DE4206990A1 - Verfahren zum steuern der seitlichen lage einer baumaschine oder einer landwirtschaftlichen maschine relativ zu einem bezugsobjekt - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der seitlichen Lage einer Baumaschine oder einer landwirt­ schaftlichen Maschine relativ zu einem Bezugsobjekt.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der gleichzeiti­ gen Seitensteuerung und Höhensteuerung einer Baumaschine entlang eines parallel zu einer zu fertigenden Straße ver­ laufenden Seiles, das als Bezugsobjekt dient, mittels einer Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, die zwei Ultraschall­ sensoren umfaßt.

Die US-PS 41 03 278 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren für eine Ultraschall-Abstandsmessung und Ultraschall-La­ gebestimmung. Bei einer Ausgestaltung, die in den Fig. 2 und 4 dieser Schrift gezeigt ist, werden Ultraschallpulse von einem einzigen Sendeelement ausgesendet, an einem Objekt reflektiert und dann durch zwei Empfangselemente und gegebe­ nenfalls auch durch das Sendeelement empfangen. Aus den gemessenen Laufzeiten lassen sich Abstand und Richtung des Objektes ableiten. Bei einer anderen Ausgestaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist, sind lediglich ein Sende-Empfangs-Ele­ ment sowie ein zusätzliches, reines Empfangs-Element vorge­ sehen, um diese Messungen durchzuführen. Da das gesamte System nicht-redundant arbeitet, kann eine Fehlfunktion oder ein Ausfall eines Empfangsensors nicht erfaßt werden.

Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtungen werden seit geraumer Zeit für die Abstandsmessung und insbesondere zur Steuerung von Baumaschinen und landwirtschaftlichen Maschinen einge­ setzt. Grundsätzlich wird der zu messende Abstand zwischen einem Ultraschallsensor der Ultraschall-Abstandsmeßeinrich­ tung und dem bezüglich seiner Lage zu bestimmenden Objekt aus der Laufzeit eines Ultraschallsignales oder Ultraschall­ pulses von dem Ultraschallsensor bis zu dem Meßobjekt und zurück zu dem Ultraschallsensor ermittelt. Wie gleichfalls bekannt ist, hängt die Laufzeit des Ultraschallsignales nicht nur von der durchlaufenen Strecke und somit von der Meßentfernung ab, sondern auch von weiteren Parametern, wie beispielsweise der Lufttemperatur, dem Luftdruck, der Luft­ feuchtigkeit, der Luftströmung und möglichen Schallbeugungen aufgrund von Luftschichtungen mit verschiedenen Temperatu­ ren.

Gleichfalls ist es bekannt, sich zur Kompensation derartiger Einflüsse einer Referenzechoeinrichtung zu bedienen, um die Ultraschallaufzeit über eine Bezugsstrecke zu messen, so daß die Objektentfernung von dem Ultraschallsensor weitgehend befreit von den genannten Störungen aus dem Quotienten einer Objektecholaufzeit zu einer Referenzecholaufzeit ermittelt werden kann.

So zeigt beispielsweise die DE-OS 23 13 149 eine Ultra­ schall-Abstandsmeßeinrichtung, die sowohl für eine Meßstrecke als auch für eine Referenzstrecke je einen Schallsender und einen Schallempfänger hat, wobei die von den Schallsen­ dern ausgesandten Schallwellenzüge jeweils ohne Reflexion zu den entsprechenden, zugeordneten Schallempfängern gelangen. Bei der Meßstrecke ist der Schallempfänger am Ort des Meß­ objektes angeordnet. Somit eignet sich diese Art einer Ul­ traschall-Abstandsmeßeinrichtung nur für solche Anwendungs­ fälle, bei denen die direkte Anbringung eines Meßempfängers an einem Meßobjekt möglich ist. Für die Steuerung von land­ wirtschaftlichen Maschinen und Baumaschinen eignet sich die­ se bekannte Ultraschall-Abstandmeßeinrichtung schon aus den genannten Gründen nicht.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 87 13 874.3 der Anmel­ derin ist bereits eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung bekannt, die sich zur Steuerung von Baumaschinen und land­ wirtschaftlichen Maschinen eignet und die neben einem Ultra­ schallsensor und einer Meßschaltung zur Kompensation der oben beschriebenen Störeinflüsse eine Referenzeinrichtung aufweist. Bei dieser bekannten Ultraschall-Abstandsmeßein­ richtung hat die Referenzechoeinrichtung die Form eines Re­ ferenzechobügels, der in Meßrichtung gegenüber dem Ultra­ schallsensor versetzt ist und im wesentlichen in Richtung der Wellenfronten des Ultraschalls verlaufend angeordnet ist.

Aus der DE-PS 9 31 378 ist es bereits bekannt, bei einer Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung Schallwellen sowohl von einem Schallsensor zu einer Meßfläche, deren Entfernung er­ mittelt werden soll, als auch zu einer Referenzreflexions­ fläche auszusenden. Mittels eines von dem Schallsensor ge­ trennt vorgesehenen Schallempfängers, der etwa im Bereich des Schallsensors angeordnet ist, werden nacheinander ein Referenzecho und ein Meßecho empfangen. Eine Zeitmeßvorrich­ tung mißt die Laufzeit des Meßechos. Ein Ansteuertakt der Zeitmeßvorrichtung wird proportional zur Referenzecholauf­ zeit nachgeführt, wodurch eine Kompensation von Laufzeitva­ riationen bewirkt wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Steuern der seitlichen Lage einer Baumaschine oder einer landwirt­ schaftlichen Maschine relativ zu einem Bezugsobjekt zu schaffen, das mit einer Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung arbeitet, eine Kompensation von Laufzeitveränderungen bei­ spielsweise in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gestattet und eine fehlerhafte Steuerung bei Ausfall eines Ultraschallsensors verhindert.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultra­ schall-Abstandsmeßeinrichtung in Vertikalschnitt­ darstellung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Ultraschall­ Abstandsmeßeinrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Meßschaltung der Ausfüh­ rungsform gemäß den Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung der seitlichen Lage eines Meßobjektes bezogen auf die Hauptmeßrichtung durch Auswertung unterschiedlicher Signallaufzeiten;

Fig. 5a, 5b sowie 6a, 6b Darstellungen zur Ermittlung der jeweiligen Objektecholaufzeiten und Referenzecho­ laufzeiten; und

Fig 7 eine Darstellung zur Ermittlung der Höhenlage und Seitenlage gegenüber einem Führungsseil aufgrund der gemessenen Objektecholaufzeiten.

Wie insbesondere in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, umfaßt die erfindungsgemäße Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 2, welches eine Querwandung 3 umschließt. In der Querwandung sind symmetrisch zu einer Symmetrieachse 4 zwei Ultraschallsensoren 5, 6 ange­ ordnet. Als Ultraschallsensoren 5, 6 kommen alle Arten von elektroakustischen Wandlerelementen in Betracht. Bei dem ge­ zeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese elektro­ akustischen Wandlerelemente piezoelektrische Wandler. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand der beiden Ultraschallsensoren zwischen zwei und zwanzig Zentimeter, vorzugsweise ca. fünf Zentimeter.

Zwei um einen Winkel β gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnete Reflexionsflächenelemente 7, 8 sind gleichfalls symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 4 angeordnet und sind einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet. Die Lage der Reflexionsflächenelemente 7, 8 ist zwei bis zwanzig Zentime­ ter, vorzugsweise vier bis fünf Zentimeter in Richtung der Symmetrieachse 4 gegenüber den Ultraschallsensoren 5, 6 in Meßrichtung versetzt.

Die Winkel β, die die Neigung der Reflexionsflächenelemente 7, 8 gegenüber der Horizontalen bezeichnen, ist derart ge­ wählt, daß ein kleiner Teil der von dem ersten Ultraschall­ sensor 5 ausgesandten Ultraschallstrahlung nach zweifacher Reflexion durch das erste und das zweite Reflexionsflächen­ element 7, 8 auf den zweiten Ultraschallsensor 6 gerichtet wird. Hieraus ergibt sich der durch Pfeile angedeutete Weg des Referenzechos, der sich zumindest teilweise senkrecht zu der Richtung der Symmetrieachse 4 und somit zu der Hauptmeß­ richtung erstreckt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Anwendungsbeispiel dient die Ul­ traschall-Abstandsmeßeinrichtung 1 zur Messung der Entfer­ nung gegenüber einem Seil 9, welches zur Höhen- und Rich­ tungssteuerung einer Baumaschine parallel zu einer zu ferti­ genden Oberfläche gespannt ist, und/oder zur Entfernungs­ messung gegenüber dem Boden 10. Wie noch im einzelnen er­ läutert werden wird, eignet sich die erfindungsgemäße Ultra­ schall-Abstandsmeßeinrichtung nicht nur zur fehlerkompen­ sierten Bestimmung der Entfernung in der Hauptmeßrichtung, die der Symmetrieachse 4 entspricht, sondern auch zur Be­ stimmung der lateralen Lage eines Meßobjektes und somit zu­ sätzlich zu der Höhensteuerung auch zu einer Seitensteuerung von beliebigen Maschinen, insbesondere jedoch einer Bauma­ schine oder landwirtschaftlichen Maschine. Bei der erfin­ dungsgemäßen Abstandsmeßeinrichtung 1 kann die Betriebs­ sicherheit der beiden Sensoren überwacht werden, so daß bei einem Ausfall eines Sensors eine Alarmmeldung erzeugbar ist oder das System deaktivierbar ist.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Meßschaltung 11 für die Ansteuerung und Signalauswertung der Ultraschall-Abstands­ meßeinrichtung 1. Die Meßschaltung 11 umfaßt einem Mikro­ prozessor 12, der über Sendegatter und Empfangsgatter 13, 14; 15, 16 mit den beiden Ultraschallsensoren 5, 6 in Steu­ erverbindung steht. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß durch diese Gatter 13 bis 16 angedeutet werden soll, daß die Ultraschallsensoren 5, 6 in Abhängigkeit von der Ansteu­ erung durch den Mikroprozessor 12 entweder mit dem Ausgangs­ signal eines Leistungsoszillators beaufschlagt werden oder, in der Empfangsbetriebsart, an einen entsprechenden Eingang des Mikroprozessors 12 angelegt werden.

Der Mikroprozessor 12 erzeugt an Richtungssteuerausgängen 17, 18 Richtungssignale für die laterale Steuerung der Bau­ maschine. Über einen Digital-Analog-Wandler 19 ist der Mik­ roprozessor 12 mit einem Analogausgang 20 verbunden, an dem ein die Meßentfernung darstellendes Spannungssignal anliegt.

Der Mikroprozessor 12 ist mit einem elektrisch programmier­ baren Festwertspeicher 21 (EPROM) und einem elektrisch pro­ grammierbar und elektrisch löschbarem Festwertspeicher (EEPROM) 22 versehen.

Ferner kann der Mikroprozeßer ausgangsseitig an Schnitt­ stellenschaltungen angeschlossen sein, wie beispielsweise die genormte, serielle Schnittstelle RS 485 im Falle der Schnittstellenschaltung 23 sowie das genormte CAN-Interface im Falle der Schnittstellenschaltung 24.

Ferner umfaßt die Meßschaltung 11 ein Netzteil 25 zur Span­ nungsversorgung der verschiedenen Komponenten innerhalb der Meßschaltung 11.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 7 erläutert wird, werden die beiden Ultraschallsensoren 5, 6 alternierend mit Sendepulsen beaufschlagt, so daß jeweils einer der beiden Ultraschall­ sensoren zuerst als Sender und dann als Empfänger betrieben wird, während der andere Ultraschallsensor nur als Empfänger betrieben wird, woraufhin der andere Ultraschallsensor zu­ erst als Sender und dann als Empfänger betrieben wird, wäh­ rend wiederum der eine nur als Empfänger betrieben wird.

Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, kann anstelle der bei­ den beschriebenen Reflexionsflächenelemente 7, 8 ein einzi­ ges, stabförmiges Referenzechoelement 30 mittig zwischen den beiden Ultraschallsensoren 5, 6 angeordnet sein.

Bei einem ersten Meßzyklus wird der erste Ultraschallsensor 5 mit einem Ultraschallpuls beaufschlagt. Hier werden gemes­ sen die Referenzecholaufzeit von dem ersten Ultraschallsen­ sor über das Referenzechoelement 30 zu dem zweiten Ultra­ schallsensor 6, die Objektecholaufzeit von dem ersten Ultra­ schallsensor 5 zu dem Objekt 9, welches hier das Führungs­ seil ist, zurück zu dem ersten Ultraschallsensor 5 und die­ jenige von dem ersten Ultraschallsensor 5 über das Objekt zu dem zweiten Ultraschallsensor 6.

Eine entsprechende Messung erfolgt anschließend, wie in Fig. 5b verdeutlicht ist, bei Beaufschlagung des zweiten Ultra­ schallsensors 6 mit einem Sendepuls.

Die Referenzecholaufzeiten werden mit Maximalwerten vergli­ chen, bei deren Überschreiten ein Defekt einer der beiden Ultraschallsensoren 5, 6 erfaßt ist. In diesem Fall gibt das System ein Warnsignal für die Bedienungsperson ab oder schaltet sich aus.

Aus den gemessenen Laufzeiten läßt sich der seitliche Versatz a bzw. b der Ultraschallsensoren 5, 6 gegenüber dem Führungsseil 9 ebenso berechnen, wie der Höhenversatz h. Zur Ermittlung der Längen L1, L2 setzt die Meßschaltung zunächst die gemessenen Objektecholaufzeiten in Beziehung zu den Referenzecholaufzeiten, wodurch eine Laufzeitkompensation erfolgt. Aus der Laufzeit vom ersten Ultraschallsensor 5 zu dem Seil 9 und zurück zum ersten Ultraschallsensor 5 ergibt sich der doppelte Wert der ersten Länge L1. Ausgehend von diesem Wert und der Laufzeit des Objektechos vom ersten zum zweiten Ultraschallsensor ergibt sich die zweite Länge L2.

Aus diesen Werten und dem bekannten, konstanten gegenseiti­ gen Abstand k der beiden Ultraschallsensoren 5, 6 können aufgrund folgender Formeln der Seitenversatz a und die Höhe h abgeleitet werden:

a = (L1² - L2² + k²) / 2k;

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Bezugsob­ jekt ein gespanntes Draht- oder Kunststoffseil 9. Als Be­ zugsobjekt kommt gleichfalls eine entlang einer zu fertigen­ den Straße verlaufende Bordsteinkante in Betracht.

Claims (5)

1. Verfahren zum Steuern der seitlichen Lage einer Bauma­ schine oder einer landwirtschaftlichen Maschine relativ zu einem Bezugsobjekt mittels einer Ultraschall-Ab­ standsmeßeinrichtung mit zwei Ultraschallsensoren (5, 6) und einer Meßschaltung (11) zur Abstandsbestimmung auf­ grund von Objektecholaufzeiten,
bei dem die Meßschaltung (11) die Ultraschallsensoren (5, 6) alternierend mit Sendepulsen beaufschlagt, so daß jeweils einer der beiden Ultraschallsensoren (5, 6) zuerst als Sender und dann als Empfänger betrieben wird, während der andere Ultraschallsensor nur als Empfänger betrieben wird, und sodann der andere der beiden Ultra­ schallsensoren (5, 6) zuerst als Sender und dann als Empfänger betrieben wird, während der eine Ultraschall­ sensor nur als Empfänger betrieben wird,
wobei wenigstens ein Referenzechoelement (7, 8) zur Reflexion des von einem Ultraschallsensor (5) stammenden Schalls zu dem anderen Ultraschallsensor (6) vorgesehen ist, und
bei dem die Meßschaltung aufgrund der gemessenen Lauf­ zeiten für das jeweilige Objektecho und Referenzecho eine laufzeitkompensierte Ermittlung der seitlichen Lage gegenüber dem Bezugsobjekt durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Meßschaltung (11) folgende Laufzeiten erfaßt:

• - die Laufzeit zwischen dem Aussenden eines Ultraschall­ pulses durch den einen Ultraschallsensor (5) und dem Empfang des Referenzechos durch den anderen Ultra­ schallsensor (6),
• - die Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschall­ pulses durch den einen Ultraschallsensor (5) und dem Empfang des Objektechos durch denselben Ultraschall­ sensor (5), und
• - die Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschall­ pulses durch den einen Ultraschallsensor (5) und dem Empfang des Objektechos durch den anderen Ultraschall­ sensor (6).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Meßschal­ tung (11) ferner die Laufzeit zwischen dem Aussenden eines Ultraschallpulses durch den anderen Ultraschall­ sensor (6) und dem Empfang des Referenzechos durch den einen Ultraschallsensor (5) erfaßt,
die Meßschaltung (11) beide Referenzecholaufzeiten mit Maximalwerten vergleicht und bei überschreiten des Maxi­ malwertes ein die Fehlerhaftigkeit eines der beiden Ultraschallsensoren (5, 6) darstellendes Signal erzeugt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Meßschaltung (11) ferner folgende Laufzeiten erfaßt:

• - die Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschall­ pulses durch den anderen Ultraschallsensor (6) und dem Empfang des Objektechos durch den einen Ultraschall­ sensor (5), und
• - die Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschall­ pulses durch den anderen Ultraschallsensor (6) und dem Empfang des Objektechos durch den anderen Ultraschall­ sensor (6).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Bezugsobjekt durch ein Seil (9) gebildet ist.