DE10111529A1 - Vorrichtung zum Koppeln eines Gerätes an einem Arbeitsfahrzeug - Google Patents
Vorrichtung zum Koppeln eines Gerätes an einem ArbeitsfahrzeugInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zum Koppeln eines Gerätes (28) an ein Arbeitsfahrzeug (10), insbesondere einem landwirtschaftlichen oder industriellen Fahrzeug, mit einer Geräteschnittstelle, die fahrzeugseitige Koppelelemente (26) und korrespondierende geräteseitige Koppelelemente (30) aufweist, beschrieben. Um die Lagen der fahrzeugseitigen Koppelelemente (26) relativ zum Arbeitsfahrzeug (10) einstellen zu können, sind Einstellmittel (12, 14, 16, 18, 20, 22) vorgesehen. DOLLAR A Zur Entlastung der Bedienungsperson und zur Erleichterung und Beschleunigung des Koppelvorgangs wird vorgeschlagen, wenigstens eine Sensoreinrichtung (34, 36, 68, 70, 72, 74, 76, 78) vorzusehen, welche die Lage der geräteseitigen Koppelelemente (30) erkennt. Eine Auswerteeinrichtung ermittelt die relative Lage der geräteseitigen Koppelelemente zu den fahrzeugseitigen Koppelelementen, und eine Steuereinrichtung berechnet eine Bewegungsbahn (46) für den Kopplungsvorgang und steuert aufgrund eines Startsignals die Einstellmittel (12, 14, 16, 18, 20, 22) an, um den Kopplungsvorgang entlang der Bewegungsbahn (46, 50) automatisch durchzuführen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Koppeln eines
Gerätes an ein Arbeitsfahrzeug, insbesondere einem
landwirtschaftlichen oder industriellen Fahrzeug, mit einer
Geräteschnittstelle, die fahrzeugseitige Koppelelemente und
korrespondierende geräteseitige Koppelelemente aufweist. Um die
räumlichen Lagen der fahrzeugseitigen Koppelelemente relativ
zum Fahrzeug einstellen zu können, sind hierfür geeignete
Einstellmittel vorgesehen.
Es sind unterschiedliche Anbauschnittstellen, auch
Gerätekopplungsvorrichtungen genannt, bekannt, durch die
beispielsweise landwirtschaftliche Anbaugeräte an ein
landwirtschaftlichen Fahrzeug, wie Ackerschlepper oder
Erntemaschine, befestigbar sind. Dabei sind die
fahrzeugseitigen Koppelelemente häufig nicht starr mit dem
Fahrzeug verbunden sondern lassen sich relativ zum Fahrzeug
bewegen, so dass sich auch das Anbaugerät relativ zum Fahrzeug
bewegen lässt. Als Koppelelemente sind eine Vielzahl von
Befestigungsmöglichkeiten bekannt, beispielsweise als Haken
ausgebildete Kopplungspunkte oder Kopplungsplatten mit
flächenartigen Kopplungsbereichen.
Die US-A-3,432,184 beschreibt eine Anbauvorrichtung für einen
Traktor mit einer dreieckförmigen Koppelplatte, die über
mehrere hydraulische und elektrische Aktuatoren mit dem
Traktorrahmen in Verbindung steht und sich durch Betätigung der
Aktuatoren relativ zum Fahrzeugrahmen innerhalb eines
vorgegebenen Bewegungsraums translatorisch und rotatorisch
bewegen lässt. Das Anbaugerät enthält ebenfalls eine
dreieckförmige Anbauplatte, deren obere Kanten flanschartig
umgebogen sind, so dass sie die entsprechenden Kanten der
Koppelplatte aufnehmen können. Die bekannte Anbauvorrichtung
soll eine einfache und schnelle Aufnahme von Anbaugeräten von
der Fahrzeugkabine aus ermöglichen, ohne dass zuvor eine genaue
Ausrichtung des Traktors zum Anbaugerät erfolgen muss. Zu
diesem Zweck lassen sich die Aktuatoren von einer
Bedienungskonsole in der Fahrzeugkabine aus ansteuern. Zum
Ankoppeln wird zunächst die Koppelplatte abgesenkt, dann wird
das Fahrzeug bewegt, um die Koppelplatte in die Nähe der
Anbauplatte zu bringen, und schließlich werden bei stehendem
Fahrzeug die Aktuatoren betätigt, um die beiden Platten
zueinander auszurichten und gegebenenfalls miteinander zu
verriegeln. Das Koppeln ist jedoch häufig schwierig, da die
Bedienungsperson von der Fahrerkabine aus die Koppelstelle
schlecht einsehen und die Abstände zwischen der Koppelplatte
und der Anbauplatte schlecht abschätzen kann. Es ist viel
Fingerspitzengefühl erforderlich, um den Koppelvorgang
zuverlässig auszuführen. Dies erfordert Geduld und Zeit.
Um den Koppelvorgang zwischen Fahrzeug und einer
Anhängerkupplung vom Fahrerplatz aus besser beobachten zu
können, wurde durch die US-A-6,076,847 vorgeschlagen, auf der
Anhängerdeichsel einen schräggestellten Spiegel derart über der
Anhängekupplung zu montieren, dass die Bedienungsperson mit
Hilfe des Spiegels die Anhängerkupplung von oben beobachten
kann. Selbst mit diesem Hilfsmittel ist der Manövriervorgang
beim Kuppeln schwierig.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen,
eine Koppelvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben,
durch welche die vorgenannten Probleme überwunden werden.
Insbesondere soll die Bedienungsperson entlastet und der
Koppelvorgang erleichtert und beschleunigt werden, was zu Zeit-
und Kraftstoffeinsparungen führt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des
Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
Die erfindungsgemäße Koppelvorrichtung enthält eine
Geräteschnittstelle, die fahrzeugseitige Koppelelemente und
korrespondierende geräteseitige Koppelelemente aufweist. Durch
Einstellmittel lässt sich die räumliche Lage der
fahrzeugseitigen Koppelelemente relativ zum Arbeitsfahrzeug
einstellen. Die Erfindung schlägt die Verwendung wenigstens
einer Sensoreinrichtung vor, welche die Lage der geräteseitigen
Koppelelemente erkennt bzw. erfasst. Eine Auswerteeinrichtung
ermittelt die relative Lage der geräteseitigen Koppelelemente
zu den fahrzeugseitigen Koppelelementen. Eine Steuereinrichtung
berechnet eine Bewegungsbahn für den Kopplungsvorgang und
steuert aufgrund eines Startsignals die Einstellmittel derart
an, dass der Kopplungsvorgang entlang der berechneten
Bewegungsbahn vollautomatisch ausgeführt wird.
Um eine Gerätekopplung vorzunehmen, wird die Arbeitsmaschine
zunächst in die Nähe des Anbaugerätes gefahren. Bei der
Annäherung des Arbeitsfahrzeuges zum Gerät wird durch eine
Sensoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung die Lage der
geräteseitigen Koppelelemente relativ zu einem vorgegebenen
Punkt an der Arbeitsmaschine bzw. zu der Lage der
geräteseitigen Koppelelementen ständig oder periodisch
innerhalb vorgebbarer Zeitintervalle erfasst. Dabei werden aus
den durch die Sensoreinrichtung gewonnenen Messwerten die
zugehörigen Koordinaten der geräteseitigen Koppelelemente
berechnet und es wird laufend geprüft, ob sich die
geräteseitigen Koppelelemente im Bewegungsbereich (Arbeitsraum)
der fahrzeugseitigen Kopplungselemente befinden. Da sich die
fahrzeugseitigen Koppelelemente durch die Einstellmittel
innerhalb eines relativ großen Bewegungsbereichs einstellen
lassen, hat der Fahrer zur Ausrichtung des Arbeitsfahrzeugs
relativ zum Anbaugerät einen großen Spielraum und kann das
Fahrzeug rasch an das Anbaugerät annähern.
Wenn das Fahrzeug in eine Lage gefahren wurde, in der sich die
geräteseitigen Koppelelemente im Arbeitsraum befinden, wird
durch die Auswerteeinrichtung eine geeignete Information,
beispielsweise in Form eines akustischen oder optischen
Signals, an die Bedienungsperson abgegeben. Die
Bedienungsperson bringt nun das Arbeitsfahrzeug zum stehen und
prüft, ob der Kopplungsbereich hindernisfrei ist und eine
gefahrlose automatische Kopplung erfolgen kann. Ist dies der
Fall, so aktiviert die Bedienungsperson, beispielsweise durch
Betätigung eines Druckknopfschalters, den automatischen
Koppelvorgang. Die Steuereinrichtung berechnet aus der
aktuellen relativen Lage zwischen den fahrzeugseitigen und den
geräteseitigen Koppelelementen eine Bewegungsbahn für den
Koppelvorgang und steuert die Einstellmittel an, um die
fahrzeugseitigen Koppelelemente automatisch entlang der
berechneten Bewegungsbahn an die geräteseitigen Koppelelemente
anzunähern. Bei der Berechnung der Bewegungsbahn wird die Lage
der geräteseitigen Koppelpunkte als Ziel-Lage verwendet, die
sich bei stehendem Arbeitsfahrzeug und Gerät nicht verändert.
Die jeweilige Ist-Lage der fahrzeugseitigen Koppelpunkte wird
durch eine geeignete mit den Einstellmitteln zusammenwirkende
Sensorik erkannt bzw. erfasst.
Die erfindungsgemäße Koppelvorrichtung erlaubt einen weitgehend
automatisierten Koppelvorgang zwischen Arbeitsfahrzeug und
Anbaugerät, der keine besonderen Anforderungen an die
Geschicklichkeit und Erfahrung der Bedienungsperson stellt.
Durch die Bereitstellung eines automatischen Kuppelvorgangs
wird die Bedienungsperson entlastet und kann ihre
Aufmerksamkeit voll auf Sicherheitsaspekte richten,
beispielsweise darauf, ob Personen durch den Koppelvorgang
gefährdet werden oder ob sich Hindernisse im Koppelbereich
befinden. Der Koppelvorgang kann zügig durchgeführt werden,
weil er automatisch abläuft und nicht von der Geschicklichkeit
der Bedienungsperson abhängt. Dies führt zu Zeit- und
Kraftstoffeinsparungen.
Vorzugsweise sind die fahrzeugseitigen Koppelelemente auf einem
Kopplungsrahmen angeordnet, der durch längenveränderliche
Einstellmittel mit dem Fahrzeug in Verbindung steht. Als
Einstellmittel kommen beispielsweise ein- oder doppelseitig
wirkende Hydraulikzylinder in Betracht. Es können jedoch auch
andere hydraulische oder elektromechanische Stellelemente
verwendet werden. Der Koppelrahmen kann vielfältig ausgebildet
sein. Beispielsweise ist er eine im wesentlichen dreieckförmige
Platte, die als Einphasenkuppler ausgebildet ist und an deren
Eckpunkten die Einstellmittel angreifen, wie es aus der US-A-
3,432, 184 hervorgeht. Der Koppelrahmen kann auch die Form eines
gleichschenkligen oder gleichseitigen Dreieckrahmens haben, an
dessen Eckpunkten einerseits die Einstellmittel gelenkig
angreifen und andererseits Kopplungselemente in Form von Haken
und dergleichen befestigt sind, wie es aus der
nachveröffentlichten DE-A-199 51 840 hervorgeht. Es kann sich
bei dem Koppelrahmen auch um einen Portalrahmen handeln mit
einem oberen Horizontalbalken und zwei seitlichen
Vertikalbalken (US-A-5,092,409).
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass die Koppelvorrichtung wenigstens sechs
längenverstellbare Einstellmittel enthält, deren jeweils erstes
Ende gelenkig mit dem Fahrzeug verbunden ist und deren jeweils
zweites Ende gelenkig mit einem Kopplungsrahmen, auf dem die
Kopplungselemente angeordnet sind, in Verbindung steht. Die
Einstellmittel sind dabei in geschlossenen kinematischen Ketten
angeordnet und ermöglichen die Bewegung des Kopplungsrahmens in
sechs Freiheitsgraden. Eine derartige Anordnung der
Einstellmittel geht aus der nachveröffentlichten DE-A-19 951 840
hervor, auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird.
Durch diese Anordnung lassen sich die Koppelelemente oder
Koppelpunkte innerhalb weiter Grenzen innerhalb eines großen
Arbeitsraumes in sechs Freiheitsgraden beliebig bewegen und
einstellen. Dies begünstigt es, dass schon bei grober
Positionierung des Arbeitsfahrzeugs eine automatische Kopplung
erfolgen kann.
Vorzugsweise sind die Einstellmittel nach Art eines Hexapoden
angeordnet. Eine Hexapod-Anordnung wird beispielsweise in der
nachveröffentlichten DE-A-199 51 840 beschrieben. Die
Einstellmittel sind mit Wegsensoren ausgestattet, aus deren
Messwerten sich die jeweilige räumlichen Ist-Lage des
Kopplungsrahmens und damit auch die Ist-Lagen der
Koppelelemente oder Kopplungspunkte bestimmen lassen. Hierbei
können bekannte Berechnungsmethoden angewendet werden
(Hebsacker, M.: Die Auslegung der Kinematik des Hexaglide -
Methodik für die Auslegung paralleler Werkzeugmaschinen, VDI
Berichte Nr. 1427, 1998).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind
Sensoren zur Längenmessung der längenverstellbaren
Einstellmittel vorgesehen. Aus den Messwerten der Sensoren
lassen sich die Koordinaten der Koppelpunkte des Hexapod-Anbaus
berechnen. Die Sensoren können beispielsweise in die
Hydraulikzylinder einer Hexapod-Anordnung integriert sein.
Als Sensoreinrichtung für die Erkennung der räumlichen Lage der
geräteseitigen Koppelpunkte kommen eine Reihe bekannter
Verfahren in Betracht, die bisher für andere Anwendungszwecke
verwendet wurden.
Ein geeignetes Verfahren für die Positionserkennung bedient
sich der Bildverarbeitung, durch welche die Signale einer oder
mehrerer Kameras ausgewertet werden. Beispielsweise werden zwei
Kameras seitlich nebeneinander in den Eckpunkten des
Fahrzeugkabinendachs montiert und auf die geräteseitige
Kopplungsstruktur ausgerichtet. Die Kameras nehmen die
Kopplungsstruktur in fester geometrischer Anordnung auf und
erkennen charakteristische Merkmale der zu messenden
Kopplungsstruktur. Sie übertragen die digitalen Bilder zu einem
Steuergerät, in dem die Bilder mit entsprechender Software
verarbeitet werden, um die Koordinaten der geräteseitigen
Koppelelemente oder Kopplungspunkte zu berechnen.
Bei der Auswertung werden Bildverarbeitungsmethoden verwendet,
wie sie bei der Automatisierung in der industriellen
Fertigungstechnik für die Lageerkennung eines Werkstückes im
Raum eingesetzt werden. Nach einer bekannten Methode werden
zuerst charakteristische, optisch hervortretende Bereiche,
beispielsweise Ecken oder Bohrungen, eines Werkstücks
ermittelt, die anschließend mit Hilfe einer Relaxation den
entsprechenden charakteristischen Bereichen eines bekannten
Prototypen zugeordnet werden. Über die Zuordnung kann dann die
Lage des gesamten Werkstücks ermittelt werden.
Vorzugsweise werden durch die beiden Kameras auch Teile der
Einstellmittel, insbesondere des Hexapods, aufgenommen, so
dass bei der Verarbeitung der Bilder die Koordinaten der
geräteseitigen Kopplungspunkte relativ zum Hexapodanbau
ermittelt werden. Dies erlaubt die Korrektur von Fehlern, die
durch Montagetoleranzen bei der Befestigung der beiden Kameras
oder durch geringfügige Verschiebungen der Kameras infolge des
Fahrzeugbetriebs verursacht werden.
In Abhängigkeit von der verwendeten Bildverarbeitungssoftware
werden Schwarzweiß- oder Farbkameras eingesetzt. Die
Bildverarbeitungsmethode hat den Vorteil, dass selbst dann,
wenn bei der Vermessung ein charakteristisches Merkmal ganz
oder teilweise ausfällt (z. B. wenn dieses Merkmal durch
Bauteile verdeckt wird), sich die Lage der Kopplungspunkte
noch eindeutig bestimmen lässt. Eine entsprechende Software
für den Roboter-Einsatz wird durch die Fa. ISRA Vision Systems
AG, Darmstadt, DE angeboten.
Bei einer weiteren Sensoreinrichtung für die Erkennung der
räumlichen Orientierung und Position der geräteseitigen
Koppelpunkte werden sogenannte "3D magnetische Sensoren"
verwendet. Hierbei wird von einem auf dem Gerät befestigten
Transmitter über drei feste Antennen ein niedrigfrequentes Feld
erzeugt, das von einem Receiver an der Arbeitsmaschine gemessen
wird. Hier können dann die Position und Orientierung der
Kopplungspunkte des Gerätes algorithmisch bestimmt, und dem
Steuerungsgerät übermittelt werden.
Als Alternative zu magnetischen Sensoren können Ultraschall-
Sensoren verwendet werden. Ultraschall Sensoren bestehen aus
drei Komponenten: einem Transmitter, einem Receiver und einer
elektronischen Einheit. Der Transmitter besteht aus drei
Ultraschallgebern, die dreiecksförmig an dem Gerät angebracht
sind. Korrespondierend dazu ist ein kleines Dreieck von
Ultraschallmikrophonen auf der Arbeitsmaschine angebracht. In
dem Steuerungsgerät werden die Daten der Mikrophone in
Koordinaten der Kopplungspunkte konvertiert und an die
Hexapodsteuerung übermittelt. Da es sich hier um Schallwellen
handelt, ist dieses System anfällig gegenüber fremden
Schallquellen. Über das Multiplexen mehrerer Transmitter kann
das Problem der direkten Verbindung zwischen Transmitter und
Receiver auf Kosten der Updaterate gelöst werden. Die
Ultaschalllösungen bieten billige und ausreichend gute
Alternativen zu magnetischen Sensoren.
Eine weitere Sensoreinrichtung für die Erkennung der räumlichen
Lage der geräteseitigen Koppelpunkte bedient sich Laser-
Sensoren, wie sie beispielsweise bei der automatischen Lenkung
für Mähdrescher für die Erkennung der Bestandskante eingesetzt
werden ("Die Augen des Mähdreschers", Profi 12 (1999), S. 48-49).
Eine derartige Sensoreinrichtung besteht beispielsweise
aus zwei Laser-Sensoren, einem Sender und einem Empfänger, die
im Kabinendachbereich des Arbeitsfahrzeuges montiert werden und
sich um einen festen Winkelbereich von einigen Grad hin und her
verschwenken lassen. Aus dem Schwenkwinkel und dem Abstand zum
Gerät ergibt sich der abgetastete Bereich. Der Sensor strahlt
Infrarot-Laserstrahlen mit beispielsweise 60 MHz Pulsfrequenz
ab. Der Empfänger erfasst die von charakteristischen Bereichen,
wie Rahmenteilen und dergleichen reflektierten Strahlen. Aus
den Reflexionsdaten berechnet ein Prozessor die Lage des
charakteristischen Bereichs und leitet hieraus die Lage der
Kupplungspunkte ab.
Für die Ermittlung der Lage des Gerätekopplungsrahmens muss der
Scan-Vorgang räumlich durchgeführt werden. Das bedeutet, dass
der Sender und der Empfänger des Laser-Sensors nicht nur in
einer Ebene, sondern in zwei zueinander senkrechten Ebenen
bewegt werden sollte. Es können auch mehrere Laser-Sensoren,
die jeweils aus einem Sender und einem Empfänger bestehen,
eingesetzt werden. Dabei werden die Sender und Empfänger jedes
Laser-Sensors in einer eigenen zugehörigen horizontalen Ebene
bewegt. Die horizontalen Ebenen aller Laser-Sensoren sind
voneinander in vertikaler Richtung um vorgegebene Werte
versetzt. Somit wird aus den Daten aller Laser-Sensoren ein
räumliches Bild des gescannten Raums erstellt. Die Sensoren
sollen dabei so auf der Arbeitsmaschine plaziert werden, dass
die Geräteschnittstelle, insbesondere der Hexapod, nicht in dem
Scan-Bereich liegt, so dass die Messwerte der Laser-Sensoren
bei ihrer Bewegung nicht oder nur geringfügig beeinflusst
werden. Um dies zu erreichen können beispielsweise Laser-
Sensoren in das Hexapod integriert werden, indem sie z. B. in
der Nähe des Kopplungsrahmens bzw. auf diesem montiert werden.
Des weiteren kann die Lage der geräteseitigen Koppelelemente
bzw. Kopplungspunkten und ihre relative Zuordnung zu den
fahrzeugseitigen Koppelelementen bzw. Kopplungspunkten unter
Verwendung der GPS-Technik (Global Positioning System)
bestimmt werden, indem entsprechende GPS-Empfänger auf dem
Arbeitsfahrzeug und dem zu koppelnden Gerät montiert werden
und die GPS-Signale entsprechend ausgewertet werden. Zur
Bestimmung der räumlichen Ausrichtung der Koppelelemente
können beispielsweise sowohl auf dem Arbeitsfahrzeug als auch
auf dem Gerät je drei GPS-Systeme montiert werden.
Es sind auch weitere Messsysteme zur Bestimmung der relativen
räumlichen Lage der fahrzeugseitigen und der geräteseitigen
Koppelelemente verwendbar. Beispielsweise können Radarsender
verwendet werden, welche die Reflexionssignale von Reflektoren
empfangen und auswerten, die auf dem zu koppelnden Gerät
montiert sind.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist ein
durch eine Bedienungsperson betätigbares Bedienungselement
vorgesehen, das der Aktivierung des automatischen
Koppelvorgangs dient. Vor der Auslösung des automatischen
Koppelvorganges prüft die Bedienungsperson, ob der
Kopplungsbereich hindernisfrei ist. Vorzugsweise kann die
Bedienungsperson das Bedienungselement auch verwenden, um
jederzeit den automatischen Koppelvorgang abzubrechen.
Der Koppelvorgang sollte aus Sicherheitsgründen nur bei
stehender Arbeitsmaschine und bei stehendem Gerät durchgeführt
werden. Es ist daher zweckmäßig, dass die Steuereinrichtung
eine Abschaltfunktion enthält, die Relativbewegungen zwischen
dem Arbeitsfahrzeug und dem zu koppelnden Gerät wahrnimmt und
die bei überschreiten eines vorgebbaren Relativbewegungswertes
den automatischen Koppelvorgang abbricht. Beispielsweise wird
während eines automatischen Koppelvorganges, d. h. während der
automatischen Annäherung, die Ist-Lage der geräteseitigen
Kopplungspunkte periodisch in vorgebbaren Zeitintervallen
gemessen. Diese Werte werden mit der berechneten Soll-Lage für
die Bewegungsbahn verglichen. Übersteigt die Abweichung
zwischen Ist-Lage und Soll-Lage einen vorgebbaren Wert, so ist
dies ein Indiz dafür, dass sich die Lage der geräteseitigen
Kopplungspunkte relativ zur Position der Arbeitsmaschine
geändert hat, was bedeuten kann, das sich die Arbeitsmaschine
und/oder das Gerät relativ zum Boden bewegt. Der automatische
Koppelvorgang wird dann abgebrochen und lässt sich durch einen
durch die Bedienungsperson ausgelösten Aktivierungsbefehl
wieder in Gang setzen, wobei die Lage der geräteseitigen
Kopplungspunkte erneut zur Steuereinrichtung übertragen werden,
die eine neue Bewegungsbahn berechnet. Bei kleinen Abweichungen
zwischen der Ist-Lage und der Soll-Lage wird der Koppelvorgang
nicht abgebrochen.
Häufig erfolgt das Ankoppeln nicht lediglich durch eine
geradlinige Annäherung zwischen den fahrzeugseitigen
Koppelpunkten an die geräteseitigen Koppelpunkte. Werden
beispielsweise Koppelhaken verwendet, so muss im letzten
Abschnitt der Annäherung ein Einhängen erfolgen, was z. B.
einen vertikalen Verlauf der Bewegungsbahn erfordern kann.
Dieser letzte Abschnitt lässt sich jedoch nicht auf einfache
Weise aufgrund der gemessenen Lagen der Koppelelemente durch
die Steuereinrichtung berechnen. Eine bevorzugte Weiterbildung
der Erfindung sieht daher vor, dass wenigstens ein Abschnitt
der Bewegungsbahn in der Steuereinrichtung vorprogrammiert
ist. Dabei sollen Parameter für die Bewegungsbahn durch die
Steuerung vorgegeben werden. Diese Parameter werden aus dem
Kopplungsvorgang und den Geometriedaten des jeweiligen
Koppelsystems abgeleitet.
Der vorprogrammierte Abschnitt der Bewegungsbahn hängt von der
Art des jeweiligen Kopplungsmechanismus ab. Zur Kopplung
unterschiedlicher Anbaugeräte können mehrere, auf die
jeweiligen Anbaugeräte abgestimmte Bewegungsbahnabschnitte
vorprogrammiert und dann durch eine geeignete
Eingabevorrichtung durch die Bedienungsperson ausgewählt
werden. Soll beispielsweise eine Kopplung nach Art eines
sogenannten Weiste-Dreiecks (DE-AS-12 154 19) erfolgen, wird
zunächst durch eine automatische Annäherung längs der
berechneten Bewegungsbahn das fahrzeugseitige Weiste-Dreieck in
die Nähe des geräteseitigen Fangdreiecks gebracht und zu diesem
parallel ausgerichtet. Mit Erreichen einer definierten
Relativlage erfolgt die Steuerung anhand der vorprogrammierten
Bewegungsbahn. Dabei wird das Weiste-Dreieck parallel zum
Fangdreieck geführt bis es sich unter dem Fangdreieck befindet
und kopplungsbereit ist. In einem letzten vorprogrammierten
Bewegungsabschnitt wird das Weiste-Dreieck nach oben in das
Fangdreieck eingeschoben, wobei die beiden Dreiecke miteinander
arretiert werden. Die einzelnen Abschnitte der Bewegungsbahn
können gerade Linien sein. Gegebenenfalls müssen jedoch
Hindernisse berücksichtigt werden.
Die Programmierung der vorprogrammierten Bewegungsbahn kann
schwierig sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
sieht einen Lernmodus zum Erlernen des Verlaufs dieser
Bewegungsbahn vor. Zur Durchführung des Lernmodus steuert die
Bedienungsperson zunächst den fahrzeugseitigen Koppelrahmen
durch Betätigung von entsprechenden Stellelementen so an, dass
der fahrzeugseitige Koppelrahmen eine Ausgangslage in der Nähe
des geräteseitigen Koppelrahmens einnimmt. Dann aktiviert die
Bedienungsperson einen Lernmodus, setzt den Koppelvorgang von
Hand fort, beendet diesen und erzeugt schließlich ein
Endsignal, um der Steuereinrichtung das Ende des Lernmodus
anzuzeigen. Während des Lernmodus zeichnet die
Steuereinrichtung die Bewegungsparameter des fahrzeugseitigen
Koppelrahmens auf. Beim späteren Ausführen des automatischen
Koppelvorgangs, wird die im Lernmodus erlernte Bewegung durch
die Steuereinrichtung nachgebildet.
Werden während des automatischen Koppelvorgangs Hindernisse
durch die Sensor- und Auswerteeinrichtung erkannt, wird der
Koppelvorgang automatisch abgebrochen. Er kann durch ein von
der Bedienungsperson ausgelöstes Startsignal wieder fortgesetzt
werden.
Anhand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung
zeigt, werden nachfolgend die Erfindung sowie weitere Vorteile
und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung näher beschrieben und erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 die Seitenansicht eines Ackerschleppers und
eines Pflugs, die durch eine Anbauschnittstelle
miteinander koppelbar sind und eine optische
Sensoreinrichtung zur Automatisierung des
Koppelvorgangs enthalten,
Fig. 2 die perspektivische Prinzipskizze der in Fig. 1
dargestellten Anbauschnittstelle in Richtung
Fahrzeugheck gesehen,
Fig. 3 das Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen
Steuervorrichtung zum Koppeln eines Gerätes an
ein Arbeitsfahrzeug,
Fig. 4 einen Hexapodanbau mit magnetischen bzw.
akustischen Sensoreinrichtungen und
Fig. 5 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, bei
der anstelle einer optischen Sensoreinrichtung
Laser-Sensoren verwendet werden.
Aus den Fig. 1 und 2 geht ein Ackerschlepper 10 mit einer
Anbauschnittstelle hervor, die sechs nach Art eines Hexapoden
angeordnete Hydraulikzylinder 12, 14, 16, 18, 20, 22 enthält,
die einenends im Heckbereich 24 des Arbeitsfahrzeugs 10 und
anderenends an den Eckpunkten eines fahrzeugseitigen
Koppeldreiecks 26 gelenkig befestigt sind. Einzelheiten einer
derartigen Anbauschnittstelle sind in der nachveröffentlichten
DE-A-199 51 840 näher beschrieben. Hinter dem Ackerschlepper 10
befindet sich ein Arbeitsgerät, nämlich ein Pflug 28, an dem
ein geräteseitiges Koppeldreieck 30 befestigt ist. Das
geräteseitige Koppeldreieck 30 lässt sich auf übliche Weise
mit dem fahrzeugseitigen Kopplungsdreieck 26, beispielsweise
nach Art eines Weiste-Dreiecks koppeln. Zur Kopplung können
auch in den Eckpunkten des fahrzeugseitigen Koppeldreiecks 26
nicht dargestellte, nach hinten vorstehende und nach oben
offene Fanghaken verwendet werden, die zum Koppeln in
entsprechende, an dem geräteseitigen Koppeldreieck 30
angebrachte Aufnahmen eingreifen. Bei den Fanghaken und
Aufnahmen handelt es sich um die oben erwähnten Koppelelemente
oder Koppelpunkte.
In den seitlichen Eckpunkten des Fahrzeugkabinendachs 32 sind
zwei Kameras 34, 36 befestigt, von denen in Fig. 1 nur eine
sichtbar ist und die auf die Anbauschnittstelle, insbesondere
auf das geräteseitige Koppeldreieck 30 ausgerichtet sind und
den Koppelbereich überwachen.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, werden die Signale der beiden
Kameras 34, 36 durch eine elektronische
Bildverarbeitungseinrichtung 38 ausgewertet. Die
Bildverarbeitungseinrichtung 38 analysiert die Bilder der
beiden Kameras 34, 36 hinsichtlich charakteristischer
Bildelemente und bestimmt unter Verwendung - bekannter
Bildverarbeitungsmethoden die räumlichen Koordinaten X1, Y1,
21, α1, β1, und γ1 des geräteseitigen Koppeldreiecks 30 in
Bezug auf die Lage des Fahrzeugrumpfs.
In den Hydraulikzylindern 12, 14, 16, 18, 20, 22 des Hexapods
sind nicht näher dargestellte Wegsensoren 40 integriert, deren
Ausgangssignale dem jeweiligen Hub der Hydraulikzylinder 12,
14, 16, 18, 20, 22 entspricht. Aus den Wegsensorsignalen
berechnet eine elektronische Hexapod-Recheneinheit 42 die
räumlichen Koordinaten X, Y, Z, α, β, γ des fahrzeugseitigen
Koppeldreiecks bzw. der fahrzeugseitigen Koppelpunkte in Bezug
auf die Lage des Fahrzeugrumpfs.
Die von der Bildverarbeitungseinheit 38 und von der Hexapod-
Recheneinheit 42 berechneten Koordinaten werden einer
Steuereinrichtung 44 mitgeteilt, welche aus diesen Koordinaten
den ersten Abschnitt 46 einer Bewegungsbahn berechnet. Es
handelt sich bei dem ersten Abschnitt 46 der Bewegungsbahn um
eine gerade Linie, welche die Anfangskoordinaten X, Y, Z, α, β,
und γ, des fahrzeugseitigen Koppelrahmens mit den Koordinaten
eines Zielpunktes 48, der in einer festen räumlichen Relation
zum geräteseitigen Koppelrahmen 30 steht, verbindet. Der
geradlinigen Bewegungsbahn können Koordinatendrehungen
überlagert sein. In der Steuereinheit 44 ist eine zweite feste
Bewegungsbahn 50 gespeichert, die durch einen Lernmodus
ermittelt worden ist und die von der Art des konkreten
Koppelmechanismus abhängt.
Die Steuereinrichtung 44 steht mit einem durch eine
Bedienungsperson betätigbaren Aktivierungsschalter 52 in
Verbindung. Wird durch den Aktivierungsschalter 52 ein
Aktivierungssignal abgegeben, so berechnet die Steuereinheit 44
aus der ersten und der zweiten Bewegungsbahn 46, 50
Steuersignale für Proportionalventile 54, welche entsprechende
Ölmengen an die jeweiligen Hydraulikzylinder 12, 14, 16, 18,
20, 22 liefern, so dass diese aus- bzw. eingefahren werden, um
den fahrzeugseitigen Koppelrahmen 26 längs der Bewegungsbahnen
46, 50 zu bewegen und automatisch an den geräteseitigen
Koppelrahmen 30 anzunähern und den Koppelvorgang auszuführen.
Es ist des weiteren eine durch die Bedienungsperson betätigbare
Bedienungseinheit 56, beispielsweise ein Joystick, vorgesehen,
die mit der Steuereinrichtung 44 in Verbindung steht und der
manuellen Bedienung der Anbauschnittstelle dient.
Anstelle einer Bildverarbeitung, wie sie aus den Fig. 1 und
3 hervorgeht, können auch andere Sensoreinrichtungen zur
Erkennung der räumlichen Lage der geräteseitigen Koppelpunkte
verwendet werden. In Fig. 4 ist beispielsweise eine an einem
nicht näher gezeigten Arbeitsfahrzeug montierte Hexapod-
Anordnung 60 mit einem fahrzeugseitigen dreieckförmigen
Koppelrahmen 62 sowie eine geräteseitiger dreieckförmiger
Koppelrahmen 64 angedeutet. In den Eckpunkten des
geräteseitigen Koppelrahmens 64 ist je ein magnetischer
Transmitter 66 angeordnet, deren Magnetfelder durch auf dem
fahrzeugseitigen Koppelrahmen 62 angeordnete Receiver 68
empfangen werden. Aus den empfangenen Signalen lässt sich die
relative Lage des geräteseitigen Koppelrahmens eindeutig
bestimmen, so dass sich auch hier eine Bewegungsbahn berechnen
lässt, die zum Koppeln automatisch nachgefahren wird. Anstelle
der magnetischen Transmitter und Receiver können auch
Ultraschallsender und -empfänger eingesetzt werden.
In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden zur
Abtastung des Kopplungsbereichs anstelle den in Fig. 1
dargestellten optischen Kameras fünf Laser-Sensoren 70, 72, 74,
76, 78 verwendet, die jeweils aus einem Sender und einem
Empfänger bestehen. Die Laser-Sensoren lassen sich seitlich
verschwenken. Sie sind so angeordnet, dass jeder Laser-Sensor
auf eine zugehörige vertikale Ebene ausgerichtet ist. Die
horizontalen Ebenen der Laser-Sensoren sind voneinander um
vorgegebene Werte mit einem Abstand h versetzt. Aus den
gescannten Daten der Laser-Sensoren lässt sich ein räumliches
Bild des Anbauraumes erstellen. Markante Elemente des Gerätes
28 bzw. des Koppeldreiecks 30 werden durch die
Auswerteeinrichtung erkannt, so dass sich hieraus
gerätebezogene Koordinaten berechnen lassen. Die Auswertung der
Daten und Ansteuerung des Hexapoden kann auf ähnliche Weise
erfolgen, wie es anhand der optischen Bildverarbeitung
beschrieben wurde.
Auch wenn die Erfindung lediglich anhand einiger
Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, erschließen sich für
den Fachmann im Lichte der vorstehenden Beschreibung sowie der
Zeichnung viele verschiedenartige Alternativen, Modifikationen
und Varianten, die unter die vorliegende Erfindung fallen.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Koppeln eines Gerätes (28) an ein
Arbeitsfahrzeug (10), insbesondere einem landwirt
schaftlichen oder industriellen Fahrzeug, mit einer
Geräteschnittstelle, die fahrzeugseitige Koppelelemente
(26) und korrespondierende geräteseitige Koppelelemente
(30) aufweist, wobei Einstellmittel (12, 14, 16, 18, 20,
22) vorgesehen sind, durch die sich die Lagen der
fahrzeugseitigen Koppelelemente (26) relativ zum
Arbeitsfahrzeug (10) einstellen lassen, gekennzeichnet
durch wenigstens eine Sensoreinrichtung (34, 36, 68, 70,
72, 74, 76, 78), welche die Lage der geräteseitigen
Koppelelemente (30) erkennt, eine Auswerteeinrichtung,
welche die relative Lage der geräteseitigen Koppelelemente
zu den fahrzeugseitigen Koppelelementen ermittelt, und
eine Steuereinrichtung, die eine Bewegungsbahn (46) für
den Kopplungsvorgang berechnet und aufgrund eines
Startsignals die Einstellmittel (12, 14, 16, 18, 20, 22)
ansteuert, um den Kopplungsvorgang entlang der
Bewegungsbahn (46, 50) automatisch durchzuführen.
2. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die fahrzeugseitigen Koppelelemente auf einem
Kopplungsrahmen (26) angeordnet sind, der durch
längenveränderliche Einstellmittel (12, 14, 16, 18, 20,
22) mit dem Arbeitsfahrzeug (10) in Verbindung steht.
3. Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens sechs längenverstellbare Einstellmittel
(12, 14, 16, 18, 20, 22) vorgesehen sind, deren jeweils
erstes Ende gelenkig mit dem Arbeitsfahrzeug (10)
verbunden ist und deren jeweils zweites Ende gelenkig mit
einem Kopplungsrahmen (26), auf dem die Kopplungselemente
angeordnet sind, in Verbindung steht und dass die
Einstellmittel (12, 14, 16, 18, 20, 22) in geschlossenen
kinematischen Ketten angeordnet sind und die Bewegung des
Kopplungsrahmens (26) in sechs Freiheitsgraden
ermöglichen.
4. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellmittel (12, 14,
16, 18, 20, 22) nach Art eines Hexapoden angeordnet sind.
5. Koppelvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, dass Sensoren zur Längenmessung der
längenverstellbaren Einstellmittel (12, 14, 16, 18, 20,
22) vorgesehen sind und dass die Koordinaten der
Koppelpunkte des Hexapod-Anbaus aus den Messwerten der
Sensoren berechnet werden.
6. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung
wenigstens eine, vorzugsweise zwei, auf dem
Arbeitsfahrzeug (10) montierte und auf die geräteseitigen
Koppelelemente ausgerichtete Kameras (34, 36) und eine
Bildverarbeitung (38) enthält.
7. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung
magnetische Sensoren (66, 68), Ultraschall-Sensoren (66,
68), Laser-Sensoren (70, 72, 74, 76, 78), Radar-Sensoren
und/oder GPS-Sensoren enthält.
8. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein durch eine
Bedienungsperson betätigbares Bedienungselement (52)
vorgesehen ist, das der Aktivierung des automatischen
Koppelvorgangs dient.
9. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eine
Abschaltfunktion enthält, die Relativbewegungen zwischen
den fahrzeugseitigen Koppelelementen (26) und den
geräteseitigen Koppelelementen (30) wahrnimmt und die bei
Überschreiten eines vorgebbaren Relativbewegungswertes den
automatischen Koppelvorgang abbricht.
10. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt der
Bewegungsbahn (50) in der Steuereinrichtung vorpro
grammiert ist.
11. Koppelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der Verlauf des vorprogrammierten
Bewegungsbahn-Abschnitts (50) durch Ausführung eines
Lernmodus eingebbar ist.
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