DE10120895A1 - Terrestrial navigation system for ground processing- and land cultivation-robot, determines positional coordinates of work machine to the fixed points in relation to the movements of machine - Google Patents

Terrestrial navigation system for ground processing- and land cultivation-robot, determines positional coordinates of work machine to the fixed points in relation to the movements of machine

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Abstract

A device for terrestrial navigation of work-machines has electromagnetic waves radiated or reflected from fixed points and received by a receiving unit and the electromagnetic waves are incident via opening in a raster ring (1) onto a sensor plate, where by the spacing between the raster ring and the sensor plate it is achieved that the electromagnetic waves radiating from the fixed point only reach the radiation-sensitive surface of the sensor unit, when a fixed angle is set between the radiation path and the sensor plate, or when the radiation acts perpendicularly on the sensor unit.

Description

Bodenbearbeitungsgeräte wie z. B. Rasenmäher, Bodenlockerungsgeräte, usw. bedürfen bei den herkömmlichen Geräten ständigen Bedienpersonals. Diese müssen das Arbeitsgerät über die Arbeitsfläche lenken und dabei bestimmte Verstellungen der Arbeitsgeräte durchführen. Dieser hohe personelle Aufwand erfordert für die Leistungsanbieter erhebliche Lohnkosten und für den Privatmann aufwendigen Körper- und Zeiteinsatz.Soil cultivation equipment such. B. lawn mowers, soil loosening equipment, etc. need permanent operators in the conventional devices. They have to Steer the implement over the work surface and make certain adjustments Carry out work tools. This high manpower required for the Service provider considerable wage costs and for the private person and time commitment.

Da sich die Arbeitstätigkeit auf immer wiederkehrende Prozesse beschränkt und die Arbeitsflächen immer die gleichen sind, könnten Roboter eingesetzt werden, wenn es für die Arbeitsgeräte zur Führung über die Arbeitsfläche eine im Aufwand vertretbare Navigationseinrichtung geben würde.As the work is limited to recurring processes and the Worktops are always the same, robots could be used if it is for the work tools for guidance over the work surface is a reasonable effort Would give navigation facility.

Die auf dem Markt befindlichen Robotersysteme, wie die Rasenmäher der Firmen Husquarna und Roth, arbeiten innerhalb einer durch Induktionsschleifen begrenzten Fläche nach einem gesteuerten Zufallsprogramm und können nicht präzise Konturen abfahren und die Fläche immer im gleichen Ablauf bearbeiten. Dies stellt keine zufriedenstellende Lösung dar. Bodenbearbeitungs-Großgeräte wie Mähdrescher, bei denen die Arbeitsgenauigkeit bei einem Meter liegt, arbeiten mit normalen Satelliten- Navigationssystemen, zumal es bei Ackerflächen kaum Baumabschattungen für den Satellitenempfang gibt.The robot systems on the market, such as the company's lawn mowers Husquarna and Roth, work within a range limited by induction loops Area according to a controlled random program and can not precise contours drive off and always work the surface in the same sequence. This does not constitute satisfactory solution. Large tillage equipment such as combine harvesters, at which have a working accuracy of one meter, work with normal satellite Navigation systems, especially since there is hardly any tree shading for arable land Satellite reception there.

In DE 100 27 531 A1 wird eine programmierbare Bodenbearbeitungsmaschine vorgestellt, bei der die Navigation über ein Funksystem erfolgt. Funksignale haben frequenzabhängig Streu- und Reflexionswirkung, so daß sich die geforderte Genauigkeit bei der Ortsbestimmung nicht mit Sicherheit erfüllen läßt.DE 100 27 531 A1 presents a programmable tillage machine, in which the navigation takes place via a radio system. Radio signals are frequency dependent Scattering and reflection effect, so that the required accuracy in the Location determination can not be fulfilled with certainty.

Wenn die Konturengenauigkeit bei der Bodenbearbeitung jedoch kleiner 5 cm liegen soll, ist eine sehr aufwendige Satelliten-Navigationstechnik erforderlich, wie sie das im Aufbau befindliche SAPOS-HEPS-System der Landesvermessungsämter Deutschlands darstellt. Die Anschaffungskosten für das hochwertige Navigationsgerät und die laufenden Betriebskosten für die Einwahl in die erforderliche Referenzstation sind jedoch sehr hoch, zumal die erforderliche Funkverbindung zur Referenzstation über einen 2-m-Bandempfänger nicht ausreichend für alle Geländegegebenheiten gesichert ist.If, however, the contour accuracy during tillage should be less than 5 cm, a very complex satellite navigation technology is required, as it is under construction SAPOS-HEPS system of the state surveying offices in Germany. The acquisition costs for the high-quality navigation device and the current ones However, operating costs for dialing into the required reference station are very high,  especially since the required radio connection to the reference station via a 2 m band receiver is not adequately secured for all terrain conditions.

Aus den genannten Gründen ist ein terristisches Navigationssystem besser geeignet, die Navigation für die Bodenbearbeitungs-Roboter zu übernehmen, bei dem die jeweilige Ortsbestimmung mittels elektromagnetischer Wellen im sicht- oder nichtsichtbaren Lichtspektrum erfolgt, wie es nachfolgenden für ein Navigationsgerät beschrieben wird.For the reasons mentioned, a terrestrial navigation system is more suitable Take over navigation for the tillage robot, at which the respective Location determination by means of electromagnetic waves in the visible or invisible Light spectrum occurs as described below for a navigation device.

Zur Signalerkennung befindet sich an dem Navigationsgerät ein flacher, kreisförmig angeordneter Streifen (zylindrische o. ä. Form) mit am Umfang angeordneten, senkrechten Schlitzen (Rasterring). Innerhalb des Rasterringes (Anlage 1, Bild 1), zentriert und mit gleichem Abstand zum Rasterring angeordnet, befindet sich eine Platine (Sensorplatine), auf der sich verteilt Foto-Sensoren befinden (Anlage 1, Bild 2). Die einzelnen Sensoren, die sich jeweils hinter den einzelnen Schlitzen des Rasterringes befinden, bilden eine Gruppe; die Zahl der zu einer Gruppe gehörenden Sensoren ist abhängig von der Zahl der aufgestellten Signalgeber (Anlage 1, Bild 3). Zu jedem Schlitz im Rasterring gehört eine Sensorengruppe (Anlage 1, Bild 4). Die Sensorengruppen befinden sich im gleichen Winkelabstand auf der Platine, wie die Rasterschlitze zueinander einen Winkelabstand bilden.For signal detection, there is a flat, circular strip (cylindrical or similar shape) on the navigation device with vertical slots (grid ring) arranged on the circumference. Within the grid ring (Appendix 1, Figure 1), centered and arranged at the same distance from the grid ring, there is a circuit board (sensor board) on which there are photo sensors (Appendix 1 , Figure 2). The individual sensors, which are located behind the individual slots of the grid ring, form a group; the number of sensors belonging to a group depends on the number of signaling devices installed (Appendix 1, Figure 3). A sensor group belongs to each slot in the grid ring (Appendix 1, Figure 4). The sensor groups are located on the board at the same angular distance as the grid slots form an angular distance from each other.

Beispiel: Bei drei aufgestellten Signalgebern besteht die Sensorgruppe aus mindestens drei Sensoren. Hat der Rasterring 360 Schlitze, so sind auf der Platine 360 Sensorgruppen mit je drei Sensoren, folglich 1080 Sensoren angeordnet. Die Zahl der aufzustellenden Signalgeber ist abhängig von den Geländeverhältnissen (Abschattungen) und der Größe der Fläche.Example: With three signal heads installed, the sensor group consists of at least three sensors. If the raster ring has 360 slots, there are 360 on the board Sensor groups with three sensors each, consequently 1080 sensors arranged. The number of the signaling device to be set up depends on the terrain (shadowing) and the size of the area.

Die von den Signalgebern als Festpunkte abgestrahlten oder reflektierten elektromagnetischen Wellen treffen auf den Rasterring, dabei kann nur die Strahlung durch den Rasterschlitz die Sensorengruppe erreichen, die unter einem bestimmten Winkel (z. B. senkrecht) einfällt und zwischen Sensor und Signalgeber eine optische Achse bildet. Durch die einfallende magnetische Strahlung wird innerhalb der Sensorgruppe derjenige Sensor aktiviert, der für diese Strahlung durch die entsprechende Dotierung empfindlich ist, bzw. für den durch optische Filter diejenigen Wellenbereiche oder Polarisationsebenen aus dem Gesamtspektrum der Lichtquelle absorbiert bzw. durchgelassen wird, die zur Erkennung des jeweiligen Signalgebers erforderlich sind. Bei einem System Rasterring/Sensorplatine, bei dem der Rasterring 360 Schlitze besitzt und sich hinter jedem Schlitz eine Sensorgruppe mit drei Sensoren befindet (Anlage 2), hat das oberste Arrays von 360 Sensoren gleiche Dotierung oder gleiches Durchlaßbereich aus dem Gesamtspektrum. Für das zweite Arrays mit 360 Sensoren liegt eine andere Empfindlichkeit vor, bzw. es ist ein Filter-Durchlaßbereich gewählt, welches außerhalb der Halbwertsbreite der ersten Sensorgruppe liegt. Das gilt weiter für das dritte oder jedes weitere Arrays. Somit kann jeder Sensor aus dem Arrays den als Festpunkt aufgestellten Signalgeber erkennen und, wenn der bestimmte Sensor von der einfallenden Strahlung aktiviert wird, den Einfallswinkel zum Gerät registrieren. Bei z. B. drei an unterschiedlichen Punkten aufgestellten Signalgebern und drei aktivierten Sensoren aus jeweils einem Arrays werden drei Einfallswinkel zum Gerät registriert. Aus den drei Einfallswinkeln können mit hoher Genauigkeit die Standortkoordinaten (Anlage 1, Bild 5) bestimmt werden. In der Bewegung des Gerätes werden in festgelegten Zeittakten die Standortkoordinaten gebildet und in mathematisch-informationstechnischer Sprache in einem Speicher abgelegt. Wird der Roboter gesteuert über die Arbeitsfläche gefahren, ergibt sich eine Kolonne von gespeicherten Standortkoordinaten (Lernphase).The electromagnetic waves emitted or reflected by the signal transmitters as fixed points hit the raster ring; only the radiation through the raster slot can reach the sensor group, which falls at a certain angle (e.g. perpendicular) and forms an optical axis between the sensor and the signal transmitter . The incident magnetic radiation activates within the sensor group the sensor that is sensitive to this radiation due to the corresponding doping, or for which those wave ranges or polarization planes from the total spectrum of the light source that are used to detect the respective signal generator are required. In the case of a raster ring / sensor board system, in which the raster ring has 360 slots and behind each slot there is a sensor group with three sensors (Appendix 2), the top array of 360 sensors has the same doping or passband from the entire spectrum. There is a different sensitivity for the second array with 360 sensors, or a filter passband is selected which lies outside the half-width of the first sensor group. This also applies to the third or any further arrays. Thus, each sensor from the array can recognize the signal transmitter set up as a fixed point and, if the particular sensor is activated by the incident radiation, register the angle of incidence to the device. At z. B. three signaling devices set up at different points and three activated sensors from one array each, three angles of incidence to the device are registered. The location coordinates (Appendix 1, Figure 5) can be determined with great accuracy from the three angles of incidence. In the movement of the device, the location coordinates are formed at defined intervals and stored in a memory in the mathematical and information technology language. If the robot is moved over the work surface in a controlled manner, a column of stored location coordinates (learning phase) results.

In der Arbeitsphase des Roboters (Reproduktionsphase) werden die Standortkoordinaten in der Reihe dem Speicher entnommen, die dem Standort zugeordneten Sensoren werden über E1, E2 und E3 (Anlage 2) aktiviert und bringen über die Steuerelektronik den Roboter in die bestimmte Position, so daß das einfallende Lichtsignal mit dem aktivierten Sensor übereinstimmt und damit den Sensorausgang A1, A2 oder A3 (Anlage 2) schaltet. Liegen an jeweils einem Ausgang von 3 Sensorgruppen ein Signal an, ist die Position gefunden. Somit wird die nächste Sensoreinheit aktiviert und der Roboter mittels der Steuerelektronik in die Übereinstimmungsphase der Winkelpositionen gefahren. Somit arbeitet der Roboter mit hinreichender Genauigkeit die Arbeitsfläche ab, so wie sie in der Lernphase vom Roboter registriert wurde. In the working phase of the robot (reproduction phase), the location coordinates in the row from the memory, the sensors assigned to the location are activated via E1, E2 and E3 (Appendix 2) and bring the via the control electronics Robot in the specified position so that the incident light signal with the activated Sensor matches and thus switches the sensor output A1, A2 or A3 (Appendix 2). If there is a signal at each output of 3 sensor groups, the position is found. The next sensor unit is thus activated and the robot by means of the Control electronics moved into the matching phase of the angular positions. Consequently the robot processes the work surface with sufficient accuracy, as it does in the Learning phase was registered by the robot.  

Fehlen an den Ausgängen A1, A2 oder A3 für eine festgelegte Zeit die Signale, so kann der Roboter über diese Zeit bei aktivierter Schutzfunktion seinen Betrieb aufrecht halten. In dieser Zeit wird ein optisches oder akustisches Warnsignal gegeben.If there are no signals at outputs A1, A2 or A3 for a specified time, it can the robot continues to operate during this time with the protective function activated. During this time, an optical or acoustic warning signal is given.

Darüberhinaus können für jede Position bestimmte Aufgabenstellungen der Arbeitsgeräte gespeichert werden, so daß zu jedem Standort eine bestimmte Arbeitsbewegung wie z. B. Höhenverstellung der Werkzeuge ausgeführt wird.In addition, certain tasks of the implements can be carried out for each position be saved so that a specific work movement such as for each location. B. Height adjustment of the tools is carried out.

Das terristische Navigationssystem ist für alle mechanisch, hydraulisch oder elektrisch angetriebenen Geräte geeignet, wenn die Positionssignale über einen Koppler, in dem die Positionssignale nach dem Stand der Technik in Steuersignale gewandelt werden und an die Steuertechnik oder die Lenkeinrichtung der Maschine geleitet werden.The terristic navigation system is mechanical, hydraulic or electrical for everyone driven devices suitable if the position signals via a coupler in which the position signals are converted into control signals according to the prior art and to the control system or the steering device of the machine.

Claims (7)

1. Eine Einrichtung zur terristischen Navigation für Arbeitsmaschinen, bei der von Festpunkten elektromagnetische Wellen abgestrahlt oder reflektiert und von einer Empfangseinheit aufgenommen werden, um aus den geometrischen Beziehungen zwischen Festpunkten und Empfangseinheit die Standortkoordinaten der Arbeitsmaschine zu den Festpunkten in Abhängigkeit von den Bewegungen der Maschine zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen durch Öffnungen in einem Rasterteil (Rasterring) auf eine Sensorenplatine fallen, wobei durch den Abstand zwischen Rasterring und Sensorplatine erreicht wird, daß die von den Festpunkten kommenden elektromagnetischen Wellen die strahlungsempfindliche Fläche der Sensoreinheit nur erreichen, wenn sich zwischen Strahlengang und Sensorplatine ein festgelegter Winkel einstellt bzw. wenn die Strahlung senkrecht auf die Sensoreinheit wirkt.1. A device for terristical navigation for work machines, in which electromagnetic waves are emitted or reflected from fixed points and recorded by a receiving unit in order to determine the location coordinates of the working machine to the fixed points depending on the movements of the machine from the geometric relationships between fixed points and receiving unit determine, characterized in that the electromagnetic waves fall through openings in a raster part (raster ring) on a sensor board, whereby the distance between the raster ring and sensor board ensures that the electromagnetic waves coming from the fixed points only reach the radiation-sensitive surface of the sensor unit if a fixed angle is established between the beam path and the sensor board or when the radiation acts perpendicularly on the sensor unit. 2. Eine Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten elektromagnetischen Wellen im Bereich des sichtbaren oder nichtsichtbaren Lichtspektrums liegen, jedoch außerhalb der Wellenlänge der Sonneneinstrahlung von etwa 300 bis 1000 nm liegen oder daß durch Filtersysteme die Sonneneinstrahlung für die Sensoren unwirksam gemacht wird.2. A device according to claim 1, characterized, that the electromagnetic waves used in the visible or invisible light spectrum, but outside the wavelength of the Sun exposure of about 300 to 1000 nm or that through filter systems Solar radiation for the sensors is rendered ineffective. 3. Eine Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den elektromagnetischen Wellen eine Kennung aufgetragen wird bzw. daß durch Polarisations- oder Frequenzfilter jeweils nur eine Sensoreinheit innerhalb der Sensorgruppe aktiviert wird, so daß die Empfangseinheit die Signale den einzelnen Signalgebern zuordnen kann, um aus der Zusammenfassung der Einzelsignale nur einen auf die bestimmte Fläche bezogenen Bezugspunkt festzulegen und als Koordinatenwert in eine mathematisch/informationstechnisch verständliche Sprache umsetzt. 3. A device according to claim 1 and 2, characterized, that an identification is applied to the electromagnetic waves or that by Polarization or frequency filters only one sensor unit within each Sensor group is activated so that the receiving unit the signals the individual Signalers can assign only one from the combination of the individual signals to determine the reference point related to the specific area and as a coordinate value translated into a mathematically / information technology understandable language.   4. Eine Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Signalgeber die Anzahl der zu einer Gruppe gehörenden Sensoren bestimmt, so daß mit zunehmender Zahl der Signalgeber die Genauigkeit des Koordinatenwertes bestimmt wird, bzw. daß bei Abschattungen einzelner Signale die Anlage mit hinreichender Genauigkeit weiterarbeiten kann.4. A device according to claim 1 to 3, characterized, that the number of signal transmitters the number of sensors belonging to a group determined so that with increasing number of signal transmitters the accuracy of the Coordinate value is determined, or that when shading individual signals System can continue to operate with sufficient accuracy. 5. Eine Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichent, daß die aus den erkannten Positionen der Signalgeber bestimmten Koordinaten abrufbar sind und an eine Steuereinrichtung außerhalb des Empfangseinheit gegeben werden, so daß die Maschine durch die Steuereinheit in die gleiche Position gefahren wird, wie die Position bei der Signalaufnahme vorhanden war und gespeichert wurde.5. A device according to claim 1 to 4, characterized by that the coordinates determined from the recognized positions of the signal transmitters can be called up are and given to a control device outside the receiving unit, so that the machine is moved into the same position by the control unit as the Position was present when the signal was recorded and was saved. 6. Eine Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalgeber auf sie gerichtete elektromagnetische Strahlen reflektieren oder daß die elektromagnetische Strahlung durch eine Quelle im Signalgeber direkt erzeugt wird.6. A device according to claim 1 to 5, characterized, that the signal transmitters reflect electromagnetic radiation directed at them or that the electromagnetic radiation is generated directly by a source in the signal generator. 7. Eine Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Navigationseinrichtung über einen Koppler an die Steuer- oder Lenkeinrichtung eines jeden Bodenbearbeitungs- oder Landschaftspflegegerätes mit mechanischem, hydraulischem oder elektrischem Antrieb eingesetzt wird.7. A device according to claim 1 to 6, characterized, that this navigation device via a coupler to the control or steering device of any tillage or landscaping device with mechanical, hydraulic or electric drive is used.
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