DE3816198C1 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Steuersensor für eine Baumaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bekannter Steuersensor zur Steuerung eines Fertigers oder einer ähnlichen Baumaschine tastet das Führungsseil mechanisch ab und erzeugt hierbei Höhensteuersignale sowie Richtungssteuersignale, die die relative Lage des Sensors zum Führungsseil angeben. Der mechanische, bekannte Steuersensor muß also zwei Funktionen erfüllen, nämlich die Erzeugung eines Höhensteuersignales für die Höhenein­ stellung eines Bodenbearbeitungswerkzeuges und die Erzeu­ gung eines Richtungssteuersignales, mit dem beispielsweise ein Fahrer auf eine nötige Richtungskorrektur über eine Richtungsanzeigeeinheit hingewiesen wird. In diesem Zusam­ menhang sei hervorzuheben, daß das Höhensteuersignal mit sehr hoher Genauigkeit erzeugt werden muß, um den heutigen Anforderungen im Straßenbau gerecht zu werden. Der mecha­ nische Sensor erweist sich jedoch naturgemäß als empfind­ lich gegenüber Beschädigungen, die in dem rauhen Betrieb im Bauwesen somit leicht auftreten können. Bei heutigen Baumaschinen werden immer mehr Funktionen integriert, um die Effizienz der Maschinen zu steigern. Der Fahrer oder die Bedienungsperson der Baumaschine hat demzufolge sehr viele Arbeitsgänge zu steuern und zu überwachen. Eine Entlastung des Fahrers von derartigen ständig aktivierten Standardfunktionen wird durch den bekannten Steuersensor nur teilweise erreicht, da dieser nicht dazu geeignet ist, die Bedienungsperson über eine zu große Richtungsabwei­ chung zu informieren. Auch kann bei dem bekannten Steuer­ sensor ein Verlassen des Führungsseiles aufgrund einer fehlerhaften Richtungssteuerung der Baumaschine unerkannt bleiben, wobei die Baumaschine großen Schaden anrichten kann.

Aus der DE 87 13 874 U1 der Anmelderin ist es bekannt, im Baubereich zum Zwecke der Abstandsmessung gegenüber dem Boden eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung einzusetzen.

Für die Erzeugung eines Höhensteuersignales zur Darstel­ lung des Abstandes der Abstandsmeßeinrichtung gegenüber einem Führungsseil mit einer für die Steuerung einer Baumaschine hinreichenden Genauigkeit kommt eine derartige Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung schon deswegen nicht in Betracht, weil ein seitlicher Versatz des Führungsseiles gegenüber der Abstandsmeßeinrichtung zu einem fehlerhaf­ ten, eine zu große Höhe darstellenden Höhensteuersignal führen würde, so daß der Fachmann den Einsatz dieser Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung bei entsprechend hohen Anforderungen an die Steuergenauigkeit auf solche Einsatz­ zwecke begrenzt sieht, bei denen es um die Ultraschall- Abstandsmessung der Entfernung einer Fläche gegenüber dem Sensor geht, bei der derartige Meßfehler nicht auftreten können. Demzufolge ist auch in der genannten DE 87 13 874 U1 nur das Einsatzgebiet dieser Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung zum Bestimmen des Abstandes gegenüber einer Fläche ange­ geben.

Aus der US 42 40 152 ist eine Hinderniserfassungsein­ richtung für Kraftfahrzeuge mit einer Mehrzahl von parallel zur Stoßstange des Kraftfahrzeuges angeordneten Ultraschallsensoren bekannt. Diese Ultraschallsensoren sollen dazu dienen, beispielsweise beim Rückwärtsrangieren eines Fahrzeuges solche Hindernisse zu erfassen, die im "toten Winkel" liegen.

Die US 46 23 032 offenbart eine Ultraschall-Entfernungs­ meßeinrichtung für ferngesteuerte Fahrzeuge, die zwei Ultraschallsensoren umfaßt, mit denen die Lage eines Hin­ dernisses im Raum vor dem ferngesteuerten Fahrzeug erfaß­ bar ist.

Die DE-A-35 18 613 offenbart ein Hinderniserfassungssystem zum Erfassen der Lage eines Hindernisses mittels einer Mehrzahl von phasenmäßig verschieden ansteuerbaren Ultra­ schallsensoren.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Steuersensor für eine Baumaschine zum Erzeugen von Höhen- und/oder Rich­ tungssteuersignalen durch Erfassen der relativen Lage des Steuersensors gegenüber einem Führungsseil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei Beibehalten einer hohen Genauigkeit der Steuersignale eine Unempfindlichkeit des Steuersensors gegenüber Beschädigung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Steuersensor nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in Abweichung zu der im Stand der Technik verbreiteten technischen Auffassung eine Steuerung einer Baumaschine gegenüber einem Führungsseil dann anstelle mit einem mechanischen Steuersensor mit einem Ultraschall-Steuer­ sensor vorgenommen werden kann, wenn der Steuersensor eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren umfaßt, die mit der Aus­ werteschaltung zum Erzeugen der Höhen- und/oder Richtungs­ steuersignale verbunden sind, wenn diese rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Baumaschine und im wesentlichen rechtwinklig zum Führungsseil und in einem derartigen Ab­ stand zu dem Führungsseil angeordnet sind, daß der Öff­ nungswinkel der Schallkeulen zu einer Überlappung derselben bei diesem Abstand führt. Bei der erfindungsge­ mäßen Anordnung von mehreren Ultraschallsensoren innerhalb des Baumaschinensteuersensors bleibt der Meßfehler, der in der Höhenbestimmung durch den seitlichen Versatz des Füh­ rungsseiles gegenüber der Mittelachse eines einzelnen Ultraschallsensors erzeugt wird, zwangsläufig durch ge­ eignete Wahl des gegenseitigen Abstandes der Ultraschall­ sensoren auf einem sehr niedrigen Wert, so daß mit der erfindungsgemäßen Anordnung erstmals eine Abstandsbestim­ mung zum Führungsseil mit einer derartigen Genauigkeit vorgenommen werden kann, daß die allgemein als zu ungenau in ihrer Messung angesehenen Ultraschallsensoren für die Zwecke der Höhensteuerung einer Baumaschine nunmehr in überraschender Weise für den Einsatz in einer Baumaschine geeignet sind. Ferner ist bei Verwenden von mehreren, senkrecht zur Bewegungsrichtung der Baumaschine angeord­ neten Ultraschallsensoren möglich, zusätzlich zu den Höhensteuersignalen Richtungssteuersignale zu erzeugen, so daß die möglichen Funktionen des bislang in der Praxis eingesetzten mechanischen Tastsensors durch den erfin­ dungsgemäßen Steuersensor mit Ultraschallmessung voll er­ setzbar sind. Ferner ist der erfindungsgemäße Steuersensor dazu geeignet, solche Steuersignale zu erzeugen, die dem Fahrer der Baumaschine eine zu große Richtungsabweichung signalisieren. Der Fahrer bzw. die Bedienungsperson der Baumaschine kann sich daher auf andere Arbeiten als die Einhaltung der genauen Richtung primär konzentrieren. Schäden aufgrund einer Richtungsabweichung der Bauma­ schine, die zu einem Verlassen des Führungsseiles führen, sind ausgeschlossen.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Steuer­ sensors bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ultraschall- Abstandsmeßeinrichtung gemäß der vorlie­ genden Erfindung;

Fig. 2A und 2B eine schematisch vereinfachte Darstel­ lung des Wirkprinzips der erfindungs­ gemäßen Abstandsmeßeinrichtung gegen­ über einer bekannten Abstandsmeßein­ richtung (gemäß Fig. 2A);

Fig. 3 eine der Fig. 2B entsprechende perspek­ tivische Darstellung einer Ultraschall­ sensorbaugruppe.

Eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung 1, deren Block­ diagramm in Fig. 1 wiedergegeben ist, weist im Bei­ spielsfalle vier Ultraschallsensoren 2 bis 5 auf. Ein weiterer Ultraschallsensor 6 ist gestrichelt angedeutet, um zu verdeutlichen, daß auch mehr als vier Sensoren vorgesehen sein können. Dennoch besteht eine besonders bevorzugte Anordnung aus den genannten vier Sensoren 2 bis 5, da sich diese Zahl besonders für den Einsatz bei Baumaschinen eignet.

Die Abstandsmeßeinrichtung 1 weist ferner eine Auswerte­ vorrichtung 7 auf, mit der die Ultraschallsensoren 2 bis 6 verbunden sind.

Fig. 1 zeigt ferner schematisch, daß die Ultraschall­ sensoren 2 bis 6 in Reihe nebeneinander angeordnet sind, wozu sie beispielsweise in einem Kunststoffblock 8, der ebenfalls in Fig. 1 nur schematisch angedeutet ist, ein­ gegossen sein können.

Die Auswertevorrichtung bzw. Auswerteelektronik 7 weist eine der Zahl der Sensoren entsprechende Anzahl von Sende-Empfangsschaltungen 9 bis 12 bzw. 9 bis 13 auf, falls fünf Sensoren vorgesehen sind. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Sensoren 2 bis 6 jeweils mit einer Sende- Empfangsschaltung 9, 10, 11, 12 bzw. 13 verbunden. Die Sende-Empfangsschaltungen 9 bzw. 13 erregen zyklisch einerseits die Ultraschallsensoren 2 bis 6 zur Abgabe eines Ultraschallsignals und messen andererseits eine Objektecholaufzeit eines von einem ersten oder einem der weiteren Ultraschallsensoren 2 bis 6 ausgesandten, von einem bezüglich seiner Entfernung zu den jeweiligen Ultraschallsensoren zu vermessenden Objekt reflektierten und durch den ersten oder die weiteren Ultraschall­ sensoren 2 bis 6 empfangene Objektechos zwischen der Abgabe des Ultraschallsignales und dem Empfang des jeweiligen Objektechos.

Hierzu sind die Ultraschallsensoren 2 bis 6 parallel zu­ einander ausgerichtet und gleichmäßig in einem Abstand (vorzugsweise von 5 bis 10 cm) zueinander in dem Block 8 angeordnet. Hierbei ist der gegenseitige Abstand der Ultraschallsensoren 2 bis 6 derart gewählt, daß sich eine Überlappung der Ultraschallkeulen, die von diesen Ultraschallsensoren 2 bis 6 erzeugt werden und einen Öffnungswinkel von z. B. 10° haben, bei der gewünschten minimalen Meßentfernung von vorzugsweise etwa 40 cm er­ gibt. Der Arbeitsbereich in der Abstandsmeßeinrichtung 1 ist hierzu in Fig. 1 mit A bezeichnet.

Die Auswertevorrichtung 7 weist ferner einen Mikrocom­ puter 14 auf, wobei zwei jeweilige Steuereingänge der Sende-Empfangsschaltungen bzw. Sende-Empfangseinheiten 9 bis 13 direkt an den Mikrocomputer 14 angeschlossen sind. Dieser kann beispielsweise als Standard-Mikro­ computer des Typs 8031 ausgebildet sein. Der Mikrocom­ puter 14 kann sowohl über einen Digial/Analog-Wandler 15 ein analoges Signal liefern, als auch die Daten über eine serielle Schnittstelle 16 geben.

Am Ausgang des Mikrocomputers 14 erscheint entweder ein Entfernungs- bzw. Abstandsmeßsignal oder ein Steuersig­ nal zur Veränderung des Arbeitsniveaus der Baumaschine.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß die Auswertevorrichtung 7, die auch insgesamt als Sende- Empfangsschaltung bezeichnet werden kann, in Beispiels­ falle mit einem Netzteil 17 versehen ist. Darüber hinaus ist im Block 8 ein Temperaturfühler 18 angeordnet, der eben­ falls an den Mikrocomputer 14 angeschlossen ist.

Im folgenden wird auf die Fig. 2A und 2B Bezug genommen, aus deren Vergleich sich die besonderen Vorteile der er­ findungsgemäßen Abstandsmeßeinrichtung erschließen. So zeigt Fig. 2A eine Prinzipdarstellung einer herkömmli­ chen Abstandsmeßeinrichtung mit einem einzelnen Ultra­ schallsensor S, dereine Führungsvorrichtung F, bei­ spielsweise in Form eines gespannten Seiles, erfassen soll. Befindet sich bei einer derartigen Meßeinrichtung das Objekt bzw. die Führungsvorrichtung F nicht mehr direkt unter dem Sensor S, so ergibt sich ein Fehler dadurch, daß die Führungsvorrichtung nicht mehr die Kreisbahn für gleiche Schallaufzeiten berührt. Wird ein Sensor S mit einem größeren Öffnungswinkel verwendet, kann zwar die Führungsvorrichtung F auch dann noch er­ faßt werden, wenn sie noch weiter als in Fig. 2A seit­ lich versetzt angeordnet ist, jedoch ergeben sich dann aufgrund des weiteren Schallkegels ebenfalls erhöhte Meßfehler.

Dies kann bei der prinzipiell in Fig. 2B dargestellten erfindungsgemäßen Abstandsmeßeinrichtung 1 gerade auf­ grund des Vorsehens einer Mehrzahl von Ultraschall­ sensoren 2 bis 5 vermieden werden, was aus der Dar­ stellung der Lage der Führungsvorrichtung F bzw. einer seitlich versetzten Lage F′ deutlich wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird im folgenden die An­ wendung der erfindungsgemäßen Ultraschall-Abstandsmeß­ einrichtung 1 für die Lagebestimmung gegenüber einem Führungsseil F erläutert. In dieser Darstellung wie auch in den Darstellungen der Fig. 4 bis 5 sind lediglich die Sensoren und der Kunststoffblock dargestellt, wohingegen die Auswertevorrichtung nicht dargestellt ist, die jedoch bei diesen Ausführungsformen ebenfalls vorhanden ist. Zur Erläuterung der Wirkungsweise reichen jedoch die gewählten Darstellungen aus.

So sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 die Ultra­ schallsensoren 2 bis 5 quer zur Bewegungsrichtung und somit quer zum Führungsseil F angeordnet. Vorzugsweise werden bei dieser Anordnung zunächst die mittleren Ultraschallsensoren 3, 4 erregt, die Ultraschallsignale aussenden und daraufhin auf Empfang geschaltet werden. Wenn der Abstand der Ultraschallsensoren 3, 4 von dem unterhalb des Seiles F liegenden Bodens kleiner als die maximale Meßentfernung wird, die durch die Zeit bestimmt wird, während der die jweilige Sende-Empfangseinheit auf Empfang geschaltet bleibt, so erfaßt die Ultra­ schall-Abstandsmeßeinrichtung 1 ein erstes Echo, das vom Seil F erzeugt wird, und ein weiteres Echo, das dem Bo­ denecho entspricht. Die jeweiligen Echolaufzeiten werden abgespeichert. Entsprechend wird der linke Ultraschall­ sensor 2 und der in Fig. 1 rechte Ultraschallsensor 5 angesteuert.

Wenn der Boden im Erfassungsbereich der Sensoren liegt, so erfassen alle vier Ultraschallsensoren 2 bis 5 unge­ fähr gleiche Echolaufzeiten für das vom Boden reflek­ tierte Ultraschallsignal. Lediglich die Laufzeit des vom Führungsteil F reflektierten Signales ist kürzer. Dem­ entsprechend kann einerseits die Entfernung vom Füh­ rungsseil F zum jeweiligen Sensor erkannt werden, unter dem das Führungsseil F liegt, und andererseits die Lage des Führungsseiles entweder innerhalb des Erfassungs­ bereiches der Ultraschallsensoren 2, 3, 4 oder 5. Auf­ grund dieser Information kann mittels der erfindungsge­ mäßen Ultraschallabstandsmeßeinrichtung eine Baumaschine bezüglich ihrer Arbeitshöhe gesteuert werden, und es ist möglich, ein zusätzliches Richtungssignal zu bilden. Hierzu können die äußeren Sensoren 2 und 5 als Warnsen­ soren dienen, die beim Überschreiten eines mittleren Breitenbereiches ein Warnsignal auslösen. Dieses kann beispielsweise im praktischen Einsatzfall durch optische Anzeige in unterschiedlichen Farben verwirklicht werden.

Die erfindungsgemäße Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung 1 kann mit einem Referenzechoelement versehen werden, wenn dies aus Gründen der Meßgenauigkeit für erforderlich ge­ halten wird. Die Anordnung und Funktionsweise eines Refe­ renzechoelementes ergibt sich aus dem DE 87 13 874 U1, dessen Offenbarungsgehalt durch diese Bezug zum Teil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Claims (7)

1. Steuersensor für eine Baumaschine zum Erzeugen von Höhensteuersignalen durch Erfassen der relativen Lage des Sensors zu einem Führungsseil, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersensor durch mindestens zwei Ultraschall­ sensoren (2 bis 6) gebildet wird, von denen mindestens einer als Sende-Empfangs-Element dient,

• - daß die Ultraschallsensoren (2 bis 6) mit einer Aus­ wertevorrichtung (7) verbunden sind, die zum Erzeugen der Höhensteuersignale dient, und
• - daß die Ultraschallsensoren (2 bis 6) rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Baumaschine sowie in einem derartigen Abstand zu dem Führungsseil (F) angeordnet sind, daß der Öffnungswinkel der Ultraschallsensor­ keulen zu einer Überlappung derselben bei diesem Ab­ stand führt.

2. Steuersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (7) ein Richtungssignal erzeugt, das das Überschreiten eines Breitenbereiches anzeigt.

3. Steuersensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsensoren (2 bis 6) in einem gleich­ mäßigen gegenseitigen Abstand zueinander in einem Kunststoffblock (8) eingegossen sind.

4. Steuersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand des ersten und der drei weiteren Ultraschallsensoren (2 bzw. 3 bis 5) derart gewählt ist, daß eine Überlappung der von diesen Ultra­ schallsensoren (2 bis 5) abgegebenen Ultraschallkeulen bei einer gewünschten minimalen Meßentfernung von vor­ zugsweise 40 cm auftritt.

5. Steuersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (7) eine der Zahl der Ultra­ schallsensoren (2 bis 6) entsprechende Zahl von Sende- Empfangs-Schaltungen (9 bis 13) aufweist, an die je­ weils ein Ultraschallsensor angeschlossen ist.

6. Steuersensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsensoren (2 bis 6) über die Sende- Empfangs-Schaltungen (9 bis 13) an einen Mikrocomputer (14) angeschlossen sind.

7. Steuersensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (7) ferner einen Analog/ Digital-Wandler (15) aufweist, der mit dem Mikrocom­ puter (14) verbunden ist.