Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Verbinden der Versorgungsleitung
von Zugfahrzeug (LKW) und Sattelauflieger. Anhand einer beispielhaften
Ausführungsform soll die Funktion erläutert werden. Aufgrund der Geometrie und der
geforderten Begegnungswinkel beim Ankuppeln zwischen LKW und Sattelauflieger ergibt
sich eine bestimmte Fläche in welcher sich das Gegenstück zum LKW-Stecker befinden
kann. Diese Zielfläche steht zudem meistens nicht parallel zur Rückseite des LKW, da
LKW und Sattelauflieger nicht unbedingt auf einem ebenen Untergrund und auch selten
exakt auf einer Linie stehen. Für das automatische Verbinden einer Steckerverbindung
vom LKW zum Sattelauflieger ist deshalb ein Manipulator erforderlich, welcher die
Aufgabe hat, die Lage und Ausrichtung der Buchse zu ermitteln, den Stecker nach
entsprechender Ausrichtung zur Buchse zu bewegen, den Stecker kraftvoll in die Buchse
zu drücken und in die Ausgangslage zurückzufahren. Die Trennung von Stecker und
Buchse verläuft in umgekehrter Richtung wobei zum Abschluß beide Steckerteile in einer
Schutzvorrichtung geparkt werden.The invention relates to a method for automatically connecting the supply line
of towing vehicle (truck) and semi-trailer. Using an exemplary
Embodiment, the function will be explained. Because of the geometry and the
required encounter angle when coupling between truck and semitrailer results
there is a certain area in which the counterpart to the truck connector is located
can. This target area is usually not parallel to the back of the truck, because
Trucks and semitrailers are not necessarily on a level surface and are also rare
stand exactly on a line. For the automatic connection of a plug connection
from the truck to the semi-trailer, a manipulator is therefore required, which the
The task is to determine the position and orientation of the socket after the plug
Appropriate orientation to move the socket, force the plug into the socket
to press and return to the starting position. The separation of plug and
Socket runs in the opposite direction with both plug parts in one at the end
Protection device to be parked.
Zur Realisierung eines Manipulators mit den geforderten Eigenschaften unter den
genannten Randbedingungen ist normalerweise ein Roboterarm mit mindestens 5-Achsen
notwendig. Der mechanische Aufwand für solche Manipulatorarme ist für Hydraulik- wie
auch Elektroantriebe erheblich, vor allen Dingen, wenn Kraft und Genauigkeit gefordert
sind. Auch der große Rechneraufwand für Hard- und Software, der zur Steuerung dieses
Manipulators notwendig ist, wirkt sich ungünstig auf die Kosten aus.To implement a manipulator with the required properties under the
The boundary conditions mentioned is usually a robot arm with at least 5 axes
necessary. The mechanical effort for such manipulator arms is like for hydraulic
electric drives, too, especially when power and accuracy are required
are. Also the large amount of computer hardware and software required to control it
Manipulator is necessary, has an adverse effect on the cost.
Im Gegensatz dazu wird bei diesem Verfahren vorgeschlagen, die Stecker- und
Buchsenseite in jeweils zwei Achsen zu bewegen. In Fig. 1 sind dies die Azimutachse (1)
und Elevationsachse (2) der LKW-Baugruppe (BG) und die Azimutachse (3) und
Elevationsachse (4) der Anhänger-BG. Die Linearachse (5) dient zur Überbrückung des
unterschiedlichen Abstandes zwischen Stecker und Buchse. Fig. 1 zeigt den
Minimalabstand, Fig. 2 den Maximalabstand mit der Sendeoptik (14) und der
Empfangsoptik (15). Fig. 1 zeigt außerdem die Achsen der Sendeoptik (6) und
Empfangsoptik (7). Der Abstand Achse Sendeoptik (6) zur Mittelachse der Buchse (8) ist
gleich dem Achsabstand Empfangsoptik (7) zur Mittelachse Stecker (9). Damit ist
sichergestellt, daß bei Fluchtung der beiden opt. Achsen auch die Mittelachsen von
Stecker und Buchse parallel sind bzw. fluchten. Vorteilhafterweise werden die 4
Drehbewegungen durch einen selbsthemmenden Schneckenantrieb mit Elektromotor
realisiert. Die Linearbewegung (Teleskop) wird mittels eines integrierten Seilzugantriebes
oder einem Mehrfach-Spindelantrieb realisiert. Als Alternative wäre auch ein
Teleskopantrieb durch die bei LKWs immer vorhandene Preßluft denkbar. Die Vorteile der
beschriebenen Auslegung sind:
die kurzen Hebelarme der Gelenke ermöglichen große Steckkräfte bei kleiner und leichter
Bauweise, die Antriebe und zum Teil die Gehäuse sind baugleich, in Verbindung zum
Sensorkonzept einfaches und kostengünstiges Regelmodell, Abdichtung gegen
Feuchtigkeit und Schmutz ohne großen Aufwand.In contrast, it is proposed in this method to move the plug and socket side in two axes. In Fig. 1, these are the azimuth axis ( 1 ) and elevation axis ( 2 ) of the truck assembly (BG) and the azimuth axis ( 3 ) and elevation axis ( 4 ) of the trailer BG. The linear axis ( 5 ) is used to bridge the different distance between the plug and socket. Fig. 1 shows the minimum distance, Fig. 2 shows the maximum distance with the transmitting optics ( 14 ) and the receiving optics ( 15 ). Fig. 1 also shows the axes of the transmitting optics ( 6 ) and receiving optics ( 7 ). The distance between the transmission optics axis ( 6 ) and the center axis of the socket ( 8 ) is equal to the distance between the reception optics ( 7 ) and the center axis connector ( 9 ). This ensures that when the two opt. Axes and the central axes of the plug and socket are parallel or aligned. The 4 rotary movements are advantageously realized by a self-locking worm drive with an electric motor. The linear movement (telescope) is realized by means of an integrated cable drive or a multiple spindle drive. As an alternative, a telescopic drive would also be conceivable due to the compressed air that is always present in trucks. The advantages of the described design are:
The short lever arms of the joints enable large insertion forces with a small and light design, the drives and some of the housings are identical, in connection with the sensor concept simple and inexpensive control model, sealing against moisture and dirt with little effort.
Da die Steckverbindung auch eine Preßluftleitung beinhaltet, sind für das Einstecken
erhebliche Kräfte erforderlich. Man könnte zwar auf beiden Seiten der Verbindung
elektromagnetisch betätigte Ventile vorsehen, um kleine Steckkräfte durch einen
druckfreien Obergang zu haben. Dies bedeutet aber zusätzlichen Aufwand.
Das Teleskop trägt an seinem vorderen Ende eine rastbare Aufnahme (10) zur Halterung
des Steckers. Beispielsweise funktioniert diese wie ein Kugelschreiber: beim ersten
Einrasten halten, beim zweiten Einrasten lösen. Damit erspart man sich separate
Auslösemittel. In Fig. 1 sind noch die Anfänge des Steckerkabels (11) und des
Buchsenkabels (12) zu sehen. Zur Reduzierung der geforderten Zielgenauigkeit des
Winkelmeßsystems bzw. zur Erhöhung der Toleranzen sind zwei Maßnahmen
vorgesehen: trichterartige Führung (13) am Eingang der Buchse und in den Zeichnungen
nicht sichtbar axial angeordnete Zapfenführungen mit konischen Nuten. Der Stecker ist
deshalb in der Rastaufnahme in einem Bereich drehbar, der an die vordere Breite dieser
Führungsnut angepaßt ist. Mit diesen Maßnahmen werden auch leichte Verdrehungen
zwischen Stecker und Buchse ausgeglichen, die bei extremen Winkel lagen des
Anhängers zum LKW vorkommen.Since the connector also includes a compressed air line, considerable forces are required for insertion. One could provide electromagnetically operated valves on both sides of the connection in order to have small insertion forces due to a pressure-free transition. But this means additional effort. At its front end, the telescope has a latchable receptacle ( 10 ) for holding the plug. For example, it works like a ballpoint pen: hold it the first time it snaps in, release it the second time it snaps into place. This saves separate triggering means. In Fig. 1 the beginnings of the plug cable ( 11 ) and the socket cable ( 12 ) can still be seen. To reduce the required accuracy of the angle measuring system or to increase the tolerances, two measures are provided: funnel-like guide ( 13 ) at the inlet of the bushing and pin guides with conical grooves, which are not visible in the drawings, are arranged. The plug can therefore be rotated in the catch receptacle in an area which is adapted to the front width of this guide groove. These measures also compensate for slight twists between the plug and socket that occur at extreme angles between the trailer and the truck.
Das Meßsystem hat die Aufgabe, die Winkellage beider Baugruppen zueinander zu
messen und entsprechende Fehlersignale an die Stellantriebe abzugeben. Damit nicht
zwei solcher optischen Systeme notwendig sind, wird das Optiksystem so ausgeführt, daß
es die Fehlersignale für beide Baugruppen in Elevation und Azimut liefert. Fig. 3 zeigt den
prinzipiellen Aufbau: In der LKW-BG ist ein 4-Quadrantensensor (19) so hinter einer
Kollimationsoptik (20) angeordnet, daß sich aufgrund der gegebenen Abstände zur
Anhänger-BG eine scharfe Abbildung der LED's ergibt. LED1 (21) ist mit einem möglichst
großen Abstrahlwinkel ausgestattet und auch so angeordnet, daß sie in jedem Fall vom
Empfänger erfaßt werden kann. Die LED2 (22), LED3 (23), LED4 (24) und LED5 (25)
sind mit optischen - oder wie zum besseren Verständnis gezeichnet - mit geometrischen
Mitteln so angeordnet, daß sie nur unter bestimmten Winkelbereichen vom Empfänger
erfaßbar sind. In der Anfangsphase erfaßt der Empfänger durch einen Azimutschwenk die
LED1 (21). Wie in Fig. 4 sichtbar, erscheint irgendwo im Empfängerbildfeld (26) LED1
(21). (27) ist die Empfängerachse. (28) zeigt die Fehlerlage "rechts". (29) zeigt die
Fehlerlage "tief". (30) zeigt die Fehlerlage rechts und tief. Das Sensor-Prozessorsystem
generiert aus diesen Ablagen Fehlersignale welche die Achsen so ausregelt, daß sich
schließlich das Bild (31) ergibt, in welchem Elevation und Azimut ausgeregelt sind. Da die
Achse der Anhänger-BG noch nicht ausgerichtet ist, werden von den LED2-LED5 nicht
alle sichtbar sein wie in den Beispielen (32), (33) und (34) in Fig. 5 dargestellt.
Damit die LED's vom Empfänger unterschieden werden können, werden sie nacheinander
kurz eingeschaltet. Dies übernimmt ein Multiplexer (36), welcher wiederum vom Slave-
Prozessor (37) in Fig 6 gesteuert wird. Da die Gesamtsteuerung vom Master-Prozessor
(38) aus erfolgt, ist somit auf der LKW-Seite bekannt, welche LED in jedem Moment
leuchtet. Somit können eindeutige Signale zur Nachregelung der Antriebe für die
Anhänger-BG gewonnen werden. In Fig. 5 sind verschiedene Fehlerlagen und der Fall
"Elevation/Azimut eingestellt" (35) dargestellt. Änderungen der Winkellage der Anhänger-
BG müssen durch eine Korrektur der LKW-BG nachgeregelt werden. Mehrmaliges
Durchlaufen dieses Multiplexzyklusses führt schließlich zu einem exakten Fluchten der
beiden Achsen. Wenn die Multiplexfrequenz hoch genug ist (ca. 100H Hz), ist dieser
Vorgang für die Mechanik quasi eine kontinuierliche Regelung. Als opt. Empfänger (39)
kommt ein 4-Quadrantensensor oder ein PSD (Position Sensitiv Device) in Frage. Der
PSD hat den Vorteil, daß er ein dem Winkelfehler proportionales Fehlersignal liefert. Er
ist aber teurer, so daß man versuchen sollte mit einem 4-Quadrantensensor
auszukommen.The measuring system has the task of measuring the angular position of the two assemblies relative to one another and emitting corresponding error signals to the actuators. So that two such optical systems are not necessary, the optical system is designed so that it supplies the error signals for both modules in elevation and azimuth. Fig. 3 shows the basic structure: In the truck BG a 4-quadrant sensor ( 19 ) is arranged behind a collimation optics ( 20 ) that there is a sharp image of the LEDs due to the given distances to the trailer BG. LED1 ( 21 ) is equipped with the largest possible radiation angle and is also arranged so that it can be detected by the receiver in any case. The LED2 ( 22 ), LED3 ( 23 ), LED4 ( 24 ) and LED5 ( 25 ) are arranged with optical means - or as drawn for better understanding - with geometric means in such a way that they can only be detected by the receiver under certain angular ranges. In the initial phase, the receiver detects LED1 ( 21 ) by swiveling the azimuth. As seen in Fig. 4, LED1 ( 21 ) appears somewhere in the receiver image field ( 26 ). ( 27 ) is the receiver axis. ( 28 ) shows the error situation "right". ( 29 ) shows the error situation "deep". ( 30 ) shows the error situation on the right and low. From these stores, the sensor processor system generates error signals which regulates the axes in such a way that the image ( 31 ) finally results in which the elevation and azimuth are corrected. Since the axis of the trailer BG is not yet aligned, not all of the LED2-LED5 will be visible as shown in examples ( 32 ), ( 33 ) and ( 34 ) in FIG. 5. So that the LEDs can be distinguished from the receiver, they are briefly switched on one after the other. This is done by a multiplexer ( 36 ), which in turn is controlled by the slave processor ( 37 ) in FIG. 6 . Since the overall control is carried out by the master processor ( 38 ), it is known on the truck side which LED is lit at every moment. This enables clear signals to be readjusted for the drives for the trailer BG. In Fig. 5 different error situations and the case are "Elevation / Azimuth set" shown (35). Changes in the angular position of the trailer BG must be corrected by correcting the truck BG. Repeatedly running through this multiplex cycle finally leads to an exact alignment of the two axes. If the multiplex frequency is high enough (approx. 100H Hz), this process is a continuous control for the mechanics. As an opt. Receiver ( 39 ) is a 4-quadrant sensor or a PSD (Position Sensitive Device) in question. The PSD has the advantage that it delivers an error signal proportional to the angular error. But it is more expensive, so you should try to get by with a 4-quadrant sensor.
Die Datenübertragung von der LKW-BG (Master-Prozessor) zur Anhänger-BG erfolgt
über eine separate drahtlose Verbindung mit einem Datensender (40) und
Datenempfänger (41). Wenn es die Sichtbedingungen trotz Einfluß von Schmutz
erlauben, kann diese Verbindung durch kostengünstige Optronik (LED, Photodiode)
realisiert werden. Wenn es sich aufgrund der Umweltbedingungen herausstellen sollte,
daß beide Baugruppen voll- oder teilgekapselt werden müssen, kann es nötig werden,
ohne "Sichtverbindung" den Anhänger zu Beginn initialisieren zu müssen. Dafür bietet sich
eine Funkstrecke bei 5 GHz an, welche Kunststoffhauben durchdringen kann, die dann
natürlich auch den weiteren Datenaustausch zur Anhänger-BG übernimmt. Die
Datenübertragung von der Anhänger-BG zur LKW-BG erfolgt über LED1. und den
4-Quadrantsensor bzw den PSD. Fig. 6 zeigt eine Funktionsübersicht mit den
Elevations- und Azimuthservokreisen der beiden Baugruppen.The data transmission from the truck BG (master processor) to the trailer BG takes place via a separate wireless connection with a data transmitter ( 40 ) and data receiver ( 41 ). If the visibility conditions allow it despite the influence of dirt, this connection can be realized by inexpensive optronics (LED, photodiode). If, due to the environmental conditions, it turns out that both assemblies have to be fully or partially encapsulated, it may be necessary to initialize the trailer at the beginning without "line of sight". A radio link at 5 GHz is suitable for this purpose, which can penetrate plastic covers, which of course then also takes over the further data exchange with the trailer BG. The data transfer from the trailer BG to the truck BG takes place via LED1. and the 4-quadrant sensor or the PSD. Fig. 6 shows a functional overview of the elevation and Azimuthservokreisen of the two assemblies.
Nach Abschluß des Steckvorganges wird das Teleskop eingefahren und das
Teleskopende und die Optik zum Schutz vor Verschmutzung in eine Schutzvorrichtung
gefahren. Da Stecker und Buchse verbunden sind, kann hier kein Schmutz eintreten. Die
Anhänger-BG wird so gedreht, daß die Optik in einer Schutzvorrichtung untergebracht ist.
Im ausgekuppelten Fall werden Stecker wie auch Buchse in eine Schutzvorrichtung
gefahren.After completing the plug-in process, the telescope is retracted and that
Telescope end and the optics for protection against contamination in a protective device
hazards. Since the plug and socket are connected, no dirt can enter here. The
Trailer BG is rotated so that the optics are housed in a protective device.
In the disengaged case, both the plug and socket are placed in a protective device
hazards.