DE19750315B4

DE19750315B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von Oberflächenveränderungsmaschinen relativ zu einem Arbeitsgelände

Info

Publication number: DE19750315B4
Application number: DE19750315A
Authority: DE
Inventors: Daniel E. Washington Henderson; Craig L. Peoria Koehrsen
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2017-11-14
Also published as: ZA979714B; JP4121595B2; AU4276097A; CA2217511A1; DE19750315A1; JPH1136373A; US6047227A; AU722100B2

Abstract

Vorrichtung zum Anweisen der Betriebsvorgänge einer mobilen Oberflächenveränderungsmaschine, die folgendes aufweist:
a) Digitaldatenspeicher- und -aufrufmittel zum Speichern eines ersten dreidimensionalen geographischen Geländemodells, welches die gewünschte Geographie eines Geländes darstellt, und eines zweiten dreidimensionalen geographischen Geländemodells, welches die tatsächliche Geographie des Geländes darstellt;
b) Mittel zur Erzeugung von Digitalsignal, die in Echtzeit die gegenwärtige Position im dreidimensionalen Raum von zumindest einem Teil der Maschine darstellen, wenn sie über des Gelände fährt;
c) Mittel zum Empfang der Signale and zur Aktualisierung des zweiten Modells in Übereinstimmung damit;
d) Mittel zum Bestimmen der Differenz zwischen den ersten and zweiten Modellen in Echtzeit and zur Bestimmung eines Streifen- bzw. Bearbeitungspfades; und
e) Mittel zum Leiten bzw. Anweisen des Betriebs der Maschine gemäß der Differenz, um das aktualisierte zweite Modell in Übereinstimmung mit dem ersten Modell zu bringen, und um den Streifen- bzw. Bearbeitungspfad graphisch anzuzeigen.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von Maschinen zur Veränderung der Oberflächenform eines Arbeitsgeländes und insbesondere auf die Echtzeit-Erzeugung und Anwendung von Digitaldaten, die kollektiv die Oberflächenform des Arbeitsgeländes darstellen, wenn sie von den Maschinen in einen gewünschten Zustand geändert wird.
Wie er in dieser Patentbeschreibung verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Oberflächenveränderungsmaschine" und die verschiedenen Anpassungen davon auf selbst angetriebene mobile Maschinen, wie beispielsweise Raupentraktoren, hydraulische Grabvorrichtungen, Minenschaufellader, Straßengrader bzw. Straßenhobel, Pflastermaschinen und Asphaltlegmaschinen, die sowohl (1) eine Beweglichkeit über oder durch ein Arbeitsgelände zeigen, und zwar als eine Folge davon, daß sie mit einem Primärantrieb (beispielsweise einem Motor) auf einem Rahmen versehen sind, der Räder oder Raupen antreibt, die den Rahmen tragen, und (2) die Fähigkeit, die Geographie bzw. Oberflächenform eines Arbeitsgeländes zu verändern, und zwar als Folge des Vorsehens eines Werkzeuges oder eines Werkzeugsatzes auf dem Rahmen, wie beispielsweise einer Schaufel, einem Schild, einer Reißvorrichtung oder ähnlichem. Maschinen, wie beispielsweise Raupentraktoren, Grader bzw. Hobel, Pflastermaschinen und Asphaltiermaschinen (Straßenfertiger) werden typischerweise als "Erdbewegungsmaschinen oder -ausrüstung" bezeichnet, und es sei bemerkt, daß diese Maschinen eine Unterkategorie der Oberflächenveränderungsmaschinen bilden, mit denen sich diese Erfindung beschäftigt.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Trotz der Entwicklung von komplizierten und leistungsfähigen Erdbewegungsmaschinen bleibt es eine zeitaufwendige und arbeitsintensive Aufgabe, die Topographie eines großen Landstückes erneut zu konturieren oder anderenfalls die Geographie bzw. Oberflächenform eines Arbeitsgeländes zu verändern, wie beispielsweise einer Baufläche, einer Mine, einer Straße oder von ähnlichem. Solche Vorgänge benötigen manchmal einen Überblick, der laufend ausgeführt wird, und zwar unter Verwendung von optischen Sichtlinieninstrumenten oder anderen statischen Punkt-zu-Punkt-Meßtechniken, um die Koordinaten einer großen Anzahl von Punkten über dem Arbeitsgelände zu erhalten, und um danach ein dreidimensionales Modell des Geländes aufzubauen. Aus dem Überblick wird ein Architekturplan oder eine Zielgeographie bzw. Zieloberflächenform entwickelt. Danach wird das Gelände sorgfältig mit Stäben verschiedener Farbe markiert, um physische Hinweise für den Bediener einer Oberflächenveränderungsmaschine vorzusehen, wie beispielsweise einem Raupentraktor, wie die Maschine bedient werden sollte, um das Arbeitsgelände vom ursprünglichen in den gewünschten Zustand umzuformen. Nur die am besten ausgebildeten und erfahrendsten Bediener können Effizienz beim Rekonturieren eines großen Geländes erreichen, wobei die Schwierigkeit dabei teilweise im Fehlen eines großen Maßstabes genauso wie von detaillierten Informationen liegt, und zwar bezüglich des Fortschrittes, der bei der erneuten Bearbeitung bzw. Durchsicht des Geländes vorgenommen wird.
Als eine Folge sind die meisten Projekte, die das Verändern der Oberflächenform von großen Arbeitsgeländen aufweisen, zeitaufwendig und arbeitsintensiv bezüglich der Anforderungen für ausgebildetes Personal und große Mannschaften, um den Betrieb der Erdbewegungsmaschinen und ähnliches anzuleiten.
Zusätzlich wird der Betrieb oft unterbrochen, da eine Überwachungsmannschaft das Ausmaß des gegenwärtigen Fortschrittes überprüft and manuell die Startpositionierung and Markierung des Geländes genauso wie das Geländemodell aktualisiert, und zwar um zu wissen, in welchem Grad die ursprüngliche Geländeoberflächenform in Übereinstimmung mit der gewünschten Oberflächenform gebracht worden ist Zwischen diesen gelegentlichen Überprüfungen haben die Maschinenbediener and die Überwacher keinen wirklich genauen Weg zur Messung ihres Fortschrittes in Echtzeit.
Die Druckschrift mit der Bezeichnung US 5 493 494 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Verdichtungsmaschine für zum Beispiel Aufschüttungs-, Erd- oder Asphaltverdichtungen bezüglich eines Geländes, zum Verdichten des Geländematerials hinsichtlich eines gewünschten Grades an Verdichtung. Die Maschine ist ausgestattet mit Positionsbestimmungsempfängern zur dreidimensionalen Bestimmung der Position, der von der Maschine zu verdichtenden Anteile relativ zum Baugrund. Eine dynamische Datenbank empfängt die Positionsinformation der Maschine, bestimmt die Differenz zwischen dem Grad an Verdichtung eines ersten und eines zweiten Geländemodells und erzeugt repräsentative Signale dieser Differenz zur Steuerung der Maschine, um die tatsächliche Verdichtung des Geländes mit dem gewünschten Grad an Verdichtung in Übereinstimmung zu bringen. Die Druckschrift US 5 493 494 offenbart keine graphische Darstellung eines Streifen- bzw. Bearbeitungspfades. Eine solche Darstellung erleichtert das Bearbeiten eine Geländes wesentlich, da für den Bediener klar zu erkennen ist, welcher Teil des Geländes wie zu bearbeiten ist.
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Anzeigen von Informationen für einen Bediener einer mobilen Oberflächenveränderungsmaschine vorgesehen. Die Vorrichtung weist ein dreidimensionales Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystem auf, welches auf einer mobilen Oberflächenveränderungsmaschine gelegen ist, um die dreidimensionale Position der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine zu bestimmen. Ein Digitalprozessor, der auf der Maschine gelegen ist, empfängt das Positionssignal vom dreidimensionalen Positions- bzw. Positionsbestimmungssystem, bestimmt einen Streifen- bzw. Bearbeitungspfad für einen Schneidvorgang der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine und hält ein digitalisiertes Geländemodell der tatsächlichen Geländegeographie bzw. -oberflächenform bereit. Ein Anzeigeschirm, der mit dem Digitalprozessor gekoppelt ist, bildet graphisch Geländeinformationen ab, die in dem digitalisierten Geländemodell enthalten sind, und zwar einschließlich des Streifenpfades bzw. Pfades für den Bediener.
Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Anzeigen von Informationen für einen Bediener einer mobilen Oberflächenveränderungsmaschine vorgesehen. Das Verfahren weist die Schritte auf, die dreidimensionale Position der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine zu bestimmen, einen Streifenpfad zu bestimmen, der mit einem Schneidvorgang der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine in Beziehung steht, ein digitalisiertes Geländemodell der tatsächlichen Geländeoberflächenform zu halten bzw. bereitzuhalten, und graphisch eine Geländeinformation abzubilden, die in dem digitalisierten Geländemodell enthalten ist, und zwar einschließlich des Streifen- bzw. Bearbeitungspfades für den Bediener.
1 ist eine schematische Darstellung Maschinenpositions- und Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die in Verbindung mit dem Empfang und der Verarbeitung von GPS-Signalen verwendet werden kann, um die vorliegende Erfindung auszuführen;
3 ist eine detaillierte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Systems der 2 unter Verwendung einer GPS-Positionierung bzw. GPS-Positionsbestimmung;
4 ist eine schematische Darstellung eines Arbeitsgeländes, einer Oberflächenveränderungsmaschine und eines Positions- und Steuersystems gemäß eines veranschaulichenden Ausführungsbeispiels zur Bodenkonturierung der vorliegenden Erfindung;
5A–5B sind graphische Wiedergaben von beispielhaften digitalisierten Geländemodellen, wie beispielsweise bei der vorliegenden Erfindung verwendet;
6 ist eine repräsentative Echtzeit-Bedieneranzeige, die gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Erd- bzw. Bodenkonturierungsvorgang wie in 4 erzeugt wird;
7 ist eine Flußdiagrammdarstellung einer dynamischen Geländedatenbasis gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine schematische Darstellung des Systems der vorliegenden Erfindung, welches ein automatisches Maschinenregelsystem (closed-loop) aufweist; und
9 ist eine graphische Veranschaulichung der Seitenansicht des Schnittes durch den Minenschaufelbagger.
Mit Bezug auf 1 ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt. Unter Verwendung eines bekannten dreidimensionalen Positionsierungs- bzw. Positionsbestimmungssystems mit einer externen Referenz, beispielsweise (jedoch nicht darauf eingeschränkt) einem 3-D-Laser, einem GPS, Kombinationen aus GPS und Laser oder einem Radar, werden Maschinen- oder Werkzeugpositionskoordinaten im Block 100 bestimmt, wenn sich die Maschine über das Gelände bewegt. Diese Koordinaten werden sofort als eine Reihe von diskreten bzw. getrennten Punkten an einen Differenzierungsalgorithmus bei 102 geliefert. Der Diffierenzierungsalgorithmus berechnet die Maschinenposition und den Pfad in Echtzeit. Digitalisierte Modelle der tatsächlichen und gewünschten Geländeoberflächenformen bzw. -geographien werden im Block 104 geladen oder gespeichert, einer zugänglichen bzw. aufrufbaren Digitalspeicher- und aufrufvorrichtung, beispielsweise einem lokalen Digitalcomputer. Der Differenzierungsalgorithmus 102 ruft die Geländemodelle von 104 auf, manipuliert sie und aktualisiert sie und erzeugt bei 106 eine dynamische Geländedatenbasis der Differenz zwischen dem tatsächlichen Gelände und dem gewünschten Geländemodell, wobei er das tatsächliche Geländemodell in Echtzeit aktualisiert, wenn neue Positionsinformationen vom Block 100 empfangen werden. Dieses dynamisch aktualisierte Geländemodell wird dann dem Bediener in einem Anzeigeschritt 108 verfügbar gemacht, wobei in Echtzeit Positions-, Richtungs- und Geländeoberflächenform/Topographien-Aktualisierungen in für Menschen lesbarer Form geliefert werden. Unter Verwendung der Informationen von der Anzeige kann der Bediener wirkungsvoll die manuelle Steuerung der Maschine bei 109 überwachen und anweisen.
Zusätzlich oder alternativ kann die dynamische Aktualisierungsinformation an ein automatisches Maschinensteuersystem bei 110 geliefert werden, beispielsweise ein elektro-hydraulisches Steuersystem der Bauart, wie es von Caterpillar Inc. entwickelt wird und verwendet wird, um verschiedene Pumpen, Ventile, Hydraulikzylinder, Motor/Lenk-Mechanismen und andere Steuerungen zu betreiben, die in einer Oberflächenveränderungsmaschine verwendet werden. Die elektro-hydraulischen Steuerungen können eine Hilfe für den Bediener vorsehen, um die Maschinenarbeit zu minimieren, und um die manuellen Steuerungen einzuschränken, wenn die vom Bediener vorgeschlagene Aktion beispielsweise die Maschine überlasten würde. Alternativ kann die Geländeaktualisierungsinformation von der dynamischen Datenbasis verwendet werden, um eine vollständig automatische Maschinen/Werkzeug-Steuerung vorzusehen.
Es wird aus dem Vorangegangenen klar, daß bei dem vorliegenden Verfahren das anfängliche tatsächliche Gelände-Oberflächenform/Topographie-Modell von der Maschine selbst auf zuvor unüberwachtem Terrain erzeugt werden kann. Durch einfaches Bewegen der Maschine über ein vorgeschlagenes Gelände in einem regelmäßigen Muster kann die Geographie des Geländes relativ zu dem gewünschten Architektengeländemodell bestimmt werden, welches bei 104 geladen wird. Nachdem die Maschine über das gesamte Gelände gefahren ist, um genau seine tatsächliche Geographie zu bestimmen, kann das tatsächliche Geländemodell dann überwacht und in Echtzeit bei 106 aktualisiert werden, wenn die Maschine die tatsächliche Geographie- bzw. Oberflächenform in Übereinstimmung mit dem gewünschten Geländemodell bringt.
Mit Bezug auf 2 ist eine Vorrichtung in Blockdiagrammform gezeigt, die in Verbindung mit dem Empfang und der Verarbeitung von GPS-Signalen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, die eine GPS-Empfängervorrichtung 202 mit einer lokalen Referenz- bzw. Bezugsantenne und einer Satellitenantenne aufweist; einen Digitalprozessor 204, der einen Differenzierungsalgorithmus einsetzt und angeschlossen bzw. verbunden ist, um Positionssignale von 202 zu empfangen; eine digitale Speicher- und Aufrufvorrichtung 206, auf die vom Prozessor 204 zugegriffen wird und die von ihm aktualisiert wird, und eine Bedieneranzeige und/oder automtische Maschinensteuerungen bei 208, die Signale vom Prozessor 204 empfangen.
Das GPS-Empfängersystem 202 weist eine Satellitenantenne auf, die Signale von Globalpositionsbestimmungsatelliten bzw. GPS-Satelliten empfängt, und eine lokale Referenz- bzw. Bezugsantenne. Das GPS-Empfängersystem 202 verwendet Positions- bzw. Positionsbestimmungssignale von der Satellitenantenne und Differentialkorrektursignale von der lokalen Referenzantenne, um Positionskoordinatendaten in drei Dimensionen zu erzeugen, und zwar mit Zentimer-Genauigkeit für sich bewegende Objekte. Alternativ können Rohdaten von der Referenzantenne vom System verarbeitet werden, um die Differenzialkorrektur zu bestimmen.
Diese Positionsinformationen werden an den Digitalprozessor 204 auf Echtzeit-Basis geliefert, wenn die Koordinatenaufnahme- bzw. Koordinatensamplingrate des GPS-Empfängers 202 es gestattet. Die digitale Speichervorrichtung 206 speichert ein erstes Geländemodell der gewünschten Geländeoberflächenform bzw. -geographie, beispielsweise gemäß eines Architektenplans, und ein zweites digitalisiertes Geländemodell der tatsächlichen Geländegeographie, wie beispielsweise anfänglich überwacht bzw. übersehen. Das Geländemodell, welches der tatsächlichen Geländegeographie bzw. -oberflächenform entspricht, kann in Echtzeit vom Digitalprozessor 204 aufgerufen und aktualisiert werden, wenn er neue Positionsinformationen vom GPS-Empfänger 202 empfängt.
Der Digitalprozessor 204 erzeugt weiter Signale, die die Differenz zwischen dem kontinuierlich aktualsierten tatsächlichen Geländemodell und dem Architektenplan darstellen. Diese Signale werden an die Bedieneranzeige und/oder die automatischen Maschinensteuerungen bei 208 geliefert, um den Betrieb der Maschine auf dem Gelände anzuweisen, um das aktualisierte tatsächliche Geländemodell in Übereinstimmung mit dem Architektenplan zu bringen. Die Bedieneranzeige 208 sieht beispielsweise eine oder mehrere sichtbare Darstellungen der Differenz zwischen dem tatsächlichen kontinuierlich aktualisierten Geländemodell und dem gewünschten Geländemodell vor, um den Bediener beim Betrieb der Maschine für die notwendigen Oberflächenveränderungsvorgänge zu führen.
Mit Bezug auf 3 ist eine detailliertere Schemadarstellung eines Systems gemäß 2 gezeigt, und zwar un ter Verwendung eines kinematischen GPS (GPS = global positioning system = globales Positionsbestimmungssystem) für Positionsreferenzsignale. Ein Basisreferenzsmodul 302 und ein Positionsmodul bzw. Positionsbestimmungsmodul 304 bestimmen zusammen die dreidimensionalen Koordinaten der Oberflächenveränderungsmaschine relativ zum Gelände, während ein Aktualisierungs/Steuer-Modul 306 diese Positionsinformation in Echtzeitdarstellungen des Geländes umwandelt, die verwendet werden können, um genau die Maschine zu überwachen und zu steuern.
Das Basisreferenzmodul 302 weist einen stationären GPS-Empfänger 308 und ein Digitalsende/Empfangs-Radio bzw. Funkgerät 310 auf, welches mit dem GPS-Empfänger 308 verbunden ist und fähig ist, einen digitalen Datenstrom zu übertragen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Basisreferenzempfänger 308 ein hochgenauer kinematischer GPS-Empfänger. Ein geeigneter GPS-Empfänger ist verfügbar von Trimble Navigation Limited of Sunnyvale, CA, als Modell Trimble 740 GPS-Empfänger. Das Radio- bzw. Funkgerät 310 ist ein im Handel erhältlicher Digitaldatensender/Empfänger.
Das Positions- bzw. Positionsbestimmungmodul 304 weist einen passenden kinematischen GPS-Empfänger 312 und ein passendes Sender/Empfängerdigitalfunkgerät 304 auf, welches die Signale vom Funkgerät 310 im Basisreferenzmodul 302 empfängt. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Positionsmodul 304 auf der Oberflächenveränderungsmaschine gelegen, um sich mit ihm über das Arbeitsgelände zu bewegen.
Das Aktualisierungs/Steuer-Modul 306 welches auch an Bord der Maschine im veranschaulichten Beispiel geführt wird, weist einen Computer 316 auf, der eine Eingangsgröße vom Positionsmodul 304 empfängt; eines oder mehrere digitalisierte Geländemodelle 318, die digital im Computerspeicher gespeichert sind oder in ihn geladen werden; ein dynamisches Datenbasisaktualisierungsmodell 320, welches auch im Speicher des Computers 316 geladen oder gespeichert ist, und einen Bedienerfarbanzeigeschirm 322, der mit dem Computer verbunden ist. Statt der Bedieneranzeige 322 oder zusätzlich dazu können die automatischen Maschinensteuerungen 324 mit dem Computer verbunden werden, um Signale zu empfangen, die die Maschine in autonomer bzw. eigenständiger oder halbeigenständiger Weise in bekannter Weise betreiben. Obwohl das Aktualisierungs/Steuer-Modul 306 hier als in der mobilen Maschine montiert gezeigt ist, können einige oder alle Teile entfernt gelegen sein. Beispielsweise könnten der Computer 316, das (die) Geländemodell(e) 318 und die dynamische Datenbasis 320 durch eine Radiodatenverbindung mit dem Positionsmodul 304 und der Bedieneranzeige 322 oder der Maschinensteuerschnittstelle 324 verbunden werden. Die Positions- und Geländeaktualisierungsinformation kann dann zu und von der Maschine gesandt werden, und zwar zur Anzeige oder Anwendung von Bedienern oder Überwachern sowohl auf als auch abseits der Maschine.
Die Basisreferenzstation 302 ist an einem Punkt mit bekannten dreidimensionalen Koordinaten relativ zum Arbeitsgelände befestigt. Durch den Empfänger 308 empfängt die Basisreferenzstation 302 Positionsinformationen von einer GPS-Satellitenkonstellation unter Verwendung der Referenz-GPS-Software 308, um einen Satz von Messungen abzuleiten. Diese Messungen weisen Pseudobereiche auf, d. h. eine Abschätzung der Abstände zwischen dem Empfänger und jedem der Satelliten. Die Messungen werden von der Basistation 302 an die Positionsstation 304 auf der mobilen Maschine über eine Funkverbindung 310, 314 ge sandt. Alternativ können Rohpositionsdaten von der Basisstation 302 zur Positionsstation 304 über die Funkverbindung 310, 314 übertragen werden und vom GPS-Empfänger 312 verarbeitet werden.
Der auf der Maschine montierte Empfänger 312 empfängt die Positionsinformationen von der Satellitenkonstellation und bestimmt die Position des Empfängers 312 als eine Funktion der Messungen vom GPS-Empfänger 308 und der Positionsinformation, die von der Satellitenkonstellation empfangen wird. Diese Positionsinformation ist dreidimensional (beispielweise Breite, Länge und Höhe) und ist auf einer Punkt-zu-Punkt-Basis gemäß der Sampling- bzw. Aufnahmerate des GPS-Systems verfügbar.
Mit Bezug auf das Aktualisierungs/Steuer-Modul 306 erzeugt die dynamische Datenbasis 320 Signale, die die Differenz zwischen der tatsächlichen und gewünschten Geländegeographie bzw. Geländeoberflächenform darstellen, um diese Differenz graphisch auf dem Bedieneranzeigeschirm 322 anzuzeigen, sobald die digitalisierten Pläne oder Modelle des Geländes in den Computer 316 geladen worden sind. Beispielsweise werden Profil- und/oder Draufsichten der tatsächlichen und gewünschten Geländemodelle auf dem Schirm 322 kombiniert und die Höhendifferenz zwischen ihren Oberflächen wird angezeigt. Unter Verwendung der Positionsinformation, die von dem Positionsmodul 304 empfangen wird, erzeugt die Datenbasis 320 auch ein Graphikbild der Maschine, welches auf dem tatsächlichen Geländemodell auf der Anzeige 322 überlagert wird, und zwar entsprechend der tatsächlichen Position und Richtung der Maschine im Gelände.
Da die Sampling- bzw. Aufnahmerate des Positionsmoduls 304 eine Zeit/Distanz-Verzögerung zwischen den Positions koordinatenpunkten zur Folge hat, wenn die Maschine sich über das Gelände bewegt, verwendet die dynamische Datenbasis 320 der vorliegenden Erfindung einen Differenzierungsalgorithmus, um in Echtzeit den Pfad der Maschine zu bestimmen und zu aktualisieren.
Wenn die exakte Position der Maschine relativ zum Gelände, eine digitalisierte Ansicht des Geländes und der Fortschritt bzw. die Bewegung der Maschine relativ dazu bekannt ist, kann der Bediener die Maschine über das Gelände manövrieren, um verschiedene Oberflächenveränderungsvorgänge auszuführen, ohne sich auf physikalische Markierungen zu verlassen, die auf der Oberfläche des Geländes angeordnet sind. Und wenn der Bediener die Maschine über das Gelände bewegt, liest die dynamische Datenbasis 320 weiter hereinkommende Positionsinformationen vom Modul 304 und manipuliert sie, um dynamisch sowohl die Maschinenposition relativ zum Gelände zu aktualisieren, als auch den Pfad der Maschine über das Gelände und irgendeine Veränderung der tatsächlichen Geländeoberflächenform, die von dem Durchgang bzw. Vorbeifahren der Maschine bewirkt wird. Diese aktualisierte Information wird verwendet, um Darstellungen des Geländes zu erzeugen, und kann verwendet werden, um den Betrieb der Maschine in Echtzeit anzuweisen, um die tatsächliche aktualisierte Geländeoberflächenform in Übereinstimmung mit dem gewünschten Geländemodell zu bringen.
Mit Bezug auf 4 ist eine Oberflächenänderungsmaschine 402 auf einer Stelle in einem Konstruktionsgelände 400 gezeigt. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel der 4 ist die Maschine 402 ein Minenschaufelbagger, der Erdbewegungs- und Konturierungsvorgänge auf dem Gelände ausführt. Es wird jedoch offensichtlich werden, daß die Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Erfindung sich auf nahezu irgendein bewegliches Werkzeug oder eine Maschine mit der Fähigkeit, sich über oder durch ein Arbeitsgelände zu bewegen, und die Geographie bzw. Oberflächenform des Geländes in gewisser Weise zu verändern, anwenden läßt.
Die Maschine 402 ist in bekannter Weise mit verfügbaren Hydraulik- oder Elektro-Hydraulikwerkzeugsteuerungen für ein Arbeitswerkzeug 404 ausgerüstet. Das Arbeitswerkzeug 404 weist einen Ausleger 408, ein Stabwerk 410 und eine Schaufel 412 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 einer Vorderschaufelkonturierungsvorrichtung betreiben diese Steuerungen unter anderem die Aulsleger-, Stabwerks- und Schaufelzylinder 408A, 410A, 412A, um die Schaufel 412 in drei Dimensionen für gewünschte Schneid- bzw. Grab-, Füll- und Tragvorgänge zu manövrieren.
Die Maschine 402 ist mit einem Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystem ausgerüstet, welches die Position der Maschine und/oder seines Geländeveränderungs- bzw. Geländebearbeitungswerkzeuges 412 mit hohem Genauigkeitsgrad bestimmen kann. Im Ausführungsbeispiel der 4 ist ein Phasendifferential-GPS-Empfänger 318 auf der Maschine gelegen, und zwar an festen bekannten Koordinaten relativ zu dem mit dem Gelände in Kontakt stehenden Teilen der Raupen. Der auf der Maschine montierte Empfänger 318 empfängt Positionssignale von einer GPS-Konstellation und ein Fehler/Korrektur-Signal von der Basisreferenz 308 über eine Funkverbindung 310, 326, wie in 3 beschrieben. Der auf der Maschine befestigte Empfänger 318 verwendet sowohl die Satellitensignale als auch das Fehler/Korrektursignal von der Basisreferenz 308, um genau seine Position in einem dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Alternativ können Rohpositionsdaten von der Basisreferenz 308 übertragen werden und in be kannter Weise von dem auf der Maschine montierten Empfängersystem verarbeitet werden, um das gleiche Ergebnis zu erreichen. Informationen über ein kinematisches GPS und ein System, welches zur Anwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist, können beispielsweise gefunden werden im US-Patent 4 812 991 , datiert auf den 14. März 1989, und im US-Patent 4 963 889 , datiert auf den 16. Oktober 1990, beide von Hatch. Unter Anwendung von kinematischen GPS- oder anderen geeigneten dreidimensionalen Positions- bzw. Positionsbestimmungssignalen von einer externen Referenz kann die Lage des Empfängers 318 und der Maschine 402 genau auf einer Basis von Punkt-zu-Punkt innerhalb weniger Zentimeter bestimmt werden, wenn sich die Maschine 402 über das Gelände 400 bewegt. Die gegenwärtige Sampling- bzw. Aufnahmerate für Koordinatenpunkte unter Verwendung des gezeigten Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystems ist ungefähr ein Punkt pro Sekunde.
Die Koordinaten des Basisempfängers 308 können in irgendeiner bekannten Weise bestimmt werden, wie beispielsweise eine GPS-Positionierung oder herkömmliche Überwachung. Schritte werden auch in diesem oder in anderen Ländern ausgeführt, um GPS-Referenzen bei festen national überwachten Einrichtungen bzw. Geländen vorzusehen, wie beispielsweise Flughäfen. Wenn das Gelände 400 innerhalb eines Bereiches (gegenwärtig ungefähr 20 Kilometer) von einer solchen national überwachten Einrichtung und einem lokalen GPS-Empfänger ist, kann der lokale Empfänger als eine Basisreferenz verwendet werden. Optional kann ein tragbarer Empfänger, wie beispielsweise 308 mit einem auf einem dreibeinmontierten GPS-Empfänger und ein Sender zum Rücksenden verwendet werden. Der tragbare Empfänger 308 wird am Platz auf oder nahe dem Gelände 400, wie zuvor besprochen, überwacht.
Auch in schematischer Form auf dem Minenschaufelbagger der 4 gezeigt, ist ein an Bord liegender Digitalcomputer 322, der eine dynamische Datenbasis und eine Farbgraphikanzeige 322 für den Bediener aufweist. Der Computer 322 ist mit dem Empfänger 318 verbunden, um kontinuierlich Maschinenpositionsinformationen aufzunehmen. Obwohl es nicht nötig ist, den Computer 322, die dynamische Datenbasis und die Bedieneranzeige auf dem Traktor 402 anzuordnen, ist dies gegenwärtig ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel und vereinfacht die Darstellung.
Mit Bezug auf die 5A–5B ist das Gelände 400 zuvor überwacht bzw. vermessen worden, um eine detaillierte topographische Darstellung (nicht gezeigt) vorzusehen, die den letztendlichen Geländeplan des Architekten übereinander gelegt auf der ursprünglichen Geländetopographie in Draufsicht gezeigt. Die Erzeugung von geographischen bzw. Oberflächenform- oder topographischen Darstellungen der Gelände, wie beispielsweise Landschaften, Minen und Baugeländen mit optischen Überwachungs- und anderen Techniken ist eine wohl bekannte Technik; Bezugspunkte werden auf einem Gitter über dem Gelände aufgezeichnet und dann verbunden oder gefüllt, um die Geländekonturen auf der Darstellung zu erzeugen. Je größer die Anzahl der aufgenommenen Referenzpunkte ist, desto größer ist die Genauigkeit der Karte.
Systeme und Software sind gegenwärtig verfügbar, um digitalisierte zwei- oder dreidimensionale Karten eines geographischen Geländes zu erzeugen. Beispielsweise kann die Darstellung des Architekten in dreidimensionale digitalisierte Modelle der ursprünglichen Geländegeographie bzw. Oberflächenform oder -topographie umgewandelt werden, wie bei 502 in 5A gezeigt, oder vom gewünschten Geländemodell, wie bei 504 in 5B gezeigt. Die Geländekonturen können mit einem Referenzgitter oder gleichförmigen Gitterelementen 506 in bekannter Weise übereinander gelegt werden. Die digitalisierten Geländepläne können übereinander gelegt werden, in zwei oder drei Dimensionen von verschiedenen Winkeln angesehen werden (beispielsweise im Profil und als Draufsicht) und farbcodiert werden, um Gebiete zu bezeichnen, in denen das Gelände bearbeitet werden muß, beispielsweise durch Entfernung von Erde, durch Zugeben von Erde oder einfach in Ruhe gelassen werden muß. Verfügbare Software kann auch die Menge der Erde abschätzen, die zu bearbeiten oder zu bewegen ist, kann Kosteneinschätzungen vornehmen und verschiedene Geländemerkmale und Hindernisse über oder unter der Erde identifizieren. Zusätzlich kann der digitalisierte Geländeplan definierte Gebiete von verschiedenen Erzarten oder -klassen oder von Erz definieren.
Wie auch immer das Gelände 400 überwacht wird, und ob die Maschinenbediener und ihre Überwacher von einer Papierdarstellung oder einem digitalisierten Geländeplan arbeiten, ist es die frühere Praxis, physisch die verschiedenen Konturen oder Referenzpunkte des Geländes mit markierten Anweisungen für die Maschinenbediener auszustecken. Bei Anwendung der Aussteckungen bzw. Pfähle und Markierungen zur Bezugnahme müssen die Bediener durch Sicht und Gefühl abschätzen, wo und wie viel die ursprüngliche Geographie bzw. Oberflächenform oder Topographie zu schneiden bzw. zu graben aufzufüllen, zu transportieren bzw. zu tragen oder anderenfalls zu konturieren oder zu verändern ist, um den letztendlichen Geländeplan zu erreichen. Während dieses Verfahrens wird periodisch der Fortschritt des Bedieners manuell überprüft, um die Konturierungsvorgänge in statischer Weise Schritt auf Schritt zu korrigieren, bis die letztendliche Kontur er reicht wird. Dieses manuelle periodische Aktualisieren und Überprüfen ist arbeitsintensiv, zeitaufwendig und liefert inhärent weniger als ideale Ergebnisse.
Wenn es darüber hinaus erwünscht ist, die Darstellung oder das digitalisierte Geländemodell als einen Indikator des derzeitigen Fortschrittes und des Arbeitsvoranschreitens zu aktualisieren bzw. revisionieren, muß das Gelände wiederum statisch überwacht bzw. übersehen oder ausgemessen werden und die Darstellung oder das digitalisierte Geländemodell muß manuell abseits des Geländes nicht in Echtzeit korrigiert werden.
Um die Nachteile der statischen Übersichts- und Aktualisierungsverfahren des Standes der Technik zu eliminieren, integriert die vorliegende Erfindung eine genaue dreidimensionale Positionierung bzw. Positionsbestimmung und digitalisierte Geländekartenerstellung mit einer dynamisch aktualisierten Datenbasis und einer Bedieneranzeige für eine Echtzeit-Überwachung und Steuerung des Geländes 400 und der Maschine 402. Die dynamische Geländedatenbasis bestimmt die Differenz zwischen den tatsächlichen und den erwünschten Geländemodellgeographien bzw. Oberflächenformen, empfängt kinematische GPS-Positionsinformationen für die Maschine 402 relativ zum Gelände 400 vom Positionsempfänger 318, zeigt sowohl das Geländemodell als auch die gegenwärtige Maschinenposition dem Bediener auf der Anzeige 322 an und aktualisiert die tatsächliche Geländemodelloberflächenform, die Maschinenposition und Anzeige in Echtzeit mit einem in Zentimetern gemessenen Genauigkeitsgrad. Der Bediener erreicht somit nie dagewesene Kenntnis von und eine Steuerung über die Erdbewegungsvorgänge in Echtzeit auf dem Gelände und kann entsprechend die Arbeit beenden, und zwar nahezu ohne Un terbrechung oder die Notwendigkeit, das Gelände zu überprüfen oder erneut zu übersehen bzw. zu vermessen.
Mit Bezug auf 6 ist eine veranschaulichende Anzeige gezeigt, die für den Maschinenbediener auf dem Schirm 602 verfügbar ist, und zwar für die topographische Konturierungsanwendung der 4. Eine Bedieneranzeige auf dem Schirm 602 besitzt als Hauptkomponente ein dreidimensionales digitalisiertes Geländemodell in einem Planfenster 604, welches die gewünschte Endkontur oder den Plan des Geländes 400 (oder eines Teils davon) relativ zur tatsächlichen Topographie zeigt. Bei einer tatsächlichen Bildschirmanzeige 304 ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Gländetopographie und dem gewünschten Geländemodell leichter offensichtlich, da eine Farbcodierung oder ähnliche sichtbare Markierungen verwendet werden, um Gebiete zu zeigen, in denen Erde entfernt werden muß, Gebiete in denen Erde zugefügt werden muß und Gebiete, die schon eine Übereinstimmung mit dem letztendlichen Geländedatenmodell erreicht haben. Die unterschiedlich schattierten bzw. gefärbten oder schraffierten Regionen auf dem Gelände, welches im Fenster 604 angezeigt wird, stellen graphisch die variierenden Erzarten oder -klassen oder Erz dar. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden diese Regionen auf dem Bildschirm durch Farben unterschieden.
Der Bedieneranzeigeschirm 602 weist ein horizontales Koordinatenfenster oder eine Anzeige 606 oben auf dem Bildschirm auf, wodurch die Position des Bedieners in drei Dimensionen relativ zur Basisreferenz 414 gezeigt ist. Seitenskalen zeigen die Höhe oder z-Achsenabweichung von der Zielkonturhöhe, was einen Indikator vorsieht, wieviel die Schaufel 412 an dieser Stelle schneiden bzw. graben oder einfüllen sollte.
Die Position des Minenschaufelbaggers auf dem Gelände 400 ist graphisch auf dem Bildschirm 604 angezeigt, und zwar als ein Maschinenzeichen 610, welches auf dem Planfenster 604 überlagert ist.
Mit der detaillierten Positions-, Richtungs- und Zielkonturinformation, die dem Bediener über die Anzeige 602 geliefert wird, kann eine zentimetergenaue Steuerung über die Erdbewegungsvorgänge aufrechterhalten werden. Auch besitzt der Bediener eine vollständige aktualisierte Echtzeit-Anzeige des gesamten Geländes, des gegenwärtigen Fortschrittes und der Erfolge beim Erreichen der gewünschten Topographie. Am Ende des Tages ist das digitalisierte Geländemodell in der Datenbasis vollständig aktualisiert worden und kann einfach zum Wiederaufrufen am folgenden Tag gespeichert werden, um zu beginnen, wo der Bediener aufgehört hat, oder kann für eine weitere Analyse herausgeladen werden.
Mit Bezug auf 7 sind die Betriebsschritte der dynamischen Datenbasis 320 für den Maschinenkonturierungsvorgang schematisch gezeigt. Das System wird bei 702 vom Betriebssystem des Computers gestartet. Die Graphiken für die Anzeigeschirme werden bei 704 initialisiert. Die anfängliche Geländedatenbasis (ein digitalisierter Geländeplan) wird aus einer Datei in dem Programmverzeichnis gelesen und der Geländeplan und die tatsächliche und die Zieltopographie werden auf der Anzeige im Schritt 706 gezeichnet. Der Seitengradindikator von der Anzeige 602 wird im Schritt 708 aufgebaut und die verschiedenen seriellen Kommunikationsroutinen zwischen den Modulen 302, 304, 306 (3) werden im Schritt 710 initialisiert. Im Schritt 712 überprüft das System eine Anwenderanfrage, das System zu stoppen, und zwar beispielsweise am Ende des Tages oder für Mahlzeitpausen oder Schichtwechsel. Die Anwenderanfrage zum Beenden im Schritt 712 kann mit irgendeiner bekannten Anwenderschnittstellenvorrichtung eingegeben werden, beispielsweise einem Computertastenfeld oder einer ähnlichen Computereingabevorichtung, die mit dem Computer 316 kommuniziert.
Die dreidimensionale Position der Maschine wird als nächstes im Schritt 714 von der seriellen Anschlußverbindung zwischen dem Positionsmodul 304 und dem Steuer/Aktualisierungs-Modul 306 in 3 gelesen. Im Schritt 716 wird die GPS-Position der Maschine in das Koordinatensystem der digitalisierten Geländepläne umgewandelt, und diese Koordinaten werden auf dem Schirm 602 im Schritt 718 angezeigt. Im Schritt 720 wird der Maschinenpfad bestimmt, und zwar sowohl in Drauf- als auch Profilansichten und in Echtzeit aktualisiert, um die Teile des Geländeplangitters anzuzeigen, über denen die Maschine gearbeitet hat. In dem Maschinenkonturierungsausführungsbeispiel wird die Breite des Maschinenpfades gleich ihrem Oberflächenveränderungswerkzeug (Schaufel 412) gesetzt, wenn es über das Gelände läuft. Eine genaue Bestimmung der Gitterquadrate, über die die Schaufel 412 läuft, ist notwendig, um Echtzeitaktualisierungen der Bedienerposition und der Arbeit auf dem dynamischen Geländeplan vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung ist geeignet, um einen "Streifenpfad" bzw. "Bearbeitungspfad" zu bestimmen und anzuzeigen. In 9 ist eine Seitenansicht eines Schnittes bzw. eines Grabvorgangs des Minenschaufelbaggers graphisch veranschaulicht. Eine unterbrochene Linie 902 stellt den Schnitt- bzw. Grabpfad der Spitze der Schaufel 412 dar. Nachdem der Schnitt vorgenommen worden ist, fällt oder gleitet das Material oder Erz in die untere Seite. Ein Punkt 904, der auf der Oberfläche gelegen ist, auf der der Minenschaufelbagger gelegen ist, wird der "Fuß" genannt. Ein Punkt 906, der auf der Oberseite gelegen ist, wird der "Kamm" genannt. Die Oberfläche des Erzes zwischen den Punkten wird dargestellt durch die Linie 908. Der Fußpunkt 904, der Kammpunkt 906 und die Linie 908 stellen den Streifen- bzw. Bearbeitungspfad dar.
Mit Bezug auf 6 ist der Streifenpfad 616 graphisch veranschaulicht. Die unterbrochene Linie 612 stellt eine Reihe von Fußpunkten dar und die unterbrochene Linie 614 stellt eine Reihe von Kammpunkten dar. Der Streifenpfad wird dargestellt durch das kreuzschraffierte Gebiet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Streifenpfad 616 über Farben veranschaulicht.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird während eines Schneidvorgangs der Streifenpfad bestimmt wie unten beschrieben. Ein Referenzpunkt, der auf der Maschine gelegen ist, wird definiert. Beispielsweise wird auf dem Minenschaufelbagger der Referenzpunkt als die Rotationsmitte definiert. Jedoch könnte der Referenzpunkt mit Bezug auf die Raupen der Maschine definiert werden. Während des Schneidvorgangs wird der Fuß als der Referenzpunkt oder als eine Funktion des Referenzpunktes definiert. Die exakte Lage des Fusses mit Bezug auf die Maschine wird eine Funktion der Art der Maschine und ihrer spezifischen Geometrie sein. Als nächstes wird der Kamm als eine Funktion des Fußpunktes und des Ansprechwinkels bzw. Schüttwinkels des ausgegrabenen Erzes bestimmt. Der Ansprechwinkel hängt von der Materialart ab. Der Fußpunkt und der Winkel oder das Ansprechen bzw. der Schüttwinkel werden dann verwendet, um den Kammpunkt zu definieren. Die Geländedatenbasis wird dann aktualisiert, um diese Information aufzuweisen.
Im Schritt 722 wird der Gradindikator auf der Anzeige aktualisiert, und das System vollendet seine Schleife und kehrt zurück zum Schritt 712.
Im Schritt 712 ist die Option für den Bediener verfügbar, das System, wie oben beschrieben, zu stoppen, beispielsweise am Ende des Tages oder zur Mittagszeit. Wenn der Bediener im Schritt 712 wählt, das System zu stoppen, schreitet das System zum Schritt 724 voran, wo die gegenwärtige Datenbasis in einer Datei auf einem geeigneten digitalen Speichermedium im Systemcomputer gespeichert wird, beispielsweise auf einer permanenten oder entfernbaren Diskette bzw. Platte. Im Schritt 726 werden die Betriebsvorgänge des Differenzierungsmoduls beendet, und im Schritt 728 wird der Bediener zum Computerbetriebssystem zurück gebracht. Wenn der Bediener das System nicht beendet, kehrt es zum Schritt 714 zurück, wo darauffolgende Positionsauslesungen aus dem seriellen Anschluß aufgenommen werden, der mit dem Positionsmodul 304 und dem Empfänger 318 verbunden ist, und die Systemschleife wiederholt sich.
Während das System und das Verfahren des veranschaulichten Ausführungsbeispiels der 7 darauf gerichtet sind, eine Echtzeit-Maschinenpositions- und Geländeaktualisierungsinformation über eine sichtbare Bedieneranzeige vorzusehen, wird dem Fachmann klar sein, daß erzeugte Signale, die die Maschinenposition und die Geländeaktualisierungsinformation darstellen, in nicht sichtbarer Weise verwendet werden können, um bekannte automatische Maschinensteuerungen zu betreiben, beispielsweise ein elektro-hydraulisches Maschinen- und/oder Werkzeugsteuersystem.
Mit Bezug auf 8 ist ein System gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch für eine automatische Regelsteuerung (closed loop) von einer oder mehreren Maschinen- oder Werkzeugbetriebssystemen gezeigt. Während das Ausführungsbeispiel der 8 mit oder ohne einer zusätzlichen Bedieneranzeige, wie oben erwähnt, verwendet werden kann, sind für die Zwecke dieser Veranschaulichung nur automatische Maschinensteuerungen gezeigt. Eine geeignete Digitalverarbeitungsvorrichtung, beispielsweise ein Computer, wie er in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben ist, der die Algorithmen der dynamischen Datenbasis der Erfindung enthält, ist bei 802 gezeigt. Die dynamische Datenbasis 804 empfängt eine sofortige bzw. augenblickliche 3-D-Positionsinformation vom GPS-Empfängersystem 803. Das gewünschte digitalisierte Geländemodell 808 wird in der Datenbasis des Computers 802 in irgendeiner geeigneten Weise geladen oder gespeichert, beispielsweise auf einem geeigneten Disketten- bzw. Plattenspeicher. Ein automatisches Maschinensteuermodul 810 enthält elektro-hydraulische Maschinensteuerungen 812, die verbunden oder angeschlossen sind, um beispielsweise Lenk-, Werkzeug- und Antriebssysteme 814, 816, 818 an der Oberflächenveränderungsmaschine anzutreiben. Automatische Maschinensteuerungen 812 können Signale von der dynamischen Datenbasis im Computer 802 aufnehmen, die die Differenz zwischen dem tatsächlichen Geländemodell 820 und dem gewünschten Geländemodell 808 darstellen, um die Lenk-, Werkzeug- und Antriebssysteme der Maschine zu betreiben, um das tatsächliche Geländemodell in Übereinstimmung mit dem gewünschten Geländemodell zu bringen. Wenn die automatischen Maschinensteuerungen 812 die verschiedenen Lenk-, Werkzeug- und Antriebssysteme der Maschine betreiben, werden die an dem Gelände vorgenommenen Veränderungen und die gegenwärtige Position und Richtung der Maschine empfangen, gelesen und von der dynamischen Datenbasis bei 804 manipuliert, um das tatsächliche Geländemodell zu aktualisieren. Die tatsächliche Geländeaktualisierungsinformation wird von der Datenbasis 804 empfangen, die entsprechend die Signale aktualisiert, die an die Maschinensteuerungen 812 geliefert werden, und zwar zum Betrieb der Lenk-, Werkzeug- und Antriebssysteme der Maschine, wenn sie über das Gelände fährt, um das tatsächliche bzw. augenblickliche Geländemodell in Übereinstimmung mit dem gewünschten Geländemodell zu bringen.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, daß das erfindungsgemäße Verfahren und System leicht auf nahezu jeden geographischen Veränderungs-, Barbeitungs- oder Überwachungs- bzw. Meßvorgang angewandt werden kann, indem eine Maschine über oder durch ein Arbeitsgelände läuft, um eine Veränderung der Geländegeographie bzw. -oberflächenform in Echtzeit zu überwachen oder zu bewirken. Die veranschaulichten Ausführungsbeipiele sorgen für ein Verständnis der breitgefaßten Prinzipien der Erfindung und offenbaren im Detail eine bevorzugte Anwendung und sollen nicht einschränkend sein. Verschiedene andere Modifikationen oder Anwendungen der Erfindung können vorgenommen werden und liegen immer noch innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche.
Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von Oberflächenveränderungsmaschinen, wie beispielsweise einem Raupentraktor, einem Straßengrader bzw. Straßenhobel, einer Pflastermaschine oder von ähnlichem relativ zu einem Arbeitsgelände, um die Geographie des Geländes in einen gewünschten Zustand zu verändern, ist vorgesehen. Ein erstes digitales dreidimensionales Modell der gewünschten Geländeoberflächenform und ein zweites digitales dreidi mensionales Modell der tatsächlichen Geländeoberflächenform sind in einer digitalen Datenspeichervorrichtung gespeichert. Die Maschine ist mit einem Positionsempfänger ausgerüstet, um im dreidimensionalen Raum die Lage der Maschine relativ zum Gelände zu bestimmen. Eine dynamische Datenbasis empfängt die Maschinenpositionsinformation, bestimmt die Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen und erzeugt Signale, die die Differenz darstellen, um den Betrieb der Maschine anzuweisen, um die tatäschliche Geländeoberflächenform in Übereinstimmung mit der gewünschten Geländeoberflächenform zu bringen. In einem Ausführungsbeispiel werden die Signale, die die Maschinenposition und die Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen darstellen, verwendet, um eine Bedieneranzeige zu erzeugen, die in Echtzeit aktualisiert wird. Alternativ bzw. abwechselnd können die Signale, die die Differenz zwische den ersten und zweiten Geländemodellen darstellen, an automatische Maschinensteuerungen zum eigenständigen oder halbeigenständigen Betrieb der Maschine geliefert werden.

Claims

Vorrichtung zum Anweisen der Betriebsvorgänge einer mobilen Oberflächenveränderungsmaschine, die folgendes aufweist: a) Digitaldatenspeicher- und -aufrufmittel zum Speichern eines ersten dreidimensionalen geographischen Geländemodells, welches die gewünschte Geographie eines Geländes darstellt, und eines zweiten dreidimensionalen geographischen Geländemodells, welches die tatsächliche Geographie des Geländes darstellt; b) Mittel zur Erzeugung von Digitalsignal, die in Echtzeit die gegenwärtige Position im dreidimensionalen Raum von zumindest einem Teil der Maschine darstellen, wenn sie über des Gelände fährt; c) Mittel zum Empfang der Signale and zur Aktualisierung des zweiten Modells in Übereinstimmung damit; d) Mittel zum Bestimmen der Differenz zwischen den ersten and zweiten Modellen in Echtzeit and zur Bestimmung eines Streifen- bzw. Bearbeitungspfades; und e) Mittel zum Leiten bzw. Anweisen des Betriebs der Maschine gemäß der Differenz, um das aktualisierte zweite Modell in Übereinstimmung mit dem ersten Modell zu bringen, und um den Streifen- bzw. Bearbeitungspfad graphisch anzuzeigen.
Vorrichtung zur Anzeige von Information für einen Bediener einer mobilen Oberflächenveränderungsmachine, die folgendes aufweist: ein dreidimensionales Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystem, welches auf der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine gelegen ist, um die dreidimensionale Position der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine zu bestimmen; einen Digitalprozessor, der in der Maschine gelegen ist, and zwar zum Empfang eines Positionssignals von dem dreidimensionalen Positionssystem, zum Bestimmen eines Streifen- bzw. Bearbeitungspfades, der mit einem Schnitt- bzw. Grabvorgang der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine in Beziehung steht and um ein digitalisiertes Geländemodell der tatsächlichen Geländegeographie bzw. -oberflächenform zu halten; einen Anzeigeschirm, der mit dem Digitalprozessor gekoppelt ist, um graphisch dem Bediener die Geländeinformation anzuzeigen, die in dem digitalisierten Geländemodell enthalten ist, welches den Streifen- bzw. Bearbeitungspfad enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Streifen- bzw. Bearbeitungspfad durch eine Reihe von Fuß- und Kammpunkten definiert wird.
Verfahren zur Anzeige von Information für einen Bediener einer mobilen Oberflächenveränderungsmaschine, welches folgende Schritte aufweist: Bestimmen der dreidimensionalen Position der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine unter Verwendung eines dreidimensionalen Positionierungs- bzw. Positionsbestimmungssystems; Empfang des Positionssignals von dem dreidimensionalen Positionssystem, Bestimmen eines Streifen- bzw. Bearbeitungspfades, der mit einem Schnittvorgang der mobilen Oberflächenveränderungsmaschine in Beziehung steht, und Aufrechterhalten eines digitalisierten Geländemodells der tatsächlichen Geländegeographie bzw. -oberflächenform; graphisches Anzeigen der Geländeinformation für den Bediener, die in dem digitalisierten Geländemodell enthalten ist, welches den Streifen- bzw. Bearbeitungspfad aufweist.