DE4230624C2 - Mechanischer Erdvortriebskörper - Google Patents

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 Genauig­ keit 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 Signal­ auswertung sind somit über die Einheiten Systemsteuerung und Meßzyklus­ steuerung zeitlich präzise koordiniert. Dadurch reduzieren sich Störsi­ gnale und ebenfalls der Aufwand für die Signalauswertung. 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 Überdehnung 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- Steuereinheit 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.