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Pt et b e 30 lire ibUl1 g Induktives Fahrzeugleitsystem zur automatischen
Führung von Fahrzeugen über eine Fläche Die Erfindung betrifft ein induktives Fahrzeugleitsystem,
bestehend aus einem fahrbahnseitig installierten Leitkabelsystem und einem fahrzeugseitigen
Meßsystem zur automatischen Führung von Fahrzeugen über eine Fläche.
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Um die systematische Führung eines Fahrzeuges über eine Fläche, wie
es insbesondere in der Landwirtschaft zur Bearbeitung von landwirtschaftlichen Nutzflächen
notwendig ist, automatisch zu bewerkstelligen, ist es erforderlich, die jeweilige
Position eines Fahrzeuges (Ist-Wertl, bezogen auf eine durch das Leitsystem vorgegebene
der Fläche fest zugeordnete Leitlinie (Soll-Wert) zu ermitteln, um aus der Differenz
(Regelabweichung) zwischen Soll- und Istwert ein Regelsignal zu erstellen, das nach
entsprechender beispielsweise elektronischer und/oder hydraulischer Verstärkung
als Stellgröße auf den Lenkmechanismus des Fahrzeuges derart einwirkt, daß die Regelabweichung
vermindert bzw. zu Null wird. Zur Lösung dieser Aufgabe kann die vorgegebene Leitlinie
durch einen oder mehrere stromdurchflossene Leiter erzeugt werden, wobei letztere
durch in, über oder unter der Fahrbahnebene verlegte Kabel realisiert werden können.
Mittels eines Meßsystems, das geeignet ist, das durch einen Strom in diesem Kabel
um dasselbe erzeugte magnetische Feld, zu messen, läßt sich der Abstand des am Fahrzeug
befindlichen Meßsystems und damit der Abstand des Fahrzeuges zu dem Kabel, dem Leitkabel
messen. Im folgenden wird dieses Meßsystem als Spule bzw. Spulenanordnung angesprochen,
da sich um ein Leitkabel, durch das ein periodisch sich ändernder Strom fließt ein
magnetisches Wechselfeld ausbildet, dessen Größe und Richtung im einfachsten Fall
mit Spulen gemessen werden karl. Verfahren dieser Art, die als
induktive
Fahrzeugleitsysteme oder auch kurz als "Leitkabelsysteme" bezeichnet werden, sind
seit Anfang dieses Jahrhunderts bekannt und werden z.B. zur fahrerlosen Führung
von Flurförderzeugen auch praktisch eingesetzt.
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Alle bisher bekannten Verfahren dieser Art haben jedoch für die eingangs
gestellte Aufgabe entscheidende Nachteile, die durch die Form des Magnetfeldes,
bedingt durch die Art der Leitkabelverlegung und die Art der Messung des Magnetfeldes
begründet sind. Diese Nachteile sind so gravierend, daß bisher eine Führung von
Fahrzeugen nur auf einer einzelnen, für das jeweilige System unveränderlichen Leitlinie
senkrecht über dem Leitkabel, unmittelbar neben dem Leitkabel oder in der Mitte
zwischen zwei Leitkabeln erfolgen konnte. Eine solche Führung von Fahrzeugen auf
einer einzigen relativ zum Leitkabel ausgezeichneten und vorgegebenen Leitlinie
kann zwar für eine Automatisierung des Straßenverkehrs oder von Testbahnen u. ä.
befriedigend sein, da es hier vorwiegend darauf ankommt, ein Fahrzeug auf einer
vorgegebenen Spur von einem Ort zum anderen zu führen. Für landwirtschaftliche Fahrzeuge
stellt sich jedoch die Aufgabe, Fahrzeuge und Geräte so über eine zu bearbeitende
landwirtschaftliche Nutzfläche zu führen, daß während des Arbeitsprozesses einmal
die gesamte Fläche von dem Arbeitsgerät systematisch bearbeitet werden kann. Bei
einem System der oben beschriebenen Art wäre ein umfangreiches System von Leitlinien
(Leitkabeln) auf dem Felde erforderlich. Der Abstand der Leitkabel untereinander
müßte der kleinsten Arbeitsbreite entsprechen, beispielsweise der eines zweischarigen
Pfluges (ca. 60 cm). Die Arbeitsbreite der anderen Geräte müßte ein ganzzahliges
Vielfaches dieser Arbeitsbreite sein. Dies ist aber in der Praxis nicht der Fall,
darüber hinaus ergeben sich bei einem derartigen Verfahren für eine allgemeine landwirtschaftliche
Anwendung unvertretbar hohe Kosten für die Leitkabel und ihre Installierung.
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Es hat zwar nicht an Versuchen gefehlt, durch seitliches Versetzen
der am Fahrzeug befindlichen Spulensysteme (DB Pat. Nr. 1 127 732 22 (Nov. 1962)
Faluka, Ch. F. : Einrichtung zum selbsttätigen Lenken eines Fahrzeugs u. a. m.)
oder durch andere Maßnahmen (US Pat. Nr. 3 556 244 (Jan. 19, 1971) Gray, G. W. et
al.: Vehicle Road Guidance Systems) eine Führung in unmittelbarer Nähe des Leitkabels,
d. h. bis zu einem Abstand von wenigen Metern seitlich neben dem Leitkabel zu ermöglichen
und so die Zahl der erforderlichen Leitkabel zu verringern. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
zeigt aber deutlic1l, daß für landwirt chaftli che Zwecke die im Boden verlegten
Leitkabel den wesentlichsten Kostenfaktor darstellen und daß eine merkliche Kostenreduktion
erst dann eintritt, wenn der Abstand der parallel zueinander verlegten Leitkabel
mindestens zehn Meter oder mehr beträgt. Bis heute sind lediglich zwei Systeme bekannt
geworden (Brooke, D. W. I.: Off-the-Wire Guidance for Leader Cable Vehicles. ASAE-Papers
No. 68-819 (1968) und DB-Offenlegungsschrift Nr. 2063 809(1970) Jahns, G. : Meßkopf
für ein induktiver Fahrzeugleitsystem) die geeignet sind, eine Fahrzeugführung zwischen
zwei in größerem Abstand zueinander verlegten Leitkabeln zu ermöglichen.
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Beide Systeme stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber den
bisher bekannten dar, weisen aber dennoch- für landwirtschaftliche Amvendungen noch
Nachteile auf, So erlaubt das System von Brooke nur in einem beschränkten Bereich
zwischen den Leitkabeln eine zu denselben parallele Führung von Fahrzeugen und außerdem
können durch Bodenunebenheiten hervorgerufene Bewegungen des Fahrzeuges zu Fehlern
bei der Führung des Fahrzeuges führen. Das System von Jahns ist zwar im gesamten
Bereich zwischen den Leitkabeln verwendbar, aber auch bei diesem System können bestimmte
Eigenbewegungen des Fahrzeuges zu Meßfehlern führen, Der Erfindung liegt daher die
Aufgabe zu Grunde, ein induktives Fahrzeugleitsystem zu entwerfen, das die systematische
Führung eines Fahrzeuges über eine Fläche gestattet, ohne daß die durch die Bòdenuneben
-heiten
hervorgerufenen Bewegungen des Fahrzeuges, die keine Abweichung
von der vorgegebenen Leitlinie darstellen, eine Änderung des Meßsignals zur Folge
haben, d. h. zu Meßfehlern führen. Die fahrbahnseitig zu installierenden Leitkabel
sollten untereinander einen Abstand von deutlich mehr als 10 m aufweisen. Das System
soll besonders unter dem Gesichtspunkt einer Anwendung in der Landwirtschaft die
Möglichkeit des automatischen Wendens des FahRzeuges am Ende des Durchfaiirens der
Fläche und einer entsprechenden Betätigung von Geräten einschließen oder um diese
ergänzt werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein induktives
Fahrzeugleitsystem bestehend aus mindestens zwei parallelen in, bzw.
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parallel unter oder über der Fahrbahnebene verlegten Leitkabeln, die
an einem Ende geerdet sind oder die an Stelle der Erdung einen gemeinsamen dritten
Rückleiter verwenden und an ihrem anderen Ende durch einen Generator gespeist werden
sowie fahrzeugseitig aus einem Meßsystem, wie beispielsweise einer Spulenanordnung
mit nachgeschalteten Verstärkern, das es gestattet, die von den stromdurchflossenen
Leitkabeln ausgehenden magnetischen Feldern ihrem Betrag und/oder ihren einzelnen
Komponenten nach zu messen derart, daß nach dem Prinzip eines Nullindikators die
Abweichung von einer räumlichen Ebene, in der die von den Leitkabeln ausgehenden
magnetischen Feldern oder ihre Komponenten entgegengesetzt und gleichgroß sind und
die die Ebene, in der die Leitkabel liegen, senkrecht schneidet, gemessen wird,
wobei sich der Abstand dieser parallel zu den Leitkabeln verlaufende Schnitt - bzw.
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Leitlinie durch ein zu wählendes Strom- und/oder Frequenzverhältnis
relativ zu den Leitkabeln beliebig festlegen oder verschieben läßt.
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Verwendet man beispielsweise zur Speisung zweier parallel zur X-Achse
eines rechtwinkligen Koordinatensystems in der X- Y-Ebene verlegten Leitkabel Wechselstrom
- unterschiedlicher aber konstanter Frequenz, so bildet sich eine zur X-Achse parallele,
die X- Y-Ebene senkrecht
schneidende Fläche aus, in der die Differenz
des Betrages der den Frequenzen zugeordneten Feldstärken gleich null ist. Sind die
Abstände zur X- Ebene, in der die Leitkabel verlegt sind, klein im Verhältnis zu
dem Abstand der Leitkabel untereinander, so ist die räumliche Krümmung der die X-
Y-Ebene schneidenden Fläche vernachlässigbar gering, d. h. die Annahme, daß es sich
um eine Ebene handelt, ist zulässig.
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Diese Ebene stellt für ein in der X- Y-Ebene fahrendes Fahrzeug eine
"Leitlinie" dar, d. h. ein seitliches Abweichen von dieser Ebene in Y-Richtung,
bewirkt je nach Richtung der Abweichung ein positives oder negatives Meßsignal.
Bewegungen in der Vertikalen (Z-Richtung), beispielsweise Höhenschwankungen des
Fahrzeuges durch Bodenunebenheiten, haben aber keine Anderungen des Meßsignals zur
Folge. Der Betrag der Feldstärken kann beispielsweise mittels dreier rechtwinklig
zueinander angeordneter Spulen gemessen werden. Dadurch wird die Messung völlig
unabhängig von den räumlichen Drehungen des Meßsystems. Das Meßsignal ist nur abhängig
von Bewegungen in Richtung, Verändert man das Verhältnis der Ströme in den Leitkabeln
oder ihre Frequenz, so verschiebt sich die Ebene parallel zu den Leitkabeln, was
für die Führung von Fahrzeugen mit einer Verschiebung der Leitlinie parallel zu
den Leitkabeln gleichbedeutend ist.
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Vereinfacht man das oben genannte System, indem man beispielsweise
nur die Vertikalkomponente der magnetischen Felder mißt, so verringert sich der
gerätetechnische Aufwand; außerdem kann jetzt eine Frequenz für beide Leitkabel
verwandt werden. Diese Vorteile werden bei sonst gleichen Eigenschaften durch den
Nachteil erkauft, daß jetzt Drehungen des Meßsystems, in diesem Fall um die X-Achse,
Meßfehler verursachen. Bei mäßigen Bodenunebenheiten ist dieser Meßfehler jedoch
vernachlässigbar gering. Es lassen sich noch weitere Systeme aufzeigen, die ähnliche
Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann man
an Stelle der Vertikalkomponente
die Horizontalkomponente oder aber ihre Gradienten oder die Gradienten der Feldstärke
selbst messen. Alle diese Systeme beruhen auf dem gleichen Grundprinzip, das die
von den Leitkabeln ausgehenden magnetischen Felder oder ihre Komponenten in einer
Ebene gleich groß und entgegengesetzt sind und diese Ebene, die X- Y-Ebene, in der
die Leitkabel liegen, senkrecht schneidet, wobei sich diese parallel zu den Leitkabeln
verlaufende Schnitt- bzw. Leitlinie durch ein zu wählendes Strom- und/oder Frequenzverhältnis
relativ zu den Leitkabeln (Y-Richtung) beliebig festlegen und verschieben läßt.
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In Fortsetzung des Erfinder gedankens wird das beschriebene Fahrzeugleitsystem
dadurch erweitert, daß das Strom- und/oder Frequenzverhältnis periodisch geändert
wird. Unter dieser Voraussetzung weisen die von den bereits beschriebenen Meßsystemen
empfangene Signale eine periodische Folge von Null-Durchgängen auf. Der zeitliche
Abstand dieser Null-Durchgänge ist dem Abstand des Fahrzeuges , genauer des am Fahrzeug
befindlichen Meßkopfes zu den Leitkabeln eindeutig zugeordnet. Da Zeitmessungen
mit hoher Genauigkeit ohne übermäßigen gerätetechnischen Aufwand möglich sind, ergeben
sich hierdurch für die praktische Ausführung weitere Vorteile. Diese werden noch
dadurch ergänzt, daß bei dem oben geschilderten Vorgehen leicht eine weitgehende
Digitalisierung der Meßwertauswertung und damit der Aufbau des Meßsystems und der
nachgeschalteten Auswertschaltung mit digitalen Schaltkreisen möglich wird.
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Als Ergänzung des Systems wird vorgeschlagen, am Rande der Fläche,
in der das Fahrzeug geführt werden soll, in, über oder unter derselben, eine Kabelschleife
zu verlegen, die von einem unabhängigen Generator gespeist wird. Diese Schleife
kann in bekannter Weise ein Signal auslösen und so verhindern, daß das Fahrzeug
die vorgegebene Fläche verläßt. Darüber hinaus kann das von dieser Kabelschleife
ausgehende Magnetfeld zur Erzeugung eines Signais zur Auslösung von Funktionen
am
Fahrzeug oder seiner Geräte bei Erreichen oder Verlassen des Vorgewendes dienen
und zur Auslösung der Einstellung eines neuen Strom- und/oder Frequenzverhältnisses
nach einem vorgegebenen Programm benutzt werden. Das Signal dieser Kabelschleife
kann darüber hinaus aber, in Erweiterung des Erfindergedankens, als Hilfsleitlinie
zum Wenden oder Führen des Fahrzeuges entlang dieses Kabels im Bereich des Vorgewendes
benutzt werden. Durch diese ergänzende Maßnahme ist nicht nur eine systematische
Führung des Fahrzeuges parallel zu den Leitkabeln möglich, sondern auch ein automatisches
Wenden des Fahrzeuges am Feldende.
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In Erweiterung des Erfinder gedankens wird darüber hinaus vorgeschlagen,
zwei Leitkabelsystem nach einem der oben genannten Prinzipien rechtwinklig zueinander
anzuordnen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Position eines Fahrzeuges nicht
nur im Bezug auf die beiden Leitkabel, d. h. hinsichtlich einer Koordinate, zu ermitteln,
sondern es kann vielmehr die Position eines Fahrzeugs in der Ebene, in X- Y-Richtung,
ermittelt werden. Bei Kenntnis der Fahrzeugposition in X-und Y-Richtung in einer
X- Y-Ebene läßt sich bei bekanntem Stand der Technik ein Fahrzeug in beliebiger
Weise nach einem vorgegebenen Programm über die Fläche führen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß ein Meßsignal gewonnen wird, das völlig unabhängig von den durch Bodenunebenheiten
hervorgerufenen Eigenbewegungen des Fahrzeuges (6 Freiheitsgrade) stets der Abstand
des Lotpunktes des Meßsystems in der Ebene, in der die Leitkabel liegen, mißt und
dies nach dem Prinzip eines Nullindikators, mit den bekannten daraus resultierenden
Vorteilen, daß nämlich gerätetechnische Meßfehler, z. B. Temperaturdrift u. ä.,
keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben. Weiter ist es auch mit den nicht ausführlich
dargestellten Systemen möglich, in den gesamten Bereich zwischen den Leitkabeln
ein eindeutiges Signal zur
Führung des Fahrzeuges zu erstellen.
Darüber hinaus wird durch die Erfindung die Zahl der erforderlichen Leitkabel pro
Flächeneinheit, gemessen an bisher bekannten Systemen, die nur eine Führung über
oder in unmittelbarer Nähe des Leitkabels erlaubten, stark reduziert.
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Ein Ausfüllrungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung jeweils zweier
paralleler Leitkabel und eines gemeinsamen. Rückleiters ist in den Zeichnungen 1
bis 3 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1: Rechtwinkliges
Koordinatensystem mit Leitkabel, Fahrzeug und Meßspulen.
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Figur 2: Ein Anordnungsbeispiel für zwei parallele Leitkabel mit einem
gemeinsamen Rückleiter und einem Begrenzungs- und Wendekanal.
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Figur 3: Ein Anordnungsbeispiel für mehrere parallele Leitkabel und
des Begrenzungs- und Wendekabels.
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In der Figur 1 sind im einzelnen die zwei im großen Abstand b parallel
zueinander unter der Fahrbahnfläche verlegten Leitkabel (1) und (2) sowie ein Fahrzeug
im Abstand y ausgerüstet mit einem Meßsystem in Form dreier rechtwinklig zueinander
angeordneter Spulen (9) gezeigt. In dem in der Figur 1 dargestellten Beispiel ist
darüber hinaus ein rechtwinkliges Koordinatensystem, auf das im folgenden bezug
genommen wird, dargestellt.
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In der Figur 2 sind die zwei in der X- Y-Ebene parallel zueinander
verlegten Leitkabel (1) und (2) dargestellt, die durch je einen Wechselstromgenerator
(5) und (6) gespeist werden. Ferner ist der gemeinsame Rückleiter (3) in der Mitte
zwischen den Leitkabeln dargestellt. Der Abstand der-Leitkabel (6) liegt dabei in
der Größe von 10 bis 100 m, während die Länge der Leitkabel 1 keiner Beschränkung
unterliegt. Das ebenfalls dargestellte
Begrenzungs- und Wendekabel
(4) der zu bearbeitenden Fläche wird durch einen dritten Generator (7) gespeist.
Nähert sich beispielsweise ein Fahrzeug auf seiner Fahrt parallel zu den Leitkabeln
- d. h.
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in X-Richtung - dem Begrenzungs- und Wendekabel (4) bis auf einen
vorgegebenen Abstand, so kann durch das von diesem Kabel ausgehende magnetische
Feld, das in die Spulenanordnung eine entsprechende Spannung induziert, in bekannter
Weise ein Signal, ausgelöst werden.
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Dieses Signal kann seinerseits wiederum, beispielsweise bei landwirtschaftlichen
Fahrzeugen, zur Betätigung der am Fahrzeug befindlichen Geräte der Änderung der
Fahrzeuggeschwindigkeit und ähnlichem benutzt werden und zum anderen ein weiteres
Signal für eine bereits vorprogrammierte Änderung des Strom- und/oder Frequenzverhältnisses
auf einen neuen Wert, d. h. zur Einstellung eines neuen Sollwertes y, einer neuen
Leitlinie benutzt werden.
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Die Figur 3 zeigt beispielhaft, wie durch Verwendung einer Vielzahl
von parallel zueinander verlegten Leitkabeln, die mittels einer entsprechenden Logik
(8) durch ein von dem Begrenzungs- und Wendekabel (4) ausgelöstes Signal oder einem
anderen Signal angesteuert, jeweils zwei dieser Kabel (n - 1) und (n + 1) im Abstand
b von je einem Generator (5 und 6) gespeist werden und ein weiteres Kabel (n) als
Rückleiter verwendet wird. Wie in der Figur 2 entspricht der Abstand v der Größe
des Vorgewendes im Normalfalle 10 bis 20 Meter und a dem seitlizehen Abstand des
Leitkabelsystems von etwa 1 m zur Feldgrenze und dem dort liegenden Begrenzungskabel.