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Die
Erfindung betrifft eine Tastvorrichtung zur Erfassung des Abstands
eines Fahrzeugs oder Arbeitsgeräts
von mechanisch tastbaren Strukturen, insbesondere Pflanzenbeständen, Pflanzenreihen, Bodenstrukturen,
Pflugfurchen oder dergleichen, mit einem stabförmigen, federnd nachgiebigen
Tastfühler,
der ein frei bewegbares Tastende hat und in einem Abstand von diesem
starr an einem Halter befestigt ist, und einem elektrischen Meßsystem,
das eine Lageänderung
des Tastendes gegenüber
dem Halter erfasst und ein von der Lageänderung abhängiges Messsignal erzeugt.
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Tastvorrichtungen
der angegebenen Art werden eingesetzt, um landwirtschaftliche Maschinen, Traktoren,
Arbeitsgeräte
oder Baumaschinen automatisch längs
einer tastbaren Struktur, beispielsweise einer Pflanzenreihe, einer
Bestandsgrenze oder einer Bodenfurche, zu führen. Das Signal der Tastvorrichtung
kann zur automatischen Lenkung eines Fahrzeugs oder einer selbstfahrenden
Maschine dienen und es kann genutzt werden, um die Arbeitsposition
eines Anbaugerätes
horizontal oder vertikal zu steuern.
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Aus
DE 23 62 899 C2 ist
eine Tastvorrichtung der angegebenen Art bekannt, deren Tastsignal
zur selbsttätigen
Seitenführung
einer selbstfahrenden landwirtschaftlichen Erntemaschine dient.
Die Tastfühler
sind hierbei an einem Tragarm, der in Fahrtrichtung nach vorn über das
Schneidwerk der Erntemaschine vorsteht, derart befestigt, dass sie
sich in einem flachen Kreisbogen nach rückwärts erstrecken. Nahe der Befestigungsstelle
sitzen an den Tastfühlern
Dehnmessstreifen-Schaltungen, welche die Durchbiegung der Tastfühler in
ein elektrisches Signal umsetzen. Es wird somit die durch das auftreffende
Erntegut hervorgerufene mechanische Biegebeanspruchung der Tastfühler in
ein elektrisches Signal zur Steuerung der Maschine umgewandelt.
Diese bekannte Gestaltung hat den Nachteil, dass sie aufwendig und
störanfällig ist.
Die Dehnmessstreifen sind sehr empfindlich und müssen aufwendig gegen falsche
mechanische Beanspruchung geschützt
werden, zumal sie an der ungünstigen
Auflaufseite der Tastfühler
angeordnet sind. Entsprechendes gilt für die Anschlussleitungen, die
den Messstreifen mit der Auswerteschaltung verbinden und in einem
Schutzrohr verlegt werden müssen.
Kommt es zu einer Beschädigung
der Tastfühler,
so muss jedes Mal ein teures Element des Messsystems ersetzt werden.
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Es
ist weiterhin aus
DE
27 05 491 C2 eine Tastvorrichtung zur selbsttätigen Seitenführung einer selbstfahrenden
Erntemaschine entlang einer Pflanzenreihe bekannt, bei der ein gebogener
Tastfühler an
der Maschine um eine etwa vertikale Achse drehbar gelagert ist.
Die drehbare Lagerung befindet sich innerhalb einer mit einer Verkleidung
geschlossen ausgeführten
Teilerspitze der Maschine und ist mit einem elektrischen Messsystem
ausgerüstet,
welches ein vom Drehwinkel des den Tastfühler tragenden Nabenkörpers abhängiges Steuersignal
bildet. Auch diese Tastvorrichtung ist aufwendig und erfordert einen
durch eine Verkleidung geschützten
Einbau.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste und störungssichere
Tastvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die vielseitig einsetzbar
ist und sich durch geringen Bauaufwand auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen
angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Tastvorrichtung weist
der Tastfühler
in einem Abstand von seiner Befestigungsstelle einen Permanentmagneten
auf, dessen Magnetfeld von einem in Bezug auf die Befestigungsstelle
des Tastfühlers
ortsfesten, feldempfindlichen Sensor erfasst wird, der ein vom Abstand
zwischen dem Permanentmagneten und dem Sensor abhängiges elektrisches
Signal erzeugt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist
der Tastfühler
ein einfaches, unkompliziertes und unempfindliches Bauteil, das
kostengünstig
hergestellt werden kann. An dem Tastfühler, der durch den Kontakt
mit den abzutastenden Strukturen stärkerer Beanspruchung und Verschleiß ausgesetzt
ist, sind keine empfindlichen Messorgane angebracht. Statt dessen
trägt der
Tastfühler
lediglich einen Permanentmagneten, der gegen mechanische Beanspruchung und
Schmutz sehr unempfindlich ist und der nicht durch Leitungen an
eine Schaltung angeschlossen werden muss. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet
in einer Vertiefung des Tastfühlers
angeordnet und dadurch zusätzlich
gegen äußere Einwirkung
geschützt.
Ist der Tastfühler
verschlissen oder beschädigt,
so kann er durch Lösen
seiner Befestigung leicht ausgewechselt werden, ohne dass weitere
Teile des elektrischen Messsystems davon betroffen sind. Der Sensor
ist von dem Tastfühler
getrennt und in Tastrichtung hinter diesem angeordnet und daher durch
den Tastfühler
geschützt.
Vorzugsweise ist der Sensor zusammen mit der dazugehörigen Sensorelektronik
vollständig
gekapselt in einem Gehäuse
aus unmagnetischem Material angeordnet und dadurch zuverlässig gegen
Einwirkung von außen
geschützt. Als
Sensor ist vorzugsweise ein Hall-Sensor vorgesehen, der ein von
der Feldstärke
des Magnetfelds abhängiges
Spannungssignal erzeugt.
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Der
Tastfühler
kann erfindungsgemäß als gerader
Stab ausgeführt
sein und aus einem hochelastischen Material, beispielsweise faserverstärktem Kunststoff,
bestehen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des
Tastfühlers
von der Befestigungsstelle in Richtung des Tastendes abnimmt. Hierdurch
wird eine gleichmäßige Verteilung der
Biegebeanspruchung und eine günstige
Verformungscharakteristik erreicht. Das Querschnittsprofil des Tastfühlers kann
weiterhin so gestaltet sein, dass der Tastfühler in Tastrichtung einen
kleineren Biegewiderstand hat als quer zur Tastrichtung.
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Ein
weiterer Vorschlag der Erfindung sieht vor, dass der Tastfühler in
Bezug auf seine Befestigungsstelle symmetrisch ausgebildet ist,
so dass sich der Tastfühler
von seiner Befestigungsstelle aus in zwei entgegengesetzte Richtungen
erstreckt und zwei entgegengesetzte Tastenden hat. Durch eine solche
Gestaltung ist es möglich,
zwei im Abstand voneinander befindliche Strukturen, beispielsweise Pflanzenreihen,
gleichzeitig zu ertasten und ein Gerät mittig zwischen den Pflanzenreihen
zu führen. Ebenso
kann im Wechsel mal mit dem linken und mal mit dem rechten Tastende
getastet werden.
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Nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann der Tastfühler mit
der den tastbaren Strukturen abgekehrten Rückseite an einer insbesondere konkav
gekrümmten
Stützfläche eines
Stützkörpers abstützbar sein,
wobei der Abstand zwischen dem Tastfühler und der Stützfläche von
der Befestigungsstelle in Richtung des Tastendes stetig zunimmt.
Bei dieser Gestaltung legt sich der Tastfühler mit zunehmender Verformung
zunehmend an die Stützfläche an,
wobei seine freie Länge
entsprechend abnimmt. Hierdurch wird die Biegebeanspruchung des
Tastfühlers
bei stärkerer
Auslenkung reduziert und eine Überbeanspruchung
an der Befestigungsstelle vermieden. Gleichzeitig wird eine kontrollierte
Verformung des die Lageänderung
des Permanentmagneten bestimmenden Bereichs des Tastfühlers erreicht. Vorzugsweise
ist der Stützkörper Teil
eines Gehäuses,
welches den Sensor und die elektronische Sensorschaltung umschließt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das
in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
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1 eine
Tastvorrichtung nach der Erfindung von oben gesehen,
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2 eine
Ansicht des Tastfühlers
der Tastvorrichtung gemäß 1 in
Tastrichtung gesehen,
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3 einen
Querschnitt entlang der Linie III-III des Tastfühlers in 2.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Tastvorrichtung 1 weist einen
Tastfühler 2 und
ein Gehäuse 3 auf,
an welchem der Tastfühler 2 lösbar befestigt ist.
Der Tastfühler 2 hat
die Form eines im Wesentlichen geraden Stabes mit rechteckigem Querschnitt. Die
Breite b des Querschnitts ist konstant, seine Höhe h ist größer als die Breite b und nimmt
von der Stabmitte ausgehend in Richtung der beiden Stabenden gleichmäßig ab.
Der Tastfühler 2 ist
daher in Richtung seiner Höhe
h steifer als in Richtung seiner Breite b, welche die Tastrichtung
ist. Der Tastfühler 2 ist
in der Mitte auf einer Breitseite mit einem rechteckigen Vorsprung 4 und
Bohrungen 5 versehen, die den Tastfühler 2 im Bereich
des Vorsprungs 4 durchdringen und zur Aufnahme von Befestigungsschrauben
dienen. Beiderseits des Vorsprungs 4 und jeweils in gleichem
Abstand von diesem sind in den Tastfühler 2 Permanentmagnete 6 eingebettet.
Die Permanentmagnete 6 sind allseits von dem Material des Tastfühlers 2 umgeben
und dadurch gegen äußere Einwirkungen
geschützt.
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Der
Tastfühler 2 besteht
aus glasfaserverstärktem
Kunststoff und weist eine hohe Biegeelastizität auf. Die Permanentmagnete 6 können bei
der Herstellung des Tastfühlers 2 mit
dem Kunststoffmaterial umgossen werden. Alternativ hierzu kann der Tastfühler mit Öffnungen
versehen sein, die nach dem Einsetzen der Permanentmagnete verschlossen werden.
Anstelle von glasfaserverstärktem
Kunststoff können
zur Herstellung des Tastfühlers 2 auch andere
unmagnetische Werkstoffe hoher Elastizität, beispielsweise nicht rostender
Stahl, verwendet werden.
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Das
Gehäuse 3 bildet
auf seiner dem Tastfühler 2 zugekehrten
Außenseite
eine im Wesentlichen zylindrische Stützfläche 7 und hat in der
Mitte der Stützfläche 7 eine
Vertiefung 8 zur Aufnahme des Vorsprungs 4. Die
der zylindrischen Stützfläche 7 entgegengesetzte
Außenfläche des
Gehäuses 3 ist eben
und eignet sich zur Anbringung des Gehäuses 3 an einem Halter.
In dem Gehäuse 3 befinden
sich in symmetrischer Anordnung nahe der Stützfläche 7 zwei Hall-Sensoren 9 und
eine elektronische Schaltung 10, an die die Hall-Sensoren
angeschlossen sind und die zur Stromversorgung der Sensoren und zur
Signalverarbeitung und Signalverstärkung dient. Hall-Sensoren
erzeugen in einem Magnetfeld ein von der Feldstärke abhängiges Spannungssignal. Durch eine
nicht dargestellte Schnittstelle ist die Schaltung 10 mit
einer elektrischen Steuereinrichtung eines Fahrzeugs oder einer
Arbeitsmaschine verbindbar. Das Gehäuse 3 besteht aus
unmagnetischem Material, so dass die Magnetfelder der Permanentmagnete 6 durch
das Gehäuse
nicht gestört
oder geschwächt
werden.
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Wie
aus 1 zu ersehen, sind die Permanentmagnete 6 in
Bereichen des Tastfühlers 2 angeordnet,
die sich den Stützflächen 7 nähern, wenn
die Tastenden 11 des Tastfühlers 2 in Richtung
der Pfeile X gebogen werden. Die Sensoren 9 befinden sich
auf der Innenseite der die Stützfläche 7 bildenden
Gehäusewand
jeweils an einer Stelle, die sich im Wesentlichen auf einer Verlängerung
der Bahnkurve befindet, auf der sich die Permanentmagnete 6 beim Biegen
der Tastenden 11 bewegen. Die Hall-Sensoren 9 erfassen
somit jede durch Biegen der Tastenden 11 in Pfeilrichtung
hervorgerufene Verlagerung des Magnetfelds der Permanentmagnete 6 und
erzeugen ein von der jeweiligen Feldstärke und damit von dem Ausmaß der Verlagerung
der Permanentmagnete 6 abhängiges, analoges Signal, welches
die Stärke
der Auslenkung der Tastenden 11 in Pfeilrichtung beschreibt.
Das gewonnene Signal zeigt somit an, wie stark ein Tastende 11 von
einer ertasteten Struktur aus seiner Grundstellung ausgelenkt wird und
wie groß dementsprechend
der Abstand der Tastvorrichtung 1 von der ertasteten Struktur
ist.
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In
der praktischen Anwendung der Tastvorrichtung 1 ist das
Gehäuse 3 mit
einem Fahrzeug oder Anbaugerät,
welches gesteuert werden soll, derart verbunden, dass der Tastfühler 2 in
Fahrtrichtung vorne liegt. Außerdem
besteht eine elektrische Verbindung zwischen den Sensoren 9 bzw.
der elektronischen Schaltung 10 und der elektrischen Steuerung
des Fahrzeugs. Ist die Tastvorrichtung 1 so angebracht,
dass der Tastfühler 2 sich
waagrecht quer zur Fahrtrichtung erstreckt und das Gehäuse 3 in
der Fahrzeugmitte liegt, so kann die Auslenkung beider Tastenden 11 des
Tastfühlers 2 dazu
benutzt werden, um das Fahrzeug z.B. mittig zwischen zwei Bestandsreihen
oder bei Anordnung der Tastvorrichtung 1 in Bodennähe zwischen
zwei Dämmen
zu führen. Das
Fahrzeug wird dabei von der Auswerte- und Steuereinheit so gesteuert,
dass die Auslenkung des Tastfühlers 2 an
beiden Tastenden 11 gleich bleibt. Wird die Tastvorrichtung 1 so
angebracht, dass der Tastfühler 2 senkrecht
ausgerichtet ist, so kann das nach unten zeigende Tastende dazu
benutzt werden, um eine Einheit des Fahrzeugs oder des Anbaugerätes in der
Höhe oder
Tiefe zu führen.
Hierbei steuert die Auswerte- und Steuereinheit das entsprechende Gerät so, dass
die Auslenkung des Tastfühlers 2 immer
einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
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Die
beschriebene Tastvorrichtung hat den Vorteil, dass sie sehr robust
gegenüber
mechanischen Beanspruchungen ist. Der Tastfühler kann ohne Schaden zu nehmen
in alle Richtungen ausgelenkt, gestaucht oder verdreht werden. Die
Tastvorrichtung ist äußerst vielseitig
in der Anwendung, sie kann senkrecht, waagrecht oder auch in anderen Ausrichtungen
genutzt werden. Der Tastfühler
kann verschiedene Formen und Größen haben,
um eine optimale Anpassung an bestimmte Anwendungsfälle zu erreichen,
ohne dass eine Änderung
des Messsystems und der Sensoren erforderlich ist. Auch das Auswechseln
des Tastfühlers
ist einfach und ohne Eingriff in den elektrischen Teil des Messsystems möglich.