DE4230624A1 - Mechanischer Erdvortriebskörper - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen, ferngesteuerten Erd
vortriebskörper zum schnellen autonomen Erfassen der Lagekoordinaten,
der Geschwindigkeitsvektoren sowie des Bahnverlaufes und der daraus
resultierenden Kursvorgaben und Kurskorrekturen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Solche Körper sind an sich bekannt und zählen unter dem Stichwort "gra
benloses Bauen" als sogenannte Erdverdrängungskörper und "Erdraketen"
zum kostengünstigen Verlegen von Kabeln und Rohrleitungen zum Stand der
Technik. Typischerweise erfolgt der Vortrieb derartiger Geräte mit Hilfe
druckluft- bzw. elektrisch betriebener Vorrichtungen, die mit etwa zehn
Schlägen pro Sekunde eine bodenabhängige Vortriebsgeschwindigkeit von
ca. 10 m/h erzielen. Bekannt ist auch, daß die Wirkrichtung verschiede
ner Fabrikate beeinflußt werden kann. Beim Start werden die Vortriebs
einheiten bestmöglich auf den Zielpunkt ausgerichtet. Aufgrund auftre
tender Bodeninhomogenitäten weichen die derzeit eingesetzten Konzeptio
nen jedoch häufig entgegen der strengen Planungsvorgaben vom vorgegebe
nen Kurs ab. Solche Kursabweichungen sind derzeit günstigstenfalls um
ständlich und zeitraubend zu messen. Häufig jedoch kommen die Vortriebs
einheiten unbemerkt, teilweise aufgrund unzulänglicher Meßverfahren oder
von Bedienungsfehlern, vom Kurs ab. Als Folge davon werden öffentliche
und private Versorgungsleitungen, insbesondere im innerstädtischen Be
reich, zerstört, was u. U. hohe Reparatur- und Entschädigungskosten
bedingt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Erdvor
triebskörper der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Lageko
ordinaten und der Geschwindigkeitsvektor des VK mit angemessener Genau
igkeit und hoher Zuverlässigkeit auch unter extremen Umweltbedingungen -
wie beispielsweise hohe Schockeinwirkung - in Echtzeit erfaßt werden
können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge
löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen
angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie
le erläutert und in den Figuren der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Vor
triebskörpers,
Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Funktionseinheiten des Ausführungs
beispiels gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein Schemabild für einen segmentartig ausgebildeten Sensorteil,
bei dem die Winkelmessung durch optische Korrelationsverfahren
erfolgt,
Fig. 4 eine Winkelzuordnung.
Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, daß aufgrund besonderer Vor
kehrungen auf externe Navigationshilfen und Ortungsverfahren verzichtet
werden kann, die aktuellen Lagekoordinaten sowie die Bewegungsrichtung
des VK kontinuierlich überwacht werden und Bahnkorrekturen erforderli
chenfalls so ausgeführt werden können, daß die vorgegebene Trajektorie
eingehalten werden kann, wobei die in Echtzeit erfaßten Meßdaten typi
scherweise an eine Auswerteinheit übertragen werden und ihrerseits mit
einer von dem VK abgesetzten Bedienungs/Steuereinheit verbunden sind und
deren Steuerkommandos geeignet sind, den VK auf dem vorgegebenen Kurs zu
halten. Hierbei kann der Kurs im einfachsten Fall als geradlinig vorge
geben werden oder aber auch - insbesondere bei der Notwendigkeit von Bo
denerkundungen oder einer Hindernisumgehung - einer komplizierten drei
dimensionalen Trajektorie folgen.
Angestrebt wird im Falle eines linearen Vortriebs von 100 m und eines
VK-Durchmessers von 10 cm ein "2 σ- Zielkreis" von max. 30 cm Durch
messer. Weiterhin kann der VK je nach Bedarf mit diversen Sensoren zur
Bodenanalyse und Einrichtungen zur Bodenprobenentnahme und eventuell von
Einrichtungen zum Probentransport vom VK zur Bedienungseinheit ausgerü
stet sein. Wesentlich ist jedoch die Konzeption einer Navigationsein
heit, die universell an alle VK-Ausführungsformen adaptierbar ist.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Vortriebskörper VK ver
anschaulicht, der aus einem Vortriebselement VE, einem daran angekoppel
ten zylindrischen Schockdämpfungselement SDE und einem Sensorteil ST zu
sammengesetzt ist. Aus der Grundausrichtung beim Start, den Start- und
Zielkoordinaten, dem zurückgelegten Weg, der Orientierung der VE zur
ST-Längsachse und der Rotation des ST um seine Längsachse läßt sich die
Trajektorie des VK berechnen und daraus Kurskorrekturmaßnahmen ableiten.
Das Vortriebelement VE ist in seinen Ausführungsvarianten an sich be
kannt. Es wird davon ausgegangen, daß es Steuerelemente und -verfahren
zur Kurskorrektur besitzt, die mit unterschiedlichen Methoden - wie bei
spielsweise - pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betrieben werden.
Ein solches Vortriebselement VE wird nun an seinem der Vortriebsspitze
gegenüberliegenden Ende mit einem hohlzylindrischen Schockdämpfungsele
ment SDE fest verbunden. Die hohlzylindrische Ausbildung ermöglicht ei
nen ungestörten Verlauf der für den Betrieb des VE erforderlichen Ver
sorgungseinrichtungen, Steuerleitungen etc. Die Aufgabe des SDE besteht
darin, daß die axial verlaufenden, vom Vortriebselement VE ausgehenden
Schockwellen in ihrer Amplitude um mindestens den Faktor 100 zu dämpfen
und so die Anforderungen der Sensorelemente des Sensorteils ST bezüglich
ihrer Schockfestigkeit drastisch zu reduzieren und die Meßwerterfassung
zu erleichtern und die Gerätelebensdauer zu erhöhen. Hierfür sind pro
blemlos die bisher bekannten Schockdämpfungsmaßnahmen einsetzbar.
An dieses SDE wird nun das zylindrische Sensorteil ST flexibel ange
schlossen, das im einfachsten Falle eingliedrig in verfeinerter Version
balgartig ausgebildet ist, beispielsweise mittels eines balgartigen
Übergangsgliedes ÜG oder einem Kugelsegmentlager. Das Gehäuse des ST
besteht aus zwei achsparallel ineinander angeordneten Hohlzylindern HZ1
und HZ2, wobei sämtliche Sensoreinheiten S1, S2 . . . Sn in dem Hohlraum Ho
zwischen Innen- und Außenmantel der beiden Hohlzylinder HZ1, HZ2 ange
ordnet und befestigt sind, während der axiale Hohlraum Ha für die Ver
bringung der Versorgungs- und Steuerleitungen zur VE nutzbar ist. Diese
vorgeschlagene Konzeption weist den großen Vorteil auf, daß sie mit nur
ganz geringen Modifikationen an nahezu alle derzeit bekannten Erdrake
tenkonzeptionen einsetzbar ist, bzw. daß diese auf das hier vorgeschla
gene System nahezu problemlos umrüstbar sind.
Die Voraussetzung der Funktionsfähigkeit ist die Erfassung der folgenden
Parameter:
- - die Winkel Alpha und Beta zwischen A1 (Längenachse von VE) und A2 (Längenachse von ST);
- - Rollwinkel um ST; Messung durch bekannte Sensorelemente (Nickwinkel)
- - Nickwinkel von ST; Messung beispielsweise durch Inklinometer- oder Libellenanordnungen
- - Eindringtiefe; Messung über Druckdose oder Flüssigkeitssäule
- - Distanz zum Startpunkt; direkte Messung mittels nachgezogenem Maßband oder indirekte Bestimmung aufgrund des ermittelten Vortriebsverlaufes.
Die Fig. 2 veranschaulicht die Verknüpfung und funktionale Einbindung
des Vortriebskörpers VK mit seinen vorbeschriebenen Einzelelementen mit
Steuer-, Bedienungs- und Versorgungseinheiten. Die vom Sensorteil ST
eintreffenden Signale werden einer elektronischen Einheit zur Signalvor
verarbeitung zugeführt, die ihrerseits mit einer Einheit zur Meßzyklus
steuerung verbunden ist, die nur Signale akzeptiert, die während der
Schlagpausen erfaßt worden sind. Die Meßwertaufnahme und die Signalver
arbeitung sind somit über die Einheiten Systemsteuerung und Meßzyklus
steuerung zeitlich präzise koordiniert. Dadurch reduzieren sich Störsi
gnale und ebenfalls der Aufwand für die Signalverarbeitung. Ein wichti
ger Aspekt der hier beschriebenen Konzeption ist die Möglichkeit mit
Hilfe der eigenen System-Sensorik in Übereinstimmung mit den Planungs
vorgaben die Startparameter dem VK vorzugeben, das Objekt optimal auszu
richten und den Vortrieb kontinuierlich den Planungsvorgaben anzupassen.
Ferner sind periodische Funktionsprüfungen in der Ablaufsteuerung vorge
sehen. Durch eine Verknüpfung der Meßwerte mit dem systemeigenen Fehler
algorithmus kann fortlaufend die "2 σ"-Trefferwahrscheinlichkeit im
Zielgebiet grafisch laufend angezeigt werden. Die Funktionen der in der
Zeichnung skizzierten einzelnen Bauelemente und elektronischen Einheiten
dürfte jedem Fachmann geläufig sein, so daß hier nicht weiter auf sie
eingegangen werden muß.
In dem in Fig. 1 gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel sind in dem
Übergangsglied ÜG zur Messung der Winkel α und β, die die relative
Orientierung der Längsachsen A1, A2 von VE und ST festlegen, Dehnungs
stäbe oder Dehnungsmeßstreifen DMS angeordnet. Zum Schutz der DMS vor
Übersehnung ist die maximale Auslenkung mechanisch zu begrenzen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, den Sensorteil ST
in mehrere Segmente zu untergliedern, also statt der praktisch einglied
rigen Version mit den Hohlzylindern ist eine mehrgliedrig ausgebildete
Version vorgesehen, die aus einer fortschreitenden Segmentierung
schließlich in einer Balgversion resultiert. Bei dieser Konzeption kann
die Anzahl der Meßwertaufnehmer, z. B. DMS gesteigert und damit die Re
dundanz sowie die Meßgenauigkeit wesentlich erhöht werden.
Wird nun die vorbeschriebene Version dahingehend erweitert, daß die Win
kelmessung auf optischen Korrelationsverfahren basiert, so kann dies
durch das folgende Vorgehen realisiert werden. Auf der Balginnenseite
werden charakteristische, aus einzelnen Lichtquellen bestehende Struk
turen angeordnet und mit einer Videokamera erfaßt. Dieses "Bild" wird im
Ausgangszustand, d. h. die Balglängsachse ist linear, als Bezug gespei
chert. Biegt sich der Balg, so verzerrt sich dieses Bild definiert. Aus
der Lageveränderung der einzelnen Bildpunkte, relativ zum vorhergehen
den, als Referenz gespeicherten Bild, kann nunmehr mit den bekannten
Mitteln mathematischer Korrelationsalgorithmen die Verbiegung des Balges
präzise erfaßt werden. Die Genauigkeit des Verfahrens ist prinzipiell
lediglich von der Bildpunktstruktur und dem Auflösungsvermögen der
Kamera begrenzt.
Claims (15)
1. Mechanischer, ferngesteuerter Erdvortriebskörper zum schnellen auto
nomen Erfassen der Lagekoordinaten und Geschwindigkeitsvektoren und daraus
resultierenden Möglichkeiten von Kursvorgaben und Kurskorrekturen in fort
laufender Anpassung an vorgegebene Planungsdaten, dadurch gekennzeich
net, daß der Vortriebskörper (VT) aus einem geschoßförmig ausgebildeten
Vortriebselement (VE) und einem fest mit ihm verbundenen, hohlzylindri
schen Schockdämpfungselement (SDE) zusammengesetzt ist, wobei an letzteres
(SDE) ein zylindrisches, bewegbares Sensorteil (ST) angekoppelt ist, wel
ches so ausgebildet ist, daß einmal die Sensoren, wie Tiefen-, Neigungs-,
Rollagensensoren, in einem koaxialen Hohlraum (Ho) angeordnet sind und zum
andernmal in der zentralen Längsachse von Schockdämpfungselement (SDE) und
Sensorteil (ST) ein freier Hohlraum (Ha) geschaffen ist, in dem die Steuer-
und Versorgungsleitungen und -einrichtungen einer externen Bedienungs-Steu
ereinheit gelagert sind.
2. Vortriebskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Vortriebselement (VE) zur Kurskorrektur mit pneumatischen, hydraulischen,
pyrotechnischen oder elektrischen Steuereinrichtungen versehen ist, deren
Ansteuerung aufgrund der ermittelten Korrekturdaten erfolgt.
3. Vortriebskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Schockdämpfungselement (SDE) so ausgebildet ist, daß die vom Vor
triebelement (VE) ausgehenden Schockwellen in ihrer Amplitude um minde
stens den Faktor 100 gedämpft werden.
4. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Sensorteils (ST) von zwei
achsparallel, ineinander angeordneten Hohlzylindern besteht, und alle
Sensoren (S1, S2, Sn) in dem Hohlraum (Ho) angeordnet sind, der zwischen
dem Innen- und dem Außenmantel der beiden Hohlzylinder gebildet wird.
5. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Verbindung (ÜG) mit Dehnungs
meßstreifen (DMS) oder Dehnungsstäben versehen ist, die paarweise und dia
metral angeordnet sind.
6. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorteil (ST) mehrgliedrig oder bal
genartig ausgebildet ist und auf der Balginnenseite lichtemittierende
Strukturen (Punktlichtquellen) angeordnet sind.
7. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale einer Signalvorverarbei
tungseinheit eingehen, die mit einer Meßzyklussteuereinheit gekoppelt ist
und deren Signale einer Signal-Auswerteinheit und einer Systemsteuerein
heit eingehen, deren Ausgangssignale zur Steuerung der Bedieneinheit und
der Versorgungseinheit dienen.
8. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßzyklussteuerung nur die Signale
herangezogen werden, die während der Schlagpausen erfaßt werden.
9. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen der VE-Achse (A1) und
der ST-Achse (A2) mittels mechanischer, elektronischer oder optischer
Meßwertaufnehmer laufend erfaßt werden.
10. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vortriebskörper (VK) mit Einrichtungen
zum Messen des Erdoberflächenabstandes, der ST-Achsneigung und des Roll
winkels ausgerüstet ist.
11. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Verlaufs der Achsen (A1,
A2) relativ zueinander hochgenau mit optischen Verfahren, beruhend auf
Quadrantendetektoren oder Videobildauswertung mit Korrelationsalternativ
mit Intensitätalgorithmen ermittelt wird.
12. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vortriebskörper (VK) mit Sensoren oder
Einrichtungen zur Erd-Probenentnahme zum Zwecke der chemisch/physikali
schen Nahbereichserkundung ausgerüstet ist.
13. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerabschätzung und die Darstellung
der Trefferwahrscheinlichkeit auf einem Algorithmus beruht, der die indi
viduellen Fehlerbeiträge in Abhängigkeit zum zurückgelegten Weg berück
sichtigt.
14. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der spezifischen Verknüpfung von
gespeicherten Planungsdaten und ständig aktualisierten Meßdaten ein auto
matischer Vortrieb möglich ist, und insbesondere die vorgegebenen "Ver
botszonen" von der Erdrakete gemieden werden.
15. Vortriebskörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte kontinuierlich gespeichert
werden und auf der Basis dieser Vielzahl von Stützwerten der Bahnverlauf
des Vortriebs mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit ermittelt werden
kann.
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Publications (2)
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
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