DE202013001071U1

DE202013001071U1 - Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts

Info

Publication number: DE202013001071U1
Application number: DE201320001071
Authority: DE
Original assignee: Wacker Neuson Produktion GmbH and Co KG
Current assignee: Wacker Neuson Produktion GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2023-02-02

Abstract

Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts (1) in einem vorgegebenen Gebiet (4), mit
– einer an dem Arbeitsgerät (1) anordenbaren Lichterzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen von in einer vorbestimmten Weise gekennzeichnetem Licht (3) als Lichtsignal, wobei das Licht (3) gleichzeitig über den gesamten Umfang in der Horizontalen der Lichterzeugungseinrichtung (2) erzeugbar ist;
– wenigstens zwei getrennt von dem Arbeitsgerät (1) und getrennt voneinander an jeweils einem bekannten Ort anordenbaren Beobachtungseinrichtungen (B1, B2) zum
• Empfangen des Lichts (3) von der Lichterzeugungseinrichtung (2),
• Erkennen des Lichtsignals aufgrund der Kennzeichnung des Lichts (3),
• Bestimmen einer Richtung, in der durch die jeweilige Beobachtungseinrichtung (B1, B2) ein Maximum der Helligkeit des empfangenen Lichtsignals feststellbar ist, und zum
• Bestimmen eines jeweiligen Winkels (α, β) zwischen der jeweiligen Beobachtungseinrichtung (B1, B2) und der Lichterzeugungseinrichtung (2) aufgrund der Richtung des Helligkeitsmaximums des Lichtsignals; und mit
– einer...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts, insbesondere eines Baugeräts wie zum Beispiel einer Vibrationsplatte auf einer Baustelle.
Es ist bekannt, die aktuelle Position eines Objektes in einem Inertialsystem (Erdkoordinatensystem) mit Hilfe von GPS (Global Positioning System) zu ermitteln. Daneben sind auch sehr kostenintensive Systeme mittels Laserverfolgung oder auch funkbasierte Verfahren sowie Verfahren, die auf Laufzeitmessungen basieren, bekannt.
Aus der DE 10 2010 023 461 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mehrere Lichtsendeeinrichtungen in der Art von Leuchttürmen einen um eine Vertikalachse rotierenden Lichtstrahl erzeugen, wobei die Lichtstrahlen von einer auf dem zu überwachenden Arbeitsgerät angeordneten Lichtempfangseinrichtung immer dann empfangen werden, wenn die Lichtstrahlen gerade die Lichtempfangseinrichtung überstreichen. Die Lichtstrahlen der wenigstens zwei Leuchttürme überstreichen dabei wechselweise die Lichtempfangseinrichtung an dem Arbeitsgerät. Aufgrund der bekannten Orte, an denen die Leuchttürme angeordnet sind, und aufgrund der Zeitpunkte, zu denen die Lichtempfangseinrichtung jeweils die Lichtstrahlen von den Leuchttürmen empfängt, kann eine Auswerteeinrichtung präzise den aktuellen Ort des Arbeitsgeräts ermitteln.
Dieses Verfahren hat sich in der Praxis bereits als gut geeignet erwiesen, um die Position eines Arbeitsgeräts mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Jedoch muss zu diesem Zweck ein nicht unerheblicher baulicher Aufwand betrieben werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, kostengünstiges System zur Positionsbestimmung eines Arbeitsgeräts anzugeben, das die Position des Arbeitsgeräts mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit bestimmt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Vorrichtungen gemäß den nebengeordneten Vorrichtungsansprüchen gelöst.
Eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts in einem vorgegebenen Gebiet weist eine an dem Arbeitsgerät anordenbare Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen von in einer vorbestimmten Weise gekennzeichnetem Licht als Lichtsignal, wobei das Licht gleichzeitig über den gesamten Umfang in der Horizontalen der Lichterzeugungseinrichtung erzeugbar ist. Weiterhin sind wenigstens zwei getrennt von dem Arbeitsgerät und getrennt voneinander an jeweils einem bekannten Ort anordenbare Beobachtungseinrichtungen vorgesehen, zum Empfangen des Lichts von der Lichterzeugungseinrichtung, Erkennen des Lichtsignals aufgrund der Kennzeichnung des Lichts, Bestimmen einer Richtung, in der durch die jeweilige Beobachtungseinrichtung ein Maximum der Helligkeit des empfangenen Lichtsignals feststellbar ist, und zum Bestimmen eines jeweiligen Winkels zwischen der jeweiligen Beobachtungseinrichtung und der Lichterzeugungseinrichtung aufgrund der Richtung des Helligkeitsmaximums des Lichtsignals. Eine mit den Beobachtungseinrichtungen gekoppelte Auswerteeinrichtung dient zum Bestimmen der aktuellen Position der Lichterzeugungseinrichtung und damit des Arbeitsgeräts aufgrund der bekannten Orte, an denen die Beobachtungseinrichtungen angeordnet sind, und aufgrund der jeweils von den Beobachtungseinrichtungen bestimmten Winkel.
Als Arbeitsgerät sind verschiedene Arten von mobilen Arbeitsgeräten bekannt, die innerhalb eines vorgegebenen Gebiets – insbesondere durch einen Eigenantrieb – bewegbar sind. Als ein derartiges Arbeitsgerät eignen sich besonders Baugeräte wie zum Beispiel Vibrationsplatten oder Vibrationswalzen, die den Boden in dem vorgegebenen Gebiet verdichten sollen. Ebenso können aber auch andere Arbeitsgeräte oder Komponenten dieser Arbeitsgeräte genutzt werden, wie zum Beispiel ein Kranausleger, ein Baggerarm o. ä.
An dem Arbeitsgerät ist die Lichterzeugungseinrichtung vorgesehen, die Licht über den gesamten Horizontalumfang in alle Richtungen abgeben soll. Die Lichterzeugungseinrichtung dient insoweit als optischer Sender. Anders, als in der DE 10 2010 023 461 A1 beschrieben, erzeugt die Lichterzeugungseinrichtung jedoch keinen um eine Vertikalachse rotierenden Lichtstrahl. Vielmehr kann das Licht gleichzeitig in alle Horizontalrichtungen abgestrahlt werden.
Unter Horizontalrichtung bzw. Horizontalebene ist in diesem Zusammenhang nicht eine exakt definierte Horizontalebene bezogen auf das Erd-Inertialsystem zu verstehen. Vielmehr kann das Licht selbstverständlich auch mit Vertikalkomponenten abgegeben werden. Es kommt lediglich darauf an, dass das Licht mit einer horizontalen Vorzugsrichtung nach allen Seiten, und zwar im Wesentlichen parallel zum Untergrund, auf dem sich das Arbeitsgerät befindet, abgestrahlt wird.
Als eine derartige Lichterzeugungseinrichtung eignen sich beliebige Lichtquellen, wie zum Beispiel High-Power-LEDs, die gleichzeitig über den gesamten Umfang der Maschine Licht emittieren.
Die Vorzugsrichtung der Lichtemission liegt – wie oben ausgeführt – in Richtung der Horizontalen. Dabei soll das Licht zeitgleich in alle Himmelsrichtungen abgestrahlt werden.
Das Lichtsignal muss in einer vorbestimmten Weise gekennzeichnet sein, um das von der Lichterzeugungseinrichtung abgegebene Licht tatsächlich als Lichtsignal identifizieren zu können. Damit soll vermieden werden, dass auch andere Lichtquellen, die sich in oder in der Nähe des vorgegebenen Gebiets befinden, als Lichterzeugungseinrichtung im Sinne der Erfindung verstanden werden können. Derartiges Fremd-Licht darf von dem Beobachtungseinrichtungen nicht als Lichtsignal verstanden werden und muss daher zur Positionsbestimmung ignoriert werden.
Zu diesem Zweck kann das Licht z. B. in individueller Weise moduliert werden, zum Beispiel gepulst. Die Beobachtungseinrichtungen bzw. die Auswerteeinrichtung sind in der Lage, genau dieses Licht als Lichtsignal von der Lichterzeugungseinrichtung zu erkennen und die sich daraus ergebenden Maßnahmen zu ergreifen.
Die Kennung des Lichtsignals ermöglicht es, eine Information zu dem betroffenen Arbeitsgerät zu übermitteln, um so eine eindeutige Identifikation des Arbeitsgeräts zu ermöglichen.
Die wenigstens zwei Beobachtungseinrichtungen sind räumlich getrennt von dem Arbeitsgerät und auch getrennt voneinander an einem jeweils bekannten Ort anzuordnen. Dabei bietet es sich an, dass die Beobachtungseinrichtungen außerhalb des vorgegebenen Gebiets stehen, um eine Kollision zwischen dem Arbeitsgerät und den Beobachtungseinrichtungen zu vermeiden.
Insbesondere können die Beobachtungseinrichtungen direkt am Rand des zu verdichtenden Bodens stehen, wenn das Arbeitsgerät z. B. eine Vibrationsplatte ist, die den Boden in dem vorgegebenen Gebiet verdichten soll.
Die Beobachtungseinrichtungen dienen zum Empfangen des Lichts von der Lichterzeugungseinrichtung und zum Erkennen des Lichtsignals aufgrund der Kennzeichnung des Lichts. Die Beobachtungseinrichtungen können also anhand der besonderen Kennzeichnung feststellen, dass das in diesem Moment empfangene Licht tatsächlich von der Lichterzeugungseinrichtung stammt. Licht, das nicht die erforderliche Kennzeichnung aufweist, wird nicht als Lichtsignal erkannt und daher ignoriert.
Zudem sind die Beobachtungseinrichtungen geeignet, die Richtung zu bestimmen, aus der das empfangene Lichtsignal stammt. Zu diesem Zweck können die Beobachtungseinrichtungen feststellen, wann bzw. aus welcher Richtung das Maximum der Helligkeit des empfangenen Lichtsignals vorliegt. Dieser Zeitpunkt wird detektiert und nachfolgend in der Auswerteeinrichtung genutzt. Die Beobachtungseinrichtung bestimmt somit denjenigen Winkel, bei dem das empfangene Lichtsignal am stärksten ist.
Vor allem aber kann die Richtung der maximalen Helligkeit genutzt werden, um den Winkel zwischen der jeweiligen Beobachtungseinrichtung und der Lichterzeugungseinrichtung zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann die Beobachtungseinrichtung ein Referenzsystem, zum Beispiel einen Nullwinkel aufweisen, von dem ausgehend die Richtung des Helligkeitsmaximums bestimmt wird.
Aufgrund der von den Beobachtungseinrichtungen bestimmten Winkel, aus denen das Lichtsignal stammt, und aufgrund der bekannten Orte, an denen die Beobachtungseinrichtungen aufgestellt sind, kann die Auswerteeinrichtung mit Hilfe von an sich bekannten geometrischen Verfahren (zum Beispiel dem Triangulationsverfahren) die aktuelle Position der Lichterzeugungseinrichtung und damit des die Lichterzeugungseinrichtung tragenden Arbeitsgeräts bestimmen.
Für die Bestimmung des Winkels ist es daher zweckmäßig, wenn jede der Beobachtungseinrichtungen ein Referenzsystem aufweist, von dem ausgehend die Richtung festgestellt wird, aus der das Lichtsignal stammt, wobei diese Richtung dann auf das Referenzsystem der Beobachtungseinrichtung bezogen den gesuchten Winkel ergibt.
Die Vorrichtung kann im Prinzip auch umgekehrt aufgebaut sein, wobei die Lichterzeugungseinrichtungen jeweils an einem vorbekannten Ort getrennt von dem Arbeitsgerät angeordnet sind und eine Beobachtungseinrichtung auf dem Arbeitsgerät angeordnet ist.
Demgemäß weist bei dieser alternativen, nebengeordneten Variate eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts in einem vorgegebenen Gebiet wenigstens zwei getrennt von dem Arbeitsgerät und getrennt voneinander an jeweils einem bekannten Ort anordenbare Lichterzeugungseinrichtungen zum jeweiligen Erzeugen von in einer vorbestimmten Weise gekennzeichnetem Licht als Lichtsignal auf, wobei das Licht gleichzeitig über das gesamte Gebiet in der Horizontalen der Lichterzeugungseinrichtung erzeugbar ist. An dem Arbeitsgerät kann eine Beobachtungseinrichtung angeordnet sein, zum Empfangen des Lichts von den Lichterzeugungseinrichtungen, Erkennen der Lichtsignale aufgrund der jeweiligen Kennzeichnung des Lichts, Bestimmen der Richtungen, in denen durch die Beobachtungseinrichtung ein Maximum der Helligkeit des jeweils empfangenen Lichtsignals feststellbar ist, und zum Bestimmen eines jeweiligen Winkels zwischen der Beobachtungseinrichtung und einer jeweiligen Lichterzeugungseinrichtung aufgrund der Richtung des Helligkeitsmaximums des jeweiligen Lichtsignals. Schließlich ist eine mit der Beobachtungseinrichtung gekoppelte Auswerteeinrichtung vorgesehen, zum Bestimmen der aktuellen Position der Beobachtungseinrichtung und damit des Arbeitsgeräts aufgrund der bekannten Orte, an denen die Lichterzeugungseinrichtungen angeordnet sind und aufgrund der jeweils bestimmten Winkel.
Die Lichterzeugungseinrichtungen müssen bei dieser Variante das Licht nicht in alle (Umfangs-)Richtungen der Horizontalen ausstrahlen. Vielmehr genügt es, wenn das Licht lediglich über das vorgegebene Gebiet erzeugt wird, also das vorgegebene Gebiet überstrahlt.
Das Licht kann das Gebiet – abgesehen von der erforderlichen Kennzeichnung des Lichtsignals – kontinuierlich gleichförmig überstrahlen. Ein rotierender Lichtstrahl, wie in der DE 10 2010 023 461 A1 beschrieben, ist demzufolge nicht erforderlich.
Bei einer Variante kann die Beobachtungseinrichtung wenigstens ein schwenkbares Element aufweisen, zum Überstreichen wenigstens des vorgegebenen Gebiets und zum Empfangen des Lichts. Mit Hilfe des schwenkbaren Elements ist es sehr einfach möglich, die Richtung des Lichtsignals zu detektieren und insbesondere das Helligkeitsmaximum des Lichtsignals zu bestimmen.
Das schwenkbare Element kann kontinuierlich umlaufen, zum Beispiel um eine Vertikalachse.
Alternativ ist es möglich, die Drehbewegung des schwenkbaren Elements zu regeln und an vorhandene Erfordernisse anzupassen.
So ist es auch bei einer Variante möglich, eine Nachführeinrichtung vorzusehen, zum Bewegen des schwenkbaren Elements derart, dass das schwenkbare Element stets das Helligkeitsmaximum des empfangenen Lichtsignals und die zugehörige Richtung erfasst. Dabei kann eine Winkelbestimmungseinrichtung vorgesehen sein, mit der der aktuelle Winkel des schwenkbaren Elements bestimmbar ist, als der für den von der Beobachtungseinrichtung zu bestimmende Winkel.
Die Nachführeinrichtung weist in diesem Fall eine Regelung auf, die das schwenkbare Element stets dem Helligkeitsmaximum nachführt. Wenn sich also das Arbeitsgerät in dem vorgegebenen Gebiet bewegt, erkennt die Regelung ein Abschwächen des Helligkeitsmaximums und versucht durch Nachführen des schwenkbaren Elements, das Lichtsignal immer wieder mit maximaler Helligkeit zu empfangen. Dabei kann mit Hilfe der Winkelbestimmungseinrichtung stets der jeweils aktuelle Winkel zwischen der Beobachtungseinrichtung und dem Lichtsignal bzw. der Lichterzeugungseinrichtung bestimmt werden, was nachfolgend mit Hilfe der Auswerteeinrichtung die Positionsbestimmung des Arbeitsgeräts ermöglicht.
Bei einer anderen Variante ist das schwenkbare Element ein rotierendes Element, das für einen Beobachtungszyklus jeweils eine volle Umdrehung um die Vertikalachse vollzieht. In diesem Fall wird das schwenkbare Element nicht der Bewegung des Lichtsignals nachgeführt. Vielmehr rotiert das schwenkbare Element mit einer vorgegebenen oder auch regelbaren Drehgeschwindigkeit um die Vertikale. Dabei wird automatisch immer wieder das Lichtsignal und somit auch das Helligkeitsmaximum des Lichtsignals erfasst. Je nach Drehfrequenz des rotierenden Elements kann die Auflösung und damit die Genauigkeit des Systems eingestellt werden.
Anstelle des schwenkbaren bzw. rotierenden Elements bzw. eines rotierenden Empfängers ist es auch möglich, zum Beispiel mehrere sowohl zeitlich als auch örtlich hochauflösende Zeilenkameras vorzusehen, was aber eine verhältnismäßig aufwändige Auswertung erforderlich machen würde.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist die Beobachtungseinrichtung eine um die Vertikalachse rotierende, z. B. als schwenkbares Element dienende Teleskopeinrichtung auf, zum Empfangen des Lichts von der Lichterzeugungseinrichtung. Die Teleskopeinrichtung kann dabei lediglich einen schmalen Winkelausschnitt in der Horizontalen erfassen, während sie einen größeren Winkelausschnitt in der Vertikalen erfasst. Insbesondere dient die Teleskopeinrichtung dazu, das empfangene Licht zu einem Fotodetektor umzulenken.
Aufgrund des schmalen Winkelausschnitts in der Horizontalen kann je nach Drehwinkelstellung der Teleskopeinrichtung sehr präzise die Richtung festgestellt werden, aus der das – ebenfalls im Wesentlichen horizontal abgestrahlte – Lichtsignal stammt. Der größere Winkelausschnitt in der Vertikalen ist hingegen sinnvoll, um eventuelle Schrägstellungen oder Neigungen, zum Beispiel aufgrund eines schrägen Untergrunds oder aufgrund von Bodenunebenheiten auszugleichen und in jedem Fall sicherzustellen, dass immer ein Lichtsignal zu einer jeweiligen Beobachtungseinrichtung gelangt.
Die Teleskopeinrichtung kann eine astigmatische Linse aufweisen, die besonders gut geeignet ist, lediglich einen schmalen Winkelausschnitt in der Horizontalen und einen größeren Winkelausschnitt in der Vertikalen zu erreichen.
Die Beobachtungseinrichtung kann einen lichtempfindlichen Zeilenempfänger aufweisen, zum Bestimmen einer Höheninformation aufgrund der Höhe, in der das Licht empfangbar ist. Zum Beispiel ist es möglich, eine CCD-Zeile als rotierendes Element an der Beobachtungseinrichtung vorzusehen. In diesem Fall kann die Beobachtungseinrichtung nicht nur die Richtung, aus der das Lichtsignal stammt, sondern auch die Höhe der Lichtquelle (Lichterzeugungseinrichtung) detektieren. Mit Hilfe geeigneter Algorithmen kann daraus die relative Höhenlage zwischen der Beobachtungseinrichtung und der Lichterzeugungseinrichtung bestimmt werden.
Die Beobachtungseinrichtungen können jeweils eine Regeleinrichtung zum Regeln des jeweiligen Beobachtungsziels aufweisen, derart, dass die von den Beobachtungseinrichtungen erfassten Beobachtungsziele zu einem bestimmten Zeitpunkt identisch sind und dem Ort der Lichterzeugungseinrichtung entsprechen. Diese Regeleinrichtung kann zum Beispiel Teil der oben erläuterten Nachführeinrichtung sein. Damit ist es möglich, dass die Beobachtungseinrichtungen stets der Bewegung des Arbeitsgeräts und damit der Lichterzeugungseinrichtung folgen.
Das Licht kann – wie oben bereits erläutert – wenigstens in einer die Lichterzeugungseinrichtung umfassenden Horizontalebene abgegeben werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, dass das Licht moduliert ist, um es als Lichtsignal zu kennzeichnen und somit von anderen, zufälligen Lichtquellen zu unterscheiden. Die Modulation kann in verschiedenster Weise vorgenommen werden. So ist es möglich, das Licht zeitlich zu modulieren oder zu pulsen. Ebenso können die Helligkeit variiert oder bestimmte Farben vorgegeben oder variiert werden. Dabei ist es anzustreben, dass die Modulation des Lichts in einer Weise erfolgt, dass jedenfalls eine identische Modulation nicht zufällig durch eine andere Lichtquelle ungewollt bewirkt wird.
Es kann eine Synchronisiereinrichtung vorgesehen sein, zum Vorgeben eines zeitlichen Bezugssystems und zum zeitlichen Synchronisieren der Beobachtungseinrichtungen.
Um den aktuellen Ort des Arbeitsgeräts bestimmen zu können, ist es erforderlich, dass die Beobachtungseinrichtungen und die Auswerteeinrichtung miteinander synchronisiert sind. Die Synchronisierung der Beobachtungseinrichtungen und der Auswerteeinrichtung sowie unter Umständen auch der Lichterzeugungseinrichtung ist wichtig, um die zum Beispiel für das Triangulationsverfahren wichtigen Winkel präzise bestimmen zu können. Für die Synchronisation ist in der Regel die Definition eines Referenzsystems erforderlich, wobei sich zum Beispiel die beiden Beobachtungseinrichtungen auch aufeinander beziehen können.
Dabei kann es zweckmäßig sein, einen sogenannten ”Nullwinkel” für die Ausgabe eines Synchronisierungssignals zu definieren. Dazu kann zum Beispiel eine Himmelsrichtung oder ein anfänglich eingestellter Winkel festgelegt werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform können mehrere Arbeitsgeräte mit jeweils einer Lichterzeugungseinrichtung vorgesehen sein, wobei für jedes Arbeitsgerät ein eigenes Lichtsignal mit einer eigenen Kennung erzeugbar ist und die Beobachtungseinrichtungen und die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sind, die Positionen aller Arbeitsgeräte zu erfassen. Bei dieser Variante können sich somit mehrere Arbeitsgeräte in dem gemeinsamen vorgegebenen Gebiet befinden, zum Beispiel mehrere Vibrationsplatten zur Bodenverdichtung. Jedes der Arbeitsgeräte gibt ein individuelles Lichtsignal ab. Die verschiedenen Lichtsignale werden von den am Rand des Gebiets positionierten Beobachtungseinrichtungen erfasst. Dabei wird insbesondere jeweils der Winkel zwischen der betreffenden Beobachtungseinrichtung und der Lichterzeugungseinrichtung, die das Lichtsignal erzeugt, bestimmt und durch die Auswerteeinrichtung ausgewertet. Aufgrund der hohen Rechengeschwindigkeit der Auswerteeinrichtung ist es ohne weiteres möglich, somit auch für mehrere Arbeitsgeräte nahezu gleichzeitig deren Position mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts in einem vorgegebenen Gebiet umfasst die Maßnahmen

– Erzeugen eines in einer Horizontalen nach allen Seiten gerichteten, eine vorgegebene Kennzeichnung aufweisenden Lichtsignals durch eine an dem Arbeitsgerät anordenbare Lichterzeugungseinrichtung,
– Empfangen und Erkennen des Lichtsignals durch wenigstens zwei getrennt von dem Arbeitsgerät und getrennt voneinander an jeweils einem bekannten Ort anordenbare Beobachtungseinrichtungen,
– Bestimmen eines jeweiligen Winkels zwischen einer jeweiligen Beobachtungseinrichtung und der Lichterzeugungsrichtung entsprechend einer Richtung, in der ein Maximum der Helligkeit des empfangenen Lichtsignals durch die Beobachtungseinrichtung festgestellt wird,
– Bestimmen der aktuellen Position der Lichterzeugungseinrichtung und damit des Arbeitsgeräts aufgrund der bekannten Orte, an denen die Beobachtungseinrichtungen angeordnet sind, und aufgrund der jeweils bestimmten Winkel.

Bei einem alternativen Verfahren sind die Anordnungen der Beobachtungseinrichtungen und der Lichterzeugungseinrichtungen vertauscht, sodass folglich mindestens zwei Lichterzeugungseinrichtungen getrennt von dem Arbeitsgerät vorgesehen sind, während an dem Arbeitsgerät selbst eine Beobachtungseinrichtung angeordnet ist.
Demzufolge wird alternativ ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts in einem vorgegebenen Gebiet angegeben, mit den Maßnahmen

– Erzeugen von wenigstens zwei in einer Horizontalen auf das gesamte vorgegebene Gebiet gerichteten, eine vorgegebene Kennzeichnung aufweisenden Lichtsignalen durch getrennt von dem Arbeitsgerät und getrennt voneinander an jeweils einem bekannten Ort anordenbare Lichterzeugungseinrichtungen,
– Empfangen und Erkennen der Lichtsignale durch eine an dem Arbeitsgerät anordenbare Beobachtungseinrichtung,
– Bestimmen eines jeweiligen Winkels zwischen einer jeweiligen Lichterzeugungsrichtung und der Beobachtungseinrichtung entsprechend einer Richtung, in der ein Maximum der Helligkeit des empfangenen Lichtsignals durch die Beobachtungseinrichtung festgestellt wird,
– Bestimmen der aktuellen Position der Beobachtungseinrichtung und damit des Arbeitsgeräts aufgrund der bekannten Orte, an denen die Lichterzeugungseinrichtungen angeordnet sind, und aufgrund der jeweils bestimmten Winkel.

Je nach Ausführungsform können sich erfindungsgemäß außerhalb des vorgegebenen Gebiets (zum Beispiel Messfelds) mehrere Beobachtungseinrichtungen (Beobachter) befinden. Jeder Beobachter kann über ein besonderes rotierendes Teleskop verfügen, bei dem das empfangene Licht mit Hilfe optischer Bauelemente auf einen Fotodetektor umgelenkt wird. Das Besondere an diesem Teleskop ist, dass es nur einen schmalen Bereich der Horizontalen (z. B. bis zu 3°) erfasst, aber einen weiten Bereich der Vertikalen (zum Beispiel ca. 20°) erfasst. Dies lässt sich mit astigmatischen Linsen realisieren.
Die von dem optischen Sender (Lichterzeugungseinrichtung) ausgesendeten Signale sollten zeitlich moduliert werden, um sie von Störungen (zum Beispiel andere Lichtquellen auf der Baustelle) zu unterscheiden. Dabei kann eine Kennung mit übermittelt werden, um den Einsatz mehrerer Maschinen in einem Messfeld zu ermöglichen.
Die Rotation der Beobachtungseinrichtungen muss zeitlich synchronisiert erfolgen, was zum Bespiel mit Hilfe bekannter Verfahren über Funk realisiert werden kann (externer Synchronisierimpuls). Es ist jedoch nicht erforderlich, dass alle Beobachtungseinrichtungen mit derselben Frequenz rotieren. Für die Positionsbestimmung ist es lediglich wichtig, dass jede Messung einen Zeitstempel erhält, sodass der gemessene Winkel auf einen geeigneten Zeitpunkt interpoliert werden kann. Der Zeitstempel muss sich auf das interne, synchronisierte Zeitsystem beziehen, um eine Vergleichbarkeit der (Winkel-)Messwerte zu erreichen.
Bei einer Variante sind für eine vollständige Positionsbestimmung die folgenden Schritte erforderlich:
Zunächst muss jede Beobachtungseinrichtung die Zeit zwischen einem internen Trigger und dem Eintreffen des Intensitätsmaximums des Lichtsignals aus dem Arbeitsgerät messen. Dies ist dann der Fall, wenn die Optik der Beobachtungseinrichtung genau in Richtung der Maschine ausgerichtet ist. Der interne Trigger repräsentiert einen wiederkehrenden zeitlichen Impuls mit der Zeitbasis ”Umlaufzeit der Beobachtungseinrichtung”. Für eine genaue Zeitmessung kann eine Phasenregelung der Rotation der Beobachtungseinrichtung empfehlenswert sein. Dabei wird die Phasenlage der Beobachtungseinrichtung zu einem Bezugssystem (zum Beispiel zu dem Gehäuse oder dem Stativ der Beobachtungseinrichtung) geregelt. Der interne Trigger hingegen muss sich immer auf den externen Synchronisierimpuls referenzieren, um eine Vergleichbarkeit der Messwerte der verschiedenen Beobachtungseinrichtungen zu ermöglichen.
Auf Basis der dem Beobachter bekannten Rotationsgeschwindigkeit der Beobachtungseinrichtung und der gemessenen Zeit kann ein Winkel berechnet werden.
Jede Beobachtungseinrichtung muss nun den gemessenen Winkel und den Messzeitpunkt an die Auswerteeinrichtung übermitteln. Die Datenübertragung kann drahtlos, vorzugsweise über eine Funkverbindung erfolgen. Selbstverständlich kann die Datenübertragung auch mittels Kabel durchgeführt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann die verschiedenen Messdaten von den Beobachtungseinrichtungen nun auf einen einheitlichen Bezugs-Zeitpunkt interpolieren. Auf Basis der interpolierten Daten sowie der bekannten Positionen der Beobachtungseinrichtungen und deren Ausrichtungen kann mit Hilfe der Methode der Triangulation eine Positionsbestimmung durchgeführt werden.
Auf die Interpolation der Messdaten kann unter Umständen verzichtet werden, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Beobachtungseinrichtungen so hoch gewählt wird, dass die dadurch verursachten Fehler vernachlässigt werden können.
Bei einer Variante können die Beobachtungseinrichtungen bzw. ihre schwenkbaren Elemente so geregelt werden, dass sie zum Beispiel immer genau in die gleiche Richtung, also zum Beispiel parallel zueinander gerichtet sind.
Ebenso können die Beobachtungseinrichtungen so geregelt sein, dass sie immer in Richtung des Arbeitsgeräts gerichtet sind. In diesem Fall können alle Winkel genau zur gleichen Zeit bestimmt werden, was die Genauigkeit erhöht.
Die Funktionen der Beobachtungseinrichtungen und der Lichterzeugungseinrichtungen können – wie oben bereits anhand der beiden unterschiedlichen Grundvarianten erläutert – wechselweise platziert werden. So ist es möglich, entweder die Beobachtungseinrichtungen getrennt von dem Arbeitsgerät und die Lichterzeugungseinrichtung an dem Arbeitsgerät vorzusehen oder umgekehrt, die Lichterzeugungseinrichtungen getrennt von dem Arbeitsgerät und eine Beobachtungseinrichtung an dem Arbeitsgerät vorzusehen. Dementsprechend müssen gegebenenfalls die weiteren Funktionen sinnvoll angepasst werden, wobei die sich daraus ergebenden Varianten an dieser Stelle nicht im Einzelnen beschrieben sind, da sie sich ohne Weiteres aus den oben skizzierten Grundprinzipien ergeben.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Seitenansicht (a) und Draufsicht (b) eine als Arbeitsgerät dienende Baumaschine, deren Position innerhalb eines vorgegebenen Gebiets bestimmt werden soll;
2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes System zur Bestimmung der Position eines Arbeitsgeräts; und
3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes System mit umgekehrtem Wirkprinzip.
1(a) zeigt in schematischer Seitenansicht und 1(b) in schematischer Draufsicht eine als Arbeitsgerät dienende Baumaschine 1, zum Beispiel eine Vibrationsplatte.
Auf der Oberseite der Baumaschine 1 ist eine als optischer Sender dienende Lichterzeugungseinrichtung 2 vorgesehen, die Licht 3 abstrahlt.
Wie 1(a) zeigt, wird das Licht 3 mit einer Vorzugsrichtung in der Horizontalen abgegeben, wobei das Licht auch in der Vertikalen einen gewissen Winkel α überstreicht.
Aus der 1(b) ist ersichtlich, dass das Licht 3 in der Horizontalen nach allen Richtungen der Baumaschine 1 abgegeben werden soll.
In 2 ist das gesamte System in der Draufsicht dargestellt.
Dabei ist die Baumaschine 1 mit der Lichterzeugungseinrichtung 2 innerhalb eines vorgegebenen Gebiets 4 aufgestellt. Das Gebiet 4 kann zum Beispiel ein zu verdichtender Boden sein, der von einer als Baumaschine 1 dienenden Vibrationsplatte verdichtet werden soll.
Üblicherweise wird die Vibrationsplatte von einem Bediener von Hand über einen Führungsbügel oder mit Hilfe einer Fernbedienung gesteuert. Inzwischen wurden jedoch Verfahren entwickelt, mit deren Hilfe die Baumaschinen automatisch innerhalb des vorgegebenen Gebiets 4 bewegt werden sollen, um automatisch den gesamten Boden zu verdichten. Dadurch können die Bediener entlastet werden.
Zudem kann es aufgrund von geänderten gesetzlichen Vorschriften notwendig werden, den genauen Ablauf der Verdichtungsarbeit zu dokumentieren, sodass auch permanent die genaue Position des Arbeitsgeräts innerhalb des Gebiets festgestellt und dokumentiert werden muss. Zum Beispiel soll sichergestellt werden, dass eine Vibrationsplatte den zu verdichtenden Boden gleichmäßig und an allen Stellen überfahren hat.
Zu diesen Zwecken ist es also hilfreich, die Position des Arbeitsgeräts bzw. der Baumaschine 1 innerhalb des Gebiets 4 zu kennen.
Zu diesem Zweck gibt die Baumaschine 1 über die Lichterzeugungseinrichtung 2 Lichtsignale über den gesamten Umfang in Horizontalrichtung ab.
Am Rand des vorgegebenen Gebiets 4 bzw. außerhalb des Gebiets 4 sind zwei als Beobachtungseinrichtungen dienende Beobachter B1 und B2 aufgestellt. Die Beobachter B1, B2 sind räumlich getrennt voneinander angeordnet. Sie könnten zwar – anders als in 2 gezeigt – auch relativ dicht beieinander stehen. Dies würde aber möglicherweise die Genauigkeit der Positionsbestimmung herabsetzen, sodass prinzipiell ein gewisser Abstand a zwischen den Beobachtern B1 und B2 eingehalten werden sollte.
Die Beobachter B1 und B2 weisen jeweils ein rotierendes Elements auf, das in dem gezeigten Beispiel als Teleskop 5 ausgeführt ist. Das Teleskop 5 ist auf einem Stativ 6 drehbar angeordnet und rotiert gleichmäßig um die Vertikalachse (Achse senkrecht zur Zeichenebene).
An einer Öffnungsseite des Teleskops 5 ist eine astigmatische Linseneinrichtung vorgesehen, die das Beobachtungsfeld des Teleskops 5 in der Horizontalebene stark einschränkt. Das Beobachtungsfeld ist in 2 mit Bezugszeichen 7 gekennzeichnet. So ist aus der Draufsicht von 2 erkennbar, dass der Öffnungswinkel des Beobachtungsfelds 7 nur wenige Winkelgrade beträgt. Die Beobachter B1, B2 verfügen mit dem Teleskop 5 über eine rotierende Optik, die einen nur schmalen Sichtbereich der Vertikalen auf einen Fotoempfänger bildet (Beobachtungsfeld 7).
Die Teleskope 5 der Beobachter B1, B2 rotieren gleichmäßig, sodass die Beobachtungsfelder 7 jeweils das Gebiet 4 und damit auch die Baumaschine 1 mit der Lichterzeugungseinrichtung 2 überstreichen. Im gezeigten Beispiel von 2 steht das Beobachtungsfeld 7 des Beobachters B2 kurz davor, die Baumaschine 1 mit der Lichterzeugungseinrichtung 2 zu überstreichen.
Immer dann, wenn ein Beobachtungsfeld 7 eines Teleskops 5 exakt auf die Lichterzeugungseinrichtung 2 gerichtet ist, kann der zugehörige Beobachter B1, B2 das Licht von der Lichterzeugungseinrichtung 2 ”sehen”. Genau in diesem Moment bestimmt der Beobachter B1, B2 den Winkel, aus dem er das Licht von der Lichterzeugungseinrichtung 2 empfangen hat. Die Winkel, in denen die Beobachter B1, B2 jeweils das Licht von der Lichterzeugungseinrichtung 2 detektieren konnten, sind in 2 mit α (für den Beobachter B1) und β (für den Beobachter B2) gekennzeichnet.
Das Licht von der Lichterzeugungseinrichtung 2 ist zweckmäßigerweise in einer bestimmten Weise gekennzeichnet, zum Beispiel durch eine Modulation, um es von dem Licht anderer Lichtquellen unterscheiden zu können. Die Beobachter B1, B2 sind derart ausgebildet, dass sie die Modulation des Lichts von der Lichterzeugung 2 erkennen und dementsprechend das Lichtsignal identifizieren können.
Aufgrund des vorbekannten Abstands a zwischen den Beobachtern B1, B2 sowie der somit bestimmten Winkel α und β kann mit Hilfe des bekannten Triangulations-Verfahrens die Position der Lichterzeugungseinrichtung 2 und damit der Baumaschine 1 exakt bestimmt werden.
Die beiden Winkel α und β des Dreiecks B1–B2 – Lichterzeugungseinrichtung 2 in dem lokalen X-Y-Koordinatensystem lassen sich basierend auf zwei Zeitmessungen und den bekannten Rotationsgeschwindigkeiten der Beobachter B1, B2 bestimmen. Hierzu müssen die Positionen (Abstand a) und die Ausrichtungen (zu einem definierten Zeitpunkt; gegebenenfalls aus den Winkeln α und β zu berechnen) der Beobachter bekannt sein.
Mit den beiden bekannten Winkeln und dem Abstand a ist das Dreieck vollständig bestimmt. Die Position der Baumaschine 1 kann dann mit Hilfe des Sinus- und des Winkelsummensatzes bestimmt werden.
3 zeigt als Variante zu dem System von 2 eine Umkehrung des Wirkprinzips in der Draufsicht.
Bei der Ausführungsform von 3 sind am Rand bzw. außerhalb des Gebiets 4 zwei Lichterzeugungseinrichtungen 2 aufgestellt, die in entsprechender Weise gekennzeichnetes Licht wenigstens auf das vorgegebene Gebiet 4 abstrahlen. Selbstverständlich ist es möglich, dass das Licht von den Lichterzeugungseinrichtungen 2 auch andere Bereiche außerhalb des vorgegebenen Gebiets erreicht bzw. überhaupt – wie die obige Lichterzeugungseinrichtung 2 von 2 – Licht in der Horizontalen in alle Richtungen bzw. nach allen Seiten gleichmäßig abgestrahlt wird.
Bei den Lichterzeugungseinrichtungen 2 kann es sich – wie oben – um Hochleistungs-LEDs handeln.
Auf der Baumaschine 1 – z. B. einer Vibrationsplatte – ist ein als Beobachtungseinrichtung dienender Beobachter B vorgesehen, der seinerseits mit einer entsprechenden Auswerteeinrichtung gekoppelt ist.
Der Beobachter B weist – wie die obigen Beobachter B1 bzw. B2 – ein schwenkbares Element, z. B. ein Teleskop, auf, um jeweils die Richtung der Lichtsignale von den beiden Lichterzeugungseinrichtungen 2 bestimmen zu können. Alternativ kann der Beobachter B auch mit entsprechenden CCD-Arrays ausgestattet sein, um die Richtung der Lichtsignale zu ermitteln.
Insbesondere bestimmt der Beobachter B die Winkel, aus denen die Lichtsignale von den Lichterzeugungseinrichtungen 2 stammen. Hierbei kann sich der Beobachter B auf ein Referenzsystem in Bezug auf die Baumaschine 1 beziehen.
Im gezeigten Beispiel von 3 stellt die Hauptrichtung (Fahrtrichtung) der Baumaschine 1 den Nullwinkel dar, von dem ausgehend die Winkel α und β definiert sind.
Anhand der Winkel α, β und der bekannten Position der Lichterzeugungseinrichtungen 2 (Abstand a) kann mit Hilfe des Triangulationsverfahrens (siehe oben) die Position der Baumaschine 1 innerhalb des vorgegebenen Gebiets 4 bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010023461 A1 [0003, 0009, 0026]

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts (1) in einem vorgegebenen Gebiet (4), mit – einer an dem Arbeitsgerät (1) anordenbaren Lichterzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen von in einer vorbestimmten Weise gekennzeichnetem Licht (3) als Lichtsignal, wobei das Licht (3) gleichzeitig über den gesamten Umfang in der Horizontalen der Lichterzeugungseinrichtung (2) erzeugbar ist; – wenigstens zwei getrennt von dem Arbeitsgerät (1) und getrennt voneinander an jeweils einem bekannten Ort anordenbaren Beobachtungseinrichtungen (B1, B2) zum • Empfangen des Lichts (3) von der Lichterzeugungseinrichtung (2), • Erkennen des Lichtsignals aufgrund der Kennzeichnung des Lichts (3), • Bestimmen einer Richtung, in der durch die jeweilige Beobachtungseinrichtung (B1, B2) ein Maximum der Helligkeit des empfangenen Lichtsignals feststellbar ist, und zum • Bestimmen eines jeweiligen Winkels (α, β) zwischen der jeweiligen Beobachtungseinrichtung (B1, B2) und der Lichterzeugungseinrichtung (2) aufgrund der Richtung des Helligkeitsmaximums des Lichtsignals; und mit – einer mit den Beobachtungseinrichtungen (B1, B2) gekoppelten Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der aktuellen Position der Lichterzeugungseinrichtung (2) und damit des Arbeitsgeräts (1) aufgrund der bekannten Orte, an denen die Beobachtungseinrichtungen (B1, B2) angeordnet sind, und aufgrund der jeweils von den Beobachtungseinrichtungen (B1, B2) bestimmten Winkel (α, β).
Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Arbeitsgeräts (1) in einem vorgegebenen Gebiet (4), mit – wenigstens zwei getrennt von dem Arbeitsgerät (1) und getrennt voneinander an jeweils einem bekannten Ort anordenbaren Lichterzeugungseinrichtungen (2) zum jeweiligen Erzeugen von in einer vorbestimmten Weise gekennzeichnetem Licht (3) als Lichtsignal, wobei das Licht gleichzeitig über das gesamte Gebiet in der Horizontalen der Lichterzeugungseinrichtung (2) erzeugbar ist; – einer an dem Arbeitsgerät anordenbaren Beobachtungseinrichtung (B) zum • Empfangen des Lichts von den Lichterzeugungseinrichtungen (2), • Erkennen der Lichtsignale aufgrund der jeweiligen Kennzeichnung des Lichts, • Bestimmen der Richtungen, in denen durch die Beobachtungseinrichtung (B) ein Maximum der Helligkeit des jeweils empfangenen Lichtsignals feststellbar ist, und zum • Bestimmen eines jeweiligen Winkels zwischen der Beobachtungseinrichtung (B) und einer jeweiligen Lichterzeugungseinrichtung (2) aufgrund der Richtung des Helligkeitsmaximums des jeweiligen Lichtsignals; – einer mit der Beobachtungseinrichtung (B) gekoppelten Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der aktuellen Position der Beobachtungseinrichtung (B) und damit des Arbeitsgeräts (1) aufgrund der bekannten Orte, an denen die Lichterzeugungseinrichtungen (2) angeordnet sind, und aufgrund der jeweils bestimmten Winkel.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung (B1, B2) wenigstens ein schwenkbares Element (5) aufweist, zum Überstreichen wenigstens des vorgegebenen Gebiets und zum Empfangen des Lichts.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Nachführeinrichtung vorgesehen ist, zum Bewegen des schwenkbaren Elements derart, dass das schwenkbare Element stets das Helligkeitsmaximum des empfangenen Lichtsignals und die zugehörige Richtung erfasst; und dass – eine Winkelbestimmungseinrichtung vorgesehen ist, mit der der aktuelle Winkel des schwenkbaren Elements bestimmbar ist, als der für den von der Beobachtungseinrichtung zu bestimmende Winkel.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das schwenkbare Element ein rotierendes Element (5) ist, das für einen Beobachtungszyklus jeweils eine volle Umdrehung um die Vertikalachse vollzieht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Beobachtungseinrichtung (B1, B2) eine um die Vertikalachse rotierende Teleskopeinrichtung (5) aufweist, zum Empfangen des Lichts von der Lichterzeugungseinrichtung (2); – die Teleskopeinrichtung (5) lediglich einen schmalen Winkelausschnitt in der Horizontalen erfasst; – die Teleskopeinrichtung (5) einen größeren Winkelausschnitt in der Vertikalen erfasst; und dass – die Teleskopeinrichtung (5) das empfangene Licht zu einem Photodetektor umlenkt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung (B1, B2) einen lichtempfindlichen Zeilenempfänger aufweist, zum Bestimmen einer Höheninformation aufgrund der Höhe, in der das Licht empfangbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungseinrichtungen (B1, B2) jeweils eine Regeleinrichtung zum Regeln des jeweiligen Beobachtungsziels aufweisen, derart, dass die von den Beobachtungseinrichtungen erfassten Beobachtungsziele zu einem bestimmten Zeitpunkt identisch sind und dem Ort der Lichterzeugungseinrichtung (2) entsprechen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht wenigstens in einer die Lichterzeugungseinrichtung (2) umfassenden Horizontalebene abgebbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronisiereinrichtung vorgesehen ist, zum Vorgeben eines zeitlichen Bezugssystems und zum zeitlichen Synchronisieren der Beobachtungseinrichtungen (B1, B2).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass – mehrere Arbeitsgeräte (1) mit jeweils einer Lichterzeugungseinrichtung (2) vorsehbar sind; – für jedes Arbeitsgerät (1) ein eigenes Lichtsignal mit einer eigenen Kennung erzeugbar ist; und dass – die Beobachtungseinrichtungen (B1, B2) und die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sind, die Positionen aller Arbeitsgeräte (1) zu erfassen.