CH520977A - Device for guiding a work machine - Google Patents

Device for guiding a work machine

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Publication number
CH520977A
CH520977A CH376770A CH376770A CH520977A CH 520977 A CH520977 A CH 520977A CH 376770 A CH376770 A CH 376770A CH 376770 A CH376770 A CH 376770A CH 520977 A CH520977 A CH 520977A
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
work machine
amplifier
guiding
control
laser
Prior art date
Application number
CH376770A
Other languages
German (de)
Inventor
Thorn Juergen
Moritz Horst
Original Assignee
Siemens Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19681806450 external-priority patent/DE1806450C/en
Priority claimed from DE1913398A external-priority patent/DE1913398C3/en
Application filed by Siemens Ag filed Critical Siemens Ag
Publication of CH520977A publication Critical patent/CH520977A/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0231Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means
    • G05D1/0234Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means using optical markers or beacons
    • G05D1/0236Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means using optical markers or beacons in combination with a laser

Description

  

      Vorrichtung    zur Führung     einer    Arbeitsmaschine    Das Hauptpatent betrifft eine Vorrichtung zur Füh  rung einer Arbeitsmaschine in einer bestimmten Füh  rungsebene mit Hilfe eines von einem fest aufgestellten  Laser erzeugten, in der Führungsebene aufgefächerten  Leitstrahls, wobei die Laserstrahlung moduliert ist und  eine mit der Arbeitsmaschine fest verbundene Emp  fangseinrichtung vorgesehen ist, die wenigstens zwei auf  einer Achse senkrecht zur Führungsebene angeordnete  Fotoempfänger enthält, welche bei einer Abweichung  der Arbeitsmaschine aus der Führungsebene über einen  Differenzverstärker ein Steuersignal für die Rück  führung der Arbeitsmaschine in die Führungsebene  erzeugen.  



  Die Erfindung gemäss dem Hauptpatent geht dabei  von der Erkenntnis aus, dass zur genauen Führung mit  einer Empfangseinrichtung, die nur wenige, insbesonde  re zwei Fotoelemente enthält, diese relativ nahe überein  ander oder nebeneinander angeordnet werden müssen,  um bereits kleine Abweichungen aus der Sollebene  feststellen zu können. In diesem Fall wird die Laser  strahlung, die im Normalfall in einer Ebene zwischen  den beiden Fotozellen auftrifft, auch bei einer geringen  seitlichen Verschiebung noch beide Fotoelemente beein  flussen, so dass eine automatische Anzeige unabhängiger  Fotoelemente überhaupt nicht möglich ist. Durch das  Vorsehen eines Differenzverstärkers wird jedoch die  geringe unterschiedliche Strahlungsdichte am Ort der  beiden Fotozellen erkannt und zur Bildung eines Steuer  signals für den Antrieb einer Arbeitsmaschine verwen  det.  



  Die zu führende Arbeitsmaschine, beispielsweise  eine Tunnelvortriebsmaschine, ein Drainage-Pflug oder  eine Gleisbaumaschine, bewegt sich dabei im Laufe  eines Führungsabschnittes von dem festaufgestellten    Laser weg bzw. auf diesen zu, wobei die Entfernung  vom Laser zwischen einigen Metern und einigen hundert  Metern schwanken kann. Da nun auch noch bei einer  Entfernung von einigen hundert Metern das im Diffe  renzverstärker gebildete Signal genügend gross sein  muss, damit die zur Korrektur einer etwaigen Abwei  chung dienenden Einrichtungen geschaltet werden kön  nen, treten im Nahbereich, d. h. bei einer Bewegung der  Arbeitsmaschine in der Nähe des Lasers Schwierigkeiten  auf, was sich insbesondere in einer verminderten An  sprechempfindlichkeit äussert.  



  Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe  gestellt, die Vorrichtung nach dem Hauptpatent derart  zu verbessern, dass diese Schwierigkeiten und Empfind  lichkeitsverluste vermieden werden. Zur Lösung dieser  Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs erwähn  ten Art vorgesehen, dass die an die Fotoempfänger  anschliessende Verstärkeranordnung mit einem automa  tisch arbeitenden Regelkreis versehen ist, der eine  Aussteuerung irgendeiner der     Verstärkerstufen    in ihren  Sättigungsbereich ausschliesst.  



  Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus,  dass die Empfindlichkeitsabnahme im Bereich kleiner  Entfernungen zwischen dem Laser und der Arbeitsma  schine auf einer Sättigung der den Fotoelementen  nachgeschalteten Verstärkern beruht. Aufgrund der       Strahlauffächerung    ist nämlich die auf die Fotoelemente  auftreffende Strahlungsdichte bei kleiner Entfernung  sehr viel grösser als bei grossen Entfernungen. Die zur  Erzielung eines ausreichend grossen Steuersignals bei  grossen Entfernungen nötige Verstärkung führt bei den  hohen Strahlungsdichten, denen die Fotoelemente in der  Nähe des Lasers ausgesetzt sind, unweigerlich zu einem  Übersteuern der nachgeschalteten Verstärker.

        Da nun aber die auf einer Achse     senkrecht    zur  Ebene des Strahlfächers angeordneten Fotoempfänger  im allgemeinen einen Abstand haben sollen, der kleiner  ist als die Breite des Strahlfächers senkrecht zur  Auffächerungsrichtung, damit bereits kleinste Verschie  bungen erkannt und korrigiert werden können, sind  bereits bei einer Lage der Arbeitsmaschine in der  Sollebene, d. h. wenn das Zentrum des Strahlfächers  genau     zwischen    den Fotozellen liegt, die auf die Fotoele  mente auftreffenden, relativ geringen Teilstrahlungslei  stungen in der Nähe des Lasers so gross, dass die       nachgeschalteten    Verstärker sättigen und eine Verschie  bung des Strahlzentrums, d. h.

   ein Fehllauf der Maschi  ne erst bei sehr grossen Verschiebungen eine Änderung  des Ausgangssignals     bewirkt.     



  Wird eine derartige Sättigung der Verstärker durch  eine erfindungsgemäss ausgestaltete Vorrichtung vermie  den, so erhöht sich der Empfindlichkeitsbereich der       Vorrichtung    um Grössenanordnungen, so dass bereits  Verschiebungen um weniger als 1 mm zu einem Schalten  der     Korrektur-Relais    ausreichen.  



  Da die Sättigung der Verstärker im allgemeinen erst  in den letzten Stufen eintritt, kann der Regelkreis in  einfacher Weise dadurch gebildet sein, dass in den  Ausgangskreis der vor den zur Sättigung neigenden  Endstufen gelegene Eingangsstufen der Verstärker va  riable Ausgangsbelastungen eingeführt werden, die sich  gemäss einem aus den Verstärkerausgängen gebildeten       Summensignale    ändern. Dieses Summensignal kann in  einfacher Weise in der nachgeschalteten Differenzstufe  miterzeugt werden, während die variable Belastung  vorteilhafterweise eine geeignete Transistorschaltung  ist.  



  Anhand des in der Figur der Zeichnung schematisch  dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung  nachstehend näher erläutert werden.  



  Im Ausführungsbeispiel ist eine Zweikanal-Emp  fangseinrichtung dargestellt, wobei jedem Kanal eine  Fotozelle 6 bzw. 7 zugeordnet ist. Das Ausgangssignal  dieser Fotozelle 6 und 7 wird jeweils mit Hilfe von  zweigeteilten Verstärkerstufen V11 und V12 bzw. V21 und       V22    einem Differenzverstärker 8 zugeführt, dessen Aus  gängen 11a bzw. 11b die positiven bzw. negativen  Steuersignale entnommen werden, die bei     Überschreiten     einer bestimmten Grösse ein Relais 26 oder 27 schalten.

    Zusätzlich zu dieser Differenzbildung wird aus den  Signalen S1 und S2 in einer Summierstufe 28 ein    Summensignal S1 und S2 gebildet, welches in den  Ausgangskreisen der Verstärker     V11    und     V21        liegende     variable Belastungen 29 und 30 steuert.  



       Mit    Hilfe eines erfindungsgemässen Regelkreises ist  also die Verstärkung der     einzelnen    Kanäle im Nahfeld  des Lasers, d. h. bei grossser Strahlungsdichte auf den  Fotoempfängern klein und bei     grosser    Entfernung gross,  so dass die an den Ausgängen 11a und 11b der  Differenzstufe auftretenden Steuersignale bereits bei  kleinen Verschiebungen des Strahlzentrums - unab  hängig von der Entfernung der     Arbeitsmaschine    vom  Laser - zum Schalten der     Relais    ausreichen.  



  Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausfüh  rungsbeispiel beschränkt; so kann die Ausbildung des  Regelkreises auch in anderer Weise erfolgen, wobei es  insbesondere auch möglich wäre, anstelle einer Regelung  mit Hilfe des     Summensignals    eine getrennte Regelung  jedes     einzelnen    Kanals mit Hilfe des von ihm abgegebe  nen Signals S1 bzw. S2 vorzunehmen.



      Device for guiding a work machine The main patent relates to a device for guiding a work machine in a certain management level with the help of a guide beam generated by a fixed laser, fanned out in the management level, the laser radiation being modulated and a receiving device firmly connected to the work machine is provided, which contains at least two photoreceivers arranged on an axis perpendicular to the guide plane, which generate a control signal for the return of the machine to the guide plane via a differential amplifier when the machine deviates from the guide plane.



  The invention according to the main patent is based on the knowledge that for precise guidance with a receiving device that contains only a few, in particular two photo elements, these must be arranged relatively close on top of each other or next to each other in order to determine even small deviations from the target plane can. In this case, the laser radiation, which normally hits a plane between the two photo cells, will still influence both photo elements even with a slight lateral shift, so that an automatic display of independent photo elements is not possible at all. By providing a differential amplifier, however, the slight difference in radiation density at the location of the two photocells is recognized and used to form a control signal for driving a work machine.



  The working machine to be guided, for example a tunnel boring machine, a drainage plow or a track construction machine, moves away from or towards the fixed laser in the course of a guide section, whereby the distance from the laser can vary between a few meters and a few hundred meters. Since the signal formed in the differential amplifier must be sufficiently large even at a distance of a few hundred meters so that the devices used to correct any deviations can be switched. H. Difficulties arise when the work machine moves in the vicinity of the laser, which is expressed in particular in a reduced sensitivity to speech.



  The present invention has now set itself the task of improving the device according to the main patent in such a way that these difficulties and sensitivity losses are avoided. To solve this problem, a device of the type mentioned at the outset provides that the amplifier arrangement connected to the photoreceiver is provided with an automatically operating control circuit which excludes any of the amplifier stages from being controlled in their saturation range.



  The invention is based on the knowledge that the decrease in sensitivity in the area of small distances between the laser and the work machine is based on a saturation of the amplifiers connected downstream of the photo elements. Because of the fanning out of the beams, the radiation density impinging on the photo elements is much greater at a small distance than at a great distance. The amplification necessary to achieve a sufficiently large control signal at large distances inevitably leads to an overdrive of the downstream amplifier given the high radiation densities to which the photo elements in the vicinity of the laser are exposed.

        But since the photoreceivers arranged on an axis perpendicular to the plane of the beam fan should generally have a distance that is smaller than the width of the beam fan perpendicular to the fanning direction, so that even the smallest shifts can be recognized and corrected, are already at one location Working machine in the target plane, d. H. if the center of the beam fan is exactly between the photocells, the relatively low Teilstrahlungslei stungen impinging on the Fotoele elements in the vicinity of the laser so large that the downstream amplifiers saturate and a shift of the beam center, d. H.

   a malfunction of the machine only causes a change in the output signal with very large shifts.



  If such a saturation of the amplifiers is avoided by a device designed according to the invention, the sensitivity range of the device increases by orders of magnitude so that shifts of less than 1 mm are sufficient to switch the correction relays.



  Since the saturation of the amplifier generally only occurs in the last stages, the control loop can be formed in a simple manner in that variable output loads are introduced into the output circuit of the amplifier input stages located upstream of the output stages tending to saturation, which are produced according to a change the sum signals formed at the amplifier outputs. This sum signal can be generated in a simple manner in the downstream differential stage, while the variable load is advantageously a suitable transistor circuit.



  The invention will be explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiment shown schematically in the figure of the drawing.



  In the exemplary embodiment, a two-channel Emp receiving device is shown, each channel being assigned a photocell 6 or 7. The output signal of this photocell 6 and 7 is fed to a differential amplifier 8 with the help of two-part amplifier stages V11 and V12 or V21 and V22, whose outputs 11a and 11b, the positive and negative control signals are taken, which are exceeded when a certain value is exceeded Switch relay 26 or 27.

    In addition to this difference formation, a sum signal S1 and S2 is formed from the signals S1 and S2 in a summing stage 28 which controls variable loads 29 and 30 in the output circuits of the amplifiers V11 and V21.



       With the aid of a control circuit according to the invention, the gain of the individual channels in the near field of the laser, i.e. H. With high radiation density on the photoreceivers small and with great distance large, so that the control signals occurring at the outputs 11a and 11b of the differential stage are sufficient to switch the relays even with small shifts of the beam center - regardless of the distance between the machine and the laser.



  The invention is not limited to the illustrated Ausfüh approximately example; the control loop can also be designed in a different way, in which case it would also be possible, instead of a control with the aid of the sum signal, to control each individual channel separately with the aid of the signal S1 or S2 given by it.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Vorrichtung zur Führung einer Arbeitsmaschine nach dem Patentanspruch des Hauptpatentes, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Fotoempfänger an- schliessende Verstärkeranordnung mit einem automa tisch arbeitenden Regelkreis (28, 29, 30) versehen ist, der eine Aussteuerung irgendeiner der Verstärkerstufen (V12, V22) in ihren Sättigungsbereich ausschliesst. PATENT CLAIM Device for guiding a work machine according to the patent claim of the main patent, characterized in that the amplifier arrangement connected to the photoreceiver is provided with an automatically operating control circuit (28, 29, 30) which controls any one of the amplifier stages (V12, V22 ) in their saturation range. UNTERANSPRUCH Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass den Fotoempfängern Verstärker nachge schaltet sind, deren Ausgangssignale über ein Differenz glied das Steuersignal erzeugen und zur Aussteuerungs- regelung über ein Summierglied (28) in den Ausgangs kreisen von Verstärkerstufen liegende variable Belastun gen (29, 30) steuern. SUBSTANTIAL CLAIM Device according to claim, characterized in that amplifiers are connected downstream of the photo receivers, the output signals of which generate the control signal via a differential element and, for level control, a summing element (28) in the output circuits of amplifier stages has variable loads (29, 30) control.
CH376770A 1968-10-31 1970-03-13 Device for guiding a work machine CH520977A (en)

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DE19681806450 DE1806450C (en) 1968-10-31 Arrangement for the controlled guidance of a work machine with the help of laser beams
DE1913398A DE1913398C3 (en) 1969-03-17 1969-03-17 Arrangement for the controlled guidance of a work machine with the help of laser beams

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CH376770A CH520977A (en) 1968-10-31 1970-03-13 Device for guiding a work machine

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1988360A1 (en) * 2007-05-04 2008-11-05 Leica Geosystems AG Operating method for creating ground markings and reference beam generator

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