CN101652679A - 土方工程机械用的测定位置系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土方工程机械(2a、2b)用的、用于测定地下物体(1)位置的测定位置系统，其中，所述土方工程机械具有工作部(3a)，所述测定位置系统具有固定部(4a)和探测部(5a)。固定部(4a)例如能够以磁性方式设置在工作部(3a)上。探测部(5a)被构造用于根据能够指定给该物体(1)的电磁场来探测该物体(1)，并且探测部(5a)以钟摆的方式设置在固定部(4a)上，于是所述探测部(5a)的定向是在重力作用下实现的。需要时，该测定位置系统也包括计算部，其用于根据所述探测结果推导出该物体(1)的距离信息。该测定位置系统还具有指示部，以便示出或者转发所述探测和/或距离信息。

Description

土方工程机械用的测定位置系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的、用于测定地下物体位置的、土方工程机械用的测定位置系统。

背景技术

在进行土方工程期间、尤其是在进行挖掘时必须知道地下物体(如铺设在地下的供应管线)的埋藏位置，以避免例如对供应管线和/或所采用的土方工程机械造成损伤。通常关于这些物体的记录是不完整的、错误的或者甚至根本就不存在。因此，在土方工程开始之前必须在要开挖的土地上对地下物体进行调查。这种研究通常是根据对可以指定给该物体的电磁场进行探测而实现的，例如采用常见的手持式测位仪。

对土地进行扫描尤其在大面积范围工作时造成了大量的时间开销和费用开销。因此，通常将测定位置仪器或者测位仪(如电缆探测器)直接安装在土方工程机械(如挖掘机)上，并且在进行土方工程期间对埋藏的物体进行检测。为了尽可能避免在挖掘时触及到该物体而有利地采用了测位仪，通过该测位仪甚至可以确定出埋藏物体的深度。为此公开了一些具有两个天线的测位仪，这些天线在该物体的垂线上间隔地设置。根据这些天线检测到的磁场情况(Feld-

)以及天线之间的已知距离可以推导出该物体至测位仪的距离。按照有利方式存储并记录该物体数据，从而可以建立或者补充土地文档(如地图)。

US 6,633,163描述了一种土方工程机械，其中，两个磁场探测器以不同高度设置在该土方工程机械上。通过对探测器测量结果进行比较得到与土方工程机械靠近磁场发生方(Feld-Erzeuger)有关的信息。通过所示系统可以确定磁场发生方到土方工程机械的相对位置。在所述美国专利文献中没有提及如何确定磁场发生方到土方工程机械的距离，或者说如何确定磁场发生方深度。另外，由于该探测器直接设置在机器上，因此该系统仅适合于将工作部向回拉的土方工程机械。

US 5,592,092描述了两个传感器，它们间隔地设置在挖掘机的铲斗上，用于检测地下物体的磁场。根据传感器之间的已知距离、探测到的场强值之间的差别以及铲斗的位置，推导出铲斗至物体的距离。由于传感器安装在铲斗上，因此视铲斗姿态而定，这些传感器未必垂直位于该物体上方。因此，在确定距离时必须要考虑铲斗姿态。由于直接固定在铲斗上，因此在挖掘时存在损伤这些传感器的危险。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种土方工程机械用的不易受到损伤的测定位置系统，在进行土方工程时可以利用该测定位置系统检测地下物体。

另一任务在于提供一种土方工程机械用的不易受到损伤的测定位置系统，利用该测定位置系统还可以确定到地下物体的距离。

通过权利要求1或者从属权利要求的主题来解决这些任务或者进一步改进这些解决方案。

根据本发明，土方工程机械用的测定位置系统具有钟摆式地设置在固定部上的探测部。为了在土方工程机械的工作部(如挖掘机臂)上实现安装、尤其是为了实现可拆除的固定而采用该固定部。按照有利方式，该固定部可以如此设置在工作部上，即，使探测部定位成尽可能地不受损伤。通过钟摆式地将探测部设置在固定部上，使得对于工作部的各种姿态来说，均通过重力作用实现了探测部的定向。于是，以复杂程度较低并且不易受到损坏的方式实现了探测部竖直取向的测定位置系统。

因此，例如可以有利地应用其结构复杂度较低的探测部，例如应用具有两个天线的探测部(这两个天线在轴上沿着竖直方向间隔地设置)，根据这些天线可以确定物体到探测部的距离，而无需额外的传感器以及复杂的数据分析算法。

探测部以钟摆的方式设置在固定部上，这可以通过不同方式方法来实现。例如，探测部通过柔性连接件安装在固定部上，该固定部例如是简单的保持板。柔性连接件例如由橡胶或者软塑料制成，并且与探测部和固定部连接，例如通过螺纹连接、插接式连接或者粘合连接。视探测部的重量而定，连接件能够以或高或低的柔性如此实现，即，在通过连接件将探测部设置在固定部上时，探测部可以在重力作用下实现定向。

钟摆式设置方式也可以借助于框架式结构实现。探测部能够像摆动体那样例如以能够在一个或两个方向上摆动的方式悬挂在框架内。该框架也可以被构造为一个或多个万向接头，用于探测部的万向悬挂。也可以将该框架安装在固定部上，或者该框架可以表现为固定部。例如，形成固定部的框架可以磁性地固定在工作部上。

为了钟摆式地安装探测部，固定部也可以具有相应的接纳部，在所述接纳部中例如通过一个或两个轴承(例如球轴承)、或者如具有两个转动自由度的球窝接头来安装探测部。

通过探测部的根据本发明的布置方式实现了该探测部的所谓的自动式竖直定向，从而无需额外措施就确定了第一测量参数。如前所述的那样，探测部例如具有第一和第二天线，这些天线彼此之间以固定的距离设置，其中，当探测部在重力作用下定向时这些天线是如此相对地表设置的，即，第一天线到地表的距离为第一距离，而第二天线到地表的距离为第二距离，在此第一距离小于第二距离，也就是说，比之第二天线，第一天线以更大强度探测到由地下物体发射的磁场。根据天线测量结果的比值可以简单地确定出到该物体的距离。

能够指定给该物体的电磁场例如是通过交流电产生的磁场或者感生的磁场。于是，通常可以根据铺设于地下的供应管线(如：高压及低压线、电信线路或者水管)或者其他地下物体的时变磁场来测定这些管线的位置。这些磁场例如是因电流流过这些管线而产生，正如被施加了交流电的高压线或低压线那样。或者，这些磁场是通过将电磁信号施加到的线路中而生成的磁场，或者是在这些线路中反射的磁场。所述施加是通过直接向导电的供应管线施加而实现的，或者所述施加是通过在管线中感生磁场而实现的。导电的供应管线的交变磁场也可以通过来自远距离的发射器的信号(如无线电发射器的无线电信号)感生得到。另外，这些磁场也可以来自发射器或者来自这些线路。例如，在非导电的供应管线中(如在陶瓷管或者塑料管中)穿入导线，或者将该导线铺设在这些供应管线侧旁，并向该导线供应交流电。

磁场的强度是从源点(即，导线或者发射器)到测量点距离的一个度量标准。当电流正好流过直线导线时，磁场强度与距离d成反比地降低(B～k/d)，在磁场为偶极子场(Dipolfeld)的情况下，磁场强度与距离d的三次方成反比地降低(B～k/d³)，其中，k表示比例常数；而B表示磁场的强度。

如前所述，借助于天线间隔地设置的探测部在两个间隔开的测量点处对源点的磁场进行检测，也就是说对到该源点的两个距离进行检测。最后形成所测量的场强之比，从而抵消了比例常数。根据所测量的磁场以及这些天线之间的已知的相对距离可以确定到该源点的距离。

比之具有两个天线的探测部，具有三个或多个天线的本发明测定位置系统探测部能够以更高精度确定物体的距离。

如果探测部具有用于检测磁场的天线，那么这些天线可以是单轴、双轴或者三轴天线。借助于多轴天线可以在多个空间方向上测量磁场，于是不仅能够确定到物体的距离而且也能够确定到物体的方向向量。

作为天线的另选方案，本发明测定位置系统的探测部也可以包括磁场探测器，例如磁强计或者霍尔传感器。

探测部也可以具有发射器和接收器，特别是用于测距。

例如，探测部表现为雷达，在此根据由探测部的发送单元发送并由该探测部的接收单元接收的辐射来探测物体。

需要时，探测部还包括激光测距仪、GPS系统或者其他的光学测量设备，以便测量到原本的或者处理后的地表的距离。如果结合探测部可以确定到物体的距离，那么可以测量探测部或者工作部相对地表的位置，以便确定物体的深度。可以依照所确定的深度来控制工作部。

也可以通过在机器控制中常见的其他方法来执行工作部的位置确定。例如，已经公开的有：测量工作部上的反射器。借助倾斜及压力传感器来确定作为工作部的挖掘机臂的位置，这同样是已知的。

根据本发明的测定位置系统被构造为土方工程机械用的测定位置系统。土方工程机械尤其表现为挖掘机，其具有作为工作部的挖掘机臂。通常，挖掘机臂包括第一和第二臂部以及铲斗，它们的高度均可以调整。在这样一个挖掘机臂上，将本发明测定位置系统的固定部如此安装在挖掘机臂上，优选安装在第二臂部上，即，使该固定部尽可能靠近铲斗地设置，但是在挖掘机臂的任何一种姿态中均不会触及铲斗。

固定部例如被构造为金属板，并且能够以磁性方式固定在工作部上。或者如前所述，可以将固定部形成为框架式保持部。在最简单情况下，固定部表现为索或带，所述索或带可以设置在工作部上，例如缠绕并固定在挖掘机臂上，并且探测部将被悬挂或者绑紧、或者说已经悬挂或者绑紧在所述挖掘机臂上。将固定部形成为壳体例如对于电池或者安装固定部和/或探测部用的工具来说是有利的。如果根据本发明的测定位置系统包括计算部，那么也可以有利地将该计算部安装在该壳体内。

可以采用各种方式方法实现在工作部上的设置。固定部能够以可拆卸的方式固定在工作部上，例如以磁性的方式，其做法是：固定部形成有磁性元件。例如也可以通过粘合和焊接将固定部固定在工作部上(例如：该固定部表现为不显眼地固定安装在工作部上的支承板)；探测部同样通过一个或多个连接件设置在所述支承板上。固定部在工作部上的设置和/或探测部在固定部上的设置，也都可以通过悬挂或者固定、螺纹连接、弹簧锁合、钩接、插销接合或者夹紧连接来实现。

根据本发明的测定位置系统还包括指示部，用于指示探测部的探测结果。如果探测仅是对检测电磁场进行探测，那么可以在探测到时由指示部生成警告信号。该警告信号例如以声音信号或者光信号的形式提供给用户(如挖掘机驾驶员)。附加地或者另选地，警告信号可以是土方工程机械的控制装置的信号，据此例如停止该机器的运动和/或工作部的运动。

需要时，根据本发明的测定位置系统包括计算部。借助计算部可以进一步处理探测部的探测结果。例如，根据该探测结果推导出至物体的距离，并且在需要时存储它。计算部可以经由相应的接口与指示部通信，该指示部示出或者转发由计算部推导出的信息(例如距离信息)。

为了指示给用户，指示部例如形成有图形显示器，并且该指示部设置在驾驶室内。在该显示器上将探测结果作为警告信号示出，例如借助闪烁或者点亮的灯。在一个地表模型中，可以以图形方式借助指示灯或者数值示出距离信息。另选地或者附加地，也可以设置声音报警。

计算部例如是微处理器。另外，可以给计算部或者指示部分配控制器。

探测部、指示部、任选的计算部以及任选的控制器均具有通信装置。该通信装置可以是电缆连接，或者无线接口，如蓝牙或者现场总线(CANBUS)。这些部件例如也通过无线电信号进行通信。通信是在各个部件之间进行的。另外，也可以与外部装置(如由用户操作的控制系统)或者与土方工程机械的控制装置进行通信。

附图说明

下面将结合在附图中示意性示出的实施例，纯粹示例性地详细说明或者阐述根据本发明的测定位置系统。

图中：

图1示出作为土方工程机械的挖掘机，其具有根据本发明的测定位置系统；

图2示出作为土方工程机械的挖掘机，其具有根据本发明的测定位置系统的部件；

图3示出设置在本发明测定位置系统的固定部上的钟摆式探测部的实施方式；

图4示出本发明测定位置系统的在挖掘机臂上的部件；

图5示出具有本发明测定位置系统的挖掘机，该测定位置系统具有固定部、连接部和探测部；

图6示出本发明测定位置系统的另一个实施例；

图7以六个部分视图示出本发明测定位置系统的相关部件的实施例；以及

图8示出本发明测定位置系统的指示部的一个实施例。

具体实施方式

图1示出了挖掘机2a，其作为土方工程机械具有根据本发明的测定位置系统。挖掘机2a行驶在要对其进行挖掘的地表10上。例如，挖掘工作是建造道路或者铺设线路或管路的一部分。在将要开挖的地表之下已经铺设有作为地下物体的供应管线1，在此供应管线1发射电磁场。挖掘机2a具有挖掘机臂3a，其作为工作部具有第一臂部11a和第二臂部12a以及铲斗13a，它们均可以借助液压缸调节高度。在第二臂部12a上设置有作为根据本发明的测定位置系统的部件的固定部4a、柔性连接件7a以及探测部5a，在此固定部4a被构造为以磁性方式固定在第二臂部上的的壳体并且为测定位置系统的指示部所用(未示出)。探测部5a间接地通过柔性连接件7a如此设置在固定部4a上，即，探测部5a能够在水平面中钟摆式地摆动。由于连接件7a是以柔性方式构成的，所以探测部5a的定向是在重力作用下实现的。因此在这里在挖掘机臂3a的各种姿态中(第二姿态以虚线示出)，探测部5a均以垂直于地表10和供应管线1方式取向。探测部5a被构造用于探测电磁辐射。只要探测到了辐射，那么就通过设置在呈壳体形式的固定部4a内的指示部将该探测情况转发至挖掘机2a的控制装置。该转发是通过无线电(如蓝牙接口)实现的。也可以将指示部和探测部5a设置在一个共用的壳体内，例如安装在一个电路板上。

图2也示出了挖掘机2a，其作为土方工程机械具有本发明测定位置系统的部件。作为固定部的圆形金属片4b被焊接在挖掘机臂3b的第二臂11b上；根据图1，探测部5b通过柔性连接件7b以钟摆的方式设置在该圆形金属片4b上。测定位置系统的指示部未示出。

图3示出了本发明测定位置系统的探测部在其固定部上的另一种钟摆式设置方式。该固定部被固定在挖掘机臂3c上并被构造为框架4c，其中，以能够关于轴线9摆动的方式悬挂探测部5c。

图4示出了挖掘机臂3b，其具有本发明测定位置系统的部件。从图可见，该测定位置系统的探测部5d是如此设置的，即，其尽可能设置在铲斗13d的近旁，但是尚保留一定距离以使得其不会触及该铲斗。挖掘机臂3d上还设有反射元件14。可以通过视距仪测量反射元件14，从而确定该元件的位置。挖掘机臂3d还配备有下列传感器，即，压力传感器15、15′、15″，它们被相应地分配给未示出的液压缸(未示出)，这些液压缸用于调整挖掘机臂3d的第一臂部11d和第二臂部12d以及铲斗13d。另外第一臂部11d、第二臂部12d以及铲斗13d分别配备有倾斜传感器。图中未示出倾斜传感器。借助反射元件14以及这些传感器可以计算出铲斗下侧边缘的位置。如果现在通过测定位置系统确定了到地下物体的距离，那么结合对挖掘机臂3d位置的认知，进而结合对与挖掘机臂3d保持固定位置关系的探测部5d位置的认知，可以确定出该物体的深度。

图5中的挖掘机在地表10′处挖出土方。在挖掘机臂上，探测部5e以钟摆的方式通过固定部4e和连接部7e设置在臂部12e上，臂部12e以可转动的方式与铲斗13e连接。根据后续的图7E，探测部5e具有天线和激光测距仪。通过借助该激光测距仪测量至地表的距离(在此，例如是至挖掘得到的地表10″的距离)，就可以根据由探测部5e的探测数据计算得到的物体距离确定出该物体深度。该图示出了，探测部5e通过连接件7e和固定部4e如此设置在臂部12e上，即，探测部5e即使在铲斗13e完全折叠的情况下也不会触及到铲斗13e，进而保护其不受铲斗13e损坏。在臂部12e回退时(如虚线所示姿态)，探测部贴靠在该臂部上。在运输挖掘机时(即，挖掘机未投入使用时)可以简单地去除探测部5e以及其他可选的部件。也可以给探测部5e设置固定装置，以使得可以固定探测部5e并使其不会摆动(例如在运输挖掘机时或者已经足够精确地记录了该区域内的地下物体的情况时)。

图6示出本发明测定位置系统的一个实施例，其具有作为壳体4f的、被构造用于计算部的固定部。探测部5f通过连接件7f以钟摆的方式设置在壳体4f上。根据该图，该固定部被安装在挖掘机2f的位于前方的起重臂部12f上。作为固定部的壳体4f在壳体背板上设有磁体条，通过该磁体条，壳体4f以磁性方式固定在位于前方的臂部12f上。磁性固定允许快速简单地安装及拆除壳体4f。在挖掘机2f的驾驶室内设有指示部6f，其包括图形显示器。指示部6f例如是依照下面在图8中示出的实施例构成的。

图7A-7F更详细地示出了图6中的探测部5f、连接件7f和固定部。固定部被构造为电池仓16以及计算部8f用的壳体4f(参见图7C)。

连接件7f以波纹管的方式构成并且由柔性的塑料材料制成。连接件7f通过螺纹件17、17′不仅与探测部5f的壳体18而且也与固定部牢固地螺纹连接。

探测部5f具有第一天线20a和第二天线20b，这些天线以彼此保持已知轴向距离d的方式设置在壳体18内。图7E示出了探测部的一个实施例，其同样具有第一及第二天线20a′、20b′(它们彼此也保持固定距离)，并且附加地还具有激光测距仪19。例如以单线圈或者多线圈的方式，将这些天线构造为单轴天线20c、双轴天线20d或者三轴天线20e，如图7F所示。地下导线的时变磁场在这些天线的一个或多个线圈的端部之间感生出电压，所感生出的电压取决于该磁场的大小。在计算部8f中，根据这些天线的输出，推导出该导线的距离值。所述推导例如可以表现为简单地将距离值指定给这些天线的输出。

在图8中示出了本发明测定位置系统的指示部6g的一个实施例。指示部6g具有图形显示器6g′，并且被构造为指示及控制单元。在图形显示器6g′上形成有多个LED作为可视指示装置，并且还形成有多个开关按钮用于选择设定。这里开关按钮包括“静音”开关按钮21，用于使得声音报警被静默(在此，除了可视报警信号之外还设置了所述声音报警)。通过另一个开关按钮22可以将该测定位置系统切换到“待机”或者“运行”。与开关按钮相关的LED 23通过点亮来指示出哪种设定是激活的。两个另外的LED 24示出了计算部8f和探测部5f的电池状态以及显示器6g′的电池状态。位于显示器6g′上侧区域中的多个LED 25是与探测到的地下物体的距离信息有关的可视显示器。以三个色彩段(绿、黄、红)对它们进行划分。如果绿色的LED 25′点亮，这表明探测到了地下物体，但是该物体处于30cm之外的距离中。黄色LED 25″点亮表明该物体现在处于30cm之内的距离中。红色LED 25′″点亮表明该物体处于10cm之内并且处于最高报警等级中。

Claims (11)

1.一种土方工程机械(2a、2b)用的、用于测定地下物体(1)位置的测定位置系统，其中，所述地下物体例如是供应管线，所述土方工程机械具有工作部(3a)，所述工作部尤其是指挖掘机臂(3b、3c、3d)，所述测定位置系统具有：

·设置在所述工作部(3a)上的固定部(4a、4b、4c、4e、4f)；

·直接或间接地设置在所述固定部(4a、4b、4c、4e、4f)上的探测部(5a、5b、5c、5d、5e、5f)，该探测部根据能够指定给所述物体(1)的电磁场来探测所述物体(1)；

·任选的计算部(8f)，其用于分析探测器信号，尤其用于推导并存储关于所述物体(1)的距离信息；以及

指示部(6f、6g)，其用于指示或者转发所述探测器信号和/或对所述探测器信号的评估，尤其是距离信息，

所述测定位置系统的特征在于，

所述探测部(5a、5b、5c、5d、5e、5f)以钟摆的方式设置在所述固定部(4a、4b、4c、4e、4f)上，于是所述探测部(5a、5b、5c、5d、5e、5f)的定向是在重力作用下实现的。

2.根据权利要求1所述的测定位置系统，其特征在于，所述探测部(5e、5f)具有用于检测电磁场的第一天线(20a、20a′)和第二天线(20b、20b′)，这些天线以彼此保持固定距离的方式如此设置，即，根据所述第一天线(20a、20a′)和所述第二天线(20b、20b′)检测到的磁场的强度之比来推导出所述探测部(5e、5f)至所述物体(1)的距离。

3.根据权利要求1或2所述的测定位置系统，其特征在于，所述探测部(5a、5b、5d、5e、5f)通过柔性连接件(7a、7b、7f)设置在所述固定部(4a、4b、4d、4e、4f)上，其中，所述柔性连接件例如是由塑料或者橡胶材料制成的。

4.根据权利要求1或2所述的测定位置系统，其特征在于，所述固定部(4c)被构造为框架(4c)，并且所述探测部(5c)以可围绕轴(9)枢转的方式设置在所述框架(4c)内。

5.根据权利要求1或2所述的测定位置系统，其特征在于，所述固定部被构造为接纳部，并且所述探测部以铰接、尤其是球窝接头的方式安装在所述接纳部内。

6.根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述固定部(4a、4f)是以能够磁性地固定的方式形成的。

7.根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述指示部(6f、6g)将所述探测结果和/或所述距离信息

·指示给用户，并且附加地或者替换地

·转发给所述土方工程机械(2a、2b)的控制装置，所述控制装置例如是所述工作部(3a)的致动装置。

8.根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述指示部(6f、6g)具有图形显示器(6g′)。

9.根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述指示部(6g)具有：

·可视指示装置，如多个LED(25)；和/或

·声音指示装置。

10.根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述固定部(4a、4f)被构造为下列部件的壳体(4a、4f)：

·所述计算部(8f)；和/或

·所述指示部。

11.根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，设有测距仪，所述测距仪与所述测定位置系统相配合并且尤其被设置在所述探测部(5e)上。

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