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Technisches
Gebiet
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Die
Offenbarung ist auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung der
Bewegung eines Arbeitswerkzeuges gerichtet, und insbesondere auf
ein System und ein Verfahren zur Steuerung des Winkels eines Arbeitswerkzeuges
relativ zu einer Fahrtrichtung der Arbeitsmaschine.
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Hintergrund
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Arbeitsmaschinen,
wie beispielsweise Motorgrader, Raupentraktoren (beispielsweise
Bulldozer), mit Rädern
versehene Traktoren, Lader, Bagger usw. können viele Funktionen ausführen, die
eine Steuereingabevorrichtung erfordern. Die Steuerung der vielen
Steuereingabevorrichtungen an einer Arbeitsmaschine kann einen besonders
gut ausgebildeten Bediener erfordern. Auch bei einem ausgebildeten
Bediener ist die manuelle Steuerung eines Arbeitswerkzeuges, um
viele Erdbewegungsaufgaben auszuführen, insbesondere eine Endbearbeitung
wie beispielsweise der letzte Planiervorgang, nicht immer genau
und kann mehrere Versuche erfordern, um ein erwünschtes Ergebnis zu erreichen.
Eine solche Verdoppelung der Arbeit kann ineffizient, zeitaufwändig und
ermüdend
für den
Bediener sein.
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Systeme
sind für
die Automatisierung von gewissen Funktionen einer Arbeitsmaschine
in einem Versuch entwickelt worden, den Wirkungsgrad zu verbessern
und das Ausbildungsniveau zu reduzieren, das erforderlich ist, um
die Maschine zu betreiben. Beispielsweise beschreibt das US-Patent
5 375 663 ("das '663-Patent"), das am 27. Dezember 1994
an Teach ausgegeben wurde, ein System und ein Verfahren zur automatischen
Steuerung eines Bulldozerschildes basierend auf aufgezeichneten
Informationen, die in Beziehung mit einem Arbeitsgelände stehen.
Das System des '663-Patentes
weist verschiedene Laser-Vorrichtungen und Sensoren auf, um die
Höhe des
Schildes zu verfolgen, wenn der Bulldozer über das Arbeitsgelände fährt. Das System
ist konfiguriert um automatisch die Schildhöhe basierend auf der Lage des
Schildes mit Bezug zum Arbeitsgelände und der erwünschten
Höhe an dieser
Stelle zu steuern.
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Obwohl
das System des '663-Patentes
die Genauigkeit beim graden bzw. planieren verbessern kann, und
das Niveau der Ausbildung reduzieren kann, das benötigt wird,
um die Arbeitsmaschine zu betreiben, macht es keine effiziente Anwendung
von jedem Durchgang des Schildes. Während beispielsweise das System
des '663-Patentes
eine automatisierte Steuerung der Materialmenge aufweist, die von
einer speziellen Stelle auf einem Arbeitsgelände weggeschnittenen bzw. weggeschoben
wird, weist das System keine automatisierten Merkmale für eine effiziente
Verteilung des Materials auf andere Bereiche des Arbeitsgeländes auf.
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Das
offenbarte Steuersystem ist darauf gerichtet, eines oder mehrere
der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein System zur automatischen
Bewegung eines Arbeitswerkzeuges einer Arbeitsmaschine gerichtet.
Das System weist ein Positionsüberwachungssystem
auf, das konfiguriert ist, um eine Position des Arbeitswerkzeuges
relativ zu einer aufgezeichneten Landschaft zu verfolgen. Das System kann
auch eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert sein kann,
um die Bewegung des Arbeitswerkzeuges ansprechend auf Informationen
von dem Positionsüberwachungssystem
einzuleiten, um den Winkel des Arbeitswerkzeuges relativ zu einer
Fahrtrichtung zu verändern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf einen Motorgrader
gerichtet, der eine Kabine, ein Traktionssystem bzw. Antriebssystem,
eine Leistungsquelle und ein Arbeitswerkzeug aufweist, wenn das
in einem Winkel relativ zur Fahrtrichtung des Motorgraders zu positionieren
ist.
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Das
Positionsüberwachungssystem
kann die Position des Arbeitswerkzeuges verfolgen. Der Motorgrader
kann auch eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert sein
kann, um eine Bewegung des Arbeitswerkzeuges ansprechend auf Informationen
von dem Positionsüberwachungssystem
einzuleiten, um den Winkel des Arbeitswerkzeuges relativ zur Fahrtrichtung
zu verändern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren
zur Steuerung eines Arbeitswerkzeuges für eine Arbeitsmaschine gerichtet.
Das Verfahren weist die Bestimmung einer Ist-Position eines Arbeitswerkzeuges
relativ zu einem Arbeitsgelände
auf. Mindestens zwei vorbestimmte Bereiche, die für eine Höhenveränderung bezeichnet
sind, können
mit Bezug zu der Ist-Position des Arbeitswerkzeuges lokalisiert
werden. Ein Winkel des Arbeitswerkzeuges relativ zu einer Fahrtrichtung
der Arbeitsmaschine kann ansprechend auf eine Beziehung zwischen
den mindestens zwei vorbestimmten Bereichen gesteuert werden, die
für eine Höhenveränderung
vorgesehen sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine diagrammartige Veranschaulichung einer Arbeitsmaschine gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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2 ist
eine diagrammartige Veranschaulichung einer Explosionsansicht einer
Anordnung aus Zugstangen, Kreis und Formblech bzw. Streichblech gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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3a ist
eine diagrammartige Darstellung einer Draufsicht einer Arbeitswerkzeugschildschwenkbewegung
gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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3b ist
eine diagrammartige Darstellung einer Seitenansicht einer Arbeitswerkzeugschildkippbewegung
gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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3c ist
eine diagrammartige Darstellung einer Frontansicht einer Arbeitswerkzeugschildhöheneinstellung
gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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3d ist
eine diagrammartige Darstellung einer Frontansicht einer Arbeitswerkzeugschildneigungseinstellung
gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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3e ist
eine diagrammartige Darstellung einer Frontansicht einer Arbeitswerkzeugschildseitenverschiebungsbewegung
gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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4 ist
eine Blockdiagrammdarstellung eines Arbeitswerkzeugsteuersystems
gemäß einem beispielhaften
offenbarten Ausführungsbeispiel;
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5 ist
eine diagrammartige Darstellung einer Draufsicht eines Motorgraders
auf einem Arbeitsgelände
gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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6 ist
ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Steuerung
des Arbeitswerkzeugwinkels gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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7 ist
ein Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens zur Steuerung eines
Arbeitswerkzeugwinkels gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 veranschaulicht
ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
einer Arbeitsmaschine 10, die ein System aufweist, um automatisch
ein Arbeitswerkzeug 12 zu bewegen. Obwohl die Arbeitsmaschine 10 als
Motorgrader gezeigt ist, kann die Arbeitsmaschine 10 andere
Arten von Arbeitsmaschinen aufweisen, beispielsweise Raupentraktoren
(beispielsweise Bulldozer), Rad-Traktoren,
Lader, Bagger und irgendeine andere Bauart einer Arbeitsmaschine.
Die Arbeitsmaschine 10 kann ein Arbeitswerkzeug 12,
eine Kabine 14, eine Leistungsquelle 16, eine
oder mehrere Traktionsvorrichtungen 18 und Positionsüberwachungssystemkomponenten 20 aufweisen,
die eine Steuervorrichtung 22, einen oder mehrere Empfänger 24 eines
globalen Positionsbestimmungssystems (GPS-Empfänger), einen Prozessor 26 und
eine Monitoranzeige aufweisen.
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In
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann
das Arbeitswerkzeug 12 ein Schild 30 aufweisen.
Im Falle eines Motorgraders kann das Schild 30 an einer
Zugstangen-Streichblech-Kreis-Anordnung (DMC-Anordnung, DMC = Drawbar/Moldboard/Circle) 32 angebracht
sein, wie in 2 gezeigt. Die Zugstangen-Streichblech-Kreis-Anordnung 32 kann eine
Zugstange 34, ein Streichblech 36 und einen Kreis 38 aufweisen.
Das Schild 30 kann an dem Kreis 38 angebracht
sein, der drehbar an dem Streichblech 36 befestigt sein
kann. Das Streichblech 36 kann an der Zugstange 34 angebracht
sein, die an einem vorderen Teil 40 der Arbeitsmaschine 10 mit
einer Schwenkverbindung 42 angebracht sein kann. Der Kreis 38 kann
um eine Achse 44 in einer Richtung 46 schwenken.
Weil der Kreis 38 drehbar an dem Streichblech 36 angebracht
sein kann und fest an dem Schild 30 angebracht sein kann,
kann die Drehung des Kreises 38 sich in eine Schwenkbewegung des
Schildes 30 umwandeln.
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Das
Schild 30 kann in mehreren Freiheitsgraden eingestellt
sein. 3a ist eine Draufsicht des Schildes 30,
die eine Schwenkbewegung des Schildes 30 zeigt. Ein gestricheltes
Element 48 stellt das Schild 30 dar, nachdem es
geschwenkt worden ist. Die Schwenkbewegung des Schildes 30 hat
eine Veränderung
eines Winkels 50 des Schildes 30 relativ zu einer
Fahrtrichtung 52 der Arbeitsmaschine 10 zur Folge.
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Zusätzlich zur
Schwenkbewegung kann das Schild 30 auch nach vorne und
hinten gekippt werden. 3b ist eine Seitenansicht des
Schildes 30, die eine Kippbewegung des Schildes 30 zeigt.
Ein gestricheltes Element 54 stellt das Schild 30 dar, nachdem
es gekippt worden ist. Die Verkippung des Schildes 30 tritt
auf, wenn eine obere Kante 56 des Schildes 30 und/oder
eine untere Kante 58 des Schildes 30 nach vorne
und/oder nach hinten mit Bezug zur anderen Kante verschoben werden,
um einen Winkel 60 zwischen einer Achse 62 des
Schildes 30 und der Fahrtrichtung 52 zu verändern.
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Für die Zwecke
dieser Offenbarung bezieht sich der Ausdruck "Rotation" auf eine Schwenkbewegung und/oder eine
Kippbewegung des Arbeitswerkzeuges 12, wie oben beschrieben.
Beispielsweise kann die "Rotation" des Schildes 30 irgendeine
Bewegung aufweisen, die eine Veränderung
des Winkels 50 und/oder des Winkels 60 zur Folge
hat.
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Zusätzlich zur
Drehung kann das Schild 30 angehoben und abgesenkt werden,
um eine Höhe des
Schildes 30 einzustellen. 3c veranschaulicht eine
Veränderung
der Höhe 64 des
Schildes 30 zu einer Arbeitsfläche 66 (beispielsweise
dem Boden). Ein gestricheltes Element 68 stellt das Schild 30 dar, nachdem
es angehoben worden ist.
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3d veranschaulicht
eine Veränderung der
Neigung des Schildes 30. Ein gestricheltes Element 70 stellt
das Schild 30 nach einer Veränderung der Neigung dar. Die
Neigung ist eine Funktion einer Differenz zwischen einer Höhe 72 an
einem ersten Ende 74 des Schildes 30 und einer
Höhe 76 an
einem zweiten Ende 78 des Schildes 30. Die Neigung kann
bestimmt werden durch Teilen der Differenz zwischen der Höhe 72 und
der Höhe 76 durch
eine Länge 80 des
Schildes 30. Die Einstellung der Neigung kann einen Winkel 82 zwischen
einer Längsachse 84 des
Schildes 30 und der Arbeitsoberfläche 66 verändern.
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3e veranschaulicht
eine Seitenverschiebungsbewegung des Schildes 30 über eine
Distanz 86. Ein gestricheltes Element 88 stellt
das Schild 30 nach einer Seitenverschiebung dar.
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Mit
Bezug auf 4 kann die Arbeitsmaschine 10 ein
Positionsüberwachungssystem 90 aufweisen,
welches konfiguriert sein kann, um die Position des Arbeitswerkzeuges 12 relativ
zu einer aufgezeichneten Landschaft zu verfolgen. Das Positionsüberwachungssystem 90 kann
eine Steuervorrichtung 22, GPS-Empfänger 24, einen Prozessor 26,
eine Monitoranzeige 28, einen Speicher 92, einen
Winkelpositionssensor 94 und einen Neigungssensor 96 aufweisen.
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Das
Positionsüberwachungssystem 90 kann den
Speicher 92 aufweisen, um Informationen zu speichern. Der
Speicher 92 kann in einer Einheit mit der Steuervorrichtung 22 oder
mit dem Prozessor 26 oder in einer einzigen Einheit vorgesehen
sein, die sowohl die Steuervorrichtung 22 als auch den
Prozessor 26 aufweist. Der Speicher 92 kann Karten
eines Arbeitsgeländes
bzw. einer Baustelle speichern. Die Karten können Höhenkarten der existierenden Landschaft
genauso wie Karten aufweisen, die die erwünschte Kontur des Arbeitsgeländes widerspiegeln.
Die Karten können
auch Differenz-Karten
aufweisen, die die Unterschiede der Höhe zwischen der existierenden
Landschaft und der erwünschten
Kontur des Arbeitsgeländes
veranschaulichen.
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Die
Karten können
durch das Positionsüberwachungssystem 90 erzeugt
werden. Die Karten können
durch Herumfahren auf einem Arbeitsgelände erzeugt werden, wobei Informationen
entlang des Weges gesammelt werden. Beim Fahren über das gesamte Arbeitsgelände kann
das Positionsüberwachungssystem 90 die
tatsächliche
Höhe in
jedem Bereich des Arbeitsgeländes
aufzeichnen. Das Positionsüberwachungssystem 90 kann
eine Karte des Arbeitsgeländes
aus diesen aufgezeichneten Höhendaten
erzeugen.
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Es
kann auch der Prozessor 26 konfiguriert sein, um Höhenkarten
von der existierenden Landschaft bei einem Arbeitsgelände mit
Karten der erwünschten
Kontur des Arbeitsgeländes
zu überlagern
oder zu vergleichen. Aus diesen Vergleich kann der Prozessor 26 Karten
erzeugen, die Stellen von vorbestimmten Bereichen der aufgezeichneten
Landschaft zeigen, die für
eine Höhenveränderung
vorgesehen sind. Die Bezeichnung bzw. Markierung von Bereichen auf
dem Arbeitsgelände
für eine
Höhenveränderung
können
für das
gesamte Arbeitsgelände eingerichtet
werden, bevor der Betrieb der Arbeitsmaschine 10 beginnt,
oder kann eingerichtet werden, wenn die Arbeitsmaschine 10 über das
Arbeitsgelände
fährt.
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Zusätzlich können Karten
heruntergeladen oder in das Positionsüberwachungssystem 90 von
einer außen
liegenden Quelle programmiert werden. Wenn beispielsweise eine Maschine
zur Anwendung auf einem speziellen Arbeitsgelände ausgelegt ist, können voreingerichtete
Karten dieses Arbeitsgeländes
in den Speicher 92 heruntergeladen werden. Das Herunterladen
oder Programmieren von Informationen in den Speicher 92 kann
unter Verwendung von externen Vorrichtungen ausgeführt werden,
wie beispielsweise durch Laptops, PDAs bzw. persönliche digitale Assistenten
usw.. Die Informationsübertragung
zum Speicher 92 kann auch drahtlos mit einer Netzwerkverbindung
zu Laptops, PDAs usw. oder mit einem zentralen Server an einer Stelle
nicht auf dem Gelände
ausgeführt
werden.
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Der
Speicher 92 kann auch andere Informationen speichern, wie
beispielsweise Positionsinformationen über die Arbeitsmaschine 10,
Positionsinformationen über
das Arbeitswerkzeug 12 und Positionsinformationen über Hindernisse
auf dem Arbeitsgelände.
Diese Informationen können
auch in einer oder mehreren Karten des Arbeitsgeländes vorgesehen
sein.
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Das
Positionsüberwachungssystem 90 kann auch
eine Monitoranzeige 28 in der Kabine 14 zur Anzeige
von Informationen für
einen Bediener aufweisen. Die Monitoranzeige 28 kann irgendeine
Art einer Anzeige sein, einschließlich Bildschirm anzeigen,
wie beispielsweise Katodenstrahlröhren (CRTs), Flüssigkristall
anzeigen (LCDs), Plasma-Schirme usw..
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Die
Monitoranzeige 28 kann Karten anzeigen, die im Speicher 92 gespeichert
sind, oder Karten, die von dem Positionsüberwachungssystem 90 erzeugt
werden. Die Monitoranzeige 28 kann auch die vergangene,
die gegenwärtige
und/oder die vorhergesehene zukünftige
Position und Orientierung der Arbeitsmaschine 10 und des
Arbeitswerkzeuges 12 in Beziehung zu den Karten darstellen.
Beispielsweise kann die Monitoranzeige 28 eine Spur anzeigen,
wo die Arbeitsmaschine 10 in dem Arbeitsgelände gefahren
ist. In ähnlicher
Weise kann die Monitoranzeige eine projizierte Route basierend auf
der gegenwärtigen
Ausrichtung der Arbeitsmaschine 10 zeigen, oder eine vorgeschlagene
Route, der der Bediener folgen soll. Die Monitoranzeige 28 kann
auch andere Informationen anzeigen, die nicht in Beziehung zu dem
Positionsüberwachungssystem 90 sind, wie
beispielsweise die Zeitdauer, während
der die Maschine gearbeitet hat, Arbeitsmaschinensysteminformationen
(beispielsweise Öldruck,
Hydraulikströmungsmitteldruck,
Kühlmitteltemperatur
usw.) und irgendwelche anderen Informationen, die für den Bediener
angezeigt werden sollen.
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Das
Positionsüberwachungssystem 90 kann weiter
den Prozessor 26 aufweisen. Der Prozessor 26 kann
an irgendeiner geeigneten Stelle auf der Arbeitsmaschine 10 gelegen
sein. Der Prozessor 26 kann in seinem eigenen Gehäuse enthalten
sein oder kann alternativ in anderen Komponenten der Arbeitsmaschine 10 aufgenommen
sein.
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Der
Prozessor 26 kann Informationen von irgendeiner Quelle
aufnehmen, von der Informationen verarbeitet werden sollen. Insbesondere
kann der Prozessor 26 Informationen über die Position und die Orientierung
des Arbeitswerkzeuges 12 aufnehmen, genauso wie über die
Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 10. Der Prozessor 26 kann
diese Informationen von GPS-Empfängern 24,
vom Winkelpositionssensor 94, vom Neigungssensor 96 und
einem Arbeitsmaschinengeschwindigkeitssensor aufnehmen. Der Prozessor 26 kann
auch Informationen vom Speicher 92 aufnehmen.
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Der
Prozessor 26 kann konfiguriert sein, um zu bestimmen, welche
Bewegungen des Arbeitswerkzeuges 12 erwünscht sind, und mit welcher
Rate sie vorgenommen werden sollten, und zwar basierend auf Informationen,
die er aufnimmt. Der Prozessor 26 kann Signale an die Steuervorrichtung 22 senden,
die diese erwünschten
Bewegungen übermitteln.
Der Prozessor 26 kann auch konfiguriert sein um Signale
zur Monitoranzeige 28 zusenden, um die Informationen anzuzeigen,
die der Prozessor 26 aufnimmt und/oder verarbeitet.
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Die
Steuervorrichtung 22 kann auch irgendwo an Bord der Arbeitsmaschine 10 gelegen
sein. Die Steuervorrichtung 22 kann in ihrem eigenen Gehäuse enthalten
sein, oder kann alternativ mit anderen Komponenten der Arbeitsmaschine 10,
die beispielsweise den Prozessor 26 aufweisen, in einem Gehäuse aufgenommen
sein. Die Steuervorrichtung 22 und der Prozessor 26 können unabhängige Komponenten
sein, wenn beispielsweise das Positionsüberwachungssystem 90 in
der Arbeitsmaschine 10 nachgerüstet worden ist, wobei die
Arbeitsmaschine 10 schon mit der Steuervorrichtung 22 ausgerüstet war.
Als eine weitere Alternative können
die Steuervorrichtung 22 oder der Prozessor 26 weggelassen werden,
und die Funktionen können
von dem anderen Teil ausgeführt
werden.
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In
irgendeiner der zuvor erwähnten
Anordnungen kann die Steuervorrichtung 22 konfiguriert sein,
um Informationen vom Prozessor 26 bezüglich der erwünschten
Bewegungen des Arbeitswerkzeuges 12 aufzunehmen. Die Steuervorrichtung 22 kann auch
konfiguriert sein, um Bewegungen des Arbeitswerkzeuges 12 ansprechend
auf Informationen vom Prozessor 26 einzuleiten. Die Steuervorrichtung 22 kann
konfiguriert sein, um eine Schwenk-, Verkippungs- und Höheneinstellung,
eine Neigungseinstellung, eine Seitenverschiebung und irgendwelche
anderen erwünschten
Bewegungen des Arbeitswerkzeuges 12 einzuleiten. Zusätzlich kann
die Steuervorrichtung 22 konfiguriert sein, um die Rate
der Drehung des Arbeitswerkzeuges 12 zu variieren, wie vom
Prozessor 26 bestimmt, und zwar basierend auf der Geschwindigkeit
der Arbeitsmaschine 10 und/oder einer Distanz zu einem
vorbestimmten weggeschobenen oder verfüllten Gebiet.
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Das
Positionsüberwachungssystem 90 kann konfiguriert
sein, um die Position des Arbeitswerkzeuges 12 in drei
Dimensionen zu verfolgen. Durch Verwendung dieser Verfolgungsfunktion
kann das Positionsüberwachungssystem 90 auch
Höhenkarten
von einem Arbeitsgelände
aktualisieren, wenn das Arbeitswerkzeug 12 die Kontur der
Landschaft modifiziert. Um dies zu tun können die Höhe und die Neigung des Arbeitswerkzeuges 12 aufgezeichnet werden,
wenn das Arbeitswerkzeug 12 mit dem Gelände an jeder Stelle in Eingriff
kommt, während
die Arbeitsmaschine 10 über
das Arbeitsgelände
fährt. Diese
aufgezeichneten Informationen können
verwendet werden, um eine Karte der tatsächlichen Höhe des Arbeitsgeländes zu
aktualisieren.
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Das
Positionsüberwachungssystem 90 kann auch
einen oder mehrere GPS-Empfänger 24 aufweisen,
um Signale von einem oder mehreren GPS-Satelliten 98 aufzunehmen.
Eine Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 kann verwendet
werden, um die GPS-Empfänger 24 zu
unterstützen.
Die Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 kann eine Referenzstation
auf dem Arbeitsgelände
oder nahe diesem sein, die es dem GPS-Empfängern 24 ermöglicht,
genauer die Position des Arbeitswerkzeuges 12 zu überwachen.
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Im
Betrieb kann jeder der GPS-Empfänger 24 mit
einem oder mehreren GPS-Satelliten 98 in Verbindung stehen,
um seine Position mit Bezug zu einem ausgewählten Koordinatensystem zu
bestimmen. Die GPS-Empfänger 24 können an
einer oder mehreren Stellen an dem Arbeitswerkzeug 12 angebracht
sein, vorzugsweise an einem Ende oder an beiden Enden.
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Ein
einziger GPS-Empfänger 24,
der an dem Arbeitswerkzeug 12 montiert ist, kann die Position des
Arbeitswerkzeuges 12 relativ zu einer aufgezeichneten Landschaft
bestimmen. Mit mehr als einem GPS-Empfänger 24 kann die Orientierung
des Arbeitswerkzeuges 12 ebenfalls bestimmt werden. In einem
beispielhaften Ausführungsbeispiel
kann das Arbeitswerkzeug 12 zwei GPS-Empfänger 24 besitzen,
die daran montiert sind. Die 2 GPS-Empfänger 24 können an
den Enden oder nahe den Enden des Arbeitswerkzeuges 12 angeordnet
sein, um die Position von jedem der Enden zu bestimmen. Wenn man die
Position von jedem Ende des Arbeitswerkzeuges 12 kennt,
kann der Prozessor 26 die Orientierung des Arbeitswerkzeuges 12 bestimmen.
Beispielsweise kann der Prozessor 26 den Schwenkwinkel
durch Bestimmung der Position der zwei Enden des Arbeitswerkzeuges 12 relativ
zueinander bestimmen. In ähnlicher
Weise kann der Prozessor 26 die Neigung des Ar beitswerkzeuges 12 durch
einen Vergleich der Höhe
von einem Ende des Arbeitswerkzeuges 12 mit der Höhe des anderen
Endes bestimmen.
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Während zwei
GPS-Sensoren 24 an dem Arbeitswerkzeug 12 montiert
sein können,
können
gewisse Ausführungsbeispiele
nur einen GPS-Sensor 24 aufweisen, der an dem Arbeitswerkzeug 12 montiert
ist. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Arbeitswerkzeug 12 einen
einzigen GPS-Sensor 24 an einem Ende haben, um seine Lage
auf einem Arbeitsgelände
zu bestimmen. Ein Winkelpositionssensor 94 kann an dem
Arbeitswerkzeug 12 vorgesehen sein, um den Schwenkwinkel
zu bestimmen. Das Arbeitswerkzeug 12 kann auch einen Neigungssensor 96 aufweisen,
um die Neigung des Arbeitswerkzeuges 12 zu detektieren.
Die Position und die Höhe
an einem Ende des Arbeitswerkzeuges 12 können durch
den GPS-Empfänger 24 bestimmt
werden. Der Schwenkwinkel des Arbeitswerkzeuges 12 kann
durch den Winkelpositionssensor 94 bestimmt werden, und
nicht durch die Bestimmung der Position von beiden Enden des Arbeitswerkzeuges 12 mit
GPS-Empfängern 24.
In ähnlicher
Weise kann die Neigung des Arbeitswerkzeuges 12 durch den
Neigungssensor 96 bestimmt werden und nicht durch den Vergleich
der Höhen,
die von den GPS-Empfängern 24 an
beiden Enden des Arbeitswerkzeuges 12 gemessen werden.
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Die
Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 kann irgendein System
zur Bestimmung der Position des Arbeitswerkzeuges 12 in
einem Koordinatensystem sein. Die Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 kann
auf einer überwachten
Stelle in einer bekannten Position angeordnet sein. Die Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 kann
ein Teil eines Differential-GPS (GPS = Global Positioning System
= Globalpositionsbestimmungssystem) sein, und kann einen GPS-Empfänger 102 aufweisen.
Der GPS-Empfänger 102 kann
die Position einer Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 bestimmen.
Das Positionsüberwachungssystem 90 kann
die Bekannte (überwachte)
Position der Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 mit der
Position vergleichen, die von dem GPS-Empfänger 102 bestimmt
wurde. Das Positionsüberwachungssystem 90 kann
einen Korrekturfaktor für
irgendeinen Fehler der Po sition berechnen, die von dem GPS-Empfänger 102 bestimmt
wurde. Dieser Korrekturfaktor kann verwendet werden, um Fehler in
den Positionen zu korrigieren, die von den GPS-Empfängern 24 auf
dem Arbeitsgelände 12 bestimmt
werden. Die Korrektur dieser Fehler kann ermöglichen, dass eine genauere
Position der GPS-Empfänger 24 (und
daher des Arbeitswerkzeuges 12) bestimmt wird.
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Alternativ
kann die Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 ein laserbasiertes
System sein, um die Position des Arbeitswerkzeuges 12 auf
dem Arbeitsgelände
zu bestimmen. Die Lokalpositionsbestimmungseinheit 100 kann
einen Sender/Empfänger
aufweisen, um mit der Arbeitsmaschine 10 zu kommunizieren.
Solche Systeme können
in ähnlicher Weise
wie ein Differential-GPS verwendet werden, wie oben besprochen,
um die Genauigkeit des Positionsüberwachungssystem 90 zu
verbessern.
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Die 5–7,
die im folgenden Abschnitt besprochen werden, veranschaulichen den
Betrieb der Arbeitsmaschine unter Verwendung der Ausführungsbeispiele
des offenbarten Systems.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Das
offenbarte System kann auf eine Vielzahl von Arbeitsmaschinen anwendbar
sein, die Motorgrader, Raupentraktoren, (beispielsweise Bulldozer)
mit Rädern
versehene Traktoren, Lader, Bagger und irgendeine andere Arbeitsmaschine
aufweisen, die ein Arbeitswerkzeug aufweisen können. Das offenbarte System
sieht eine Automatisierung der Arbeitswerkzeugbewegung vor, die
den Wirkungsgrad und die Genauigkeit der Betriebsvorgänge der
Arbeitsmaschine steigern kann. Beispielsweise kann die Anwendung
der Erdbewegungsmaschinen die Bewegung von Erde oder andere Materialien
von einem Ort zum anderen mit einschließen. Es kann wünschenswert
sein, Material von einer Stelle zu entfernen und die gleiche Art
von Material an einer anderen Stelle abzulagern. Das offenbarte
Steuersystem kann automatisch das Arbeitswerkzeug 12 bewegen,
so dass während
irgendeinem ge gebenen Durchgang des Arbeitswerkzeuges 12 das
von einer Stelle entfernte Material automatisch an einer oder mehreren
erwünschten
Stellen abgelagert werden kann.
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5 bildet
eine beispielhafte Arbeitsmaschine 10 an einem beispielhaften
Arbeitsgelände ab.
Die Auswahl einer erwünschten
Stelle zur Ablagerung von Material kann zumindest teilweise von
Ihrer Nähe
zu der Stelle abhängen,
von der das Material weggenommen wurde. Beispielsweise kann der Prozessor 26 Informationen über ein
Arbeitsgelände in
einer Arbeitszone 104 in der Nähe der Arbeitsmaschine 10 analysieren,
um zu bestimmen, für
welche Bereiche innerhalb der Arbeitszone 104 vorgesehen ist,
dass Material entfernt wird, und für welche vorgesehen ist, dass
Material zu ihnen hinzugefügt
werden soll. Eine Arbeitszone kann irgend eine Größe oder Form
haben. In einem in 5 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel
kann die Arbeitszone 104 ein Bereich um die Arbeitsmaschine 10 sein,
in dem die Arbeitsmaschine 10 während einer vorbestimmten Zeitperiode
fahren könnte.
Beispielsweise könnte die
Arbeitszone 104 alle Bereiche aufweisen, die die Arbeitsmaschine 10 bei
ihrer gegenwärtigen
Geschwindigkeit innerhalb der nächsten
paar Sekunden oder Minuten abdecken könnte.
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Die
Arbeitszone 104 kann mindestens den Bereich direkt vor
der Arbeitsmaschine 10 aufweisen, und kann mindestens so
breit wie das Arbeitswerkzeug 12 sein. Zusätzlich kann
die Arbeitszone 104 auch erweitert werden, so dass sie
alle Bereiche einschließt,
die die Maschine abdecken würde,
wenn sie zu einer Seite oder zur anderen gelenkt werden würde. Dieser
erweiterte Teil der Arbeitszone 104 kann im Allgemeinen
die Form eines Baseball-Feldes (diamantförmig) haben, wie in 5 gezeigt.
Ebenfalls weil die Arbeitsmaschine 10 Material an der Seite
der Maschine ablagern kann (durch Schwenken des Arbeitswerkzeuges 12 zu
einer Seite), kann die Arbeitszone 104 breiter als das
Arbeitswerkzeug 12 sein.
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Die
Größe und Form
der Arbeitszone 104, genauso wie die vorbestimmte Zeitperiode,
kann auf universell effektiven Werten für alle Betriebsbedingung in
der Arbeitsmaschine 10 festgelegt sein. Als eine Alternative
können
diese Werte automatisch eingestellt werden, so dass sie zu den gegenwärtigen Betriebsbedingungen
der Arbeitsmaschine 10 passen. Als eine weitere Alternative
können
diese Werte von einem Bediener ausgewählt werden, so dass sie zur
gegenwärtigen
Aufgabe passen. Noch weiterhin können
Betriebszustände
unter diesen Alternativen ausgewählt
werden, um zu gestatten, dass ein Bediener zwischen festen Werten,
einer automatischen Einstellung, manuellen Einstellungen und Kombinationen
davon auswählt.
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Wenn
die Arbeitsmaschine über
das Arbeitsgelände
fährt,
kann der Prozessor 26 die Landschaft in der Arbeitszone 104 analysieren
und bestimmen, welche Bereiche Höhenveränderungen
benötigen. Der
Prozessor 26 kann aus diesen Bereichen jener auswählen, die
in der nächsten
Bewegung oder den nächsten
paar Bewegungen des Arbeitswerkzeuges 12 eingeschlossen
sind.
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Obwohl
die lokalisierten Bereiche aus einer Zusammenstellung von vorbestimmten
Bereichen innerhalb der Arbeitszone 104 ausgewählt werden können, können Sie
Alternativ in irgendeiner geeigneten Weise unter allen Bereichen
das Arbeitsgeländes
ausgewählt
werden, die für
eine Höhenveränderung
festgelegt worden sind. In einem solchen Fall kann der Prozessor 26 eine
beabsichtigte Route bestimmen, die das gesamte Arbeitsgelände und
die ausgewählten
vorbestimmten Bereiche abdeckt, die für eine Höhenveränderung entlang der gesamten Route
vorgesehen sind. Als noch eine Alternative kann der Prozessor 26 die
Bereiche analysieren, die für
eine Höhenveränderung
für das
gesamte Arbeitsgelände
vorgesehen sind, und eine beabsichtigte Route basierend auf der
Lage dieser Bereiche bestimmen.
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Ein
Betriebsverfahren kann die Bestimmung von Unterschieden zwischen
den Ist- und Soll-Höhen für mindestens
einen ersten Bereich 106 und einen zweiten Bereich 108 aufweisen,
die für
eine Höhenveränderung
vorgesehen sind, wie in 5 gezeigt. Das Schwenken des
Arbeitswerkzeuges 12 kann zur Ablagerung von Material in
dem Bereich gesteuert werden, wo bestimmt wird, dass die Differenz
am größten ist.
Anders gesagt bestimmt die Arbeitsmaschine 10, welcher
der Bereiche 106 und 108 am weitesten unter oder
am wenigsten über
der erwünschten
Höher ist,
und lagert das Material dort ab.
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Ein
weiteres Betriebsverfahren kann das Auswählen einer Stelle aufweisen,
die für
eine Verringerung der Höhe
vorgesehen ist, wie beispielsweise einen geschnittenen bzw. weggeschobenen
Bereich 110, und einer Stelle, die für eine Vergrößerung der Höhe vorgesehen
ist, wie beispielsweise ein Bereich 108, der ein aufzufüllender
Bereich sein kann. Das Material kann von dem weggeschobenen Bereich 110 entfernt
werden ("geschnitten
bzw. geschoben") und
automatisch in einem Bereich 108 durch Schwenken des Arbeitswerkzeuges 12 abgelagert werden.
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In
Situationen, wo ein ausgewählter
weggeschobener Bereich 110 und ein aufzufüllender
Bereich, wie beispielsweise der Bereich 108, nicht direkt gegenüberliegend
zueinander sind, kann es wünschenswert
sein, Material, das von dem weggeschobenen Bereich 110 entfernt
wurde, über
eine Distanz 112 zu tragen bzw. zu schieben, bevor es in
einem aufzufüllenden
Bereich abgelagert wird, wie im Bereich 108. In diesen
Situationen kann die Steuervorrichtung 22 die Längsachse 84 des
Arbeitswerkzeuges 12 im Wesentlichen senkrecht zur Fahrtrichtung 52 nach
der Entfernung des Materials halten. Wenn man dies so tut, kann
dies ermöglichen,
dass das Arbeitswerkzeug 12 das Material über die
Distanz 112 trägt,
bevor es automatisch schwenkt, um das Material im Bereich 108 abzulagern.
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Die
Schwenkrate des Arbeitswerkzeuges 12 kann mit der Geschwindigkeit
der Arbeitsmaschine 10 verbunden sein. Beispielsweise kann
die Schwenkrate mit der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 10 zunehmen.
Im Gegensatz dazu kann die Schwenkrate auch verringert werden, wenn
die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 10 ansteigt. Die
Beziehung kann linear sein oder nicht und kann mit vielen unterschiedlichen
Funktionen beschrieben werden, die nicht-lineare Funktionen, Stufenfunktionen
und Exponential funktionen einschließen, jedoch nicht darauf eingeschränkt sind.
Die Beziehung zwischen der Schwenkrate und der Geschwindigkeit der
Arbeitsmaschine 10 kann während des Betriebs des Arbeitswerkzeuges 12 variiert
werden. Beispielsweise kann die Schwenkrate linear abnehmen, wenn
die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 10 abnimmt, wenn
jedoch die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 10 sich
an Null annähert,
kann die Schwenkrate weniger schnell abfallen, um eine zu starke
Verringerung der Schwenkrate zu vermeiden. In ähnlicher Weise kann die Schwenkgeschwindigkeit
weniger schnell zunehmen, wenn die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 10 sich
ihrem Maximum nähert,
um eine zu schnelle Schwenkbewegung oder eine zu große Schwenkbewegung
zu vermeiden.
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Die
Schwenkrate kann auch von der Distanz zwischen der Arbeitsmaschine 10 und
den vorbestimmten weggeschobenen und aufzufüllenden Bereichen abhängen. Diese
Beziehung kann so stark variieren, wie die Beziehung zwischen der
Schwenkrate und der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 10,
wie oben besprochen. Auch kann die Beziehung während des Betriebs des Arbeitswerkzeuges 12 variiert
werden. Wenn beispielsweise ein weggeschobener bzw. wegzuschiebender
Bereich, wie beispielsweise der weggeschobene Bereich 110,
der in 5 gezeigt ist, relativ nahe an einem aufzufüllenden
Bereich ist, wie beispielsweise dem Bereich 108, kann das
Arbeitswerkzeug 12 beträchtlich über eine kurze
Distanz 112 der Fahrt der Maschine schwenken müssen. Daher
würde anfänglich die
kurze Distanz 112 zum Bereich 108 eine relativ
schnelle Schwenkbewegung des Arbeitswerkzeuges 12 erfordern.
Wenn sich die Arbeitsmaschine 10 jedoch den Bereich 108 nähert (d.
h. eine Distanz 114 von der Arbeitsmaschine 10 zum
Bereich 108 nähert
sich 0), und der Winkel 50 des Arbeitswerkzeuges 12 sich dem
erwünschten
Winkel nähert,
würde sich
die Schwenkrate verlangsamen.
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Die
erwünschte
Höhenveränderung
an irgendeiner gegebenen Stelle kann groß genug sein, dass die gesamte
Veränderung
nicht mit einem einzigen Durchgang des Arbeitswerkzeuges 12 zu
erreichen ist. Die Steuervorrichtung 22 und das Positionsüberwachungssystem 90 können konfiguriert
sein, um dies zu berücksichtigen
und die Materialmenge zu begrenzen, die das Arbeitswerkzeug 12 in
einem einzigen Durchgang entfernen kann. Dies kann erreicht werden
durch Begrenzung der Tiefe unter der tatsächlichen Höhe, auf die das Arbeitswerkzeug 12 eingestellt
werden kann, oder durch Überwachung der
tatsächlichen
Belastung des Arbeitswerkzeuges 12.
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Die
Belastung des Arbeitswerkzeuges 12 während des Betriebes kann auch
die Schwenkbewegung des Arbeitswerkzeuges 12 beeinflussen. Während beispielsweise
Material von einer Stelle zur Nächsten
getragen wird, muss das Arbeitswerkzeug 12 in Kontakt mit
dem Erdboden bleiben. Als eine Folge kann zusätzliches Material auf das Arbeitswerkzeug 12 während dieses
Vorgangs geladen werden. Deswegen kann es nicht praktisch sein,
das Arbeitswerkzeug 12 im Wesentlichen senkrecht zur Fahrtrichtung 52 zu
halten, falls dies bewirken würde, dass
eine Materialmenge eine Last auf das Arbeitswerkzeug 12 aufbringt,
die seine Belastungsgrenze überschreitet.
Entsprechend kann das Arbeitswerkzeug 12, während es
Material trägt,
automatisch basierend auf der überwachten
Belastung geschwenkt werden, um einen Teil des Materials entlang
des Weges abzulagern, um eine akzeptable Last auf dem Arbeitswerkzeug 12 aufrecht
zu erhalten.
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6 veranschaulicht
ein mögliches
Verfahren zur Ablagerung von Material. Im Schritt 116 kann das
Positionsüberwachungssystem 90 eine
tatsächliche
Position des Arbeitswerkzeuges 12 relativ zu einem Arbeitsgelände bestimmen.
Diese Position kann vom Prozessor 26 bestimmt werden, und
zwar unter Verwendung von einem oder mehreren GPS-Empfängern, wie
oben besprochen.
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Im
Schritt 118 kann der Prozessor 26 die tatsächliche
Höhe in
einer oder mehreren Karten aktualisieren, die im Speicher 92 gespeichert
sind. Wie oben besprochen, kann diese Aktualisierung ausgeführt werden
durch Aufzeichnung der Höhe
und der Neigung des Arbeitswerkzeuges 12, wenn die Arbeitsmaschine 10 über das
Arbeitsgelände
fährt.
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Beim
Schritt 120 kann das Positionsüberwachungssystem 90 mit
Bezug zur Ist-Position des Arbeitswerkzeuges 12 mindestens
zwei vorbestimmte Bereiche lokalisieren, die für eine Höhenveränderung vorgesehen sind. Diese
vorbestimmten Bereiche können
aus einer Analyse des gesamten Arbeitsgeländes oder eines kleineren unter
Satzes davon ausgewählt
werden.
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Beim
Schritt 122 kann der Prozessor 26 eine erste Differenz
zwischen einer Ist-Höhe
und einer Soll-Höhe
in einem ersten vorbestimmten Bereich bestimmen, und eine zweite
Differenz zwischen einer Ist-Höhe
und einer Soll-Höhe
in einem zweiten vorbestimmten Bereich bestimmen. Diese Differenzen
können
durch Vergleich einer Höhenkarte
der existierenden Landschaft auf dem Arbeitsgelände mit einer Höhenkarte
der erwünschten
Kontur der Landschaft bestimmt werden. Beim Schritt 124 kann
ein Vergleich zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz
vorgenommen werden. Das Vergleichen dieser Differenzen bestimmt,
welche dieser zwei Bereiche am besten zur Ablagerung von zusätzlichen
Material geeignet ist.
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Beim
Schritt 126 kann die Steuervorrichtung 22 die
Schwenkbewegung des Arbeitswerkzeuges 12 basierend auf
dem Vergleich zwischen diesen beiden Differenzen steuern. Insbesondere
kann die Steuervorrichtung 22 das Arbeitswerkzeug 12 schwenken,
um Material in dem vorbestimmten Bereich abzulagern, der im Vergleich
zu dem anderen lokalisierten Bereich über den anderen lokalisierten Bereichen
am weitesten unter der erwünschten
Höhe oder
am wenigsten über
der erwünschten
Höhe ist. Beispielsweise
kann die Arbeitsmaschine 10 Material von einem weggeschobenen
Bereich entfernen, und der Prozessor 26 kann bestimmen,
wo das Material abzulagern ist, und zwar durch eine Bestimmung, welcher
der Vielzahl von aufzufüllenden
Bereichen am weitesten unter der erwünschten Höhe an dieser speziellen Stelle
ist. Der Prozess kann sich wiederholen, wobei man kontinuierlich
die Landschaft analysiert und das Arbeitswerkzeug 12 basierend
auf dieser Analyse steuert.
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7 veranschaulicht
ein mögliches
Verfahren zur Bewegung von Material von einer Stelle zur Nächsten.
In diesem Verfahren kann der Prozessor 26 auch den Schritten 116–120 folgen,
die in Verbindung mit 6 beschrieben wurden. Zusätzlich kann beim
Schritt 128 der Prozessor 26 eine erste vorbestimmte
Stelle auswählen,
die für
eine Verringerung der Höhe
vorgesehen ist, und beim Schritt 130 eine zweite vorbestimmte
Stelle vor der Arbeitsmaschine 10 auswählen, die für eine Steigerung der Höhe vorgesehen
ist. Diese Stellen können
auf eine Anzahl von Arten ausgewählt
werden, wie oben besprochen, und zwar aus Karten des Arbeitsgeländes, die
im Speicher 92 gespeichert sind.
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Beim
Schritt 132 kann das Arbeitswerkzeug 12 verwendet
werden, um Material von der Stelle zu entfernen, die für eine Verringerung
der Höhe
vorgesehen ist. Wenn die Arbeitsmaschine 10 über die Stelle
fährt,
die für
eine Verringerung der Höhe
vorgesehen ist, können
die Höhe
und die Neigung des Arbeitswerkzeuges 12 automatisch gesteuert
werden, um eine erwünschte
Materialmenge zu entfernen.
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Im
Schritt 134 kann die Steuervorrichtung 22 die
Längsachse 84 des
Arbeitswerkzeuges 12 im Wesentlichen senkrecht zur Fahrtrichtung 52 der
Arbeitsmaschine 10 halten. Das Arbeitswerkzeug 12 kann
in dieser Orientierung gehalten werden, während die Arbeitsmaschine 10 von
der ersten Stelle zur zweiten Stelle voranschreitet, um das Material
zur zweiten Stelle zu tragen, wie benötigt.
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Im
Schritt 136, wobei das Arbeitswerkzeug 12 mit
Material beladen ist, kann die Steuervorrichtung 22 automatisch
das Arbeitswerkzeug 12 schwenken, um zumindest einen Teil
des Materials an der zweiten Stelle abzulagern, um dadurch die Höhe an der
zweiten Stelle zu verringern. Dieser Prozess kann sich auch kontinuierlich
wiederholen.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten Arbeitswerkzeug Steuersystem vorgenommen
werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuwei chen. Andere Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung
und der praktischen Ausführung
der Erfindung offensichtlich werden, die hier offenbart wird. Es
ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als
beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung
durch die folgenden Ansprüche
und ihre äquivalenten
Ausführungen
gezeigt wird.