DE69215593T2

DE69215593T2 - Verfahren zur automatischen Steuerung von Erdbewegungsmaschinen

Info

Publication number: DE69215593T2
Application number: DE69215593T
Authority: DE
Inventors: Roger Guillon
Original assignee: Routiere Beugnet S A
Current assignee: Routiere Beugnet Sa Arras Fr
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2012-07-18
Also published as: ATE145955T1; EP0524107A1; EP0524107B1; FR2679278B1; FR2679278A1; DE69215593D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der automatischen Führung einer Maschine für öffentliche Bauten, wie eine Maschine zur Verbreiterung der grundlegenden Schichten einer Straße, z.B. einer Autobahn, die mit einem Werkzeug versehen ist, speziell einer Nivellierungsplatte, durch die man eine vorher bestimmte ebene Oberfläche erhält.
Die Konstruktion einer Straße, besonders einer Autobahn, verlangt die Inangriffnahme mehrerer aufeinanderfolgender Arbeitsgänge, von denen der erste im engeren Sinne der Konzeption der Trassierung der Straße entspricht, d.h. die Bestimmung ihrer Verlaufspunnte, besonders der Koordinaten der Punkte die ihrer Achse und ihrer beiden Ränder entsprechen. Die Fachleute verfügen zu diesem Zweck über mehrere Softwares, unter welchen man die Software MACAO nennen kann, die von dem Unternehmen SCETAUROUTE angeboten wird.
Wenn sie diesen vorherigen Arbeitsgang ausgeführt haben, pflanzen die "Erdvermessungstechniker" auf dem Gebiet Grenzsteine ein, die die Straßenachse verkörpern, indem sie sich an natürliche geodätische Bezugspunkte wie Glockentürme von Kirchen, Wassertürmen etc.halten, die vom Nationalen Geographischen Institut präzisiert werden, und arbeiten durch aufeinanderfolgende Annäherung. Dann berechnen sie für eine gewisse Anzahl von Bezugspunkten mit gleichem Abstand, die Kilometerpunkte genannt werden, die Koordinaten in einem dreidimensionalen orthonormierten Bezugspunkt Oxyz der Achse, sowie des rechten und linken Straßenrandes, dann plazieren sie auf diese Ränder Trägerpflöcke für Richtungsdrähte, wobei sie darauf achten, daß jeder Pflock der orthogonale Aufriß eines Kilometerpunktes bezüglich der Straßenachse ist.
Wenn diese Vorarbeiten beendet sind, kann man mit der eigentlichen Konstruktion der Straße beginnen, d.h. den Erdarbeiten (Materialtransfer, Planierung, Zusammenpressen), und mehrere Schichten verschiedener Materialien nacheinander ausbringen.
Dieser Arbeitsvorgang, der in dem aufeinanderfolgenden Ausbringen der verschiedenen die Straße bildenden Materialschichten besteht, (Formschicht, Fundamentsschicht, Grundflächen- und Fahrbahnschicht), verlangt eine ganz besondere Genauigkeit, speziell bezüglich der Dicke jeder Schicht. Eine Abweichung von mehr als 3 % in der Schichtdicke kann, wegen der finanziellen Auswirkungen, sogar die Existenz eines Unternehmens gefährden, wohingegen eine geringere Dicke zur theoretisch erforderlichen dazu führt, daß eine Straße konstruiert wird, deren mechanische Haltbarkeit geringer als die des Projektes ist.
Die obengenannten Erwägungen haben dazu geführt, daß die Spezialisten versuchen, die Führung der Maschinen zum Aufbringen der Grundschichten einer Straße zu mechanisieren, vor allem die der Form- und Fundamentschichten.
Indem sie ihm die Steuerung erleichtert führt eine solche Automatisierung tatsächlich zu einer Verringerung der Belastung des Maschinenführers, was ihm ermöglicht, sich den Hauptanforderungen einer besseren Qualität und besseren Sicherheitsbedingungen zu widmen. Außerdem ermöglicht eine Modernisation des Materials eine erhöhte Zuverlässigkeit und Kontrollschnelligkeit. Durch die Verringerung der Materialmengen wird das Bauwerk optimiert. Somit ermöglicht die Automatisierung eine Reduzierung der Produktionskosten bei gleichzeitiger Qualitätsverbesserung der geforderten Arbeit.
Um die oben angeführten Bedingungen zu erfüllen haben die Spezialisten bereits vorgeschlagen, die Fortbewegung der Maschine entlang zweier auf Trägerpflöcken plazierter Richtungsdrähte, die von den Geometern links und rechts der Straße angebracht wurden, zu fhhren. Um diese Führung zu ermöglichen, ist das Werkzeug der Maschine mit einem System von Tastern versehen, das mit hydraulischen Winden und Elektroschiebern zusammenarbeitet, um den Draht zu suchen und einen dauernden Kontakt zu garantieren.
Eine solche Abhängigkeit von den drei Richtungen des Raumes hat sich mittlerweile in der Anwendung als ausgesprochen kostspielig und wenig verläßlich herausgestellt; tatsächlich ist die direkte Positionierung der Orientierungsdrähte auf x, y und z eine äußerst langwierige, beschwerliche und veraltete Vorgehensweise. Außerdem macht der unvermeidliche Ausleger des Drahtes zwischen zwei Pflöcken die Präzision auf der Seite z ungenau, was um so mehr beachtet werden muß, da die Ausleger einen vollen Effekt ergeben; nun aber ist gerade auf dieser Ebene die Präzisionsanforderung am wichtigsten ( sie muß wirklich zentimetergenau sein, d.h. zehnmal genauer als jene die bei x oder y notwendig ist).
Eine solche Führung am Orientierungsdraht ist beispielsweise in dem Dokument US-A-4 197 032 beschrieben, man muß indes beachten, daß nach diesem amerikanischen Patent keine Regelung nach der z-Achse vorgesehen ist, und daß dieses Dokument tatsächlich eine seitliche Abhängigkeit von der Bahn einer Fräse die eingesetzt wird, um den Boden in den Kurven zu nivellieren.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beheben, indem es einen automatisierten Führungsverfahren für Maschinen für öffentliche Bauten des obengenannten Typs vorschlägt, dessen Realisation relativ einfach und schnell vonstatten geht, und das gleichzeitig die gewünschte Präzision bzgl. der Positionierung des Gerätes auf der z-Achse garantiert.
Gemäß dieses Prozesses und in bekannter Art und Weise bestimmt man vorher die Durchgangspunkte der Straße und plaziert an ihren Rändern Trägerpflöcke für Orientierungsdrähte die geeignet sind, ständig mit der Maschine in Kontakt zu bleiben um so ihre Fortbewegung zu führen.
Nach der Erfindung wird das Verfahren folgendermaßen charakterisiert:
- man bringt das Werkzeug dergestalt an dem unteren Teil der Maschine für öffentliche Bauten an, daß die Höhe HN variiert werden kann, die der Strecke zwischen dem Chassis dieser Maschine und dem Werkzeug entspricht,
- man berechnet und gibt in den Speicher eines Mikrocomputer, der mit der Maschine verbunden ist, die Koordinaten xi, yi, zi in einem dreidimensionalen orthonormierten System Oxyz einer gewissen Anzahl von Kilometerpunkten in gleichem Abstand von der Straße, die der theoretischen Position des Werkzeuges bei seinem Einsatz entsprechen,
- man verwendet die Richtungsdrähte um die Maschine im Gebiet x-O-y zu führen,
- während dieser Verschiebung mißt man kontinuierlich die Position xy des Werkzeuges im Gebiet x-O-y und überträgt dieses Ergebnis in den Mikrocomputer, der daraufhin und durch Interpolation von den Kilometerpunkten ab die entsprechende theoretische Höhenmessung z berechnet,
- man sendet ein Bündel, namentlich ein rotierendes Laserbündel aus, das einen Referenzbereich umschreibt, der sich hauptsächlich parallel zur Straße befindet, von dem man vor der Eingabe in den Speicher des Mikrocomputers die Gleichung berechnet, um die reale Höhenmessung des Werkzeuges berechnen zu können,
- man befestigt an dem oberen Teil des Chassis mindestens eine bekannte Einheit, bestehend aus einem, hauptsächlich vertikalen Teleskopmasten mit variabler Höhe HL, an dessen Ende ein abhängiger Empfänger angebracht ist, um ständig im Referenzbereich des Lasers gehalten werden zu können,
- man mißt kontinuierlich die Höhe HL des Teleskopmastens und die Höhe HN, die der Distanz des Chassis zum Werkzeug entspricht, und man überträgt die so gemessenen Höhen in den Mikrocomputer,
- man bestimmt kontinuierlich die Höhenmessung zl des Empfängers von der Gleichung des Referenzbereichs ab,
- man leitet davon die reale Höhenmessung z des Werkzeuges ab durch die Formel:
z = zl - (HO+HN+HC+HL)
in welcher HO der konstanten Höhe des Werkzeugs entspricht, wohingegen HC die konstante Höhe des Chassis bezeichnet,
- man vergleicht die somit berechnete reale Höhenmessung mit der theoretischen Höhe des Werkzeugs, die vorher durch die Interpolation von den Kilometerpunkten ab vorgegeben war, und
- man verändert, falls nötig, entsprechend die Höhe HN, die der Entfernung des Chassis zu dem Werkzeug entspricht, dergestalt, daß die realen und theoretischen Höhenmessungen zusammenfallen.
Unter Berücksichtigung des Vorangegangenen besteht dieses Verfahren darin, die traditionelle Führung nach x und y ab den Richtungsdrähten zu bewahren, aber die traditionelle Führung bzgl. z durch eine ganz unterschiedliche Regulationsöse zu ersetzen. Diese Regulationsöse erlaubt es, die Höhenmessungspräzision zu erhöhen, was besonders wichtig ist, wenn, gesetz den Fall, wie bereits ausgefit, die Präzision besonders wichtig nach der z-Achse ist, d.h.bezüglich der Dicke der aufzutragenden Materialien, desto geringer sind die Mehrkosten der Dicke der aufgetragenen Schichten. Dies bringt einem Unternehmen beträchtliche Einsparungen; darüber hinaus ermöglicht die Positionierung der Richtungsdrähte lediglich im Gebiet x-O-y die Arbeit, die mit der Plazierung der Pfosten verbunden ist, um über die Hälfte zu reduzieren, wodurch wiederum eine beträchtliche Einsparung erzielt werden kann.
Gemäß der Erfindung können die Pfosten auf vorteilhafte Art in einer Entfernung von 10 bis 15 Metern voneinander plaziert werden.
Die Möglichkeit der Realisierung dieses Prozesses gemäß der Erfindung ist verbunden mit der besonderen Montierung des Werkzeuges auf das Chassis der Maschine und mit der Loslösung dieser beiden Elemente, was ermöglicht, daß das Werkzeug auf der gewünschten Höhenmessung gehalten werden kann, unbeachtlich des Zustandes der Oberfläche, auf der sich die Maschine befindet.
Es versteht sich, daß im Normalfall, indem das Werkzeug sich im Gebiet x-O-y in einer Position zwischen zwei Kilometerpunkten befindet, seine Koordinaten von diesen Punkten ab sich nicht nur direkt bestimmen, sondern durch ein Interpolationsverfahren, das beliebig sein kann, ohne daß es deswegen den Rahmen der Erfindung sprengt.
Von Bedeutung ist daß, gemäß der Erfindung, die einzige Aufgabe des Laserbündels die ist, einen Referenzbereich zu schaffen, von dem aus der Mikrocomputer die reale Höhenmessung z des Werkzeugs berechnen kann; die Distanz zwischen dem Laserbereich und dem Werkzeug variiert ständig, und dieser Bereich dient lediglich als Messungshilfe und nicht als Aktionshilfe.
Um die Berechnung durchzuführen verwendet man ein bereits im Handel geläufiges System, bestehend aus einem an der Spitze eines Teleskopmasten angebrachten Empfängers, der dergestalt abhängig ist, daß er ständig in dem Referenzbereich bleibt.
Das Dokument US-A-4 162 708, beschreibt als Beispiel die klassische Anwendung eines solchen auch bekannten Systems, bei dem der auf dem Werkzeug angebrachte Empfänger diesen in einem konstanten Abstand zum betreffenden Laserbereich hält.
Gemäß einer anderen Eigenschaft der Erfindung, verbunden mit der Notwendigkeit, die Position des Werkzeugs auf der Höhe der zwei Straßenränder zu regulieren, bringt man an dem Chassis der Maschine zwei Empfänger an, die mit zwei Teleskopmasten zusammenarbeiten, die entsprechend beiderseits der Längsachse der Maschine auf der Höhe des Endes des Werkzeuges angebracht sind, und wovon der eine den rechten, der andere den linken Rand verkörpern.
Entsprechend der Erfindung kann man, zum Beispiel, ein bereits bestehendes Material verwenden, das unter dem Namen "LASER PLANE" (eingetragene Schutzmarke) von dem Unternehmen SPECTRA PHYSICS vertrieben wird, bestehend aus einem Lasergerat nut einer Reichweite von 300 Metern und doppelter Neigungsanzeige von X und Y (0 bis 10%), zwei ungerichteten Empfängerzellen, zwei elektrischen Masten mit einer Bahn von einem Meter auf welchen die Zellen montiert sind, sowie zwei Kontrollgehäusen, mit denen man sowohl die Masten als auch die Elektroschieber verbinden kann, um die Winden der Maschine zu betätigen.
Eine andere Eigenschaft der Erfindung ist, daß man dem Mikrocomputer ständig zum einen die Länge jeder der Teleskopmasten überträgt, zum anderen die Positionen der rechten und linken Enden des Werkzeugs bzgl. des Chassis der Maschine, mithilfe eines linearen Poteniometers.
Die Abhängigkeit des Werkzeugs gemaß der z-Achse begründet sich darauf, daß die Empfänger in einer berechneten konstanten Position bzgl. des Referenzgebietes bleiben müssen. Daraus folgt, daß wenn das Werkzeug wegen Straßenunebenheiten veranlaßt wird, herunter-oder heraufzufahren, die Empfänger dem Mikrocomputer einen entsprechenden Befehl senden, der das Werkzeug sodann herauf- oder herunterfahren laßt mithilfe der Winden und Elektroschieber, durch die es an der Maschine angebracht ist. Die neue Höhe der Masten wird danach dem Mikrocomputer übermittelt.
Darüber hinaus ist das Werkzeug mit einem System versehen, daß die Masten mithilfe eines Druckknopfes stufenweise herunter- oder herauffahren laßt; dies ermöglicht eine neue Höhe des Werkzeugs in Bezug auf das Referenzgebiet.
Das obengenannte Verfahren, das eine Loslösung von Werkzeug und Maschine beinhaltet, bringt die zwei Vorteile, das Werkzeug gemaß des Längsprofils der Straße zu steuern, und es auf der gewünschten Höhe zu halten, egal, wie der Zustand der Oberfläche ist, auf der die Maschine steht, und das alles mit nur zwei sich am Ende des Werkzeugs befindlichen Masten, von denen der eine den rechten, der andere den linken Straßenrand materialisiert.
Gemäß einer anderen Eigenschaft der Erfindung verwendet man, um die Gleichung des Referenzgebietes und die der Koordinaten, die relativ zu den Kilometerpunkten stehen zu berechnen, den dreidimensionalen orthonormierten Bezugspunkt, den Geometem gut bekannt als "absoluter Bezugspunkt nach Lambert". Dieses Achsensystem, das auf einer Aufteilung des französischen Territoriums in vier Streifen basiert, ermöglicht die "planimetrische" Realisation der geometrischen Karten. Nach diesem Bezugspunkt wird die Achse der x in ansteigender Richtung nach Westen, die Achse der y wird in ansteigender Richtung nach dem geographischen Norden und die Achse der z wird in ansteigender Richtung nach dem Zenit ausgerichtet.
Der Ursprung dieses Bezugspunktes ist der südlichste und der östlichste Punkt des betrachteten Streifens.
Für die Bestimmung der Gleichung des Referenzplans bestimmt der Geometer zuerst die Position des Lasergeräts, lenkt danach ein paralleles Horizontalgebiet ins Längsprofil der Straße, bevor er die Koordinaten der vier Punkte der Geraden, die durch das Laserbündel entstanden ist, und letzteres durch einen auf einem Gradteiler ablesbaren Vertikalwinkel vermißt.
Der Geometer gibt schließlich diese Werte in den Mikrocomputer ein, der sich um die Berechnung der Gleichung kümmert, oder, richtig gesagt, um 3 durch das Gebiet festgelegte Punkte und einem vierten, der zur Bestätigung dient.
Dieser Schritt ermöglicht es, ständig zu wissen, wo sich das Referenzgebiet befindet und somit, in welcher Höhe sich die Maschine befindet; es genügt somit, das Werkzeug nach der z-Achse zu bewegen, um es in eine richtige Höhe zu bekommen.
Faßt man das vorhergehende zusammen, so kann man, wenn man die Gleichung des Referenzgebietes und die theoretische Position des Werkzeugs in zwei Punkten kennt, daraus die theoretischen Verschiebungen errechnen, die von den zwei Empfängern zwischen diesen beiden Punkten ausgeführt wurden. Um das Werkzeug auf die richtige Höhe zurückzubringen, muß man somit die Empfänger auf- oder absteigen lassen, um so das Werkzeug auf die vorherige Höhe zurückzubringen und ihn gleichzeitig auf seine neue Höhe zu bringen und folglich die Empfänger zurückzuschieben. Diese zwei Sequenzen bilden natürlich eine Einheit, und die Verschiebung der Empfänger entspricht dem Neigungswinkel der Referenz , die durch die neue ausgeführte Höhenmessungsanordnung ausgeglichen wird. Darüber hinaus muß man zu jeder durch den Mikrocomputer angezeigten Bewegung der Masten einen korrigierenden Proportionalwert beitragen, unter Berücksichtigung des Gefälles in dem Referenzgebiet bezäglich der Strecke.
Die Inangriffnahme des oben genannten Prozesses verlangt, daß man zu jedem Augenblick die Position des Werkzeugs im Gebiet x-O-y kennt. Zu diesem Zweck und gemäß einer anderen Eigenschaft der Erfindung mißt man die Position xi, yi des Werkzeugs, insbesondere jede seiner rechten und linken Enden, im Gebiet x-O-y, beginnend mit den Werten der krummlinigen Abszisse, die dem Mikrocomputer von mindestens der Hälfte der zwei Zählräder, die an der Maschine beiderseits ihrer Längsachse angebracht sind.
Solche Zahlräder sind insofern bekannt, als sie beispielsweise in dem Patent JP-A-59 112 219 beschrieben werden.
Diese Zählräder ermöglichen, wenn man die Ausgangsposition der Maschine kennt, die Strecke, die sie durchmißt, zu berechnen; weiß man, wo sich der Anfangspunkt befindet, kann man so die Positionen xi, yi des Werkzeugs und somit die entsprechende theoretische Höhenmessung erhalten.
Gemäß der Erfindung besteht jedes Zählrad aus einem Rad, das auf seinem Umfang eine Folge von Öffnungen und Flächen, und in Zusammenarbeit mit einem Sensor, der fahig ist, ihm einen elektrischen Impuls bei jeder vorbeikommenden Fläche zu senden, verbucht der Mikrocomputer die Impulse, um zu jedem Zeitpunkt die krummlinige Abszisse des Werkzeugs zu bestimmen, und somit seine Position xi, yi in dem Gebiet x-O-y.
Aus Präzisionsgränden senden die Öffnungen der Zählräder alle 4 mm einen Impuls aus.
Da der Umfang des Zählrades sich durch dem Druck, mit dem der Reifen aufgepumpt ist, variiert, kann man so eine Maximalgenauigkeit in der Größenordnung von 2 cm auf 10 Metern erreichen, was unzureichend sein kann, wenn man bedenkt, daß die Maschine zwischen fünfzehnhundert und achtzehnhundert Metern pro Tag zurücklegen kann.
Um diese Ungenauigkeit zu beheben, und gemäß einer anderen Eigenschaft der Erfindung, reaktualisiert man die durch die Zählräder erhaltene Informafion auf der Höhe der Pflöcke, die in regelmäßigen Abständen präzise plaziert wurden, besonders auf der Höhe jedes Trägerpflockes der Richtungsdrahte, die einen Abstand von zehn oder fünfzehn Metern haben
Somit beträgt die Meßungenauigkeit der Zählräder auf dieser Strecke zwei bis drei Zentimeter.
Folglich, und eingedenk der Tatsache, daß man sich in einer Seite bis 10 % befindet, was das Maximum für eine Autobahn darstellt, bewirken die 3 Zentimeter Meßungenauigkeit weniger als 2 Millimeter in der Höhenmessung, was zu vernachlässigen ist.
Um auf der von der Maschine durchmessenen Strecke eine optimale Genauigkeit zu erhalten, muß man darauf achten, daß der Druck der Zählräder dem Druck nahekommt, bei welchem die Ungenauigkeit minimal ist, und daß der Reifen im Lauf des Tages keine Luft verliert.
Um die durch die Zählräder auf der Höhe jedes Pflockes übermittelte Information zu realisieren und gemäß einer anderen Eigenschaft der Erfindung ist das Werkzeug an jedem seiner Enden mit einem hauptsächlich horizontalen metallischen Schaft versehen, der sich um die eigene Achse dreht, sobald er einen Pflock berührt, und so einen Impuls an den Mikrocomputer sendet.
Das der Erfindung gemäße Verfahren, bei dem man zwei Zählräder verwendet, d.h. eines an jeder Seite des Werkzeugs, ermöglicht es, eine genaue Information von jedem Straßenrand zu erhalten, sogar in den Kurven. Somit kann man den rechten und linken Straßenrand unabhängig voneinander behandeln.
Jeder Kontakt mit einem der Orientierungspunkten hat somit eine Auswirkung auf den Mikrocomputer und bewirkt eine Reaktualisierung des Rechensystems, ohne ein Korrigieren des Radniveaus und seines Zählsystems auszuüben. Die Impulsstärke ist daher von Beginn an eine unvariable Größe.
Gemäß einer anderen Eigenschaft der Erfindung bestimmt man, um die reelle Höhe z des Werkzeugs zu Beginn zu erhalten, einerseits die Koordinaten xi, yi, zi der Kilometerpunkte Pki und andererseits die wirklichen Koordinaten x, y, die im Gebiet x-O-y gemessen wurden, man bestimmt die Koordinaten der dem Rand des Werkzeugs am nächsten gelegenen Kilometerpunkte und davon ausgehend, berechnet man die Gleichung der zwei theoretischen Geraden, die mit dem rechten bzw. linken Straßenrand korrespondieren. Besitzt man nun die wirklichen Koordinaten der Punkte, die mit dem rechten und linken Werkzeugrand korrespondieren, so berechnet man die Gleichung der Transversalgeraden, die die Kante des Werkzeugs darstellt, die diese beiden Punkte verbindet. Man bestimmt die Koordinaten der Schnittpunkte dieser Tranversalgeraden mit den Verlängerungen der Teleskopmasten. Danach berechnet man die Gleichungen der Vertikalgeraden, die durch diese Schnittpunkte gehen, sowie die Koordinaten der Schnittpunkte dieser Vertikalgeraden mit dem Referenzgebiet, um so dem Mikrocomputer zu ermöglichen, nunmehr die gewünschte Abhängigkeit von den Informationen, die ihm ständig übermittelt werden, zu erreichen.
Gemäß einer anderen Eigenschaft der Erfindung und falls die Situation eintritt, daß die gemessenen Koordinaten x, y ergeben, daß eine der Werkzeugseiten weiter von emem Kilometerpunkt entfernt ist als der konstante vorabbestimmte Wert C, wählt man als mit diesem Straßenrand theoretische Gerade die Gerade, die die Kilometerpunkte PK i und PK i+1, zwischen denen sie sich befindet.
Nach einer anderen Eigenschaft der Erfindung, und falls die Situation eintritt, daß die gemessenen Koordinaten x, y ergeben, daß eine der Werkzeugseiten sich näher an einem Kilometerpunkt befindet, als der konstante vorabbestimmte Wert C, bestimmt man einerseits die Gleichungen der zwei Geraden, die die Kilometerpunkte PK i und PK i+1, und andererseits PK i und PK i-1 andererseits; man bestimmt auf jeder dieser Geraden die Punkte PK i + C und PK i -C, und man wählt als theoretische, mit diesem Straßenrand korrespondierende Gerade die Gerade, die die zwei Punkte PK i + C und PK i -C verbindet.
Die Eigenschaften des der Erfindung entsprechenden Verfahrens werden detaillierter und mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 wie folgt beschrieben:
- Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Installation für die Handhabung des Verfahrens entsprechend der früheren Machart,
- Figur 2 ist eine schematische Darstellung entsprechend der Figur 1, aber im Verfahrensfall entsprechend der Erfindung,
- Figur 3 entspricht einem Detail der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung,
- Figur 4 entspricht einem synoptischen Schema des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Gemaß der Figur 1, und nach der früheren Machart, ist das Nivellierungswerkzeug 1 fest am inneren Teil des Chassis 2 einer Maschine für öffentliche Bauten montiert, die sich wie angegeben in der Richtung von Pfeil A bewegt. Die Führung der Maschine gemaß der drei Koordinaten x, y und z wird mithilfe eines Bezuges, bestehend aus den Leitdrahten a, a' durch ein System von Tastern 4 in Zusammenarbeit mit hydraulischen Nivellierungswinden 5 und Elektroschiebern 6.
Gemaß der Figur 2 und nach der Erfindung, wird die Führung ab den Leitdränten nur für die Koordinaten x und y aufrechterhalten, und die Führung gem. der Achse der z ist völlig verschieden.
Auf dieser Figur wurden lediglich die Elemente vorgeführt, die mit der Führung der Maschine an einem der Straßenränder korrespondieren; die gleichartigen Elemente sind natürlich notwendig, um die Führung auf der anderen Seite zu ermöglichen.
Das Nivellierungswerkzeug list beweglich auf dem unteren Teil des Chassis 2 der Maschine für öffentliche Bauten befestigt, und diese ist sowohl mit einem Mikrocomputer 7 ausgestattet, als auch auf seinem oberen Teil mit einer im Handel erhältlichen Einheit 8, bestehend aus einem Teleskopmasten 9, an dessen Ende ein Empfänger 10 angebracht ist, der in der Lage ist, ständig in einem Laserreferenzgebiet zu arbeiten, das hauptsächlich parallel zur durch die Gerade b, b' schematisierten Straße verläuft und unabhängig erzeugt wurde.
Ein Zählrad 11 ist darüber hinaus auf das Chassis 2 der Maschine für öffentliche Bauten montiert, um jedesmal den Wert der krummlinigen Abszisse des Werkzeugs anzuzeigen, und somit ihre Koordinaten in dem Gebiet x-O-y.
Gemäß der Figur 3 ist die Höhenmessung zl des Laserempfängers 10 in jedem Augenblick gleich der Summe der alimétrie z des Werkzeugs und der Höhen HO, HN, HC und HL:
zl = Z + HO + HN + HC + HL
HO entspricht der konstanten Höhe des Werkzeugs 1,
HC entspricht der ebenso konstanten Höhe des Chassis 1,
HL entspricht der ständig automatisch variierenden Höhe des Teleskopmastens,
HN entspricht der Stellung des Werkzeugs 1 bzgl. des Chassis 2 und ist die Variable, die gemaß der Erfindung abhängig ist.
Gemaß der Figur 4 führt man vorab in den Speicher des Mikrocomputers 7 sowohl die theoretischen Koordinaten xi, yi und zi des Werkzeugs für eine gewisse Anzahl von Kilometerpunkten, als auch die Gleichung XYZ im Referenzgebiet ein.
Der Mikrocomputer 7 empfängt darüber hinaus ständig die der Höhe des Teleskopmasten 10 entsprechenden Höhenwerte HL und die Werte HN, die dem Abstand des Chassis 2 zum Werkzeug 1 entsprechen; diese Höhen werden ständig mithilfe eines Systems von Spannungsmessem gemessen, das schematisch in der Referenz 12 dargestellt wird.
Das Zahlrad 11 liefert auch augenblicklich und permanent dem Mikrocomputer 7 den Wert der krummlinigen Abszisse xi, yi des Werkzeuges 1.
Mit diesen Werten ist es dem Mikrocomputer 7 einerseits möglich, die theoretische Höhenmessung des Werkzeugs (aufgrund in seinem Speicher vorhandenen theoretischen Koordinaten xi, yi und zi, und durch einen adaptierten Interpolationsvorgang), und andererseits die reale Höhenmessung zl des Laserempfängers 10 (dank der auch i seinem Speicher vorhandenen Gleichung des Laserreferenzgebietes YXZ) zu bestimmen. Nach dem Wert der realen Höhenmessung des Laseempfängers 10 gemaß der oben genannten Gleichung, muß die der Position des Werkzeugs 1 entsprechenden Höhe HN bezüglich des Chassis 2 folgenden Wert haben:
HN = zl - HO - HC - HL - zl
Dieser Wert wird nun verglichen mit dem realen Wert, wie er mithilfe einer Regulationsöse 13 an der Höhe HN gemessen wird, und dieser Wert hängt in seine theoretischen Höhe ständig durch ein System von Elektroschiebern 14, die sich auf einer Winde 15 bewegen, von der Steuerung des Abstandes des Chassis 2 vom Werkzeug 1 ab.
Die Folge der Berechnungen und notwendigen Abhängigkeiten bei der Handhabung des Verfahrens der automatischen Führung einer Maschine für öffentliche Bauten, die diese Erfindung darstellt, wird genauer mithilfe des folgenden Beispiels beschrieben:
Die Handhabung des Verfahrens gemaß der Erfindung beinhaltet die numerische Verarbeitung der bekannten Größen und der geometrischen Maße in der Form von analogen und numerischen Werteinheiten, wie sie in der absoluten Lambertgleichung ausgedrückt und angewandt werden.
Zu diesem Zweck und zur Konkretisierung führt man vorab in den Mikrocomputer eine Zahlentabelle ein, die die theoretischen Koordinaten xi, yi und zi der Kilometerpunkte verkörpern, die den Inhalt der Betrachtung darstellen, durch den Ausweg einer geeigneten Stütze der technischen Handhabung, besonders einer Diskette; diese Tabelle hilft vom Beginn bis zu den Rechen- und Abhängigkeitsoperationen.
Die Kilometerpunkte, deren Koordinaten sich im Speicher des Mikrocomputers befinden, verkörpern die theoretischen Linien der zwei zu realisierenden Straßenränder; sie werden im folgenden PK i links und PK i rechts genannt,
i variierend von 0 bis Länge der Straße : d , wobei d der Abstand ist, der zwei aufeinanderfolgende PK trennt, der nach der Bearbeitung festgelegt wird und direkt mit der gesuchten Präzision verbunden ist.
Man gibt vorher außerdem in den Speicher des Mikrocomputers und mithilfe der dazu vorgesehenen Mittel, insbesondere einer alphanumerischen Tastatur die realen inhärenten Parameter der Geometrie der Maschine (Höhe HC des Chassis, Höhe des Werkzeugs) ein. Diese Parameter sind so ein für alle mal festgelegt, und für die gesamte Dauer der Arbeit auf einer Baustelle nicht mehr zu variieren.
Sind diese Vorarbeiten ausgeführt, so führt man auch in den Speicher des Mikrocomputers, unter Zuhilfenahme der oben genannten Mittel, Angaben ein, die eine Berechnung der Gleichung des Referenzgebietes ermöglichen: diese bestehen aus einer Matrize, die die Koordinaten der vermessenen Punkte enthalten, die aus einem Lasergebiet sind, das einem rotierenden Generator entstammt. Diese geometrischen Vermessungen müssen auf der Baustelle durchgeführt werden, wenn der Vorgang betriebsbereit ist.
Darüber hinaus ist der Mikrocomputer mit mehreren spezifischen Instrumenten verbunden, die die Durchführung der unabdingbaren geometrischen Messungen ermöglichen und in geeigneter Weise auf der Maschine für öffentliche Bauten angebracht sind; diese Instrumenteneinheit kann sich insbesondere wie folgt zusammensetzen:
- zwei Lasersensoren SPECTRA PHYSICS (eingetragene Schutzmarke),
- zwei lineare Poteniometer PENNY & GILLES (eingetragene Schutzmarke),
- zwei Zählräder HOHNER (eingetragene Schutzmarke),
- zwei Positionssensoren TELEMECANIQUE (eingetragene Schutzmarke).
Die durch diese Instrumente erhaltenen Werte können in den Mikrocomputer entweder mithilfe eines analogen numerischen Konverters, oder direkt eingegeben werden.
Hat der Mikrocomputer die gesamten obengenannten Angaben und Meßdaten erhalten, so ist er in der Lage, die gewünschten Berechnungen durchzuführen, deren logische Funktionsabschnitte im weiteren aufgeführt werden:
- die erste Stufe besteht darin, einerseits die theoretischen Koordinaten der Kilometerpunkte PK i links und PK i rechts zu berücksichtigen, und andererseits die reale krummlinige Abszisse des Werkzeugs, die mit den theoretischen krummlinigen Abszissen der Kilometerpunkte in Verbindung gebracht wird. Danach berechnet man die Gleichungen der zwei Geraden, die sich beiderseits der Längsachse der Straße befinden, und wie folgt definiert werden:
- entweder direkt durch zwei rechte und zwei linke Punkte ab der Darstellung der Kilometerpunkte, wenn das Werkzeug sich weiter von diesen Punkten wegbefindet als die für die gesamte Baustelle festgelegte Konstante C, das heißt, (vorausgesetzt man betrachtet beispielsweise nur die linke Seite), die linke Seite des Werkzeugs befindet sich zwischen:
(PKN + C) links und (PKN + I - C) links
im Falle einer Arbeit in Richtung der sich kreuzenden PK s,
- entweder durch zwei linke und zwei rechte zwischengepolte Punkte ab der Darstellung der Kilometerpunkte, wenn das Werkzeug sich naher an diesen Punkten befindet als die konstante Distanz C, das heißt (wenn man beispielsweise nur die linke Seite betrachtet), befindet sich die linke Seite des Werkzeugs zwischen:
(PKN - C) links und (PKN + C) links
im Fall einer Arbeit in Richtung der sich kreuzenden PK s,
- die zweite Stufe besteht darin, die numerischen Ahgaben zu verwenden, die durch die Meßräder der durchlaufenen krummlinigen Abszisse erhalten wurden, welche sich beidseitig der Längsachse des Werkzeugs befinden und lineare Interpolationen in den Geradengleichungen durchzuführen, die zuvor berechnet wurden, um die Koordinaten zweier Punkte zu bestimmen, welche durch die Fortbewegung des Werkzeugs seit eines örtlich und zeitlich festgesetzten Ursprungs definiert wurden,
- die dritte Stufe besteht darin, die Koordinaten dieser beiden Punkte dafur zu verwenden, um die Gleichung der Geraden zu erhalten, die durch die Schnittkante des Werkzeugs defmiert wird,
- die vierte Stufe besteht darin, die Koordinaten der Punkte zu bestimmen, die sich im Zwischenbereich dieser Geraden und der Geraden, die durch die Höhenmeßkette von Figur 3 (Laserempfänger und Teleskopmasten) definiert wurden. Dabei verwendet man einige Parameter der Baustellenausführung und bedient sich der linearen Interpolationen in der Gleichung dieser Geraden (d.h. die, die man in der dritten Stufe erhalten hat),
- die fünfte Stufe besteht darin, die Gleichungen der vertikalen Geraden zu berechnen, die durch die Punkte hindurchgehen, die der vorigen Berechnung entstammen, und im absoluten Orientierungspunkt münden.
- die sechste Stufe besteht darin, die Koordinaten der Intersektionspunkte dieser vertikalen Geraden mit dem Laserreferenzgebiet zu berechnen,
- die siebte Stufe besteht darin, mit den Hilfsmitteln der Maschine für öffentliche Bauten und einiger Werte aus vorangegangenen Berechnungen, besonders den der Höhe der in der vierten Stufe berechneten Punkte, durch Berechnung die Abstände zu bestimmen, die den zu erreichenden Abhängigkeitsanordnungen entsprechen,
- die achte Stufe besteht darin, die Werte der oben genannten Anordnung mit den entsprechenden Werten zu vergleichen, welche durch die dem Mikrocomputer beigegebenen Meßinstrumente erhalten wurden, und sich auf der Maschine für öffentliche Bauten befinden,
- die letzte Stufe besteht darin, das Werkzeug in Gang zu setzen unter der Zuhilfenahme der Elektroschieber und der Winden, die für diesen Zweck als Vergleichszeichen vorgesehen sind, bis daß der Wert sich in einem Intervall gegen 0 bewegt und beschränkt wird von der von den Fachleute geforderten Notwendigkeit der Qualität der Messung.
Das beiliegende Schema schematisiert diese verschiedenen Stufen, verbunden mit der Handhabung des Vorgangs gemäß der Erfindung. Definitionspunkte Straße Konstante Orientierungswinkel Geraden Gleichungen Höhenwinkel Maße krummlinige Abszisse Klingenposition Klingenkante Parameter Maschine Klinge Vertikale Ursprungspunkte Lasergebiet Baustelle erhobene Punkte Laser gemessen Chassis theoretisch Komparator

Claims

1º) Vorrichtung zur automatischen Führung einer Maschine für öffentliche Bauten, wie eine Maschine zur Aufbringung begründenden Schichten einer Straße, die mit einem Werkzeug ausgestattet ist, insbesondere einer Nivellienmgsklinge, mit der man eine vorbestimmte ebene Oberfläche erzielen kann; ein Vorgang, bei dem man die Verlaufspunkte der Straße vorherbestimmt, und an deren Rändern man Trägerpflöcke für Richtungsdrähte anbringt, die ständig mit der Maschine in Verbindung gehalten werden können, um ihre Fortbewegung zu führen; ein Vorgang, der wie folgt beschrieben wird:

- man befestigt das Werkzeug (1) am unteren Teil der Maschine für öffentliche Bauten dergestalt, daß die Höhe (HN) verändert werden kann, die dem Abstand des Chassis (2) dieser Maschine zum Werkzeug (1) entspricht.

- man berechnet und gibt in den Speicher eines Mikrocomputers (7), welcher mit der Maschine verbunden ist, die Koordinaten xi, yi , zi in einem dreidimensionalen orthonormierten System Oxyz einer gewissen Anzahl von Kilometerpunkten PK i, insbesondere in gleichem Abstand zu der Straße, die der theoretischen Position des Werkzeugs wänrend seines Einsatzes entspricht,

- man verwendet Orientierungsdrahte um die Maschine im Gebiet x-0-y zu führen,

- während dieser Fortbewegung mißt man kontinuierlich die Position x y des Werkzeuges im Gebiet x-0-y und überträgt diese Ergebnisse an den Mikrocomputer (7), der daraufhin durch Interpolation ab den Kilometerpunkten die entsprechende theoretische Höhenmessung z bestimmt,

- man sendet vorzugsweise ein rotierendes Laserbündel aus, das ein Referenzgebiet (bb') beschreibt, welches hauptsächlich parallel zu der Straße verläuft, und von dem man die Gleichung berechnet, bevor man sie in den Speicher des Mikrocomputers (7) eingibt, um ihm die Berechnung der realen Höhe des Werkzeugs zu ermöglichen,

- man befestigt am oberen Teil des Chassis (2) mindestens eine Einheit (8), bestehend aus einem Teleskopmasten (9), hauptsächlich vertikal mit variabler Höhe (HL), an dessen Ende ein Empfänger (10) angebracht ist, der dergestalt abhängig ist, daß er ständig im Referenzlasergebiet (bb') gehalten werden kann,

- man mißt ständig die Höhe (HL) des Teleskopmasten (9) und die Höhe (HN), die dem Abstand des Chassis (2) zum Werkzeug (1) entspricht, und man übermittelt die so gemessenen Höhen dem Mikrocomputer (7),

- man bestimmt ständig die Höhe (zl) des Empfängers (10) ab der Gleichung des Referenzgebiets,

- man folgert daraus die reale Höhe z des Werkzeugs mithilfe der Formel:

z = Zl - (H0 + HN + HC + HL) in welcher HO der konstanten Höhe des Werkzeugs (1) entspricht, während HC der konstanten Höhe des Chassis (2) entspricht,

- man vergleicht die so errechnete reale Höhe mit der theoretischen Höhe des Werkzeugs (1), die zuvor durch Interpolation ab den Kilometerpunkten festgelegt wurde,

- man verändert, falls notwendig, daraufhin die Höhe (HN), die dem Abstand des Chassis (2) zum Werkzeug (1) entspricht, damit die realen und die theoretischen Höhen des letzteren übereinstimmen.

2º) Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf das Chassis (2) der Maschine zwei Empfänger (10) anbringt, die mit zwei Teleskopmasten (9) zusammenarbeiten, die entsprechend beidseitig der Längsachse der Maschine angebracht sind, auf der Höhe der Enden des Werkzeugs (1), und von denen der eine den linken, und der andere den rechten Straßenrand verkörpert.

3º) Verfahren gemäß dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ständig dem Mikrocomputer (7) sowohl die Länge (HL) jedes Teleskopmasten (9), als auch die Position (HN) der rechten und linken Enden des Werkzeugs bzgl. des Chassis (2) der Maschine überträgt.

4º) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Koordinaten xi, yi, zi der Kilometerpunkte (PK i) berechnet, desgleichen die Gleichung des Referenzgebiets (bb') in einem dreidimensionalen orthonormierten Bezugspunkt, genannt "Bezugspunkt nach Lambert", bei der die Achse der x in ansteigender Richtung nach Westen, die Achse der y in ansteigender Richtung nach dem geographischen Norden und die Achse der z in ansteigender Richtung nach dem Zenit ausgerichtet wird.

5º) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Position xi, yi des Werkzeugs (1) mißt, besonders jedes seiner rechten und linken Enden im Gebiet x-0-y ab den Werten der krummlinigen Abszisse, die dem Mikrocomputer (7) durch mindestens eine, besser zwei Zählräder (11) übertragen werden, welche beidseitig an der Längsachse der Maschine angebracht sind.

6º) Verfahren gemäß dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die von den Zählrädern (11) erhaltene Information auf der Höhe der Pflöcke reaktualisiert, welche prazise m gleichmäßigen Abständen aufgestellt wurden.

7º) Verfahren gemäß dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Chassis der Maschine an seinen beiden Seiten, gerade an den Enden des Werkzeugs (1) mit einem metallenen Schaft versehen wird, die hauptsächlich horizontal in der Lage ist, sich um die eigene Achse zu drehen, um dem Mikrocomputer (7) einen Impuls zu senden.

8º) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man, um die reale Höhe z des Werkzeugs (1) zu erhalten sowohl ab den Koordinaten xi, yi, zi der Kilometerpunkte PK i, als auch der realen, im Gebiet x-0-y gemessenen Koordinaten x, y, die Koordinaten der Kilometerpunkte bestimmt, welch den Enden des Werkzeugs (1) am nächsten sind, und ausgehend von diesen berechnet man die Gleichung der zwei theoretischen Geraden, die jeweils dem linken und dem rechten Straßenrand entsprechen. Da man nun die Koordinaten der realen dem linken und rechten Ende des Werkzeugs (1) entsprechenden besitzt, berechnet man die Gleichung der transversalen Geraden, welche der Kante des Werkzeugs entspricht, die diese beiden Punkte verbindet, man bestimmt die Koordinaten der Intersektionspunkte dieser transversalen Geraden mit den Verlängerungen der Teleskopmasten (9), dann berechnet man die Gleichung der vertikalen Geraden, die durch diese Intersektionspunkte hindurchgehen, sowie die Koordinaten der Intersektionspunkte der vertikalen Geraden mit dem Referenzgebiet (bb'), um so dem Mikrocomputer (7) die Handhabung der gewünschten Abhängigkeit von den ihm übermittelten Informationen zu ermöglichen.

9º) Verfahren gemäß dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß, gesetz den Fall, die gemessenen Koordinaten x, y ergeben, daß eine der Seiten des Werkzeugs (1) von einem Kilometerpunkt weiter entfernt ist, als die konstante, vorher festgelegte Größe C, man als theoretische, diesem Straßenrand entsprechende Gerade jene wählt, die die Kilometerpunkte PK i und PK i&sbplus;&sub1; verbindet, zwischen denen es sich befindet.

10º) Verfahren gemäß dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß, gesetz den Fall, die gemessenen Koordinaten x, y ergeben, daß eine der Seiten des Werkzeugs (1) sich näher an einem Kilometerpunkt PK i befindet, als die konstante, vorher festgelegte Größe C, man die Gleichungen der zwei Geraden, die entsprechend die Kilometerpunkte PK i und PK i&sbplus;&sub1; einerseits, und PK i und PK i&submin;&sub1; andererseits bestimmt. Man bestimmt auf jeder dieser Geraden die Koordinaten der Punkte PK i + C und PK i - C, und man wahlt als theoretische entsprechende Gerade an diesem Straßenrand die Gerade aus, die die zwei Punkte PK i + C und PK i - C verbindet.