DE112007000285T5

DE112007000285T5 - Position anzeigendes Führungssteuersystem und Verfahren für dasselbe

Info

Publication number: DE112007000285T5
Application number: DE112007000285T
Authority: DE
Inventors: Gary L. Springfield Cain; Mark Christchurch Nichols; Hiroyuki Takagi
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Trimble Inc
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2027-01-18
Also published as: CN101410573B; CN101410573A; US20070177133A1; US7714993B2; WO2007089429A3; WO2007089429A2; DE112007000285B4

Abstract

Verfahren zum Führen einer Maschine (44), die ein Werkzeug (46) trägt, damit sich dieses entlang einer vorbestimmten Bahn (51) an einem Arbeitsplatz bewegt, welches Verfahren folgendes umfasst:
Platzieren eines Lasersenders (12) vom Fächertyp an dem Arbeitsplatz entfernt von der Maschine (44), wobei der Lasersender (12) eine willkürliche Bezugsrichtung (54) hat und zwei fächerförmig gestaltete Laserstrahlen (18a, 18b) erzeugt;
Erfassen der zwei fächerförmig gestalteten Laserstrahlen (18a, 18b) mit wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e), die willkürlich an bekannten Positionen in einem Detektor-Array (14) mit einer dreidimensionalen Gestalt fixiert sind, wobei das Detektor-Array (14) an einer bekannten Position an der Maschine (44) platziert wird;
Einstellen eines Bezugs-Azimutwinkels (52) von der willkürlichen Bezugsrichtung (54) aus in einer Steuereinheit (16), die an der Maschine (44) vorgesehen ist, wobei der Bezugs-Azimutwinkel (52) in eine Richtung parallel zu der vorbestimmten Bahn (51) zeigt;
Berechnen eines gemessenen Azimutwinkels (53) unter Verwendung von Informationen,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Position anzeigende Führungssysteme und speziell ein Steuersystem und Verfahren zum Liefern von Positions- und Führungsinformationen an eine Maschine, die ein Werkzeug trägt, damit sich dieses entlang einer vorbestimmten Bahn bei einem Arbeitsplatz unter Verwendung eines einzelnen Lasersenders und einer Detektoranordnung bewegt.
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.
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 Qualitätsklasse (grade), mit Hilfe solch eines herkömmlichen Lasersystems zeitaufwändig.
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 (plumb alignment), 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.
Um den Abstand und die Richtung zu erstellen folgen Maschinen-Operatoren in typischer Weise vorgezeichneten Richtungsmarkierungen auf den Verstemmungen (stakes), Schnurlinien (string lines), einem Laserstrahl von einem Rohrlaser (pipe laser), 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 führen häufig dazu, dass der Operator "nach dem Strahl sucht", um eine Tiefenanzeige erneut zu gewinnen.
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.
Im Gegensatz zu dem oben erläuterten Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein Position anzeigendes Führungssystem, welches wenigstens die Tiefe und Linien-Informationen eines Werkzeugs vorsieht, welches durch eine Maschine getragen oder gehaltert ist wie beispielsweise ein Bohrkratzer einer Aushöhlmaschine oder eines Hecktieflöffels (backhoe) oder einem Kübel oder Schachtgefäß eines Laders unter Verwendung eines einzelnen Lasersenders und -empfängers mit einem Detektor-Array. Bei einer Ausführungsform liefert der Empfänger eine integrale Qualität und Linienindikatoren. Die Qualität wird in einfacher Weise dadurch eingestellt, indem man diese in den Empfänger eingibt, wodurch der Zeitaufwand im Neigen und Ausrichtung der Ebene, wie dies bei den herkömmlichen Systemen erforderlich ist, eliminiert werden.
Bei einer anderen Ausführungsform sind auch sechs Grade von Positionsinformationen (x, y, z, Steigung, Rollen und Gieren) ebenfalls durch den Empfänger vorgesehen, um die Bezugs-Fächer von dem Lasersender zu erfassen. Die vorliegende Erfindung schafft auch den Vorteil dahingehend, dass die Maschinenoperatoren die Fähigkeit erhalten einem vorbestimmten Pfad zu folgen (zum Beispiel einem gewünschten Grabungspfad) und die gewünschte Grabungstiefe zu erreichen (zum Beispiel eine gewünschte Qualität) indem die Lenkungs- und Elevations-Indikatoren beobachtet werden, die ebenfalls an den Empfänger geliefert werden. Die Indikatoren des Position-Anzeigesystems werden durch Daten aktiviert, die aus dem Empfang von Signalen abgeleitet werden, die durch einen einzelnen Lasersender erzeugt werden und zwar durch das Detektor-Array. Es wird dabei auch erreicht, dass aufgrund der Verwendung eines Detektor-Arrays die vorliegende Erfindung auch einen zusätzlichen Vorteil bietet und zwar hinsichtlich einer Vergrößerung des vertikalen Empfangsbereiches zu Messgeräten, was im Gegensatz dazu den typischen ±2 bis 4 Inches eines vertikalen Empfangsbereiches eines herkömmlichen Laserempfängers steht. Als solches reduziert der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wesentlich die Zeit oder eliminiert diese, die zum Entfalten der Absteckungen und Schnurlinien benötigt wird und zwar synchron mit dem Laser-Sender (das heißt dem Strahl-Suchvorgang) und eliminiert die Kosten, die mit der Verwendung eines zweiten Lasersenders verbunden sind.
Bei einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Führen einer Maschine, die ein Werkzeug trägt, damit sich dieses entlang einer vorbestimmten Bahn bewegt und zwar an einer Arbeitsstelle offenbart. Das Verfahren umfasst das Platzieren eines Fächer-Typ-Lasersenders an dem Arbeitsplatz entfernt von der Maschine. Der Lasersender besitzt eine willkürliche Bezugsrichtung und erzeugt zwei fächerförmig gestaltete Laserstrahlen. Das Verfahren umfasst auch das Erfassen von zwei fächerförmigen Strahlen mit Hilfe von wenigstens vier Fotodetektoren, die willkürlich an bekannten Positionen in einem Detektor-Array fixiert sind, welches eine dreidimensionale Gestalt hat. Das Detektor-Array wird an einer bekannten Position an der Maschine platziert. Das Verfahren umfasst ferner das Einstellen eines Bezugs-Azimutwinkels von der willkürlichen Bezugsrichtung in eine Steuereinheit, die an der Maschine vorgesehen ist, wobei der Bezugs-Azimutwinkel in einer Richtung parallel zu der vorbestimmten Bahn zeigt und wobei ein gemessener Azimutwinkel unter Verwendung von Informationen berechnet wird, die durch die Steuereinheit vermittels des Detektor-Arrays geliefert werden, welches die zwei fächerförmig gestalteten Strahlen erfasst. Darüber hinaus umfasst das Verfahren auch das Bestimmen einer Position der Maschine relativ zu der vorbestimmten Bahn oder Pfad über die Steuereinheit, die den gemessenen Azimutwinkel mit dem Bezugs-Azimutwinkel vergleicht und Signale erzeugt werden, die dazu beitragen die Maschine entlang der vorbestimmten Bahn zu führen.
Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Steuersystem zum Führen einer Maschine offenbart, die ein Werkzeug trägt, um dieses entlang einer vorbestimmten Bahn an einer Arbeitsstelle zu bewegen. Das Steuersystem umfasst einen Lasersender vom Fächertyp, der dann, wenn er in dem Steuersystem verwendet wird, an der Arbeitsstelle platziert wird und zwar entfernt von der Maschine und auf einer Bezugslinie parallel zu der vorbestimmten Bahn und der in einer willkürlichen Bezugsrichtung aufgestellt wird, wobei wenigstens vier Fotodetektoren, die willkürlich an bekannten Positionen in einem Detektor-Array fixiert sind, eine dreidimensionale Gestalt haben. Das Detektor-Array wird an einer bekannten Position an der Maschine platziert und ist so konfiguriert, um einen gemessenen Azimutwinkel von dem Lasersender vom Fächertyp zu empfangen, wenn dieser in Betrieb ist. Das System enthält auch eine Steuereinheit, die an der Maschine vorgesehen ist und so konfiguriert ist, um einen Bezugs-Azimutwinkel aus der willkürlichen Bezugsrichtung zu speichern. Der Bezugs-Azimutwinkel zeigt, wenn er in der Steuereinheit gespeichert worden ist, in eine Richtung parallel zu der vorbestimmten Bahn. Die Steuereinheit ist so konfiguriert, um Signale zu generieren, die wenigstens eine Position des Werkzeugs relativ zu der vorbestimmten Bahn angeben und zwar vermittels eines Vergleichs des gemessenen Azimutwinkels mit dem Bezugs-Azimutwinkel, und zwar bei der Verwendung.
Diese und 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.
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:
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;
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;
3 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Steuereinheit, die bei dem Position-Anzeigesystem der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
4 ein Blockschaltbild, welches eine Draufsicht einer Aushebeoperation unter Verwendung eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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.
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.
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 selbst nivellierend sein und kann in einfacher Weise an dem Arbeitsplatz durch einen Dreifuß positioniert werden.
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 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
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.
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.
Der Array-Halterungsrahmen sollte an einer Maschine montiert sein, sodass 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°. Bei einer speziellen Ausführungsform, die in 2 veranschaulicht ist, kann das Detektor-Array 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 das Detektor-Array, wenn es 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.
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 Elevations-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.
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 (heading) 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 Metern gemessen wird und nicht nur in ein paar Inches, wodurch das Erfordernis beseitigt wird eine Suche nach dem Strahl durchzuführen, um das Position-Anzeigesystem aufzubauen.
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 einem gewünschten Grad bearbeitet wird. Es sei auch darauf hinge wiesen, 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 einem gewünschten Heading 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 Heading, 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.
Um die gewünschte Qualität (grade) 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)
Während des Betriebes wird der gemessene Elevationswinkel mit dem Bezugs-Elevationswinkel durch die Steuereinheit verglichen. Wenn die Gliederlängen, und die Längen des Auslegers (boom) (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 dem gewünschten Grad 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 Operator 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 ("on grade" indication) 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 (grade) aufrecht zu erhalten, der in die Steuereinheit eingegeben wurde.
Nachdem die Linie und der Grad in der Steuereinheit eingestellt worden ist, umfasst der verbleibende Aufbau lediglich einen "Bench" des Systems. dieser Prozess kalibriert die Maschine auf die Grad-Elevationsanzeige, sodass diese richtig auf Grad steht. Es wird der Aufleger 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.
Experimentelle Testdaten
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. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Fotodetektoren bei anderen Ausführungsformen willkürlich an bekannten Positionen in dem Detektor-Array fixiert sein können, welches irgendeine dreidimensionale Gestalt aufweist. Um das Verdunkeln von einem Detektor durch einen anderen zu reduzieren sind zwei sich gegenüberliegende Detektoren (zum Beispiel , ,) auf dem Boden um 0,1 m höher angeordnet als die anderen zwei Detektoren (zum Beispiel , ,). 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.
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.
Test

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: ATX2O21A 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

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:	0,0109463 87
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

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 Überwa chungsinformationen verglichen. Die Ergebnisse sind weiter unten in der Tabelle 4 aufgeführt, in welcher die überwachten Punktstellen mit pt91, pt41, pt24, pt115 und pt76 (in Metern) 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

in	x by	y by	z by	plate x	plate y	plate z	dif x	dif y	xy dist
Meter	pyra	pyra	pyra
pt91	32,01	15,07	–0,34	31,997	15,084	–0,016	0,013	–0,014	0,019164
pt47	35,96	7,06	–0,34	36	7,086	–0,014	–0,039	–0,026	0,047344
pt24	35,98	3,04	–0,34	36,003	3,086	–0,012	–0,023	–0,046	0,051117
pt115	23,98	19,09	–0,33	23,9968	19,083	–0,006	–0,017	0,007	0,018317
pt76	7,983	11,071	–0,34	7,999	11,083	–0,018	–0,016	–0,012	0,01972

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

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

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
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.
Langzeittest

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. Tabelle 8: Lasersender-Charakterisierung bei 100 METERN

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.

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.
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
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.
Als Nächstes wurde der Lasersender bewegt, um eine Trennung von 62 Metern 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 Metern, 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
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.
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.
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. n_θ = 10e – 5 rad
c. n_array = 5,0e – 4/sqrt(3) m

Anderer Polyeder:
Um die Genauigkeit des Detektor-Arrays noch weiter zu verbessern und um die Theta-Störgröße soweit wie möglich zu minimieren und zu reduzieren, gibt es zwei Optionen: Erhöhen der Array-Größe oder das Einfügen mehrerer Detektoren. Mit nur einem zusätzlichen Detektor wird ein Hexaeder gestaltetes Array vorgesehen. Die nächstbeste Gestalt besteht aus einen Oktaeder oder einem Würfel, der 8 Detektoren erfordert. Der 1 m-Würfel reduziert den Fehler auf 18 cm maximal.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sollen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und deren Rahmen nicht einschränken. Andere Ausführungsformen und abgewandelte Ausführungsformen dieser bevorzugten Ausführungsformen sind für Fachleute offensichtlich und können ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er sich aus den nachfolgenden Ansprüchen ergibt, realisiert werden. Beispielsweise kann irgendein Typ einer Wellenenergie wie beispielsweise Schall, Ultraschall, Laser oder Infrarotlicht dafür verwendet werden, um die oben erläuterte Nichtkontakt-Messung der Verschiebung, der Position und des Headings zu liefern.
Zusammenfassung
Position anzeigendes Führungssteuersystem und Verfahren für dasselbe
Die vorliegende Erfindung schafft ein Positionsanzeige- und Führungs-Steuersystem (10) und auch ein Verfahren für dasselbe, welches wenigstens die Tiefe und Linieninformationen eines Werkzeugs (46) liefert, welches durch eine Maschine (44) getragen ist und zwar unter Verwendung eines einzelnen Lasersenders (12) und einer Steuereinheit (16) mit einem Detektor-Array (14). Die Gradeinstellung wird in einfacher Weise dadurch vorgenommen, indem diese in die Steuereinheit (16) eingegeben wird, sodass ein zeitaufwändiges Neigen und Ebenenausrichtung beseitigt wird, was bei herkömmlichen Systemen erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung bietet Operatoren die Fähigkeit einer vorbestimmten Bahn (51) zu folgen und eine gewünschte Grabungstiefe zu erreichen, indem Linien- und Grad-Indikatoren (38) der Steuereinheit (16) beobachtet werden. Die Indikatoren (38) werden durch Daten aktiviert, die durch den Empfang von Signalen (17, 18a, 18b) abgeleitet werden, welche durch den einzelnen Lasersender (12) erzeugt werden und durch das Detektor-Array (14) erzeugt werden, welches an der Maschine montiert ist. Die Steuereinheit (16) verwendet die Signale (17, 18a, 18b), um den Elevationswinkel und das Azimut des Werkzeugs (46) zu berechnen.

Claims

Verfahren zum Führen einer Maschine (44), die ein Werkzeug (46) trägt, damit sich dieses entlang einer vorbestimmten Bahn (51) an einem Arbeitsplatz bewegt, welches Verfahren folgendes umfasst: Platzieren eines Lasersenders (12) vom Fächertyp an dem Arbeitsplatz entfernt von der Maschine (44), wobei der Lasersender (12) eine willkürliche Bezugsrichtung (54) hat und zwei fächerförmig gestaltete Laserstrahlen (18a, 18b) erzeugt; Erfassen der zwei fächerförmig gestalteten Laserstrahlen (18a, 18b) mit wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e), die willkürlich an bekannten Positionen in einem Detektor-Array (14) mit einer dreidimensionalen Gestalt fixiert sind, wobei das Detektor-Array (14) an einer bekannten Position an der Maschine (44) platziert wird; Einstellen eines Bezugs-Azimutwinkels (52) von der willkürlichen Bezugsrichtung (54) aus in einer Steuereinheit (16), die an der Maschine (44) vorgesehen ist, wobei der Bezugs-Azimutwinkel (52) in eine Richtung parallel zu der vorbestimmten Bahn (51) zeigt; Berechnen eines gemessenen Azimutwinkels (53) unter Verwendung von Informationen, die von dem Detektor-Array (14), welches die zwei fächerförmiggestaltete Laserstrahlen (18a, 18b) erfasst, an die Steuereinheit (16) geliefert werden; Bestimmen der Position der Maschine (44) relativ zu der vorbestimmten Bahn (51) vermittels der Steuereinheit (16), welche den gemessenen Azimutwinkel (53) mit dem Bezugs-Azimutwinkel (52) vergleicht; und Erzeugen von Signalen (58) welche die Führung der Maschine (44) entlang der vorbestimmten Bahn (51) unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erzeugten Signale (58) den Maschinenlängssignalen entsprechen, die eine Kompensation hinsichtlich der Abweichungen der Bewegung der Maschine (44) von der vorbestimmten Bahn (51) vorsehen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einen Schritt gemäß einem Aussenden der Signale (58) zu einer Anzeigevorrichtung (39), um sichtbar anzuzeigen, dass die Maschine (44) sich entweder links von, rechts von oder auf der vorbestimmten Bahn (51) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den folgenden Schritten: Erstellen eines gewünschten Grades (48) (grade) des Werkzeugs (46) durch Eingeben einer prozentualen Neigung oder Steigung in die Steuereinheit (16), wobei die Steuereinheit (16) die prozentuale Steigung in einem äquivalenten Bezugs-Elevationswinkel umwandelt; Empfangen eines gemessenen Elevationswinkels von dem Lasersender (12) vom Fächertyp durch das Detektor-Array (14); Vergleichen des gemessenen Elevationswinkels mit dem genannten Bezugs-Elevationswinkel; und Erzeugen von zusätzlichen Signalen (43), die angeben, dass das Werkzeug (46) sich über, unter oder auf dem gewünschten Grad (48) befindet, wobei der Ver gleichsvorgang und der Generierungsvorgang durch die Steuereinheit (16) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Einstellen des Bezugs-Azimutwinkels (52) durch Positionierung des Detektor-Arrays (14) über einen entfernten Punkt durchgeführt wird, der sich auf einer Steuerlinie (50) befindet, welche die Richtung parallel zu einem gewünschten Graben-Pfad definiert, wobei die Einstellung durch Drücken einer "Linienerstellungs"-Taste an der Steuereinheit 16 vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Schritt gemäß einer Darstellung des Bezugs-Azimutwinkels (52) an der Anzeigevorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) einen fünften Fotodetektor umfassen bzw. aus fünf Fotodetektoren (20a bis 20e) gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die dreidimensionale Gestalt aus einer Pyramide besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) geometrisch angeordnet sind und voneinander in x-, y- und u-Koordinaten beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) geometrisch angeordnet sind und in der Gestalt einer Pyramide beabstandet sind, wobei alle Seiten eine bekannte Länge aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) einen fünften Fotodetektor aufweisen bzw. aus fünf Fotodetektoren (20a bis 20e) gebildet sind, die geometrisch angeordnet sind und voneinander so beabstandet sind, dass eine Abdunkelung von einem Detektor durch einen anderen reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die dreidimensionale Gestalt des Detektor-Arrays (14) pyramidenförmig ist, wobei zwei sich gegenüberliegende Detektoren (20a, 20c) auf einem Boden der Pyramide des Detektor-Arrays (14) in einer unterschiedlichen Elevation zu den anderen zwei Detektoren (20b, 20d) auf dem Boden angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die dreidimensionale Gestalt so beschaffen ist, dass eine Sichtlinie von mehr als einem der Fotodetektoren (20a bis 20e) zu dem Lasersender (12) bei irgendeiner Orientierung des Detektor-Arrays (14) innerhalb der x-Achsen-Drehung von ±45°, der y-Achsen-Drehung von ±45° und der z-Achsen-Drehung von ±180° immer unblockiert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) an dem Detektor-Array (14) in einer vertikalen Orientierung fixiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinheit (16) eine Verarbeitung hinsichtlich der Impuls-Detektion, des Azimut- und Elevationswinkels, ferner der Positionsbestimmung und der Anzeigeverarbeitung durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Lasersender (12) vom Fächertyp entfernt von der Maschine (44) auf einer Steuerlinie (50) platziert ist, die um eine Strecke von der vorbestimmten Bahn (51) versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die prozentuale Steigung die Steuereinheit (16) über ein Anwender-Interface (34) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Steuereinheit (16) die prozentuale Steigung in dem äquivalenten Bezugs-Elevationswinkel durch Berechnen von tan^–1* (% Steigung/100) umwandelt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Maschine (44) das Werkzeug (46) an dem Ende eines Auslegers (42) mit Gliederlängen (a, b, c) trägt und wobei das Verfahren ferner das Empfangen der Orientierungssignale (47) über die Steuereinheit (16) umfasst, welche die relativen Orientierungen der Gliederlängen (a, b, c) zueinander angeben, wobei die Steuereinheit (16) die Orientierungssignale (47), die Gliederlängen (a, b, c) verwendet und einen Vergleich des gemessenen Elevationswinkels (53) mit dem Bezugs-Elevationswinkel (52) durchführt, um zu bestimmen, ob das Werkzeug (46) sich oberhalb, auf oder unterhalb dem gewünschten Grad (48) befindet.
Steuersystem (10) zum Führen einer Maschine (44), die ein Werkzeug (46) trägt, um dieses entlang einer vorbestimmten Bahn (51) an einer Arbeitsstelle zu bewegen, wobei das Steuersystem (10) folgendes aufweist: einen Lasersender (12) vom Fächertyp, der dann, wenn er in dem Steuersystem (10) verwendet wird, an der Arbeitsstelle entfernt von der Maschine (44) auf keine Steuerlinie (50) parallel zu der vorbestimmten Bahn (51) platziert wird und der in einer willkürlichen Bezugsrichtung (54) aufgestellt ist; wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e), die willkürlich an bekannten Positionen in einem Detektor-Array (14) fixiert sind, welches eine dreidimensionale Gestalt aufweist, wobei das Detektor-Array (14) an einer bekannten Position an der Maschine (44) platziert ist und so konfiguriert ist, um einen gemessenen Azimutwinkel (53) von dem Lasersender (14) vom Fächertyp im Betriebszustand zu empfangen; und eine Steuereinheit (16) an der Maschine (44) vorgesehen ist und so konfiguriert ist, um einen Bezugs-Azimutwinkel (52) von der willkürlichen Bezugsrichtung (54) aus zu speichern, wobei der Bezugs-Azimutwinkel (52), wenn er in der Steuereinheit (16) gespeichert ist, in eine Richtung parallel zu der vorbestimmten Bahn (51) zeigt, wobei die Steuereinheit (16) so konfiguriert ist, um Signale (43 oder 58) zu generieren, die wenigstens die Position des Werkzeugs (46) relativ zu der vorbestimmten Bahn (51) anzeigen, und zwar durch Vergleichen des gemessenen Azimutwinkels (53) mit dem Bezugs-Azimutwinkel (52) und zwar im Falle der Verwendung.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die Signale (43 oder 58), die durch die Steuereinheit (16) erzeugt werden, den Abweichungen der Bewegung der Maschine (54) von der vorbestimmten Bahn (51) entsprechen, die durch das Detektor-Array (14) detektiert werden.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, ferner mit einer Anzeigevorrichtung (39), welche die Signale (58) empfängt, um anzuzeigen, dass das Werkzeug (48) sich links von, rechts von oder auf der vorbestimmten Bahn (51) befindet.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, ferner mit einem Anwender-Interface (34), um in die Steuereingabe (16) eine prozentuale Steigung einzugeben, wobei die Steuereinheit (16) so konfiguriert ist, um die prozentuale Steigung in einen äquivalenten Bezugs-Elevationswinkel umzuwandeln.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die Steuereinheit (16) so konfiguriert ist, um zusätzliche Signale (43) zu erzeugen, die angeben, dass das Werkzeug (46) sich oberhalb, unterhalb oder auf einem gewünschten Grad bzw. Gradeinstellung (48) befindet.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die Steuereinheit (16) eine "Linienerstellung"-Taste (56) aufweist, um den Bezugs-Azimutwinkel (52) in der Steuereinheit (16) einzustellen.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, ferner mit einer Anzeigevorrichtung (39) zur Darstellung des Bezugs-Azimutwinkels (52).
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) einen fünften Fotodetektor umfassen bzw. aus fünf Fotodetektoren (20a bis 20e) bestehen.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die dreidimensionale Gestalt aus einer Pyramide besteht.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) geometrisch angeordnet sind und voneinander in x-, y- und z-Koordinaten beabstandet sind.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die dreidimensionale Gestalt eine Pyramidengestalt ist, bei welcher die Seiten eine bekannte Länge aufweisen.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die dreidimensionale Gestalt die Abdunkelung von einem der Fotodetektoren (20b bis 20e) untereinander reduziert.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) in solcher Weise angeordnet sind, dass eine Sichtlinie von mehr als einem der Fotodetektoren (20b bis 20e) zu dem Lasersender (12) bei irgendeiner Orientierung des Detektor-Arrays (14) innerhalb einer x-Achsen-Drehung von ±45°, einer y-Achsen-Drehung von ±45° und einer z-Achsen-Drehung von ±180° immer unblockiert bleibt.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die wenigstens vier Fotodetektoren (20b bis 20e) in einer vertikalen Orientierung angeordnet sind.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die Steuereinheit (16) so konfiguriert ist, um eine Impuls-Detektion, eine Azimut- und Elevations-Winkelver arbeitung, als auch eine Positionsbestimmung und Anzeigeverarbeitung durchzuführen.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die Maschine (44) ein Werkzeug (46) am Ende eines Auslegers (42) trägt, der eine Vielzahl von Gliederlängen (a, b, c) aufweist, ferner das Steuersystem (10) Codierer (45) umfasst, die so konfiguriert sind, um Orientierungssignale (47) zu liefern, welche relative Orientierungen der Gliederlängen (a, b, c) zueinander angeben, ferner die Steuereinheit (16) so konfiguriert ist, um die Orientierungssignale (47), die Gliederlängen (a, b, c) zu verwenden und einen Vergleich des gemessenen Elevationswinkels (53) mit dem Bezugs-Elevationswinkel (52) vorzunehmen, um zu bestimmen, ob sich das Werkzeug (46) oberhalb, auf oder unterhalb einer gewünschten Gradeinstellung (48) befindet.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die dreidimensionale Gestalt aus einer Hexaeder-Gestalt besteht.
Steuersystem (10) nach Anspruch 20, bei dem die dreidimensionale Gestalt ein Oktaeder ist.