werden, beispielsweise Kirchtürmen
oder dergleichen.
-
Ein geodätisches Instrument ergibt sowohl den
Abstand als auch die Vertikal- und Horizontalrichtung zu einem Ziel,
wobei der Abstand gegen einen Reflektor gemessen wird, beispielsweise
von Eck-Würfel-Typ
(corner cube type). Ein geodätisches Instrument
ist ferner mit einem Computer mit schreibbarer Information für durchzuführende Messungen und
zum Speichern von während
der Messungen erhaltenen Daten ausgestattet. Bevorzugt wird ein
unbemanntes geodätisches
Instrument für
die Erfindung eingesetzt, was bedeutet, dass das Instrument automatisch
ein beabsichtigtes Ziel sucht und sich auf dieses einstellt und
diesem folgt, wobei das Ziel aus demselben Reflektor gemacht sein
kann, der für die
Abstandsmessung verwendet wird, oder durch ein anderes, aktives
Ziel, wie später
beschrieben. Das geodätische
Instrument berechnet die Position eines Ziels in einem festen, bodenbasierten
Koordinatensystem.
-
Eine Arbeitsmaschine in der Form
einer Bodenbearbeitungsmaschine, beispielsweise einer Bodenplaniermaschine,
ist für
die langsamere, genaue Positionsmessung in dieser Ausführungsform
mit einer Reflektoreinheit 4, beispielsweise einem Eckwürfelprisma,
an einem Ort der Maschine ausgestattet, der von dem geodätischen
Instrument 1 gut sichtbar ist, unabhängig davon, wie sich die Maschine
verwindet und dreht, in diesem Falle auf dem Dach der Maschine,
und mit einer Ausrichtung bestimmenden Einheit 5a, 5b und
einer Vorrichtung 6 mit mindestens einem Beschleunigungsmesser
zum Messen der Beschleunigung und möglicherweise einem weiteren Beschleunigungsmesser
oder einer Kreiselkompasseinheit zum Messen der Rotation. Ein Eckwürfelprisma
reflektiert einen einfallenden Strahl in der entgegengesetzten Richtung
zurück,
selbst falls der Einfallswinkel auf dieses relativ schräg ist. Es
ist wichtig, dass die Reflektoreinheit 4 nicht eine nicht
reflektierende Seite zu dem Instrument 1 richtet. Sie sollte
daher bevorzugt aus einem Satz von Eckwürfelprismen bestehen, die in
einem Kreis um eine Achse angeordnet sind.
-
Die Ausrichtung der Maschine in einem
festen Koordinatensystem wird in dieser Ausführungsform durch die Einheiten 5a, 5b bestimmt,
die beispielsweise zwei Neigungssensoren 5a zum Bestimmen
der Neigung zu einer vertikalen Achse in zwei senkrechten Richtungen
und einen elektronischen Kompass oder nordsuchenden Kreiselkompass 5b zum
Bestimmen der Ausrichtung in einem festen Koordinatensystem, beispielsweise
in Bezug auf Nord, enthalten.
-
Es ist wichtig, dass das System schnellen Verläufen von
Ereignissen folgen kann, da die Maschine während ihrer Arbeit kippen kann,
falls sie auf einen Felsen aufläuft
oder in eine Vertiefung gerät. Eine
Möglichkeit
für eine
kurzzeitstabile, genaue und schnelle Bestimmung und Positions- und
Ausrichtungsänderungen
in den Maschinen basierenden Koordinatensystem, zur anschließenden Umwandlung in
das feste Koordinatensystem sollte daher vorgesehen sein. Mit einer
derartigen Möglichkeit
können
die Positions- und Richtungsänderungen
in dem Intervall zwischen der langsameren Positions- und Ausrichtungsbestimmung
der Maschine über
die Gesamtstation bestimmt werden.
-
Daher ist die Beschleunigungsmessvorrichtung 6 an
der Maschine zum Anzeigen schneller Bewegungen angeordnet. Diese
Vorrichtung 6 sollte bevorzugt schnelle Bewegungen und
Rotationen der Maschine in verschiedenen Richtungen messen, um eine
zufriedenstellende Funktion zu ergeben. Eine Minimalanforderung
ist allerdings, dass die Vorrichtung die Beschleunigung entlang
einer Achse der Maschine misst, und in diesem Falle bevorzugt ihre normale
Vertikalachse (z-Achse), da die Genauigkeitsanforderung in dieser
Richtung normalerweise am größten ist,
wobei es normalerweise die Absicht der Bodenbereitung ist, ein bestimmtes
Arbeitsniveau in der vertikalen Richtung bereitzustellen. Die Vorrichtung 6 sollte
allerdings bevorzugt die Beschleunigung und/oder Rotation in Bezug
auf drei unterschiedliche Achsen der Maschine messen.
-
Die Beschleunigungsmesser können von
irgendeinem herkömmlichen
Typ sein, sei er ausführlich
beschrieben und durch Beispiele gezeigt oder nicht, da sie nicht
Teil der vorliegenden Erfindung sind. Ihre Ausgangssignale werden
doppelintegriert in Bezug auf die Zeit, um eine Positionsveränderung zu
ergeben. Dies kann in der Einheit 6 oder in einer Computereinheit 20 (siehe 8) stattfinden. Die berechneten
Positionsveränderungen
werden in das Koordinatensystem der Maschine gegeben, werden jedoch
dann in das feste Koordinatensystem umgewandelt, so dass die Bewegungen
der Maschine in dem festen Koordinatensystem stets diejenigen sind, die
kontinuierlich gezeigt werden. Diese Anzeigen finden mit derart
kurzen Intervallen statt, die für
das verwendete Steuersystem geeignet sind.
-
Das geodätische Instrument 1 kann
eine absolute Bestimmung der Position der Reflektoreinheit in dem
festen Koordinatensystem mit einem Zeitintervall von näherungsweise
0,2–1
sec. geben, wobei Daten von der Vorrichtung 6 das Messsystem
dazwischen stützen.
-
Der Bodenbearbeitungsteil 7,
d. h. der Planierteil der Planierschaufel 8 der Maschine 3,
ist derjenige, der tatsächlich
in dem festen Koordinatensystem in Bezug auf Position, Rotation
in horizontaler und vertikaler Richtung und bevorzugt ebenso in
Bezug auf seine Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit angezeigt
werden sollte.
-
Der eigene Positionsbeziehungssensor (nicht
gezeigt) der Maschine gibt eine Basis zum Berechnen der gegenwärtigen Position
des Planierteils 7 in dem Koordinatensystem der Maschine.
Messen und Berechnen der gegenwärtigen
Einstellung der Planierschaufel in Bezug auf die Maschine mit geometrischen
Berechnungen gehören
zum Stand der Technik und müssen
daher nicht näher
beschrieben werden.
-
Die Kombination von Information von
den unterschiedlichen Sensoren zu einer Endposition und -Ausrichtung
in dem festen Koordinatensystem findet geeigneter Weise in dem Hauptcomputer 20 statt.
Ein geeignetes Verfahren zum Erhalten einer optimalen Kombination
der Informationen von den unterschiedlichen Sensoren zum Bestimmen
der gegenwärtigen Position
und Ausrichtung ist die Verwendung von Kalmann-Filtern.
-
2 zeigt
schematisch eine Beschleunigungsmessvorrichtung 6 zum Messen
entlang einer Achse der Maschine und mit Rotationsmessung um eine
senkrechte Achse. Auf diese Weise werden die Beschleunigungen a1 und a2 mit dem
Beschleunigungsmesser ACC1 und ACC2 gemessen. Durch Kombinieren
dieser zwei gemessenen Werte und bei Kenntnis des Abstands d zwischen
den Beschleunigungsmessern kann die Rotation und Beschleunigung
einiger ausgewählter
Punkte (A) berechnet werden. Durch Verwenden drei ähnlicher
Sätze kann die
Beschleunigung entlang und die Rotation um drei Achsen natürlich bestimmt
werden. Als eine Alternative oder Ergänzung können die Rotationsveränderungen
um eine oder mehrere Achsen mit Hilfe von Kreiselkompassen bestimmt
werden.
-
Ausführungsform 2:
-
Die Bodenbearbeitungsmaschine 3 in 3 ist für die langsame, genaue Ausrichtungsbestimmung
um die vertikale Achse in dieser Ausführungsform mit zwei Reflektoreinheiten 4a und 4b in
einem Ort in der Maschine ausgestattet, der leicht von dem geodätischen
Instrument 1 sichtbar ist. In der Ausführungsform gemäß 3 sind sie mit einer im
wesentlichen festen Positionierung in Bezug zueinander und der Maschine
angeordnet. Die Möglichkeit,
dass die Reflektoren zwischen unterschiedlichen "festen" Positionen
bewegbar sind, um eine geeignete Ausrichtung in Bezug auf das Messinstrument
zu erhalten, ist offensichtlich. Jeder von diesen sollte bevorzugt
aus einem Satz von Eckwürfelprismen
bestehen, die in einem Kreis um eine Achse angeordnet sind.
-
Die dreidimensionale Lage und Ausrichtung der
Maschine in einem festen oder in Bezug auf das Messinstrument definierten
Koordinatensystems wird durch die Messung zu den Reflektoreinheiten 4a und 4b gemessen,
die eine präzise
oder bestimmbare Lage in dem Koordinatensystem der Maschine besitzen.
Durch Bestimmen der Positionen der Reflektoren in dem festen Koordinatensystem
kann dann die Ausrichtung der Maschine in diesem Koordinatensystem
bestimmt werden, was bedeutet, dass die Transformation zwischen
den Koordinatensystemen definiert ist.
-
Die Reflektoreinheiten 4a und 4b in 3 besitzen jeweils ihren
eigenen Visieranzeiger 12 und 13, die Richtungsinformation
für das
geodätische
Instrument hinsichtlich des Ziels oder des Reflektors geben, zu
welchem ihre gegenwärtige
Ausrichtung gemacht werden könnte,
und zum Messen gegen dieses Ziel. Die Visieranzeiger können von
unterschiedlichen Typen sein; es nur wichtig, dass er automatisch
das geodätischen
Instrument zu dem Messreflektor ausrichtet, der gegenwärtig als
Ziel für die
Messung dienen soll.
-
Die Ausrichtungsanzeiger sind allerdings
in der in 3 gezeigten
Ausführungsform
Lichtelemente, die bevorzugt mit einem speziellen Modulations- und
Wellencharakter ausgestattet sind, der von dem Umweltlicht trennbar
ist, und die hier platziert unter ihren jeweiligen Zielreflektoren
und bevorzugt so gezeigt sind, dass ihr Licht von allen Richtungen gesehen
werden kann. Das geodätische
Instrument 1 ist dabei geeignet unter dem Abstandsmesser 2 selbst
mit einer Such- und Einstelleinheit 14 ausgestattet, die
ein Lichtsignal sucht, welches denselben Modulations- und Wellenlängencharakter
wie die Lichtelemente besitzt. Jeder der Ausrichtungsanzeiger 12 und 13 kann
geeignet aus mehreren Lichtelementen bestehen, die in einem Kreis
angeordnet sind, auf dieselbe Weise wie die Reflektoren, um einen
großen
Horizontalwinkel abzudecken.
-
Die Lichtelemente in 12 und 13 werden
abwechselnd zueinander bei einer solchen Rate erleuchtet, dass die
Such- und Einstelleinheit 14 in der Lage ist, ihre Ausrichtung
zu dem Licht der Lichtelemente einzustellen, und die Messung des
Abstands und der Ausrichtung zu ihren zugehörigen Zielen kann durchgeführt werden.
Die Messung wird nacheinander zu den zwei Reflektoreinheiten 4a und 4b durchgeführt.
-
Alternativ können drei (oder mehr) Reflektoreinheiten
mit Lichtelementen in vorbestimmten Positionen an der Maschine angeordnet
sein, wobei ein Messen zu diesen Zielen mit Berechnungen die Position,
Ausrichtung und Orientierung der Maschine in einem dreidimensionalen,
festen Koordinatensystem ergibt.
-
4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Zieleinheit 30, zu der das geodätische Instrument 1 messen
kann, um Positionsdaten für
die Maschine 3 zu erhalten. Die Zieleinheit umfasst in
diesem Falle eine Scheibe 31, die um eine zu der Scheibe
senkrechte Achse 32 rotiert. Ein Ziel, hier in der Form
eines Reflektors 33, beispielsweise ein Ring von Reflektoren
des Eckwürfeltyps,
ist nahe des Umfangs der Scheibe 31 montiert. Was bei dieser
Ausführungsform
wichtig ist, ist dass der Reflektor 33 um eine Achse 32 rotiert,
wofür er
stattdessen an einem Rotierarm (nicht gezeigt) montiert sein kann.
Die als Reflektor geformte Detektoreinheit 33 ist dementsprechend
zwischen Positionen mit bestimmbaren Positionen in Bezug auf die
Arbeitsmaschine bewegbar, und eine Anzeigeeinheit, beispielsweise
ein Encoder (nicht gezeigt), zeigt kontinuierlich die Position an.
Ein weiterer, alternativer Weg zum Bestimmen der Ausrichtung der
Maschine ist es, eine servogesteuerte optische Einheit einzusetzen,
welche sich automatisch zu dem geodätischen Instrument ausrichtet.
Beispielsweise mit einem Encoder kann die Ausrichtung der optischen
Einheit in dem Koordinatensystem der Maschine eingelesen werden.
Eine Ausführungsform
davon ist in 5A–5C gezeigt. Mindestens eine
servogesteuerte, optische Einheit 26–29 richtet sich selbst
zu dem geodätischen
Instrument aus. In diesem Falle ist die optische Einheit zusammen
mit dem Reflektor gebaut, was den Vorteil ergibt, dass sie aus einem
einfachen Prisma und nicht einem Kreis von Prismen bestehen kann.
Die Einheiten können
allerdings ebenso getrennt sein. Für die optische Einheit ist
es sinnvoll, den Messstrahl des geodätischen Instruments oder einen
hierzu parallelen Strahl zu verwenden.
-
In der in 5A gezeigten Ausführungsform ist die optische
Einheit 26 neben dem im Querschnitt gezeigten Reflektor 25 angeordnet.
Die optische Einheit besteht aus einer Linse oder einem Linsensystem 27 und
einem Positions-empfindlichen Detektor 28. Das Linse-/Linsesystem
fokussiert den Messstrahl an dem Detektor 28, der beispielsweise
ein Quadrantendetektor wie in 5B gezeigt
ist. Der geodätische
Messstrahl des Instruments 1 kann hierdurch auch für die Ausrichtvorrichtung
verwendet werden, falls der Strahl ausreichend breit ist. Alternativ
und vom technischen Standpunkt bevorzugt ist das Instrument allerdings
mit einer zusätzlichen Lichtquelle,
beispielsweise einem Laser ausgestattet, der zu der Einheit 26-28 einen
schmalen Lichtstrahl überträgt, der
in diesem Falle einen vollständig unterschiedlichen
Charakter besitzen kann, beispielsweise eine andere Wellenlänge, als
der zu dem Reflektor 25 übertragene Messstrahl, und
parallel ist zu und in demselben Abstand angeordnet ist von dem
Messstrahl wie die Mittenlinie des Rohrs 26 von der Mittenlinie
des Reflektors 25.
-
Eine dritte Alternative besteht darin,
ein Eckwürfelprisma
zur Ausrichtung an der Referenzstation (nicht gezeigt) und eine
Lichtquelle 23 (gezeichnet mit gestrichelten Linien) an
der optischen Einheit (26–28) anzuordnen. In
diesem Falle wird ein reflektierter Strahl von dem Prisma erhalten,
der an dem Quadrantendetektor fokussiert wird, wenn die optische
Einheit korrekt zu der Station ausgerichtet ist.
-
Bei Verwendung eines Quadrantendetektors 28 kann
die Servosteuerung derart stattfinden, dass die Subdetektoren eine
möglichst ähnliche
Beleuchtung haben. Derartige Detektoren sind an sich bekannt, gleichermaßen ihre
Verwendung in unterschiedlichen Arten von Servorsteueranordnungen 29,
und sie werden daher nicht näher
beschrieben. Die optische Einheit ist bewegbar und steuerbar an der
Maschine montiert und möglicherweise
mit dem Reflektor integriert. Durch die Servosteuerung des Servomotors
(nicht gezeigt) wird die optische Einheit derart ausgerichtet, dass
die Signale von dem Detektor 28 ausgeglichen werden, was bedeutet,
dass die Einheit in der Richtung des Messstrahls ausgerichtet wird.
Die Ausrichtung in Bezug auf die Arbeitsmaschine kann beispielsweise
mit einer Art von Encoder eingelesen werden, oder mit einem anderen
Typ zum Messen der gegenwärtigen
Einstellpositionen der geführten
Servomotoren.
-
Die obige Ausrichtung kann sowohl
in horizontaler als auch in vertikaler Richtung stattfinden, jedoch
wird die Komplexität
beträchtlich
vermindert, falls sie auf eine Führung
in der horizontalen Richtung begrenzt ist. Dies ist oftmals ausreichend,
wenn die Neigung der Maschine normalerweise gering ist in Bezug
auf die normale Ebene. In solch einem Falle kann das Erfassen mit
Hilfe eines Detektors, der sich in der Querrichtung erstreckt, und
einer Zylinderlinse, welche die Strahlung innerhalb eines bestimmten Vertikalwinkelbereichs
zu dem Detektor sammelt, durchgeführt werden. Da 5A einen Querschnitt zeigt, stimmt sie
auch mit dieser Ausführungsform überein.
Der Detektor kann beispielsweise aus einer eindimensionalen Reihe
von Elementen beispielsweise vom CCD-Typ sein, wie es in 5C gezeigt ist.
-
Information über die Richtung von dem geodätischen
Instrument zu dem Positionsdetektor, die durch das geodätische Instrument
gegeben wird, ergibt zusammen mit dem Einlesen des Encoders, was die
Ausrichtung der Maschine in Bezug auf das geodätische Instrument ergibt, dementsprechend
die Ausrichtung der Maschine in einem festen Koordinatensystem.
-
Die Servosteuerung des Zielreflektors
bedeutet, dass Information über
die Ausrichtung des Fahrzeugs in Bezug auf das geodätische Instrument 1 kontinuierlich
empfangen wird.
-
Ausführungsform 3:
-
In den oben beschriebenen Ausführungsformen
trat die Positionsmessung durch Messen gegen eines oder mehrere
Ziele an dem Messgegenstand von einem geodätischen Instrument 1 auf.
Eine Positionsmessung kann auch mit Hilfe von Radionavigation, beispielsweise
GPS (Global Position System), durch Platzieren einer oder mehrerer
Radionavigationsantennen an dem Messgegenstand und einer an der
stationären
Station auf einer Seite stattfinden.
-
In der in 6 gezeigten Ausführungsform gibt es eine Radionavigationsantenne 50,
die hier derart gezeigt ist, dass sie Signale von einer Anzahl von
GPS-Satelliten 49 empfängt,
wobei die Navigationsantenne 50 an dem Umfang einer rotierenden Scheibe 51 an
dem oberen Teil eines Baggers 52 vorgesehen ist. Die Position
der Antenne wird in einem Radionavigationsempfänger 55 in mindestens
zwei vorbestimmten Rotationspositionen der Scheibe 51 in
Bezug auf den Bagger 52 angezeigt. Die Scheibe rotiert
so langsam, dass die Antennenposition in jeder Rotationsposition
mit Genauigkeit angezeigt werden kann, jedoch noch so schnell, dass
normale Bewegungen des Baggers das Messergebnis nicht signifikant
beeinflussen.
-
Eine Referenzstation 1' mit
einer weiteren Radionavigationsantenne 53 mit Empfänger 54 ist
an einer Station montiert, die in einer vorbestimmten Position außerhalb
einer bekannten Position etwas auf der Seite des zu behandelnden
Grundes angeordnet ist. Eine Differentialpositionsbestimmung wird
durch Radioübertragungen
zwischen dem Radionavigationsempfänger 54 und der Berechnungseinheit 20 in der
Maschine 52 erhalten. Die gegenwärtige Position der Maschine
wird mit einer sogenannten RTK-Messung (Real Time Kinematic–Echtzeitkinematik)
berechnet. Eine Berechnung dieser Art ist an sich bekannt und muss
nicht näher
beschrieben werden.
-
Der einzige Unterschied zu früheren Ausführungsformen
ist, dass die Positionsbestimmung gegen das (die) Ziel(e) mit GPS-Technologie anstelle durch
Messen mit einer Gesamtstation durchgeführt wird. Für den Rest findet die Ausrichtungsbestimmung
und die Bestimmung schneller Verschiebungen und Rotationen auf dieselbe
Weise wie in früheren
Ausführungsformen
beschrieben statt.
-
Gemeinsames Blockdiagramm
-
7 zeigt
ein Blockdiagramm gemäß der Erfindung,
das auf alle Ausführungsformen
anwendbar ist. Es kann hervorgehoben werden, dass bei Positionsbestimmung
mit einem geodätischen
Instrument Positionsdaten für
das Ziel in der Referenzstation 1 gesammelt und zu der
Maschine über
eine Radioverbindung übertragen
werden, während
es in dem GPS-Fall Korrekturdaten von dem Empfänger 54 sind, die
von der Referenzstation 1' zu der Maschine übertragen
werden, und dass Positionsdaten in der Berechnungseinheit 20 ausgehend
von Daten von dem Empfängern 54 und 55 erzeugt
werden.
-
Die Berechnungseinheit 20 berechnet
dementsprechend durch Kombinieren von Daten von der Referenzstation 1 und,
in dem GPS-Fall, dem Empfänger 55 zusammen
mit Daten von den Ausrichtungssensoren 5, der Beschleunigungsmessvorrichtung 6 und
Sensoren für
die Relativposition 11 die gegenwärtige Position der Planierschaufel
in dem festen Koordinatensystem, d. h. umgewandelt von dem Koordinatensystem
der Maschine. Die Sensoren für die
Relativposition 11 können
beispielsweise Encoder oder Potentiometersensoren sein, die mit
den Verbindungen verbunden sind, welche den Arbeitsteil der Maschine
verbinden. Die Berechnungseinheit 20 ist bevorzugt in der
Maschine angeordnet.
-
Die gewünschte Bodenbearbeitung in
dem festen Koordinatensystem ist entweder in dem Computer 20 des
geodätischen
Instruments 1 oder bevorzugt der Maschine 3 programmiert.
Dieser ist mit einer Darstellungseinheit 9, bevorzugt einem
Bildschirm ausgestattet, welche der Bedienperson der Maschine (nicht
gezeigt) einerseits darstellt, wie die Maschine 3 und ihre
Planierschaufel 8 basierend auf ihrer gegenwärtigen Position
zu Manövrieren
sind, und andererseits ihre gegenwärtige Abweichung von dem gewünschten
Manövrieren
darstellt. Alternativ und bevorzugt wird eine automatische Führung des Arbeitsteils
auf die gewünschte
Höhe und
Ausrichtung mit Hilfe der Steuerausrüstung 12 durchgeführt, die
beispielsweise aus einer hydraulischen Manövriereinrichtung besteht, welche
durch die Einheit 20 gesteuert wird.
-
Die Maschinenbedienperson muss gelegentlich
von dem engsten Arbeitsmuster aufgrund von Hindernissen verschiedener
Arten abweichen, wie Steinen oder dergleichen, die nicht in der
programmierten Karte des geodätischen
Instruments für
die gewünschte
Struktur der Bodenbearbeitungsregion enthalten sind.
-
Es ist auch möglich, eine programmierte Karte
der gewünschten
Bearbeitung und der bestehenden Position und Bewegungsrichtung des
Planierteils auf der Karte zu zeigen. Die Information zwischen dem
geodätischen
Instrument 1 und der Maschine 3 kann drahtlos
in beiden Richtungen gesandt werden, wie durch die Zickzackverbindung 10 gezeigt.
Der Computer in einer oder der anderen dieser Einheiten kann als
Hauptcomputer ausgewählt
werden, der die wichtigen Berechnungen durchführt, die für die Arbeit der Maschine 3 mit
der Planierschaufel nutzbar sind, jedoch wird dies bevorzugt in
der Einheit 20 vorgenommen. Das wichtigste ist hier, dass
die Berechnung der Position und Ausrichtung der Planierschaufel
in dem festen Koordinatensystem durchgeführt wird, unabhängig davon
wo sie ist, dass das geodätische
Instrument und die elektronischen Einheiten in der Maschine Daten-übertragende
Verbindungen miteinander haben, und dass der Maschinenbedienperson
eine leicht verständliche
Darstellung davon gegeben wird, was zu tun und was erledigt ist.
-
8 zeigt
ein Beispiel eines Bildes, das der Maschinenbedienperson auf der
Darstellungseinheit 9 dargestellt werden kann. Ein Bild
einer Planierschaufel mit einer Ausrichtungsmarkierung ist über eine
Karte mit dem gewünschten
Profil der Bodenbearbeitungsregion gelegt, wobei das Bild der Planierschaufel
sich über
die Karte bewegt, soweit die Arbeit fortschreitet. Die Darstellungseinheit 9 kann
aufgeteilt werden und kann ebenso ein Profilbild zeigen, in welchem
die Planierschaufel vertikal über
oder unter dem gewünschten
Bodenniveau platziert ist und in welchem der Höhenunterschied in Bezug hierzu
angegeben ist.
-
Das tatsächliche Grundniveau muss nicht gezeigt
werden. Allerdings kann es sinnvoll sein, Teile des Bodens mit der
gewünschten
Höhe deutlich
in dem Bild zu der Maschinenbedienperson zu zeigen, so dass sie
weiß,
wo sie ihre Arbeit durchführen muss.
In diesem Falle ist es möglich,
eine Funktion zu haben, welche Teilen des Bodens mit einem geringen
Unterschied innerhalb eines vorbestimmten Toleranzniveaus zwischen
dem tatsächlichen
und dem gewünschten
Niveau eine vorbestimmte Farbe, beispielsweise grün verleiht.
-
Es ist ebenso möglich, wie mit gestrichelten Linien
in der Karte gezeigt, ein Schattenbild der Planierschaufel zu zeigen,
um anzugeben, dass sie noch nicht auf dem richtigen Niveau angekommen ist.
In diesem Falle sieht es aus, als würde die Planierschaufel über den
Boden schweben und die Maschinenbedienperson erhält eine deutliche Anzeige, wie
tief die Maschine graben muss, um das Schattenbild mit dem Bild
der Planierschaufel zu vereinen. Es ist sinnvoll in der Erfindung,
dass die gewünschten Niveaus
für die
Bodenbearbeitung in der Karte gezeigt sind, wofür es die Position des Schattenbildes ist,
welches anzeigt, wo die Planierschaufel 7 in der normalen
zu der Ebene der Karte ist. In diesem Zusammenhang ist es nicht
von Interesse, die tatsächliche
Bodenstruktur auf der Karte zu zeigen.
-
Eine Berechnung der Position und
Rotation der Maschine sowohl in vertikaler als auch in horizontaler
Richtung wird in dem festen Koordinatensystem durchgeführt ebenso
wie eine anschließende
Berechnung der gegenwärtigen
Position und der Rotationswinkel der Planierschaufel nach einer
Umwandlung von dem Koordinatensystem der Maschine zu dem festen
Koordinatensystem. Anschließend
folgt eine neue Sequenz mit denselben Messungen und Berechnungen
mit anschließender
Berechnung der Verschiebung der Planierschaufel von der vorherigen Messung,
wodurch die Richtung und Geschwindigkeit der Schaufel erhalten und
an der Anzeigeeinheit 9 angezeigt werden.
-
Die Messsequenzen werden während der Planierarbeit
der Maschine wiederholt, wodurch die Maschinenbedienperson während der
gesamten Zeit des Arbeitsfortschritts gegenwärtige Daten hinsichtlich der
Position, Ausrichtung, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der
Planierschaufel in dem festen Koordinatensystem erhält und dementsprechend eine
extrem gute Vorstellung davon erhält, wie die Arbeit verglichen
mit der gewünschten
Bodenbearbeitung fortschreitet und wie die Maschine zu manövrieren
ist.
-
Das geodätische Instrument kann seine
Ausrichtungen und Messungen nur in einer relativ langsamen Geschwindigkeit
in dem festen Koordinatensystem durchführen. Die Beschleunigungsmessvorrichtung
wird verwendet, um die Messergebnisse in den dazwischen liegenden
Zeiten zu aktualisieren. Ein spezieller Vorteil dieser Aktualisierungsfunktion zwischen
den Aktualisierungen durch das geodätische Instrument ist, dass
weil die Messung zu den zwei Messzielen 4a und 4b in 3 nicht gleichzeitig durchgeführt werden
kann, es mit dem Aktualisieren möglich
ist, zu erzielen, dass die Verzögerung
zwischen den nacheinander folgenden Messungen zu den Reflektoren
ausgeglichen werden kann.
-
Da die Verschiebungsrichtung und
Geschwindigkeit der Maschine kontinuierlich berechnet wird, ist
es ebenso vorteilhaft, eine vorhergesagte Position und Ausrichtung
sowohl für
die Maschine als auch den Arbeitsteil für eine bestimmte Zeit im voraus
zu berechnen, basierend auf zuvor berechneten Daten. Wie derartige
Berechnungen mit Hilfe der zuletzt und früher berechneten Daten durchgeführt werden,
ist für
den Fachmann offensichtlich und wird daher nicht näher beschrieben.
-
Zahlreiche Modifikationen der gezeigten Ausführungsformen
sind innerhalb des Schutzbereichs möglich, der durch die beigefügten Ansprüche gegeben
ist. Es ist dementsprechend möglich,
gemischte Designs sowohl mit Prismen als auch Radionavigationsantennen
als Positionsdetektoreinheiten einzusetzen. Beispielsweise kann
die Positions- und Rotationsausrichtung eines geodätischen
Instruments mit Hilfe einer oder mehrerer Radionavigationsantennen
bestimmt werden, beispielsweise einer an dem geodätischen
Instrument und einer in einem Abstand von diesem. Andere Arten von
Arbeitsmaschinen als die gezeigten, bei denen man kontinuierliche
Information über
Position, Winkelposition und Arbeitsrichtung während des Arbeitsfortschritts
haben möchte,
wie Krane, Bagger oder dergleichen, können extrem vorteilhaft mit
der Erfindung ausgestattet werden. Jede genannte Berechnungseinheit ist
geeigneter Weise ein Computer oder eine Unterroutine in einem Computer,
wie es heutzutage üblich ist.