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Einrichtung zur fortwährenden Ermittlung der Istlage eines beweglichen Gerätes in einem Bezugskoordinatensystem
Gegenstand der 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 Lösung dieser Aufgabe bekannt. So können z. B. Lenkraketen so ausgerüste 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 bzw. vorbestimmte 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 Funksignalbündel 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 Tunnelbohrmaschine oder auch eines andern Bodenbearbeitungsgerätes fortwährend zu vermessen und gegebenenfalls 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.
Gemäss der 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 Längskoordinatenachse durch ein extrem enges Lichtbündel apparativ erfühlbar ist und dass am beweg lichen Gerät ein Sensor für das Lichtbündel servomotorisch in zwei Querkoordinatenrichtungen verstellbar angebaut ist, die zwangsläufig stets mindestens angenähert parall 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 desSensorzentrums gegenüber einem gerätefestenFixpunkt 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
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hätte. Es ist vor allem zu beachten, dass durch 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 Sensorverstellantriebe dies zulassen.
Wie nachstehend an Hand der Zeichnungen 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.
Es zeigt Fig. l der Zeichnungen in Form eines geometrischen Schaubildes einbeispielsweises Realisierungsprinzip der Erfindung, Fig. 2 zeigt schematisch im Grundriss, der aber ebensogut 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 zur Gewinnung der Steuersignale für die Servomotoren, Fig. 5 stellt ein Zeit- bzw.
Winkeldiagramm für die Bezugssignale und den Photozellenstrom i für verschiedene Realtivlagen der Lichtbündelachse zum Zentrum der Sensorblende dar, Fig. 6 zeigt 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 für den Vergleich der servomotorisch ermittelten Ablagekomponenten der gerätefesten Bezugspunkte von der Lichtachse mit vorgegebenen entsprechenden Werten und Fig. 8 ein Beispiel eines Armaturenbrettes im Führerstand einer Tunnelbohrmaschine, die mit einer erfindungsgemässen Lageermittlungseinrichtung ausgerüstet ist.
In Fig. l ist ein Balken G sichtbar, der einen festen Bauteil eines Arbeitsgerätes, z. B. einer Tunnelbohrmaschine bilden mag. Zwei ausgezeichnete Eckpunkte 01 und dieses Balkens G bilden die Ursprünge je eines gerätefesten Bezugskoordinatensystems #1H1# bzw. #2H2#, wobei die beiden Koordirmtensysteme zwangsläufig zur Parallelität und zur festen Distanzierung in der gemein-
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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 01'02 und
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ist, Sensoren S1, S2 befestigt und je in zugeordneten gerätefesten Quer-Koordinatenrichtungen #1H1 bzw. ,H verschiebbar sind und dass es möglich ist zu erfühlen, ob die Zentren SOl, SO2 der beiden Sensoren genau in der Lichtbündelachse A liegen. Unter diesen Umständen definieren die Koordinatenpaare gl, ii, bzw. #2, #2 genau die Positionen der Sensorzentren SO1, SO2 gegenüber dem Balken G, d. h. dem Gerät.
Sofern weiterhin noch der Winkel # jederzeit bekannt ist, um welchen die gerätefesten Koordinatensysteme ,Hl bzw. *H. gegenüber den räumlich festen, d. h. z. B. auf das Lot bezogenen Koordinatensystemen Xl Y1 bzw. X2 Y2 verdreht ist, lassen sich die Lagen der beiden gerätefesten Punkte O1 und O2 in einem räumlich festen Koordinatensystem, ge- gebendurchdieLichtbündelachse A als Z-Achse und die horizontalen bzw. vertikalen Richtungen X, Y nach folgenden Beziehungen genau definieren :
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Aus den so errechneten Wertepaaren xl Yl und x y lassen sich gemäss nachfolgender Beziehung die Komponenten X, os des Winkels zwischen der Achse Z, d. h. der Geraden O1 O2 und der Lichtbündelachse A in der YZ- bzw. XZ-Ebene errechnen.
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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 an Hand von Fig. 8 erläutert werden wird, an seinem Instrumentarium jederzeit die Lagefehlerkomponenten fx fy und die Orientierungsfehler fa fA ablesen und entsprechende Massnahmen 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 desssen Intensität noch ausreicht. Im allgemeinen wird das bei Stollenbauten etwa für eine Bohrstrecke von zirka 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.
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besprochen.
Auf dem Arbeitsgerät G (s. Fig.2) sind zwei Trägerplatten l1 und l2 in vorbestimmter Orientierung und in vorbestimmter Distanz lz fest montiert. Jede dieser Platten bildet den Träger eines Sensors und von dessen servomotorischen Verstellantrieben. Auf Schlitten-Führungen 10 dieser Grundplatten sind Zwischenplatten 22 bzw. 21 in Richtung quer zur Papierebene, d. h. in der Koordinatenachse : = : verschiebbar. Zu diesem Zweck ist 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 in der vertikalen Richtung H verschiebbar, zu welchem Zweck an der Zwischenplatte 2 ebenfalls ein Servomotor SM befestigt ist, dessen Abtriebszahnrad 23 in eine Zahnstange 33 am Sensorgehäuse 3 eingreift.
Im Sensorgehäuse 3z ist eine Bildoptik 30 montiert, deren optische Achse mit a2 bezeichnet ist. In gleicher Weise ist in dem nur teilweise gezeichneten Sensorgehäuse 31 der Grundplatte 11 die optische Achse mit al bezeichnet. Über 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
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als fernanzeigbare Gleichstromsignale ermitteln.
Endlich zeigt noch Fig. 8 ein Beispiel eines Instrumentenbrettes im Überwachungsraum der Bohrmaschine.