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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Position anzeigende Führungssysteme und speziell ein Verfahren zum Führen einer Maschine gemäß Anspruch 1 und ein Steuersystem zum Führen einer Maschine gemäß Anspruch 15, wobei die Maschine ein Werkzeug trägt, damit sich dieses entlang einer vorbestimmten Bahn bei einem Arbeitsplatz unter Verwendung eines einzelnen Lasersenders und einer Detektoranordnung bewegt.
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Eine Konstruktion basiert sehr weitreichend auf Positionsangabedaten. Die Konstruktionsqualität, speziell die Produktivität und die Qualität einer Arbeit oder Bearbeitung ist an die Geschwindigkeit und Genauigkeit von Positionierungsverfahren, die zur Anwendung gelangen, geknüpft. Standardmäßige Überwachungstechniken sind relativ langsam, erfordern hochqualifizierte Operatoren und sind einem menschlichen Fehler weiter ausgesetzt.
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Bei einem herkömmlichen Laser-Sender wird eine eng oder schmal fokussierte, horizontal rotierende Laserstrahlenergie dazu verwendet, um eine Bezugsebene vorzusehen. Der rotierende Strahl verläuft über ein sich vertikal erstreckendes Array von Fotodetektoren in einem Laserempfänger, um die Elevation des Empfängers in Bezug auf den Laserstrahl zu markieren. Das Array erstreckt sich in typischer Weise zwischen 4 und 8 Inches. Daher sind die verfügbaren Daten auf die Elevation über einen sehr kleinen vertikalen Bereich eingeschränkt und es ist somit aufgrund der ebenen Neigung und der Ausricht-Iteration das Erstellen einer Gradeinstellung, mit Hilfe solch eines herkömmlichen Lasersystems zeitaufwändig.
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Bei einem anderen herkömmlichen Laser-Sender werden Licht-Ebenen emittiert anstelle von lediglich einer Linie eines Licht angebenden Wertes. Die Ebenen des Lichtes liefern ausreichende Winkelinformationen, sodass ein zugeordneter Empfänger die Beschwerungs-Ausrichtung, Elevation und Neigung zum Sender berechnen kann. Jedoch wird sowohl bei dem früher erwähnten und dem letzterwähnten System eine Information, die den relativen Abstand und die Richtung (Azimut) von dem Empfänger zu dem Sender betrifft, nicht erstellt.
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Um den Abstand und die Richtung zu erstellen folgen Maschinen-Operatoren in typischer Weise vorgezeichneten Richtungsmarkierungen auf den Verstemmungen, Schnurlinien, einem Laserstrahl von einem Rohrlaser, oder durch Triangulation unter Verwendung eines zweiten Lasersenders. Ferner besteht bei den Aushöhlarbeiten das herkömmliche die Tiefe anzeigende System aus einer rotierenden Laserebene mit einem einzelnen Laserempfänger, um anzuzeigen, ob der vertikal orientierte Ausleger und Eimer über, unter oder auf der gewünschten Höhe sind und zwar mit oder ohne Nivellierung. Es muss jedoch auch berücksichtigt werden, dass die Länge des Foto-Detektionsbereiches des einzelnen Laserempfängers den vertikalen Arbeitsbereich solcher eine Tiefe anzeigender Systeme auf angenähert jeweils ±2 und ±4 Inch einschränkt. Diese engen Grenzen (ihren häufig dazu, dass der Operator ”nach dem Strahl sucht”, um eine Tiefenanzeige erneut zu gewinnen.
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In typischer Weise wird die Richtung einer Maschine wie beispielsweise einer Aushöhlmaschine durch im Voraus überwachte Markierungen auf Absteckungen, Schnurlinien oder einen zusätzlichen Lasersender wie beispielsweise ein Rohrlaser (pipe laser) vorgesehen. Jedoch sind diese Verfahren mit bekannten Nachteilen behaftet. Eine Linien-Verschlechterung, die sich aus der Konstruktion der Arbeitsplatzaktivität ergibt, kann zu Grabungsverzögerungen führen und die Verwendung eines zusätzlichen Lasers ist kostspielig. Ferner wird unter Verwendung eines Lasers Qualität erstellt, indem die Laserenergieebene so weit geneigt wird, bis die geneigte Ebene in die gewünschte Richtung zeigt. Die Aufbauoperation kann mehrere Prüfvorgänge erfordern und zwar mit einem zusätzlichen in der Hand gehaltenen Detektor, und Dreh-Iterationen, um die gewünschte Klasse an Qualität zu erreichen. Demzufolge ist die Erstellung des Abstandes, der Richtung und der Qualität unter Verwendung eines herkömmlichen Lasersystems, Markierungen, Schnurlinien, Rohrlasern oder eines zweiten Senders zeitaufwändig und führt zu zusätzlichen Kosten.
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Die
US 5 742 394 A offenbart ein Verfahren zum Positionieren und Fernsteuern bzw. Führen eines Gegenstandes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Vorsehen eines Lasersenders vom Fächertyp, wobei der Lasersender zwei fächerförmig gestaltete Laserstrahlen erzeugt; Erfassen der zwei fächerförmig gestalteten Laserstrahlen mit wenigstens vier Fotodetektoren, die an bekannten Positionen in einer Empfangsvorrichtung mit einer dreidimensionalen Gestalt fixiert sind, wobei die Empfangsvorrichtung an einer bekannten Position am Gegenstand platziert wird; Erzeugen von Signalen durch die Empfangsvorrichtung unter Weiterleiten der Signale an eine Steuereinheit; und Berechnen der Position und der Bewegungsrichtung des Gegenstandes anhand der Steuersignale durch die Steuereinheit.
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Gegenüber diesem Stand der Technik soll durch die Erfindung die Aufgabe gelöst werden, eine gegenseitige Abschattung der Fotodetektoren bei Bewegung einer Arbeitsmaschine relativ zu dem Lasersender weitestgehend zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 der anliegenden Ansprüche und auch durch ein Steuersystem gemäß Anspruch 15 der anliegenden Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der im Anspruch 1 bzw. dem Anspruch 15 jeweils nachgeordneten Ansprüchen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich klarer anhand der folgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Rahmen der Ansprüche durch die darin enthaltenen Aussagen definiert ist und nicht durch die spezifische Erläuterung von Merkmalen und Vorteilen, die in der vorliegenden Beschreibung dargelegt werden.
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Die Organisation und die Art der Operation bei der vorliegenden Erfindung zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen derselben können am besten unter Hinweis auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden:
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild von einer Ausführungsform eines Position-Anzeigesystems, welches einen Lasersender vom Fächertyp und einen Empfänger enthält, der ein Detektor-Array aufweist und zwar entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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2 eine diagrammmäßige Seitenansicht einer herkömmlichen Aushöhl- oder Aushebemaschine, an der ein Detektor-Array montiert ist und so orientiert ist, um Signale von dem Lasersender vom Fächertyp zu empfangen, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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3 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Steuereinheit, die bei dem Position-Anzeigesystem der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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4 ein Blockschaltbild, welches eine Draufsicht einer Aushebeoperation unter Verwendung eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Während die Erfindung bei einer Ausführungsform in unterschiedlichen Formen realisiert werden kann, sind in den Zeichnungen spezifische Ausführungsformen, die hier auch noch in Einzelheiten beschrieben werden, gezeigt mit dem Hinweis, dass die vorliegende Offenbarung lediglich als beispielhaft für die Prinzipien der Erfindung zu betrachten ist und diese nicht den Gegenstand der Erfindung auf das veranschaulichte und hier beschriebene beschränkt.
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Erfahrene Fachleute erkennen, dass die Elemente in der Zeichnung der Einfachheit halber und der Klarheit halber veranschaulicht sind und nicht im Maßstab gezeichnet wurden. Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in der Zeichnung übertrieben dargestellt sein und zwar relativ zu anderen Elementen, um das Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu unterstützen.
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1 zeigt allgemein ein veranschaulichendes Ausführungsbeispiel eines Position-Anzeigesystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung richtet sich gegen all die Probleme, die weiter oben im Hintergrund angesprochen wurden, indem sie einen einzelnen Lasersender 12a vom Fächertyp, ein Detektor-Array 14 und eine Steuereinheit 16 vorsieht. Der Lasersender 12 besteht aus einem herkömmlichen Lasersender, der beispielsweise durch Trimble, Inc. unter der Modellnummer LS920 vertrieben wird, und schafft ein LED Stroboskop 17 als auch wenigstens zwei Lichtebenen 18a und 18b anstelle von nur einer Lichtlinie, die die Höhe anzeigt. Die erzeugte LED Stroboskop-Energie 17 und die Lichtebenen 18a und 18b liefern ausreichende Winkelinformationen in solcher Weise, dass die Steuereinheit 17 die Azimutwerte und Elevationswinkel für den Lasersender 12 aus den Detektionsinformationen berechnen kann, die durch jeden Fotodetektor 20a, 20b, 20c, 20d, 20e des Detektor-Array 14 geliefert werden. Bei einer Ausführungsform kann der Lasersender 12 selbstnivellierend sein und kann in einfacher Weise an dem Arbeitsplatz durch einen Dreifuß positioniert werden.
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Wie dargestellt ist, sind die Fotodetektoren
20a bis
20e geometrisch voneinander beabstandet. Bei der veranschaulichten Ausführungsform und der Darstellung in
1 kann das Detektor-Array
14 auch eine mechanische Montagevorrichtung
22 aufweisen, um einen Array-Halterungsrahmen
23 an einer Maschine zu sichern. Der Array-Halterungsrahmen
23 umfasst beispielsweise Rohre
24, Rohr-Verbindungsglieder
26 und Doppelrohr-Kreuzverbindungsglieder
28, ist jedoch darauf nicht beschränkt, um die Fotodetektoren in der gewünschten geometrischen Gestalt zu sichern und zu halten. Das bei der veranschaulichten Ausführungsform wiedergegebene Detektor-Array umfasst fünf Fotodetektoren, die mit Det1, Det2, Det3, Det4 bzw. Det5 bezeichnet sind. Bei einer Ausführungsform sind die Nennpositionen der Fotodetektoren in den x-, y- und z-Koordinaten gemäß der folgenden Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1
| Detektor | x | y | z |
| Det1 | –0,5 m | –0,5 m | 0,0 m |
| Det2 | 0,5 m | –0,5 m | 0,1 m |
| Det3 | 0,5 m | 0,5 m | 0,0 m |
| Det4 | –0,5 m | 0,5 m | 0,1 m |
| Det5 | 0,0 m | 0,0 m | 1,0 m |
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Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Positionen der Fotodetektoren innerhalb von 0,2 mm eine Sigma-Toleranz in den x-, y- und z-Koordinaten liegen oder eine Verschiebung von 0,3 mm gemäß einer Sigma-Toleranz von der Nennposition aufweisen und zwar aufgrund des Designs und dem Konstruktionsverfahren. Solch eine Toleranz wird mit einem Überwachungsinstrument mit der gleichen Genauigkeit der Verschiebung von 0,3 mm bei einer Sigma-Toleranz oder besser geprüft. Wenn es gewünscht wird, können die überwachten Positionen als Nennpositionen bei der Aufstellprozedur des Position-Anzeigesystems verwendet werden.
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Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist die Gestalt des Array-Halterungsrahmens und der Nennpositionen der Detektoren in solcher Weise gewählt, dass die Sichtlinie von mehr als einem Detektor bei irgendeiner Detektor-Array-Orientierung innerhalb der x-Achsen-Drehung von ±45° und einer y-Achsen-Drehung von ±45° und einer z-Achsen-Drehung von ±180° immer unblockiert gehalten wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der mit Det5 bezeichnete Detektor bei allen Orientierungen des Detektor-Arrays unblockiert bleibt. Jedoch sollte die differenzielle Verschiebung des Detektors im Mittel pro Detektor nicht mehr als 0,3 mm gemäß einer Sigma-Toleranz von der Nennposition zwischen 1 Hz und 80 Hz aufgrund einer Vibration betragen, ebenso aufgrund einer Resonanz und Biegung des Arrays, wenn das Array typischen Vibrationen ausgesetzt wird, die an der Aushebemaschine auftreten. Zusätzlich sollte die gemeinsame Verschiebung des Detektors nicht mehr als 10,0 mm von einer Sigma-Toleranz von der Nennposition zwischen 0,1 Hz und 1 Hz aufgrund der Vibration, der Resonanz und der Biegung des Arrays betragen, wenn das Array den typischen Vibrationen ausgesetzt wird, die bei einer Aushebemaschine auftreten. Die Fotodetektoren sind auch an dem Array-Halterungsrahmen in einer vertikalen Orientierung mit einer Genauigkeit von ±3° befestigt.
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Der Array-Halterungsrahmen ist so an einer Maschine montiert, dass sich eine unbehinderte Sicht des Detektor-Arrays bei irgendeiner Orientierung der Aushebemaschine ergibt und zwar innerhalb einer x-Achsen-Drehung von ±45°, einer y-Achsen-Drehung von ±45° und einer z-Achsen-Drehung von ±180°. Erfindungsgemäß ist das Detektor-Array gemäß 2 an einer Maschine montiert sein, die ein Arbeitsgerät oder Werkzeug trägt wie beispielsweise eine Aushebevorrichtung oder Aushöhlvorrichtung, die hydraulisch einen Kübel oder Schachtgefäß oder Hecktieflöffel trägt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sei auch erwähnt, dass, wenn das Detektor-Array an einer Kabine montiert wird, Sorgfalt darauf verwendet werden muss sicherzustellen, dass das Dach nicht die unteren und hinteren Detektoren blockiert – wenn die Aushebemaschine nach oben hin in der Richtung des Lasersenders geneigt wird. Bei einer Ausführungsform sollte das Detektor-Array wenigstens 0,7 mm über dem Dach einer Kabine der Aushebemaschine montiert sein, um ein Blockieren des unteren Detektors zu vermeiden.
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Gemäß 3 ist die Steuereinheit mit integralen Detektions- und Berechnungs-Elektronikeinrichtungen ausgestattet als auch mit einer Position-Anzeigeverarbeitung, Hardware und Software, die allgemein durch ein Symbol angezeigt sind. Die Steuereinheit liefert eine Impuls-Detektion, eine Azimut- und Elevation-Winkelverarbeitung, Positionsbestimmung und Anzeigeverarbeitung. Eine Anwender-Schnittstelle, die eine Anzeige- und Steuereingabefunktion aufweist, ist entweder integral mit der Steuereinheit vorgesehen oder ist entfernt mit dieser verbunden. Eine Stromversorgung in Form von entweder einer integralen Batterie oder einer Maschinen-Stromverbindung, versorgt die Steuereinheit und alle angeschlossenen peripheren Vorrichtungen mit Strom. Linien- und Qualität-Indikatoren sind ebenfalls bei der Steuereinheit vorgesehen an einer integralen Anzeige oder an einer optional vorgesehenen Fernanzeige (nicht dargestellt) und zwar über Fernverbindungen.
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Wie bereits an früherer Stelle erwähnt worden ist, werden Informationen anhand der Kombination aus dem Lasersender, dem Detektor-Array und der Steuereinheit geliefert und zwar in Form von Positionen, Orientierung, Azimut und Elevationswinkeln mit einem Ursprung in dem Koordinatensystem, welches zentral in dem Rotor des Lasersenders gelegen ist. Gemäß der Darstellung in 2 divergiert die LED-erzeugte Stroboskopenergie und jeder Laserfächerstrahl, der von dem Lasersender ausgeht, mit dem Abstand. Diese Divergenz liefert einen weiten vertikalen Betriebsbereich eines Auslegers oder einer Grabevorrichtung einer Maschine (zum Beispiel eine Aushebemaschine), die ein Werkzeug trägt (zum Beispiel einen Kübel oder Schachtgefäß), was in Meter gemessen wird und nicht nur in ein paar Inches, wodurch die Erfordernis beseitigt wird eine Suche nach dem Strahl durchzuführen, um das Position-Anzeigesystem aufzubauen.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das System mit einer 0%-Qualitätseinstellung ausgestattet, was eine typische Aushebeoperation wiedergibt, bei der der Untergrund bis zu einer gewünschten Gradeinstellung bearbeitet wird. Es sei auch darauf hingewiesen, dass andere Grad- oder Qualitätseinstellungen, die auf dem vorliegenden Gebiet typisch sind, in Verbindung mit dem System verwendet werden können. Die Grabungsvorrichtung oder die Aushebevorrichtung ist vertikal mit dem Werkzeug in der Messposition bei der geeigneten Tiefe orientiert. Als Nächstes wird unter Hinweis auch auf 4, die eine von oben her gesehene Ansicht der Aushebeoperation zeigt, die in 2 veranschaulicht ist, bei einem Lasersender, der willkürlich (es ist keine Drehorientierung erforderlich) auf einer Steuerlinie positioniert ist, ein Bezugs-Azimutwinkel von einer willkürlichen Bezugsrichtung eingestellt, die in eine Richtung parallel zu einer vorbestimmten Bahn zeigt (zum Beispiel ein gewünschte Azimut für eine gewünschte Graben-Bahn). Eine Annäherung zum Einstellen des Bezugs-Azimutwinkels besteht darin, das Detektor-Array über einen entfernten Punkt zu positionieren, das heißt auf der gewünschten Steuerlinie und dann einen ”Erstellungslinien”-Knopf oder -Taste an der Steuereinheit (3) zu drücken. Die Steuereinheit speichert ein momentanes Mess-Azimut als Bezugs-Azimutwinkel für das gewünschte Azimut, was an der Anzeigevorrichtung dargestellt wird, die für die Anwender-Schnittstelle vorgesehen ist. Durch den Ausdruck ”gemessenes Azimut” wird ein Azimutwinkel bezeichnet, der durch die Steuereinheit berechnet wird und zwar unter Verwendung von Informationen, welche an die Steuereinheit durch das Detektor-Array geliefert werden, und zwar unter Erfassung der zwei fächerförmig gestalteten Strahlen und unter Verwendung des Lasersenders. Die Steuereinheit vergleicht dann die nachfolgenden gemessenen Azimutwinkel mit dem gespeicherten Bezugs-Azimutwinkel und sendet Signale zu den Linien-Indikatoren, die über die Anzeigeverarbeitungshardware und -software erzeugt werden, um den Operator darüber zu informieren, dass die Maschine sich entweder links, rechts oder auf der Steuerlinie befindet. Bei einer Ausführungsform lenkt der Operator von Hand, um das Heading der Maschine zu korrigieren, wenn diese sich nicht auf der Steuerlinie befindet. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Signale auch durch eine Steuereinheit der Maschine als Maschinenlenksignale verwendet, um automatisch Abweichungen der Bewegung der Maschine von der Steuerlinie zu kompensieren. Demzufolge beseitigt die vorliegende Erfindung den Bedarf nach Vor-Überwachungsabsteckungen, Schnurlinien oder -leitungen und einem zusätzlichen Laser.
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Um die gewünschte Gradeinstellung zu erstellen, gibt der Anwender einfach eine prozentuale Steigung (Grad), die gewünscht wird, in die Steuereinheit ein und zwar durch Verwenden von Eingangstasten, die ebenfalls an der Anwender-Schnittstelle vorgesehen sind. Die Steuereinheit wandelt die Gradeinstellung in einen äquivalenten Bezugs-Elevationswinkel um. Der äquivalente Bezugs-Elevationswinkel wird in der folgenden Weise berechnet: Elevationswinkel = tan–1(% Neigung/100) (1)
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Während des Betriebes wird der gemessene Elevationswinkel mit dem Bezugs-Elevationswinkel durch die Steuereinheit verglichen. Wenn die Gliederlängen und die Längen des Auslegers (zum Beispiel umfasst ein Löffel-Stab eine Vielzahl von bewegbaren Gliedern, die durch Gliederlängen repräsentiert werden) und dem Werkzeug (zum Beispiel Kübel oder Schachtgefäß) bekannt sind und deren relative Orientierungen bekannt sind und zwar zueinander und die Maschine bekannt ist und zwar über Kodiervorrichtungen, wobei Orientierungssignale vorgesehen werden, welche Winkel- und/oder Linear-Messungen dazwischen angeben und diese zu der Steuereinheit gelangen (zum Beispiel über Fernverbindungen), kann die vertikale Position des Werkzeugs (zum Beispiel bei einem Punkt des Werkzeugs, welches den Untergrund bearbeitet) berechnet werden und kann an Grad-Anzeigevorrichtung in der oben erläuterten Weise dargestellt werden oder auch auf oder unter der gewünschten Gradeinstellung und zwar über das Aussenden zusätzlicher Signale, welche die vertikale Position des Werkstücks angeben und zwar an der Anzeigevorrichtung von der Steuereinheit. Demzufolge erhöht der Maschinenführer bei einer Ausführungsform, von Hand die vertikale Position oder reduziert diese (zum Beispiel die Grabungstiefe) und zwar in der erforderlichen Weise, um eine ”auf Grad”-Anzeige zu erreichen. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Einstellen der vertikalen Position des Werkzeugs, um den gewünschten Grad zu erreichen, automatisiert und zwar vermittels der Steuereinheit, die zusätzliche Signale zu dem hydraulischen Steuersystem der Maschine sendet, welche die Position des Werkzeugs einstellen, um automatisch den Neigungsprozentsatz aufrecht zu erhalten, der in die Steuereinheit eingegeben wurde.
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Nachdem die Linie und die Gradeinstellung in der Steuereinheit eingestellt worden ist, umfasst der verbleibende Aufbau lediglich ein ”Benchen bzw. Kalibrierung” des Systems. Dieser Prozess kalibriert die Maschine auf die Grad-Elevationsanzeige, sodass diese richtig auf der Gradeinstellung steht. Es wird der Ausleger in vertikaler Richtung über einer bekannten Elevationsbezugsgröße positioniert und zwar mit dem Werkzeug, welches für die Messung orientiert wird. Beispielsweise kann ein Elevations-Dreifuß dafür verwendet werden, um den Lasersender abzustützen oder zu haltern, wobei die Erhöhung des Senders geändert wird, um eine Detektor-”Aufgrad”-Anzeige zu erreichen. Nach der oben erläuterten Einstellprozedur bzw. Einstellprozeduren, ist das System nun für die Verwendung bereit.
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Experimentelle Testdaten
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Das Praktische bei der Verwendung eines einzelnen Lasersenders, um den Ort des Werkzeugs zu bestimmen, der für eine Bewegung an der Maschine in einer Arbeitsumgebung getragen wird, wird anhand der folgenden experimentellen Testdaten veranschaulicht. Es sei darauf hingewiesen, dass der Testaufbau eine veranschaulichte Ausführungsform darstellt, bei der die vorliegende Erfindung implementiert ist. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform gibt der Lasersender Fächer von Licht aus und zwar anstelle von lediglich einer Lichtlinie, die eine Höhe oder Höhenwert anzeigt. Die Fächer aus Licht liefern ausreichend Winkelinformationen, sodass ein Empfänger das Azimut und die Elevationswinkel für den Lasersender berechnen kann. Für den Test bei der veranschaulichten Ausführungsform wurde das Detektor-Array mit den Fotodetektoren (1) in der Gestalt einer Pyramide vorgesehen, wobei alle Seiten aus einer bekannten gleichen Länge bestanden. Um das Verdunkeln von einem Detektor durch einen anderen zu reduzieren sind zwei sich gegenüberliegende Detektoren auf dem Boden um 0,1 m höher angeordnet als die anderen zwei Detektoren. Unter Verwendung der Azimut- und Elevations-Winkel von den fünf Fotodetektoren zeigt eine mathematische Theorie, dass die Position von dem Lasersender innerhalb von 6'' über 300 Fuß bestimmt wird.
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Der Ausgangsport von jedem Fotodetektor war mit der Steuereinheit über USB-Verbindungen verbunden, die es ermöglicht hat, Winkeldaten von dem Lasersender, die durch dem Fotodetektor empfangen wurden, gleichlaufend gesammelt werden konnten und zu der Steuereinheit gesendet werden konnten. Der Lasersender, der verwendet wurde, bestand aus einem LS920 LaserStation3D selbst höheneinstellenden Sender, der von Trimble, Sunnyville CA vertrieben wird. Ein Programm, welches in der Steuereinheit läuft basiert auf den gesammelten Winkel- und Positionsdaten von den Fotodetektoren, um die Daten darzustellen und zu speichern.
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Test
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Während eines Tests zum Bestimmen der Brauchbarkeit und Genauigkeit des Systems wurde das Detektor-Array auf einer Karte montiert und wurde zu einer Anzahl von überwachten Punktörtlichkeiten bewegt. Der Lasersender, der als ATX2O21A in der nachfolgenden tabullierten Datentabelle bezeichnet ist, wurde bei einer ersten Ursprungsplatte einer bekannten Örtlichkeit platziert. Die Lasersender-Charakteristika sind in der Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2: ATX2O21 A Senderdatei:
| ASD | |
| PHI I: | –0,5344294 |
| PHI 2: | 0,5360861 |
| ALPHA 1: | 1,5704627 |
| ALPHA 2: | 1,5664547 |
| THETA OFFSET: | 1,5657921 |
| SPEED: | 40,5000000 |
| X: | 0,0000000 |
| Y: | 0,0000000 |
| Z: | 0,0000000 |
| RX: | 0,0000000 |
| RY: | 0,0000000 |
| RZ: | –1,330782 |
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Während eines anfänglichen Aufbaus bei einer zweiten Ursprungsplatte mit einer bekannten Position von der ersten Ursprungsplatte, zeigte die gemessene Position eine Differenz von 0,2 m in x von der überwachten Position. Um diesen Fehler zu absorbieren wurde die Größe des Detektor-Arrays um 1,0044 m vergrößert, wobei die transformierten Detektorpositionen in der Tabelle 3 aufgeführt sind. Tabelle 3: Transformierte Detektorpositionen
| D1X: | –0,005089497 |
| D1Y: | 0,010946387 |
| D1Z: | –0,003872116 |
| D2X: | 0,706862597 |
| D2Y: | –0,726671158 |
| D2Z: | 0,099 140237 |
| D3X: | 1,434281058 |
| D3Y: | 0,005010147 |
| D3Z: | –7,03 108E–06 |
| D4X: | 0,700926356 |
| D4Y: | 0,709703153 |
| D4Z: | 0,098 17 1957 |
| D5X: | 0,7 14250253 |
| D5Y: | 0,00101 1471 |
| D5Z: | 1,011894954 |
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Der Steuerlinienwinkel wurde so eingestellt, um 0,0 m in y an der ersten Punktörtlichkeit zu erreichen. Es wurde die Karte dann zu verschiedenen überwachten Punktstellen bewegt und es wurde die Position des Detektors 1 vertikal auf die Platte ausgerichtet und zwar auf den Boden und zwar auf der Grundlage von Augensicht. Bei jeder überwachten Punktstelle wurde die detektierte Ausgangsgröße dann mit Überwachungsinformationen verglichen. Die Ergebnisse sind weiter unten in der Tabelle 4 aufgeführt, in welcher die überwachten Punktstellen mit pt91, pt41, pt24, pt115 und pt76 (in Meter) bezeichnet sind. Wie dargestellt ist, reicht der xy-Abstandsfehler von 2 bis 5 cm (1–2''), und die z-Werte wurden als innerhalb von ein paar Millimeter liegend bestätigt. Tabelle 4
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Ein zweiter Lasersender ATX2O21B wurde dann an der zweiten Ursprung-Plattenstelle platziert, um die Genauigkeit bei der vorliegenden Erfindung mit dem herkömmlichen und kostspieligeren zwei Sendesystemen zu vergleichen. Die Sender-Charakteristika sind in der Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5: ATX2O21B Senderdatei:
| ASD | |
| PHI I: | –0,5 193683 |
| PHI 2: | 0,5 160458 |
| ALPHA 1: | 1,5712155 |
| ALPHA 2: | 1,5715426 |
| THETA OFFSET: | 1,5744753 |
| SPEED: | 40,0000000 |
| X: | 36,0089858 |
| Y: | 0,0000000 |
| Z: | –0,0955599 |
| RX: | 0,0000000 |
| RY: | 0,0000000 |
| RZ: | –0,297 1674 |
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Es wurden gleichzeitig Positionsmessungen durch das System der vorliegenden Erfindung durchgeführt (als ”Pyramid” in Tabelle 6 bezeichnet) und auch unter Verwendung eines Empfängers des Zwei-Sender-Systems (als ”LS920” in der Tabelle 6 bezeichnet). Es wurden etwa 200 Proben aus den aufgezeichneten Daten von jedem System extrahiert, die an drei verschiedenen Punkten gesammelt wurden. Es wurden blockierte und spitze Positionsdaten eliminiert. Die Spitzen werden durch Laserimpulskollisionen von den zwei unterschiedlichen Sendern in dem gleichen Fenster für die Impuls-Tracker-Funktion verursacht. Da keine Spitzen in dem anderen Sendersystem vorhanden waren, wurden diese beseitigt. Der Vergleich an den drei Punkten ist in der folgenden Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6
| | | x (m) | y (m) | z (m) |
| Punkt | Pyramid | 17,948 | 17,058 | –0,334 |
| 106 | LS920 | 17,956 | 17,07 | –0,337 |
| | Diff | –0,008 | –0,012 | 0,003 |
| Punkt | Pyramid | 32,018 | 15,125 | –0,343 |
| 91 | LS920 | 32,004 | 15,093 | –0,347 |
| | Diff | 0,014 | 0,032 | 0,004 |
| Punkt | Pyramid | 36,01 | 7,086 | –0,342 |
| 47 | LS920 | 35,978 | 7,06 | –0,349 |
| | Diff | 0,032 | 0,026 | 0,007 |
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Es hat sich gezeigt, dass der Vektorlängenfehler zwischen dem vorhergesagten typischen und vorhergesagten Maximum lag. Der z-Fehler schien jedoch das Maximum zu überschreiten, es wird jedoch angenommen, dass der LS920-Aufbau sich über Nacht verschoben haben kann, da dieser am nächsten Tag nicht wiederholt worden ist. Der Vergleich der Standardabweichung ist in der weiter unten angegebenen Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7
| stddev | pyra x | pyra y | pyra z | LS x | LS y | LS z |
| Punkt 106 | 0,013 | 0,013 | 0,000 | 0,003 | 0,001 | 0,000 |
| Punkt 91 | 0,014 | 0,010 | 0,002 | 0,001 | 0,006 | 0,000 |
| Punkt 47 | 0,032 | 0,006 | 0,001 | 0,000 | 0,001 | 0,000 |
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Es sei erwähnt, dass die x- und y-Standardabweichung der Pyramid-Messung eng proportional zu den x- und y-Koordinaten ist, was anzeigt, dass die Standardabweichung in der radialen Richtung vorhanden ist. Der Vergleich der Standardabweichung in der Tabelle 7 zeigt, dass das herkömmliche Zwei-Sender-System (LS920) um eine Größenordnung besser war als das bei der vorliegenden Erfindung (Pyramid), wodurch dessen Verwendung als ein Bezugsinstrument bei verschiedenen Anwendungen berechtigt ist.
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Langzeittest
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Es wurde ein Langzeittest ebenfalls durchgeführt, um den Fehler gemäß einem schlechtesten Fall zu prüfen. Der Test wurde auf einem ebenen Grund durchgeführt mit einem Langbereichs-Lasersender, der 100 m von dem Detektor-Array entfernt platziert wurde. Die Sender-Charakteristika sind in der Tabelle 8 aufgeführt.
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Tabelle 8: Lasersender-Charakterisierung bei 100 METERN
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- Charakterisierungsfixierung: 1
- Phi 1 = –0,508985 Radian,
- Phi 2 = 0,534927 Radian,
- Theta Offset = 1,569711 Radian,
- Alpha 1 = 1,570061 Radian,
- Alpha 2 = 1,567711 Radian,
- berechnete Geschwindigkeit = 39,999952 Hz.
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Es wurden Messungen von 100 Meter aus versucht, jedoch haben die Fotodetektoren das Signal von dem Lasersender bei diesem Abstand nicht aufgenommen. Es wird davon ausgegangen, dass der 100 m Bereich außerhalb der Reichweite liegt und zwar aufgrund einer Schwellenwerteinstellung in den Fotodetektoren, die zu niedrig eingestellt ist, wobei jedoch solch ein Bereich in einfacher Weise erreicht werden kann, wenn die Schwellenwertpegel oder Werte durch den Hersteller eingestellt werden. Der Lasersender wurde dann allmählich dichter zu der Pyramide hin bewegt, bis die Pyramide den Laser detektieren konnte. Der dabei erhaltene Bereich lag bei 74 m mit dem Langbereichssender.
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Da die Charakterisierung des oben erläuterten Lasersenders zum Zeitpunkt der Ausführung der Tests nicht verfügbar war wurden lediglich grobe Winkeldaten aufgezeichnet. Die Winkeldaten wurden später in Positionsdaten umgesetzt, nachdem die korrekten Senderparameter vorgesehen worden waren. Es wurde ein Pyramiden-Position-Berechnungssimulator in Verbindung mit den Theta-Daten von 192 Messungen laufen gelassen. Die mittlere und die Standardabweichung der xyz-Position, der Abstand und die Winkel wurden gemäß der Darstellung in der folgenden Tabelle 9 berechnet. Tabelle 9: Am 94 m Punkt
| | x | y | z | Abstand | Azimut | Elevation |
| | (m) | (m) | (m) | (m) | (rad) | (rad) |
| stddev | 0,01 | 0,103 | 0,001 | 0,103 | 0,000031 | 0,0000141 |
| Mittel | 7,528 | 73,697 | –0,932 | 74,087 | 1,469001 | –0,01257 |
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Die Standardabweichungen der Messungen in der lateralen Richtung sind durch die Bereichszeitenwinkel-Standardabweichung gegeben. Somit ist 74 m × 30,9 E–06 = 2 mm im Azimut und 74 m × 14,1 E–06 = 1 mm in der Elevation. Diese Werte sind sehr viel kleiner als die Radialrichtung-Standardabweichung von 0,103 m. Dies bedeutet, dass die Messstörung oder Störsignale hauptsächlich in der radialen Richtung auftreten und dass die Winkel sehr eng und exakt waren. Das Mittel des gemessenen Neigungsabstandes des Senders lag bei 74,087 m, wobei das Mittel in der z-Höhe durch den Sender gemessen wurde und bei –0,932 m lag. Diese Mittelwert-Messungen stimmen sehr gut mit den herkömmlichen Zwei-Sender-System-Ablesungen gemäß 74,124 m Schrägungsabstand und –0,974 in der z-Position überein, wobei bei den Differenzen zwischen den zwei Systemen bei 0,037 m im Schräge-Abstand und 0,042 m in der u-Höhe betrugen.
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Als Nächstes wurde der Lasersender bewegt, um eine Trennung von 62 Meter zu dem Array vorzusehen. Das Mittel und die Standardabweichung der xyz-Position, des Abstandes und der Winkel, die durch das System detektiert wurden und zwar bei 62 Meter, wurden berechnet und sind in der weiter unten angegebenen Tabelle 10 gezeigt. Tabelle 10: Beim 62 m Punkt
| | x | y | z | Abstand | Azimut | Elevation |
| | (m) | (m) | (m) | (m) | (rad) | (rad) |
| stddev | 0,005005 | 0,067273 | 0,001049 | 0,067446 | 0,000026 | 0,000010 |
| Mittel | 4,578071 | 62,145910 | –0,981490 | 62,322040 | 1,497263 | 0,015750 |
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Das Mittel des gemessenen Schrägungsabstandes des Senders lag bei 62,322 m, wobei das Mittel in der z-Höhe, welches durch den Sender gemessen wurde, bei –0,981 m lag. Der Schrägungsabstand, der mit Hilfe des herkömmlichen Zwei-Laser-Sendersystems gemessen wurde, lag bei 62,377 m und die z-Höhe bei –1,019 m, wobei bei den Differenzen zwischen den zwei Systemen ein Wert von 0,055 m in dem Schrägungsabstand und 0,038 m in der z-Höhe festgestellt wurden. Diese Daten sind ähnlich den 74 m Daten mit der Ausnahme der Abstand-Standardabweichung, die stärker verbessert worden ist als das Bereichsverhältnis. Das Verhältnis des gemessenen Abstandes durch das vorliegende System zu demjenigen des herkömmlichen Zwei-Laser-Sendersystems lag bei 1,0005 bei 74 m und lag bei 1,0009 bei 62 m.
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Während des Position-Messtests wurde die Pyramidengröße erneut skaliert, um eine Fehlerkomponente proportional zu dem Bereich zu kompensieren. Dies ist lediglich dann akzeptabel, wenn das Detektor-Array sich immer in der gleichen Orientierung befindet. Wenn das Detektor-Array in unterschiedlichen Richtungen betrachtet wird, sollte das Detektor-Array in vielen jeweiligen Winkeln gemessen werden und es sollte eine Mittelwertbildung vorgenommen werden, sodass die Skalenfaktordifferenz minimiert wird und zwar von dem mittleren Skalenfaktor. Bei einer Ausführungsform wird eine gemittelte Array-Größe für die Abstandsskalierung verwendet, wobei das Position-Messtesten wie das oben Beschriebene in allen Richtungen des Arrays vervollständigt wurde, während der Fotodetektor an einer fixierten Stelle gehalten wurde. In idealer Weise verbleibt die gemessene Position die gleiche ungeachtet der Array-Orientierung, was zeigt, dass das Array perfekt gemessen worden ist.
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Ein einfaches Fehlermodell des Detektor-Arrays ist durch eine Radialabstand-Fehlerformel gegeben:
worin e
max,radial der maximale radiale Abstandsfehler ist, L die nominelle Detektor-Arraygröße ist, n
θ der Theta-Störgrößenwert in rad ist, n
array der Detektor-Array-Differenzial-Positionsfehler ist und R der Bereich ist. Alle Abmaßeinheiten sind Meter. Der erste Ausdruck ist der Fehler aufgrund der Theta-Störgröße und ist in dem Bereich quadratisch, und der zweite Ausdruck ist der Fehler aufgrund des Detektor-Array-Messfehlers und dieser ist proportional zu dem Bereich. Durch Mittelwertsbildung der Pyramidenposition für eine verlängerte Zeit wird der erste Fehlerausdruck kleiner gemacht und der zweite Ausdruck, obwohl er nicht zeit-gemittelt werden kann, wird durch die Array-Dreh-Mittelwertbildung reduziert. Für die Fehlervorhersage werden die folgenden Werte verwendet:
- a. L = 1 m
- b. nθ = 10e–5 rad
- c. narray = 5,0e–4/sqrt(3) m
