DE69430663T2

DE69430663T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Maschinen zur Änderung der Topologie einer Baustelle

Info

Publication number: DE69430663T2
Application number: DE69430663T
Authority: DE
Inventors: J. Gudat; R. Harrod; E. Henderson; W. Kleimenhagen
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2014-11-19
Also published as: JP3645568B2; CA2152960A1; AU1056395A; JPH08506870A; AU682422B2; ZA948824B; CN1117317A; EP0682786A1; WO1995016228A1; US5631658A; EP0682786B1; DE69430663D1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf die Arbeitsweise eine Maschine zum Ändern der Geographie eines Arbeits- oder Bauplatzes und insbesondere auf die Echtzeitzeit-Erzeugung und Verwendung von Daten, welche gemeinsam die Geographie eines Arbeits- oder Bauplatzes darstellen, während die Geographie von der Maschine zu einem gewünschten Zustand hin verändert wird.
Der Begriff "Geographie-Änderungs-Maschine", wie er in dieser Patentbeschreibung verwendet wird, sowie die verschiedenen Annäherungen daran beziehen sich auf selbstgetriebene mobile Maschinen, wie Raupenschlepper bzw. -traktoren (Planierraupen), Planiermaschinen (Grader) und Asphaltiermaschinen, welche folgendes aufweisen: (1) eine Mobiliät über oder durch einen Bauplatz als Ergebnis ihrer Ausstattung mit einer Antriebsmaschine (wie beispielsweise einem Motor) auf einem Rahmen, welcher den Rahmen tragende Räder oder Raupenfahrwerke antreibt, und (2) die Fähigkeit, die Geographie eines Bauplatzes als Ergebnis des Vorsehens eines Werkzeugs oder eines Werkzeugsatzes, wie einer Planierschild, einer Schaufel, einer Löffelbaggerschaufel, eines Aufreißhakens oder ähnlichem, auf dem Rahmen. Maschinen wie Raupenschlepper bzw. -traktoren (Kettendozer), Planiermaschinen (Grader) und Asphaltiermaschinen werden normalerweise als "Erdbewegungsmaschinen oder -geräte" bezeichnet und es ist verständlich, dass diese Maschinen eine Unterkategorie der Geographie-Änderungs- Maschinen darstellen, mit denen sich diese Erfindung befasst.

Hintergrund der Erfindung

Trotz der Entwicklung von hoch entwickelten und leistungsfähigen Erdbewegungsmaschinen bleibt es eine zeitaufwändige und arbeitsintensive Aufgabe, die Topographie eines großen Geländes neu zu formen bzw. zu konturieren, oder die Geographie eines Arbeits- oder Bauplatzes bzw. einer Einsatzstelle, wie beispielsweise eine Baustelle, eine Mine bzw. ein Bergwerk, eine Straße oder ähnliches, auf andere Weise zu verändern. Solche Vorgänge beinhalten manchmal die Notwendigkeit einer Vermessung, welche derzeit mittels optischer Sichtlinieninstrumente oder anderer statischer, punktweiser Vermessungstechniken ausgeführt wird, um Koordinaten einer großen Anzahl von über den Bauplatz verteilten Punkten zu erhalten und danach ein dreidimensionales Modell des Geländes zu erstellen. Aus der Vermessung wird ein Architekturplan oder eine Zielgeographie entwickelt. Danach wird das Gelände mit verschiedenfarbigen Pfosten sorgfältig markiert, um physische Anhaltspunkte für den Führer der Erdbewegungsmaschinen wie Planierraupen vorzusehen im Bezug darauf, wie die Maschine geführt werden soll, um den Bauplatz von dem ursprünglichen Zustand in den gewünschten Zustand zu verändern. Nur die geübtesten und erfahrensten Führer können Effizienz im Verändern eines großen Geländes erreichen, wobei eine solche Schwierigkeit teilweise von dem Fehlen von groben wie auch detaillierten Informationen über die erzielten Fortschritte beim Umformen des Geländes herrührt.
Im Ergebnis sind die meisten Projekte, welche die Veränderung der Geographie von großen Baustellen zeitaufwändig und arbeitsintensiv durch die Erfordernis von Fachleuten und großen Teams, um die Arbeitsweise der Erdbewegungsmaschinen und ähnlichem zu steuern.
Um Kenntnis über das Ausmaß zu erlangen, in welchem die ursprüngliche Geographie des Geländes es in Übereinstimmung mit der gewünschten Geographie des Geländes gebracht worden ist, wird zusätzlich der Betrieb häufig unterbrochen, während ein Vermessungsteam den aktuellen Umfang des Fortschritts prüft und die Pfostensetzung und Markierung des Geländes und Geländemodells manuell auf den neuesten Stand bringt. Zwischen diesen gelegentlichen Prüfungen haben die Maschinenführer keine tatsächlich genauen Möglichkeiten zum Messen ihres Echtzeit-Fortschritts.
EP-A-0 139 292 beschreibt eine Navigationsvorrichtung zum Steuern eines mobilen Systems entlang einem vorbestimmten Weg, wobei ein durch Vermessung eines tatsächlichen Umfelds erhaltenes Bild mit einem vorhergesagten Bild, welches im Voraus gespeichert ist, verglichen wird, und ein Steuersignal wird an das mobile System geliefert auf der Grundlage der Bilder.
WO-A-910357 bezieht sich auf ein System zum Positionieren und Navigieren eines autonomen oder selbständigen Fahrzeugs, wobei das System eine Bewegung des Fahrzeugs zwischen Standorten gestattet bzw. ermöglicht. Die Positionsinformation wird von Satelliten eines globalen Positionierungs-Systems (GPS) bezogen oder von anderen Quellen, wenn die Satelliten nicht im Sichtbereich des Fahrzeugs sind. Die Navigation des Fahrzeugs erfolgt durch die Verwendung von Positionsinformation, Routeninformation, Daten zum Detektieren und Vermeiden von Hindernissen und bordeigenen bzw. im Fahrzeug vorhandenen Daten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung liefert eine Lösung für die seit langem bestehenden Probleme des Betriebs der Maschinen zur genauen und effizienten Veränderung der Geographie eines Bauplatzes in den gewünschten Zustand. Die vorliegende Erfindung erreicht eine solche Geographie-Änderung ohne Erfordernis von physischen Markierungen auf dem Gelände als Anhaltspunkt für den Führer, wobei nur solche Unterbrechungen des Betriebs auftreten, wie sie beispielsweise zum Auftanken der Maschinen und mit minimalem Erfordernis eines Teams notwendig sind.
Im Allgemeinen wird dies erreicht durch das Vorsehen einer digitalen Datenspeicherungs-, -abruf- und -verarbeitungseinrichtung, welche per se auf der mobilen Maschine angeordnet sein kann oder von der Maschine entfernt stationiert ist, aber mit ihr beispielsweise durch Funkverbindung verbunden ist zum Speichern, tatsächlichen Erzeugen und Modifizieren eines digitalen dreidimensionalen Modells des Geländes, wie es zu dem gegebenen Zeitpunkt besteht, sowie eines digitalen Modells des Geländes, wie es beispielsweise ein Architekt wünscht.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Mechanismus, durch welchen die exakte Position der mobilen Maschine im dreidimensionalen Raum, oder in bestimmten Fällen des von der Maschine getragenen Erdeingriffswerkzeugs, akkurat in Echtzeit bestimmt wird; d. h. während es die Geographie des Geländes verändert, um dadurch das digitale dreidimensionale Modell punktweise und in Echtzeit zu aktualisieren, während die Maschine sich darauf oder dadurch bewegt. Wie im Folgenden beschrieben ist, umfaßt die bevorzugte Anwendung bzw. Implementierung der Erfindung die Verwendung eines Phasendifferenz-GPS (Global Positioning System)-Empfangssystems, welches in der Lage ist, ein Objekt präzise und zentimetergenau im dreidimensionalen Raum zu erfassen bzw. zu orten.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner Mittel zum Vergleichen des gewünschten digitalen drei-dimensionalen Geländemodells mit dem kontinuierlich aktualisierten tatsächlichen digitalen drei-dimensionalen Geländemodells und zum Erzeugen von Signalen, die den Grad der Änderung repräsentieren, welcher an einer großen Zahl von Koordinaten über oder durch die Baustelle hinweg benötigt wird, um das tatsächliche oder Ist-Modell mit dem gewünschten oder Soll-Modell in Übereinstimmung zu bringen. Diese Signale können in einem Fall Echtzeitanzeigen auf der Maschine oder entfernt davon vorsehen, um dem Führer in Echtzeit Hinweise über den tatsächlichen Fortschritt der Maschine zu geben sowie innerhalb eines Referenz- oder Bezugsrahmens, welcher Information hinsichtlich mindestens eines wesentlichen Teils des Gesamtgeländes liefert. Gemäß einem weiteren, nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Signale, die die Differenzen zwischen dem gewünschten und dem tatsächlichen Modell repräsentieren, auf automatische Echtzeitsteuerungen der Maschine selbst oder eines Teils davon, oder von beidem, angewandt.
In einer bevorzugten Form ist mindestens ein Teil des Positionsbestimmungsmechanismus oder -systems auf der Maschine selbst getragen, während sie das Gelände überquert. Wenn die Maschine ein separates Erdeingriffswerkzeug umfaßt, kann das Positionsbestimmungssystem auf dem Werkzeug selbst angebracht werden. Wenn das Werkzeug selbst bezüglich des Maschinenrahmens oder Fahrwerks beweglich ist, wie zum Beispiel eine hydraulisch zu betätigendes Planierschild, eine Löffelbaggerschaufel, oder ein Schürfkübel, kann das Werkzeug mit Mitteln zum Bestimmen seiner Höhenlage relativ zur Oberfläche des Geländes ausgestattet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern der Arbeitsweise einer mobilen Geographieänderungsmaschine vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen und Speichern, und zwar in digitalen Datenspeicher- und -abrufmitteln, eines ersten dreidimensionalen geographischen Geländemodells, welches die gewünschte Geographie des Geländes darstellt, und eines zweiten dreidimensionalen geographischen Geländemodells, welches die tatsächliche Geographie des Geländes darstellt, und danach Generieren oder Erzeugen von digitalen Signalen, welche in Echtzeit die augenblickliche Position einer Geographie-Änderungs-Maschine oder eines davon getragenen Werkzeugs im dreidimensionalen Raum repräsentieren, während die Maschine das Gelände überquert und verändert, Nutzen der digitalen Signale zum Aktualisieren des zweiten Modells, Bestimmen der Differenz zwischen dem ersten Modell und dem aktualisierten zweiten Modell, und Steuern der Arbeitsweise der Maschine in Übereinstimmung mit der Differenz, um so das aktualisierte zweite Modell in Übereinstimmung mit dem ersten Modell zu bringen.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Schritt des Steuerns der Maschine ausgeführt durch Vorsehen einer Anzeige für den Maschinenführer, welche den Führer in Echtzeit informiert über die augenblickliche Position der mobilen Maschine relativ zum Bauplatz, die Veränderungen, die erforderlich sind, um das Gelände in Übereinstimmung mit dem ersten dreidimensionalen Modell zu bringen, und den tatsächlichen Fortschritt, welcher hinsichtlich der Realisierung des ersten Modells gemacht wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Schritt des Steuerns der Arbeitsweise der Maschine auf automatische oder halbautomatische Weise ausgeführt, indem tatsächlich gearbeitet bzw. betätigt wird durch elektrohydraulische Betätiger zum Kontrollieren der Position, Höhe und Bewegungsrichtung der Maschine und/oder des davon getragenen Erdveränderungswerkzeugs.
In einer bevorzugten Form wird mindestens ein Teil der Positionsbestimmungsmittel auf der Maschine selbst getragen, während sie das Gelände überquert. Wenn die Maschine ein separates Erdeingriffswerkzeug trägt, kann das Positionsbestimmungssystem auf dem Werkzeug selbst installiert werden. Wenn das Werkzeug selbst relativ zum Maschinenrahmen oder Fahrwerk beweglich ist, kann das Werkzeug mit Mitteln zum Bestimmen seiner Höhenlage bezüglich der Oberfläche des Geländes ausgestattet sein.
Wie im Folgenden genauer beschrieben ist, können sowohl die Aspekte der Vorrichtung wie auch des Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weise erreicht werden; beispielsweise können die digitale Datenspeicher- und -abrufeinrichtung wie auch die Mittel zum Aktualisieren und Differenzieren von und auf der Maschine getragen werden als Teil eines integralen und umfassenden bordeigenen Maschinensystems. Alternativ können diese Mittel auf einer Einrichtung angeordnet sein, welche außerhalb des Geländes oder in der Nähe befindet, zum Übertragen von visuellen Anzeigesignalen oder automatischen Steuerungssignalen an die Maschine und zum Empfangen der aktualisierten Positions- und Geländeinformationen von der Maschine während ihres Betriebs.
Wie im Folgenden im Detail beschrieben wird, kann die Geographie-Änderungs- Maschine ein Erdbewegungsgerät sein wie beispielsweise eine Planierraupe (Kettendozer), eine Planiermaschine (Grader) oder eine Asphaltiermaschine. Die Maschine kann auch in der Lage sein zum Betrieb im oder unter dem Boden, wie zum Beispiel die mobilen Maschinen, welche zum Betrieb in Tagebau oder Untertagebau verwendet werden, je nach den Fähigkeiten des verwendeten Positionierungssystems.
In der bevorzugten Form werden die Aspekte des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung umgesetzt durch die Verwendung von dreidimensionalen Positionsinformationen, welche abgeleitet wird von globalen Positionierungssatelliten, unter Verwendung eines Phasendifferenz-GPS- Empfangssystems. Solche GPS-Empfänger verwenden Signale von globalen Positionierungssatelliten wie ein Differenzsignal von einem lokalen Referenzempfänger mit bekannten Positionskoordinaten, um die Daten der Positionskoordinaten zentimetergenau zu generieren. Demnach weist die Vorrichtung zum Ausführen der Erfindung in der bevorzugten Form einen GPS-Empfänger auf, der sowohl GPS- wie auch lokale Signale empfangen kann und, wenn kein lokales Referenzsignal auf einem geodätisch vermessenen Gelände verfügbar ist, einen temporär vermessenen Differenzial-Empfänger/Sender zum Versorgen der lokalen Datenverarbeitungsvorrichtung mit einem Korrektursignal.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Mittel vorhanden zum präzisen Generieren und Steuern von Anzeigen, welche geeignet sind zum Gebrauch bei der Durchführung des Betriebs zum Verändern der Geographie von Geländen wie Bauplätzen, Bergwerken und Straßen, um so präzise den von der mobilen Maschine gemachten Fortschritt auf einer inkrementellen Basis darzustellen, worin die Felder der Anzeigeeinheit mit der Abtastfrequenz des GPS-Empfängers und des digitalen Prozessorsystems überstimmen können oder nicht. Wie im Folgenden beschrieben wird, ist das Gelände oder ein praktisch darstellbarer Teil davon untergliedert in eine kontinuierliche Matrix von Feldeinheiten von einer solchen Größe, dass die mobile Maschine diese Feldeinheiten in einer Frequenz überqueren kann, welche größer ist als die Abtastfrequenz des GPS-Empfängers und der Datenverarbeitungseinheit. Es sind Algorithmen vorgesehen, welche die physischen Parameter und Dimensionen des Erdveränderungs-Werkzeugs oder -Instruments und das Verhältnis davon zu der physischen Maschine und ihrem Bewegungsweg berücksichtigen. Die Feldeinheiten der Anzeige werden ausgefüllt, koloriert, überarbeitet oder in sonstiger Weise verändert gemäß den Fortschrittsinformationen, welche von dem GPS Empfänger oder einem anderen Positionierungssystem und der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung abgeleitet werden, und zwar in Übereinstimmung mit den im Folgenden beschriebenen Gesetzmäßigkeiten des Algorithmus, welcher in der digitalen Datenverarbeitungseinheit implementiert ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Echtzeitweg der Maschine relativ zu dem Gelände zwischen den Positionsdaten bestimmt mittels eines differenzierendes Algorithmus', welcher eine effektive Breite eines geographieverändernden Teils der Maschine bestimmt, welcher kleiner oder gleich ihrer tatsächlichen Breite ist, und jeden Teil des Geländemodells aktualisiert, den die effektive Breite überquert. In einer bevorzugten Form wird die momentane Position der Maschine beim Überqueren des Geländes ermittelt als eine Serie von Koordinatenpunkten auf dem Geländemodell. Wenn die Frequenz oder Geschindigkeit, mit der die Koordinatenpunkte ermittelt werden, nicht synchron ist mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Maschine über die Feldeinheiten oder Rasterelemente des Geländes hinweg, bestimmt der differenzierende Algorithmus die Feldeinheiten, welche mit dem geographie-verändernden Teil der Maschine zwischen den Koordinatenpunkten überquert werden. Wenn der geographie-verändernde Teil von einer kontinuierlichen Breite ist, zum Beispiel ein Planierschild- oder Schürfkübelelement, setzen die effektiven Parameter des Planierschilds vorzugsweise weniger als ihre tatsächlichen Parameter, um sicherzustellen, dass nur die Teile des Geländes, welche tatsächlich mit dem Planierschild bearbeitet werden, ausgefüllt, koloriert, überarbeitet oder sonst wie verändert oder markiert werden, um die Veränderungen des Geländes und die gegenwärtige Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem gewünschten Geländemodell aufzuzeigen.
Wie noch ausführlicher beschrieben wird, kann eine anfängliche Geländevermessung auf verschiedene Arten erfolgen, um das erste dreidimensionale geographische Geländemodell zu erstellen. In einem Ausführungsbeispiel oder einer Anwendung der Erfindung kann das erste Modell durch herkömmliche, dem Stand der Technik entsprechende Geländevermessungsverfahren erzeugt werden und danach werden die Daten einer solchen, dem Stand der Technik entsprechenden Vermessung gemäß den physischen und Datenverarbeitungsanforderungen des jeweils verwendeten Digitalisierungs- und Datenverarbeitungssystems digitalisiert. Alternativ kann das tatsächliche Geländegeographiemodell durch Überqueren des Geländes mit der Geographie-Änderungsmaschine selbst erzeugt werden, oder durch die Verwendung von Spezialmaschinen und/oder Fahrzeugen, welche für die Gegebenheiten geeignet sind. Zum Beispiel kann ein glattes, relativ feines topographisches Gelände von einem Transportlastwagen überquert werden, wogegen ein weniger feines und rauheres Gelände ein Spezialfahrzeug erfordern kann oder sogar einen Empfänger, eine Digitalisierungs- und/oder Speichereinrichtung, welche(r) von einer Person getragen wird, die das Gelände zu Fuß überquert. In einer weiteren Alternative kann ein relativ schwieriges Gelände aus der Luft vermessen werden mittels einer Stereofotografie- oder Holografieausrüstung. Gemäß noch einer weiteren Alternative kann die Bodengeologie vermessen werden durch oder mittels der Gewinnung einer Vielzahl von Kernproben an verschiedenen Stellen und in verschiedenen Tiefen zum Erstellen von Untergrundgeländemodellen aus diesen Proben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Maschinenpositionierungs- und -steuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, welche verwendet werden kann in Verbindung mit dem Empfang und der Verarbeitung von GPS-Signalen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine detaillierte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Systems aus Fig. 2 unter Verwendung der GPS- Positionierung;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Bauplatzes, einer Geographie-Änderungs-Maschine und eines Positionierungs- und Steuersystems gemäß einem veranschaulichenden erdformenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4A zeigt eine alternative Anordnung des auf der Maschine angeordneten Positionierungssystems aus Fig. 4;
Fig. 5A-5B sind graphische Reproduktionen eines beispielhaften digitalisierten Geländemodells, wie es bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 6A-6D sind repräsentative Echtzeit-Führer-Anzeigen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung generiert werden für einen Erdverformungsbetrieb wie in Fig. 4;
Fig. 7A-7D sind Flussdiagramm-Darstellungen einer dynamischen Geländedatenbank gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung des Systems der vorliegenden Erfindung einschließlich eines automatischen Maschinensteuersystems mit geschlossenem Regelkreis.

Beschreibung der Erfindung

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Mittels eines bekannten dreidimensionalen Positionierungssystems mit einer externen Referenz, zum Beispiel einem 3-D- Laser, GPS, GPS/Laser-Kombinationen oder Radar, werden Maschinen- oder Werkzeugpositionskoordinaten in Block 100 bestimmt, während die Maschine sich über das Gelände bewegt. Diese Koordinaten werden bei 102 sofort als eine Serie von diskreten Punkten an einen differenzierenden Algorithmus geliefert. Der differenzierende Algorithmus berechnet die Maschinenposition und den Weg in Echtzeit. Digitalisierte Modelle der tatsächlichen und gewünschten Geländegeographie werden geladen oder gespeichert im Block 104, einer zugänglichen digitalen Speicher- und Abrufeinrichtung, zum Beispiel einem lokalen digitalen Computer. Der differenzierende Algorithmus 102 ruft die Geländemodelle von 104 ab, manipuliert oder aktualisiert sie und generiert bei 106 eine dynamische Geländedatenbank der Differenz zwischen dem tatsächlichen Gelände und dem gewünschten Geländemodell, wobei er das tatsächliche Geländemodell in Echtzeit aktualisiert, sobald neue Positionsinformationen vom Block 100 empfangen werden. Dieses dynamisch aktualisierte Geländemodell wird dann dem Führer im Anzeigeschritt 108 zur Verfügung gestellt, wobei Echtzeitpositions-, Richtungs- und Geländegeographie-/-topographieaktulaisierungen bzw. -Updates in für Menschen lesbarer Form vorgesehen sind. Unter Verwendung der Information aus der Anzeige kann der Führer bei 109 die manuelle Steuerung der Maschine überwachen und lenken.
Zusätzlich oder alternativ kann die dynamische Update- bzw. Aktualisierungsinformation bei 110 an ein automatisches Maschinensteuerungssystem geliefert werden, beispielsweise an ein elektrohydraulischen Steuerungssystem des Typs, der von Caterpillar Inc. entwickelt wurde und der zum Betreiben der verschiedenen Pumpen, Ventile, Hydraulikzylinder, Motor-/Lenkungsmechanismen und anderen in Geographie-Änderungs-Maschinen verwendeten Steuerungen verwendet wird. Die elektrohydraulischen Steuerungen können einem Führer Unterstützung bei der Verringerung der Maschinenarbeit bieten und die manuellen Steuerungen einschränken, wenn die vorgeschlagene Aktion des Führers beispielsweise die Maschine überlasten würde. Alternativ kann die Geländeupdateinformation von der dynamischen Datenbank verwendet werden zum Vorsehen einer vollautomatischen Maschinen-/Werkzeugsteuerung.
Aus dem Vorherigen wird klar, dass mit dem vorliegenden Verfahren das anfängliche, tatsächliche Geländegeographie-/-topographiemodell von der Maschine selbst generiert werden kann auf vorher nicht vermessenem Gelände. Einfach durch Bewegen der Maschine über ein vorgesehenes Gelände in einem regelmäßigen Muster kann die Geographie des Geländes ermittelt werden relativ zu dem gewünschten Architekten-Geländemodell, welches auf 104 geladen ist. Nachdem die Maschine das gesamte Gelände überquert hat, um seine tatsächliche Geographie genau zu bestimmen, kann das tatsächliche Geländemodell dann bei 106 in Echtzeit überwacht und aktualisiert werden, während die Maschine die tatsächliche Geographie in Übereinstimmung mit dem gewünschten Geländemodell bringt.
Bezug nehmend auf Fig. 2 wird eine Vorrichtung zur Verwendung im Zusammenhang mit dem Empfang und der Verarbeitung von GPS-Signalen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung als Blockdiagramm gezeigt und weist folgendes auf: eine GPS-Empfängervorrichtung 120 mit einer lokalen Referenzantenne; einen digitalen Prozessor 124, welcher einen differenzierenden Algorithmus verwendet und angeschlossen ist zum Empfang von Positionssignalen von 120; eine digitale Speicher- und Abrufeinrichtung 126, auf welche von dem Prozessor 124 zugegriffen und die von ihm aktualisiert werden kann, und eine Führeranzeige und/oder automatische Maschinensteuerung 128, welche Signale von dem Prozessor 124 empfängt.
Das GPS-Empfängersystem 120 umfaßt eine Satellitenantenne, welche Signale von GPS-Satelliten empfängt, und eine lokale Referenzantenne. Das GPS- Empfängersystem 120 verwendet Positionssignale von der Satellitenantenne und Differenzkorrektursignale von der lokalen Referenzantenne zum Generieren von Positionskoordinaten in drei Dimensionen für die zentimetergenaue Bewegung von Objekten. Alternativ können die Rohdaten von der Referenzantenne von dem System verarbeitet werden, um die Differenzkorrektur zu ermitteln.
Diese Positionsinformation wird an den digitalen Prozessor 124 auf Echtzeitbasis geliefert gemäß der Koordinaten-Abtastrate des GPS-Empfängers 120. Die digitale Speichereinrichtung 126 speichert ein erstes Geländemodell der gewünschten Geländegeographie, beispielsweise gemäß einem Bauplan, und ein zweites, digitalisiertes Modell der tatsächlichen Geländegeographie, beispielsweise wie anfänglich vermessen. Auf das Geländemodell, welches der tatsächlichen Geländegeographie entspricht, kann zugegriffen werden und es kann aktualisiert werden, und zwar in Echtzeit von dem digitalen Prozessor 124, wenn er neue Positionsinformationen von dem GPS-Empfänger 120 erhält.
Der digitale Prozessor 124 generiert weiterhin Signale, die die Differenz zwischen dem kontinuierlich aktualisierten Geländemodell und dem Bauplan darstellen. Diese Signale werden der Führeranzeige und/oder automatischen Maschinensteuerung bei 128 zur Verfügung gestellt, um den Betrieb der Maschine auf dem Gelände zu lenken, so dass das aktualisierte tatsächliche Geländemodell in Konformität mit dem Bauplan gebracht wird. Die Führeranzeige 128 sieht beispielsweise eine oder mehrere visuelle Darstellungen der Differenz zwischen dem tatsächlichen, kontinuierlich aktualisierten Geländemodell und dem gewünschten Geländemodell vor, um den Führer bei dem Betrieb der Maschine für den erforderlichen Geographie-Änderungs-Betrieb anzuleiten.
Bezug nehmend auf Fig. 3 ist darin eine detailliertere schematische Darstellung eines Systems gemäß Fig. 2 gezeigt, wobei ein kinematisches GPS für die Positionsreferenzsignale verwendet wird. Ein Basis-Referenz-Modul 40 und ein Positionsmodul 50 bestimmen zusammen die dreidimensionalen Koordinaten der Geographie-Änderungs-Maschine relativ zu dem Gelände, während ein Update-/Steuermodul 60 diese Positionsinformationen in Echtzeitdarstellungen des Geländes umwandelt, welche zur genauen Überwachung und Steuerung der Maschine verwendet werden können.
Das Basis-Referenz-Modul 40 umfaßt einen stationären GPS-Empfänger 16; einen Computer 42, der Eingaben von dem Empfänger 16 erhält; eine Referenz-Empfänger-GPS-Software 44, temporär oder permanent gespeichert in dem Computer 42; einen Standard-Computerbildschirm 46; und eine digitale Transceiver-artige Funkstation 48, welche an den Computer angeschlossen ist und einen digitalen Datenfluss übermitteln kann. In dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel ist der Basis-Referenz-Empfänger 16 ein hoch genauer kinematischer GPS-Empfänger; der Computer 42 ist beispielsweise ein 486DX Computer mit einer Festplatte, 8 MB RAM, zwei seriellen Kommunikationsanschlüssen (com ports), einem Druckeranschluß, einem Anschluß für einen externen Monitor und einem Anschluß für eine externe Tastatur; der Bildschirm 46 ist ein Farb-LCD mit passiver Matrix; und die Funkstation 48 ist ein handelsüblicher digitaler Datentransceiver (Sender/Empfänger).
Das Positionsmodul 50 umfaßt einen passenden kinematischen GPS- Empfänger 18, einen passenden Computer 52, der Eingaben von dem Empfänger 18 erhält, eine kinematische GPS-Software 54, permanent oder temporär gespeichert in dem Computer 52, einen Standard-Bildschirm 56 und eine passende Transceiver-artige Funkstation 58, welche Signale von der Funkstation 48 in dem Basis-Referenz-Modul 40 empfängt. In dem illustrativen Ausführungsbeispiel ist das Positionsmodul 50 auf der Geographie-Änderungs- Maschine angeordnet, um sich mit ihr über den Baugrund zu bewegen.
Das Update-/Steuermodul 60, welches in dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel ebenfalls an Bord der Maschine getragen wird, umfaßt einen zusätzlichen Computer 62, der Eingaben von dem Positionsmodul 50 erhält; ein oder mehrere digitalisierte Geländemodelle 64, welche digital in dem Computerspeicher gespeichert oder geladen sind; und einen Farbbildschirm für die Führeranzeige 22, welche an den Computer angeschlossen ist. Anstelle von oder zusätzlich zu der Führeranzeige 22 können automatische Führer- bzw. Bedienungssteuerungen 70 an den Computer angeschlossen sein, um Signale zum eigenständigen oder halb-eigenständigen Betrieb der Maschine in bekannter Weise zu erhalten.
Obwohl das Update-/Steuermodul 60 hier auf der mobilen Maschine angebracht gezeigt ist, können einige oder alle Teile entfernt angebracht sein. Beispielsweise kann der Computer 62, das Geländemodell bzw. die Geländemodelle 64 und die dynamische Datenbank 66 mittels einer Funkverbindung an das Positionsmodul 50 und die Führeranzeige 22 oder die Maschinensteuerungsschnittstellen 70 angeschlossen sein. Die Positions- und Geländeaktualisierungsinformationen können dann zu und von der Maschine gesendet werden zur Anzeige oder zur Verwendung durch Führer oder Überwacher, und zwar sowohl auf der Maschine als auch entfernt davon.
Die Basis-Referenz-Station 40 ist an einem Punkt von bekannten dreidimensionalen Koordinaten relativ zum Bauplatz befestigt. Durch den Empfänger 16 erhält die Basis-Referenz-Station 40 die Positionsinformation von einer GPS- Satellitenkonstellation mittels der GPS-Referenzsoftware 44 zum Ableiten eines augenblicklichen Fehlerhäufigkeits- oder Korrekturfaktors in bekannter Weise. Dieser Korrekturfaktor wird von der Basisstation 40 an die Positionsstation 50 auf der mobilen Maschine durch die Funkverbindung 48, 58 gesendet. Alternativ können die rohen Positionsdaten von der Basisstation 40 per Funkverbindung 48, 58 an die Positionsstation 50 übermittelt werden und von dem Computer 52 verarbeitet werden.
Der auf der Maschine angebrachte Empfänger 18 empfängt die Positionsinformation von der Satellitenkonstellation, während die kinematische GPS- Software 54 das Signal von Empfänger 18 und den Korrekturfaktor von der Basis-Referenz 40 kombiniert, um die Position des Empfängers 18 und der Maschine relativ zu der Basis-Referenz 40 und dem Bauplatz innerhalb weniger Zentimeter zu bestimmen. Diese Positionsinformation ist dreidimensional und ist auf punktweiser Basis verfügbar gemäß der Abtastfrequenz des GPS- Systems.
Es wird Bezug genommen auf das Update-/Steuermodul 60; sobald die digitalisierten Pläne oder Modelle des Geländes in den Computer 62 geladen sind, generiert die dynamische Datenbank 66 Signale, welche die Differenz zwischen der tatsächlichen und der gewünschten Geländegeographie darstellen, zum graphischen Anzeigen dieser Differenz auf dem Führeranzeigebildschirm 22. Beispielsweise werden Profil- und/oder Planansichten (Draufsichten) der tatsächlichen und der gewünschten Geländemodelle auf dem Bildschirm 22 kombiniert und der Höhenunterschied zwischen ihren Oberflächen wird angezeigt. Mittels der empfangenen Positionsinformation von Positionsmodul 50 generiert die Datenbank 66 ebenfalls ein graphisches Bildsymbol von der Maschine, welches über das tatsächliche Geländemodell auf der Anzeige 22 gelegt wird, entsprechend der tatsächlichen Position und Richtung der Maschine auf dem Gelände.
Da die Abtastfrequenz des Positionsmoduls 50 zu einer Zeit-/Entfernungs- Verzögerung zwischen den Positionskoordinatenpunkten führt, während sich die Maschine über das Gelände bewegt, benutzt die dynamische Datenbank 66 der vorliegenden Erfindung einen differenzierenden Algorithmus zum Bestimmen und Aktualisieren des Pfads der Maschine in Echtzeit.
Mit der Kenntnis der exakten Maschinenposition relativ zum Gelände, einer digitalisierten Ansicht des Geländes und des Fortschritts der Maschine relativ hierzu kann der Führer die Maschine über das Gelände bewegen, um die verschiedenen geographie-verändernden Arbeitsschritte auszuführen, ohne auf physische Markierungen angewiesen zu sein, welche auf der Oberfläche des Geländes platziert sind. Und, während der Führer die Maschine über das Gelände bewegt, liest und manipuliert die dynamische Datenbank 66 weiterhin die eingehende Information von Modul 50, um dynamisch sowohl die Maschinenposition relativ zu dem Gelände als auch den Weg der Maschine über das Gelände und jegliche Veränderungen in der tatsächlichen Geländegeographie durch die Bewegung der Maschine zu aktualisieren.
Diese aktualisierte Information wird verwendet zum Generieren von Darstellungen des Geländes und zum Steuern der Arbeitsweise der Maschine in Echtzeit, um die tatsächliche, aktualisierte Geländegeographie in Konformität mit dem gewünschten Geländemodell zu bringen.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Bezugnehmend auf Fig. 4 ist eine Geographie-Änderungs-Maschine 10 auf dem Gelände einer Baustelle 12 gezeigt. In dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist die Maschine 10 ein Planierraupe, welche Erdbewegungs- und Formungsarbeiten auf dem Gelände ausführt. Es wird jedoch deutlich, dass die Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Erfindung tatsächlich auf jedes mobile Werkzeug oder jede mobile Maschine übertragen werden können, welche sich auf einer oder durch eine Baustelle bewegen können und die Geographie des Geländes in irgendeiner Weise verändern können.
Die Maschine 10 ist in der bekannten Weise mit einer verfügbaren hydraulischen oder elektrohydraulischen Werkzeugsteuerung versehen, wie schematisch bei 24 gezeigt ist. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 mit einer Planierraupe betätigen diese Steuerungen unter anderem einen Schubarm 26, Kipp-/Nickzylinder 28 und Hubzylinder 30 zum Bewegen eines Planierschilds 32 in drei Dimensionen für den gewünschten Schneide-, Füll- und Tragebetrieb.
Die Maschine 10 ist ausgestattet mit einem Positionierungssystem, welches fähig ist, die Position der Maschine und/oder ihres geländeverändernden Werkzeugs 32 mit einem hohen Genauigkeitsgrad zu bestimmen, in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ein Phasendifferenz-GPS-Empfänger 18, angeordnet auf der Maschine an festgelegten, bekannten Koordinaten bezüglich den erdkontaktierenden Teilen der Raupen bzw. Fahrwerke. Der auf der Maschine angeordnete Empfänger 18 empfängt Positionssignale von einer GPS-Konstellation 14 und ein Fehler-/Korrektursignal von der Basis-Referenz 16 per Funkverbindung 48, 58, wie in Fig. 3 beschrieben. Der auf der Maschine angeordnete Empfänger 18 verwendet sowohl das Satellitensignal als auch das Fehler-/Korrektursignal von der Basis-Referenz 16 zum genauen Bestimmen seiner Position im dreidimensionalen Raum. Alternativ können rohe Positionsdaten von der Basis-Referenz 16 übertragen werden und in bekannter Weise von dem auf der Maschine angeordneten Empfängersystem verarbeitet werden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Informationen über ein kinematisches GPS und ein System geeignet zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,812,991 vom 14. März 1989 und US-Patent Nr. 4,963,889 vom 16. Oktober 1990, beide für Hatch, ersichtlich. Unter Verwendung eines kinematischen GPS oder eines anderen dreidimensionalen Positionssignals von einer externen Referenz kann der Standort des Empfängers 18 und der Maschine 10 zentimetergenau auf punktweiser Basis bestimmt werden, während die Maschine 10 sich über das Gelände 12 bewegt.
Die vorliegende Abtastfrequenz für Koordinatenpunkte unter Verwendung des veranschaulichenden Positionierungssystems ist ca. ein Punkt pro Sekunde.
Die Koordinaten des Basisempfängers 16 können in jeder bekannten Weise bestimmt werden, wie beispielsweise GPS-Positionierung oder herkömmliche Vermessung. Es werden auch in diesem und anderen Ländern Schritte unternommen, um die GPS-Referenzen auf festgelegten, national vermessenen Geländen wie Flughäfen anzuordnen. Wenn das Gelände 12 innerhalb der Reichweite (derzeit ca. 20 Meilen) eines solchen national vermessenen Geländes und eines lokalen GPS-Empfängers liegt, kann dieser lokale Empfänger als Basis-Referenz verwendet werden. Optional kann ein tragbarer Empfänger wie 16 mit einem auf einem Stativ angebrachten GPS-Empfänger und ein Wiederversendungs- bzw. Relaissender verwendet werden. Der tragbare Empfänger 16 wird vor Ort auf oder nahe dem Gelände 12 vermessen, wie es oben beschrieben wurde.
Ebenfalls in schematischer Form auf der Planierraupe aus Fig. 4 gezeigt ist ein bordeigener digitaler Computer 20 inklusive einer dynamischen Datenbank und einer Führeranzeige 22 mit Farbgrafiken. Der Computer 20 ist an den Empfänger 18 angeschlossen, um fortwährend Informationen über die Maschinenposition zu erfahren. Obwohl es nicht erforderlich ist, den Computer 20, die dynamische Datenbank und die Führeranzeige auf der Planierraupe 10 anzuordnen, ist dies derzeit ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel und erleichtert die Darstellung.
Bezugnehmend auf Fig. 5A-5B ist das Gelände 12 vorher vermessen worden, um einen detaillierten topographischen Plan (blueprint) (nicht gezeigt) vorzusehen, welcher den fertigen Bauplan überlagert auf der ursprünglichen Geländetopographie in Draufsicht zeigt. Die Erzeugung von geographischen oder topographischen Plänen von Geländen wie Mülldeponien, Bergwerken und Bauplätzen mit optischen Vermessungs- und anderen Techniken ist ein bekanntes Verfahren; Referenzpunkte werden auf einem Raster über dem Gelände angeordnet und dann verbunden oder ausgefüllt, um die Geländekonturen auf dem Plan zu erzeugen. Je größer die Anzahl der erzeugten Referenzpunkte ist, umso detaillierter ist der Plan.
Systeme und Software sind derzeit verfügbar, um digitalisierte zwei- und dreidimensionale Pläne eines geographischen Geländes zu erzeugen. Zum Beispiel kann der Bauplan in dreidimensionale, digitalisierte Modelle umgewandelt werden, und zwar Modelle der ursprünglichen Geländegeographie oder -topographie, wie bei 36 in Fig. 5A gezeigt wird, und des gewünschten Geländemodells, wie bei 38 in Fig. 5B gezeigt wird. Die Geländekonturen können in bekannter Weise überlagert werden mit einem Referenzraster aus einheitlichen Rasterelementen 37. Der digitalisierte Geländeplan kann überlagert, in zwei oder drei Dimensionen aus verschiedenen Winkeln betrachtet (z. B. Profil und Draufsicht) und farbkodiert werden, um Felder festzulegen, in welchen das Gelände mit der Maschine bearbeitet werden muss, beispielsweise durch Entfernen von Erde, Hinzufügen von Erde, oder einfach in seiner Form belassen werden muss. Die verfügbare Software kann auch Schätzungen vornehmen, wie viel Erde mit der Maschine bearbeitet oder bewegt werden muss, Kostenschätzungen vornehmen und verschiedene Geländemerkmale und Hindernisse über oder unter der Erde identifizieren.
Jedoch ist das Gelände 12 vermessen, und unabhängig ob die Maschinenführer und ihre Vorgesetzten mit einem Papierplan oder einem digitalisierten Geländeplan arbeiten, ist es bisherige Praxis, die verschiedenen Konturen und Referenzpunkte physisch durch Markierungspfosten als Anweisung für die Maschinenführer zu kennzeichnen. Durch Verwendung der Pfosten und Markierungen als Referenz müssen die Führer visuell und gefühlsmäßig abschätzen, wie viel und wo sie schneiden, auffüllen, tragen müssen oder ansonsten die ursprüngliche Geographie oder Topographie verformen oder verändern müssen, um den fertigen Bauplan zu erreichen.
Falls eine Überarbeitung des Plans oder des digitalisierten Geländemodells als Hinweis des bisherigen Fortschritts und der noch zu erledigenden Arbeit gewünscht ist, muss das Gelände ferner nochmals statisch vermessen werden und der Plan oder das digitalisierte Geländemodell manuell außerhalb des Geländes und nicht in Echtzeit korrigiert werden.
Um die Nachteile der Vermessungs- und Update-Verfahren gemäß dem Stand der Technik zu eliminieren, integriert die vorliegende Erfindung eine genaue dreidimensionale Positionierung und eine digitalisierte Geländekartierung mit einer dynamischen Datenbank und einer Führeranzeige zur Überwachung und Steuerung des Geländes 12 und der Maschine 10 in Echtzeit. Die dynamische Geländedatenbank bestimmt die Differenz zwischen der Geographie des tatsächlichen und des gewünschten Geländemodells, erhält kinematische GPS- Positionsinformationen für die Maschine 10 relativ zu dem Gelände 12 vom Positionsempfänger 18, zeigt dem Führer sowohl das Geländemodell als auch die momentane Maschinenposition auf der Anzeige 22 an und aktualisiert die Geographie des tatsächlichen Geländemodells, die Maschinenposition sowie die Anzeige in Echtzeit mit einem zentimetergetreuen Grad an Genauigkeit. Der Führer erhält somit Kenntnisse und Steuerungen aus erster Hand über den Erdbewegungsvorgang auf dem Gelände in Echtzeit, und kann entsprechend die Arbeit buchstäblich ohne Unterbrechung oder Erfordernis zur Prüfung oder Neu-Vermessung des Geländes zu Ende führen.
Bezugnehmend auf Fig. 6A-6D wird eine Vielzahl von veranschaulichenden Anzeigen, welche auf der Maschinenführeranzeige 22 verfügbar sind, gezeigt zur Anwendung der topographischen Konturengebung aus Fig. 4. Während das dargestellte Ausführungsbeispiel der Fig. 6A-6D Führeranzeigen für den Erdverformungsbetrieb mit einem an der Maschine angebrachten Planierschild zeigt, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass entsprechende Anzeigen für praktisch jede Art von Erdbewegungs- oder Geographie-Änderungs-Betrieb und - Maschine für die vorliegende Erfindung vorgesehen werden können.
Bezugnehmend auf Fig. 6A und 6B weist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Führeranzeige auf Bildschirm 22 als Hauptkomponente ein dreidimensionales, digitalisiertes Geländemodell in Planfenster 70 auf, welches den gewünschten endgültigen Konturenplan des Geländes 12 (oder eines Teils davon) relativ zu der tatsächlichen Topographie zeigt. Auf einer tatsächlichen Bildschirmanzeige 70, wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Geländetopographie und dem gewünschten Geländemodell deutlicher ersichtlich, da Farbkodierung oder ähnliche visuelle Markierungen verwendet werden zum Aufzeigen von Feldern, in welchen Erde entfernt werden muss, Feldern, in welchen Erde hinzugefügt werden muss, und Feldern, welche bereits Konformität mit dem fertigen Geländemodell erreicht haben.
In Fig. 6B ist die Führeranzeige 22 die gleiche wie in Fig. 6A, außer dass das Geländeplanfenster 70 eine zweidimensionale Planansicht zeigt und die Maschine sich in einer unterschiedlichen Position befindet im Verhältnis zu dem Gelände. Die unterschiedlich gefärbten oder kreuzschraffierten Bereiche auf dem Gelände, welche in Fenster 70 angezeigt werden, stellen graphisch die variierenden Differenzen zwischen der tatsächlichen Geländetopographie und der gewünschten Geländetopographie dar.
Der Führeranzeigebildschirm 22 umfaßt ein horizontales Koordinatenfenster oder Anzeige 72 auf der Oberseite des Bildschirms, welche die Position des Führers in drei Dimensionen zeigt relativ zu der Basis-Referenz 16. Grobe und feine Auflösungs-Seitenbalken-Skalen 74, 75 zeigen die Höhen- oder z-Achsenabweichung von der Zielkonturhöhe, indem sie einen Indikator dafür vorsehen, wie viel das Planierschild 32 an diesem Standort schneiden oder füllen könnte. Der grobe Indikator 74 auf der rechten Seite zeigt einen skalierten Höhenunterschied in Inkrementen oder Schritten von 1,0 Fuß über und unter der Zielhöhe; der feinauflösende Seitenbalken 75 auf der linken Seite der Anzeige verzeichnet Inkremente oder Schritte von 0,1 Fuß und liefert eine zweckmäßige Referenz, wenn der Führer sich innerhalb eines Fußes oder weniger der Zielkontur befindet. Durch "Zoom"- oder "Autoskalierung"-Merkmale in der Display-Software können die Skalen 74, 75 auf kleinere Inkremente oder Schritte verändert werden, wenn sich der Führer der Zieltopographie nähert.
Die Anzeigeinkremente und Maßeinheiten, welche in dem System und der Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, kann metrisch (Meter, Zentimeter, etc.) oder nichtmetrisch sein, je nach Wunsch des Anwenders.
Eine weitere Referenz wird dem Maschinenführer in Profilfenster 76 auf der Unterseite des Bildschirms 22 geliefert. Das Profilfenster 76 zeigt den Höhenunterschied zwischen der tatsächlichen Geländetopographie 76a und der gewünschten Topographie 76b in dem Maschinenweg und unmittelbar hinter der Maschine. Eine Höhenskala 78 auf der linken Seite der Profilansicht 76 kann einen zusätzlichen Indikator für die Tiefe eines Schnitts oder die Menge aufzufüllender Erde an einer bestimmten Stelle sein, während die horizontale Skala 76 die vor der Planierraupe/dem Planierschild liegende Entfernung anzeigt, bei welcher der Führer bestimmte tatsächliche und gewünschte topographische Unterschiede antreffen wird. Auf diese Weise kann der Führer gleichzeitig das auf ihn zukommende Terrain überwachen und die Genauigkeit der aktuellsten Bewegung durch Erreichen der Zielkontur und den Betrieb entsprechend anpassen.
Die Position der Planierraupe auf dem Gelände 12 wird grafisch auf der Anzeige 22 dargestellt als Planierraupenbildsymbol, welches über das Planfenster 70, das Profilfenster 76 und die passende Seitenbalkenskala 74, 75 gelegt wird. In dem Geländeplanfenster 70 ist das Bildsymbol 82 mit einer nach vorne gerichteten Richtungsanzeige 84 versehen, welche zur Identifikation des Geländes oder Terrains in einer festgelegten Entfernung vor der Planierraupe in ihrer Bewegungsrichtung dient. Das vorausgesehene Terrain vor dem Planierraupen-Bildsymbol 82 im Profilfenster 76 entspricht dem Teil des Geländes, welches von Richtungsanzeiger 84 abgedeckt wird. Während sich in den Fig. 6A und 6B das Bildsymbol 82 in den Fenstern 70, 74, 75 ansprechend auf die gegenwärtige Position der Maschine relativ zum Gelände bewegt, bleibt das Bildsymbol 82 im Profilfenster 76 zentriert, während sich die Geländetopographieprofile 76a, 76b daran vorbei bewegen entsprechend der Maschinenbewegung.
Mit der detaillierten Positions-, Richtungs- und Zielkonturinformation, welche der Führer durch die Anzeige 22 erhält, kann eine zentimetergenaue Steuerung des Erdbewegungsbetriebs beibehalten werden. Weiterhin hat der Führer auch eine vollständige, auf dem neuesten Stand befindliche Echtzeitanzeige des gesamten Geländes, des bisherigen Fortschritts und des Erfolgs der Erreichung der gewünschten Topographie. Am Ende des Tages ist das digitalisierte Geländemodell in der Datenbank vollständig aktualisiert und kann einfach gespeichert werden zum Abruf am nächsten Tag, um dort zu beginnen, wo der Führer aufgehört hat, oder es kann zur weiteren Analyse heruntergeladen werden.
Bezugnehmend auf die Fig. 6C und 6D ist eine leicht veränderte Führeransicht vorgesehen, welche ein schematisches Planfenster 88 der Geländekonturen aufweist, wobei ein Planierschild-Vorderseiten-Profilfenster 89 mit linken und rechten Seitenbalken 89a, 89b für die Höhenlage der Ränder des Planierschilds, um die Ausrichtung des Planierschilds zu unterstützen, und zwar in Drehrichtung für einen abgewinkelten Schnitt oder einen Schnitt auf abgewinkeltem Terrain, und ein Profilfenster 76 in größerem Maßstab und unter Verwendung eines unterschiedlichen Planierraupen-/Planierschild-Bildsymbols 82. Die Anzeige der Fig. 6D ist die gleiche wie die aus Fig. 6C, außer dass die Seitenprofilansicht 76 um 90º gedreht wurde, um eine unterschiedliche Perspektive des Planierraupenbetriebs zu erhalten. Fig. 6C und 6D werden im Wesentlichen gezeigt, um die Flexibilität und Anwendbarkeit der Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Geographie-Änderungs- Anwendungen zu illustrieren.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel einer Planierraupen-Konturierungs- Anwendung ist der auf der Maschine montierte Positionsempfänger 18 auf dem Führerhaus der Planierraupe 10 positioniert an einer festgelegten, bekannten Entfernung von der Unterseite des erdkontaktierenden Teils der Raupenkette bzw. des Fahrwerks. Da die Raupenketten tatsächlich in Kontakt mit der Geländetopographie sind, ist der Empfänger 18 so kalibriert, dass er diese Höhenunterschiede erkennt; tatsächlich wird der auf dem Führerhaus angebrachte Empfänger 18 von dem System als auf gleicher Höhe wie die Geländetopographie befindlich betrachtet, auf welcher die Maschine arbeitet.
Während die Verwendung eines einzelnen Positionsempfängers 18 in einer festgelegten Entfernung von dem erdkontaktierenden Fahrwerk oder Raupenkette der Maschine eine effektive und robuste Montageart ist, kann in bestimmten Anwendungen die Verwendung einer anderen Montageart für den Positionsempfänger bevorzugt sein. Zum Beispiel kann die momentane Richtung der Planierraupe relativ zum Geländeplan, wie auf der Anzeige 22 durch das Bildsymbol 82 und den Richtungsanzeiger 84 in Fig. 6A angezeigt, um einen geringen Zeitverschiebungsvektor ungleich sein, je nach der Abtastfrequenz des Empfängers 18 und der Richtungsänderungsrate der Maschine. Mit nur einem Positionsempfänger 18, welcher auf der Planierraupe 10 angebracht ist, kann die Maschinenrichtung an einem einzigen Punkt nicht bestimmt werden, da die Maschine sich effektiv um den einzelnen Empfänger schwenkt. Das Problem wird dadurch gelöst, dass ein zweiter Positionsempfänger auf der Maschine angebracht wird, und zwar entfernt von dem ersten Empfänger, um einen Richtungsreferenzpunkt zu erhalten.
Weiterhin bildet die Entfernung zwischen dem Planierschild 32 und dem rückwärtig angebrachten GPS-Empfänger 18 in Fig. 4 eine leichte Echtzeit- Verzögerung bei der Auflösung der Position des Planierschilds bei der Ausführung des Erdbewegungsvorgangs. In den meisten Fällen ist diese Verzögerung unerheblich, da die GPS-Position knapp auf das Planierschild 32 folgt und der soeben gemachten Veränderung der Geländegeographie entspricht. Bei größeren Maschinen kann es jedoch vorzuziehen sein, einen oder mehrere Positionsempfänger 18a direkt auf dem Planierschild anzubringen, wie es in Fig. 4 in Strichlinien gezeigt ist. Da sich bei dieser Anordnung das Planierschild relativ zur Maschine und zur Geländeoberfläche auf und ab bewegt, ist es auch wünschenswert, eine Vorrichtung zum Messen der Entfernung zwischen der Unterseite des Planierschilds und der Oberfläche des Geländes vorzusehen. Eine geeignete Vorrichtung ist beispielsweise ein akustischer (sonic) Näherungs-Detektor, welcher auf dem Planierschild montiert ist, wie schematisch bei 19 in Fig. 4 dargestellt ist, und der angeschlossen ist zum Liefern von Signalen, welche die Höhe des Planierschilds 32 über der Oberfläche darstellen, an den Computer 20 und die dynamische Datenbank. Diese und andere geeignete Näherungs-Detektoren sind im Handel erhältlich. Die dynamische Datenbank verwendet die Signale des Näherungs-Detektors 19 zum Ausgleich von Abweichungen in der relativen Position eines auf einem Planierschild montierten GPS-Empfängers zum Boden und kann auch den Verschleiß und die Anhebung des Planierschilds ausgleichen, welche entsteht, wenn die Planierraupe rückwärts fährt.
Ein weiterer Gesichtspunkt beim Montieren der Positionsempfängerausrüstung auf der Maschine 10 ist, ob die Maschine ein Werkzeug trägt, welches sich unabhängig bewegt, um den Geographie-Änderungs-Betrieb auszuführen; ein Planierraupe 10 mit seinem steuerbar beweglichen Planierschild 32 ist ein gutes Beispiel. Zum Verbessern der Genauigkeit der Überwachung und Steuerung des Geographie-Änderungs-Betriebs eines Werkzeugs 32 kann die bevorzugte Montagevorrichtung für den Positionsempfänger 18 in vielen Fällen direkt auf dem Werkzeug 32 angebracht werden. In einer Maschinen- Konturierungs-Anwendung platziert die veranschaulichende, auf dem Planierschild montierte doppelte Empfängeranordnung von Fig. 4A nicht nur die Empfänger 18 direkt über dem Punkt, an dem die Veränderungen an dem Gelände vorgenommen werden, sondern die beiden Empfänger 18 sehen auch eine Richtungsreferenz für die Maschine vor, wenn sie ihre Richtung verändert, sowie eine Positionsinformation für eine linke/rechte Planierschildwinkelmessung, wie sie bei 89 in den Fig. 6C und 6D gezeigt ist.
Bezugnehmend auf die Fig. 7A werden die Betriebsschritte der dynamischen Datenbank 66 für den Maschinen-Konturierungs-Betrieb schematisch dargestellt. Das System wird bei 300 von dem Betriebssystem des Computers gestartet. Die Graphik für die Anzeigebildschirme wird bei 302 initialisiert. Die anfängliche Geländedatenbank (ein digitalisierter Geländeplan) wird aus einer Datei in das Programmverzeichnis eingelesen, und der Geländeplan und die tatsächlichen und Ziel-Topographien werden im Schritt 304 auf der Anzeige angezeigt. Die Seitenbalken-Neigungsindikatoren aus der Anzeige 22 werden im Schritt 306 aufgebaut und die verschiedenen seriellen Kommunikationsroutinen bei den Modulen 40, 50, 60 (Fig. 3) werden im Schritt 308 initialisiert. Im Schritt 310 sucht das System nach einer Anwenderantrage zum Anhalten des Systems, zum Beispiel am Ende des Tages oder für Essenspausen oder Schichtwechsel. Die Anwenderanfrage zum Beenden im Schritt 310 kann mit irgendeiner bekannten Anwender-Schnittstellen-Einrichtung eingegeben werden, zum Beispiel einer Computertastatur oder einer ähnlichen Computereingabeeinrichtung, welche mit dem Computer 62 kommuniziert.
Die dreidimensionale Position der Maschine wird als nächstes im Schritt 312 gelesen von der seriellen Anschluß- bzw. Port-Verbindung zwischen dem Positionsmodul 50 und dem Steuer-/Update-Modul 60 in Fig. 3. Im Schritt 314 wird die GPS-Position der Maschine auf das Koordinatensystem des digitalisierten Geländeplans konvertiert und diese Koordinaten werden in Fenster 72 auf der Anzeige 22 im Schritt 316 dargestellt.
Im Schritt 318 wird der Maschinenweg bestimmt sowohl in Draufsicht als auch in Profilansicht und in Echtzeit aktualisiert zum Anzeigen der Teile des Rasters des Geländeplans, über welche sich die Maschine bewegt hat. In dem Ausführungsbeispiel der Maschinen-Konturierung ist die Breite des Maschinenwegs gleichgesetzt mit ihrem geographie-verändernden Werkzeug (Planierschild 32), während sie sich über das Gelände bewegt. Eine genaue Bestimmung der Rasterquadrate, über welche sich die Planierschild 32 bewegt, ist erforderlich, um Echtzeit-Updates der Position und Arbeit des Führers auf dem dynamischen Geländeplan vorzusehen. Die Größe der Rasterelemente des digitalisierten Geländeplans ist festgelegt, und obwohl die Breite der mehreren Rasterelemente genau an die Breite der Maschine (z. B. das Planierschild) angepasst werden kann, deckt das Planierschild nicht immer vollständig ein bestimmtes Rasterelement ab, während die Maschine sich darüber bewegt. Selbst wenn die Maschinen-/Werkzeugbreite ein genaues Vielfaches der Breite des Rasterelements ist, ist es selten der Fall, dass die Maschine sich in einer Richtung bewegt, welche mit dem Rasterelement ausgerichtet ist, um so jedes Element auf seinem Weg genau abzudecken.
Um dieses Problem zu lösen, bestimmt in Fig. 7B-7C eine Subroutine für den Schritt 318 den Weg des operativen Teils der Maschine (hier das Planierschild 32) relativ zum Geländeplanraster. Im Schritt 319 in Fig. 7B bestimmt das Modul, ob sich die Position des auf der Maschine angebrachten Empfängers in Längs- oder in seitlicher Richtung (in der X oder Y Richtung in einem [x, y, z]- Koordinatensystem) verändert hat im Verhältnis zum Gelände. Falls ja, bestimmt das System im Schritt 320, ob es die erste Systemschleife ist. Wenn die momentane Schleife nicht die erste Schleife ist, wird der aus den vorherigen Schleifen bestimmte und angezeigte Maschinenweg im Schritt 322 gelöscht zum Aktualisieren in der gegenwärtigen Schleife. Wenn die gegenwärtige Schleife die erste Schleife ist, wird der Schritt 322 einfach übersprungen, da keine Maschinenwegshistorie zum Löschen vorhanden ist.
Im Schritt 324 wird das Bildsymbol der Planierraupe erstmals gezeichnet. Falls es bereits gezeichnet wurde, wird das Planierraupe-Bildsymbol aus seiner vorherigen Position auf dem Geländemodellplan im Schritt 326 gelöscht. Im Schritt 328 bestimmt das System, ob die momentanen Positionskoordinaten der Maschine sich außerhalb des Rasterelements befinden, welches die Maschine in der letzten Systemschleife besetzt hat.
Wenn sich die Maschinenposition im Schritt 328 nicht verändert hat, beispielsweise wenn die Planierraupe geparkt ist oder sich im Leerlauf befindet, geht das System zu den Schritten 336-344 weiter.
Wenn sich im Schritt 328 die Position der Maschine relativ zum Raster des Geländeplans verändert hat, geht das System weiter zum Schritt 330, wo es "effektive" Planierschild-Enden der Planierraupe bestimmt, welche innenseitig von jedem echten Planierschild-Ende sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die effektiven Planierschild-Enden von dem differenzierenden Algorithmus so erkannt, dass sie um die Hälfte der Breite eines Rasterelements weiter innen liegen als die tatsächlichen Enden. Wenn beispielsweise das tatsächliche Planierschild 32 10,0 Fuß lang ist, und zwar entsprechend fünf Rasterelementen mit den Maßen 2,0 · 2,0 Fuß, dann werden die effektiven Positionen der Planierschild-Enden im Schritt 330 um einen Fuß nach innen versetzt von jedem tatsächlichen Ende berechnet. Wenn die effektiven (nicht echten) Planierschild-Enden irgendeinen Teil eines Rasterelements des digitalisierten Geländemodells kontaktieren oder sich darüber bewegen, wird dieses Rasterelement von dem differenzierenden Algorithmus so gelesen und manipuliert, daß es von Maschine verändert wurde, da in Wirklichkeit mindestens eine Hälfte des Rasterelements tatsächlich von dem Planierschild passiert wurde. Natürlich kann der Betrag für Kompensation an den Planierschild-Enden je nach der Größe der Rasterelemente und der gewünschten Fehlerspanne verändert werden bei der Bestimmung, ob das Planierschild ein Rasterelement passiert hat. Zum Beispiel ist es möglich, die effektiven Werkzeugparameter gleich den tatsächlichen Werkzeugparametern zu setzen, obwohl die kleineren effektiven Parameter des illustrierten Ausführungsbeispiels vorgezogen werden.
Es ist verständlich, dass dieses Verfahren zum Lokalisieren eines Planierschilds auf jeden Geographie-Änderungs-Betrieb anwendbar ist, in welchem eine Bestimmung des Wegs eines kontinuierlichen Teils der Maschine oder ihres Werkzeugs beim Überqueren von Rasterelementen des Geländemodells gewünscht ist.
Im Schritt 332 bestimmt das System, ob das Planierschild sich seit der letzten Schleife bewegt hat. Wenn sich das Planierschild bewegt hat, geht das System zum Schritt 334 weiter, um den Echtzeit-Weg des Planierschilds über das Raster des Geländeplans in der nachfolgend weiter im Detail beschriebenen Weise zu bestimmen unter Bezugnahme auf die Fig. 7D. Wenn im Schritt 332 sich das Planierschild seit der letzten Systemschleife nicht bewegt hat, überspringt das System den Schritt 334. Im Schritt 336 verwendet das System die oben bestimmte Maschinenweginformation zum Errechnen der Position und Ausrichtung des Bildsymbols der Maschine. Im Schritt 338 wird diese Information dazu verwendet, um die aktuelle oder tatsächliche Geländegeographie und die gewünschten Geographieprofile des Geländes zu bestimmen. Im Schritt 340 werden diese Profile auf der Führeranzeige 22 in dem Profilfenster 76 angezeigt. Im Schritt 342 zeichnet das Systems als nächstes das Bildsymbol der Maschine auf dem Planfenster 70, und im Schritt 344 wird die vorher gelöschte Maschinenweghistorie neu gezeichnet, um die neuesten Maschinenbewegungen und Geländeveränderungen in dem Maschinenweg zu zeichnen.
Nochmals Bezug nehmend auf Schritt 319 der Subroutine für Schritt 318, wird, sofern sich keine nennenswerte Veränderung der Maschinenposition seit der letzten Messung ergeben hat, die Maschinenpositionierungs-, Tracking- bzw. Verfolgungs- und Aktualisierungs- bzw. Updateschritte 320-344 übersprungen, und das System geht von der Subroutine von Schritt 318 in Fig. 7A zum Schritt 346.
Bei den Schritten 346 und 348 in Fig. 7A werden die grob- und fein-gradigen Indikatoren auf der Anzeige aktualisiert und das System beendet seine Schleife und kehrt zu Schritt 310 zurück.
Im Schritt 310 steht dem Führer die Option zur Verfügung, das System wie oben beschrieben anzuhalten, zum Beispiel am Ende des Tages oder zu Mittag. Wenn der Führer im Schritt 310 das Anhalten des Systems wählt, geht das System zu Schritt 350 weiter, wo die derzeitige Datenbank in einer Datei auf einem geeigneten digitalen Speichermittel im Systemcomputer gespeichert wird, zum Beispiel, einer Festplatte oder entfernbaren Diskette. Im Schritt 352 wird der Betrieb des Differenzierungsmodus beendet, und im Schritt 354 wird der Führer zum Betriebssystem des Computers zurückgeführt. Wenn der Führer das System nicht beendet, geht es zu Schritt 312 zurück, wo die nachfolgenden Positionsinformationen vom seriellen Anschluß bzw. Port geholt werden, welcher mit dem Positionsmodul 50 und dem Empfänger 18 verbunden ist, und die Systemschleife wiederholt sich.
Die Subroutine für Schritt 334 in Fig. 7C, welche den Maschinenweg und den aktuellen Geländeplan aktualisiert, wird weiter im Detail in Fig. 7D gezeigt. Während der Algorithmus von Schritt 330 eine fehlende Korrespondenz zwischen der Breite des Maschinenwerkzeugs und der Anzahl der Rasterelemente kompensiert, welche vollkommen von der Maschine oder dem Werkzeug überquert wurden, ergibt die Änderung der Entfernung und Richtung, welche die Maschine/das Werkzeug zwischen den Informationen der GPS- Position macht, einen Verlust der aktualisierten Echtzeitinformation über einen Teil des Wegs der Maschine. Dies ist insbesondere dann akut, wenn die Maschinenfahrtgeschwindigkeit hoch ist relativ zu den Rasterelementen des Geländeplans. Wenn beispielsweise die Rasterelemente einen Quadratmeter betragen und die Abtastrate des Positionierungssystems eine Koordinatenabtastung pro Sekunde beträgt, fährt eine Maschine bei 18 Kilometern pro Stunde ungefähr fünf Meter oder fünf Rasterelemente zwischen den Positionsabtastungen. Dementsprechend gibt es keine Echtzeitinformation in Bezug auf mindestens die dazwischenliegenden drei der fünf Rasterquadrate, die von der Maschine abgedeckt werden.
Zum Lösen dieses Problems wird ein "Polygon-Füllungs"-Algorithmus in Schritt 334 verwendet, um den Weg zu schätzen, welcher von der Maschine zwischen den Koordinatenabtastungen zurückgelegt wurde. In Fig. 7D stellt der Algorithmus im Schritt 334a ein Rechteck auf der Rasteroberfläche des Geländeplans fest, welches von den effektiven Enden des Planierschilds an Positionen (x&sub1;, y&sub1;) und (x&sub2;, y&sub2;) und den Koordinatenpunkten (x&sub0;, y&sub0;) definiert ist. Bei den Schritten 334b, 334c und 334f sucht ein Suchalgorithmus innerhalb der Grenzen des Rechtecks nach den Rasterelementen innerhalb eines Polygons, das zwischen den beiden Planierschildpositionen definiert wurde; z. B. jene Rasterelemente, welche von dem Planierschild zwischen seinen effektiven Enden überquert wurden.
Bei den Schritten 334d und 334e werden diese vor kurzem überquerten Rasterelemente "ausgemalt", schattiert, markiert oder anderweitig aktualisiert, um den Führer zu informieren, ob er sich über, unter oder auf der Zielhöhe für jene Rasterelemente befindet. In Schritt 334d wird die Bodenhöhe oder z- Achsen-Koordinate des Rasterelements bei Koordinate (x2, y2) aktualisiert. In Schritt 334e ergibt eine Höhe, welche größer ist als die Zielhöhe, dass die Rasterelemente beispielsweise rot eingefärbt werden. Eine momentane Höhe gleich der Zielhöhe ergibt, dass die Rasterelemente beispielsweise gelb eingefärbt werden. Eine momentane Höhe, welche geringer ist als die Zielhöhe, resultiert darin, dass die Rasterelemente beispielsweise blau gefärbt werden. Auf der Führeranzeige 22 erscheint die Aktualisierung als der soeben überquerte Schweif der Rasterelemente hinter dem Bildsymbol der Maschine/des Werkzeugs 82, gefärbt oder anderweitig visuell aktualisiert, um anzuzeigen, ob der Schnitt oder die Kontur bei, über oder unter der Zielkontur liegt; ein Beispiel wird gezeigt durch die unterschiedlich gefärbten Bereiche des Planfensters 70 in Fig. 6B. Wenn die Zielkontur in diesem Bereich nicht erreicht wurde, kann der Führer zurücksetzen oder sie beim nächsten Überqueren korrigieren. Der gefärbte Schweif oder Pinselstrich, welcher von dem Bildsymbol der Planierraupe überquert wurde, bleibt auf dem Bildschirm der Führeranzeige 22, bis er bei nachfolgenden Überquerungen ausreichend verändert wird, um eine Farbveränderung oder ein ähnliches visuelles Update zu rechtfertigen, z. B. bis auf diesen Rasterelementen die Höhenkoordinaten der Maschine auf dem tatsächlichen Gelände besser mit den Höhenkoordinaten des gewünschten Geländemodells übereinstimmen.
Während das System und die Verfahren des illustrierten Ausführungsbeispiels der Fig. 7A-7D dahingehen, eine Echtzeit-Maschinenpositions- und Gelände- Update-Information durch eine visuelle Führeranzeige vorzusehen, ist es für den Fachmann deutlich, dass die generierten Signale, welche die Maschinenpositions- und Gelände-Update-Information darstellen, in nicht-visueller Weise verwendet werden können, um bekannte Maschinensteuerungen zu bedienen, beispielsweise elektrohydraulische Maschinen- und/oder Werkzeugsteuersysteme.
Bezugnehmend auf Fig. 8 wird ein System gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt für eine automatische Steuerung mit geschlossenem Regelkreis von einem oder mehreren Maschinen- oder Werkzeugsbetriebssystemen. Während das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 in der Lage ist zur Verwendung mit oder ohne eine zusätzliche Führerarizeige wie oben beschrieben, werden zum Zwecke der Darstellung nur automatische Maschinensteuerungen gezeigt. Eine geeignete digitale Verarbeitungseinrichtung, zum Beispiel ein Computer, wie er in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, welcher die Algorithmen der dynamischen Datenbank der Erfindung umfaßt, ist bei 400 gezeigt. Die dynamische Datenbank 400 empfängt momentane 3-D-Positionsinformationen von dem GPS-Empfängersystem 410. Das gewünschte digitalisierte Geländemodell 420 wird in der Datenbank des Computers 400 in jeglicher geeigneten Weise geladen oder gespeichert, zum Beispiel auf einem geeigneten Platten- oder Diskettenspeicher. Das automatische Maschinensteuerungsmodul 470 enthält elektrohydraulische Maschinensteuerungen 472, welche angeschlossen sind zur Steuerung von beispielsweise der Lenkungs-, Werkzeug- und Antriebssysteme 474, 476, 478 auf der Geographie-Änderungs-Maschine. Die automatischen Maschinensteuerungen 472 sind in der Lage, Signale von der dynamischen Datenbank im Computer 400 zu empfangen, welche die Differenz zwischen dem tatsächlichen Geländemodell 430 und dem gewünschten Geländemodell 420 darstellen, zum Bedienen der Lenkungs-, Werkzeugs- und Antriebssysteme der Maschine, um das tatsächliche Geländemodell in Konformität mit dem gewünschten Geländemodell zu bringen. Da die automatischen Maschinensteuerungen 472 die verschiedenen Lenkungs-, Werkzeugs- und Antriebssysteme der Maschine bedienen, werden die Veränderungen, welche an dem Gelände und der momentanen Position und Richtung der Maschine vorgenommen werden, von dem Modell empfangen, gelesen und manipuliert. Die tatsächliche Gelände-Upadate-Information wird von der Datenbank 400 empfangen, welche die an den Maschinensteuerungen 472 empfangenen Signale entsprechend aktualisiert zum Bedienen der Lenkungs-, Werkzeugs- und Antriebssysteme der Maschine, während sie sich über das Gelände bewegt, um das tatsächliche Geländemodell in Konformität mit dem gewünschten Geländemodell zu bringen.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass das Verfahren und das System gemäß der Erfindung einfach anzuwenden ist auf fast jede Art von Geographieveränderungs-, Maschinenbearbeitungs- oder Vermessungsbetrieb, bei welchem eine Maschine sich über oder durch einen Sauplatz bewegt, um eine Veränderung der Geländegeographie in Echtzeit vorzunehmen oder zu überwachen. Die dargestellten Ausführungsbeispiele vermitteln ein Verständnis der Prinzipien der Erfindung im Großen und Ganzen und zeigen im Detail eine bevorzugte Anwendung, und sie sind nicht als eingeschränkend vorgesehen. Viele andere Veränderungen oder Anwendungen der Erfindungen sind möglich und liegen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Vorrichtung (40, 50, 60) zum Leiten des Betriebs einer mobilen Geographie-Änderungs-Maschine (10), wobei folgendes vorgesehen ist:

digitale Datenspeicher- und -abrufmittel (126) zum Speichern eines ersten dreidimensionalen geographischen Geländemodells (104), das die gewünschte dreidimensionale Geographie eines Geländes repräsentiert, und eines zweiten dreidimensionalen geographischen Geländemodells (106), das die tatsächliche Geographie des Geländes repräsentiert

Positioniermittel (120) zur Erzeugung von Digitalsignalen, welche in Echtzeit die augenblickliche Position im dreidimensionalen Raum von mindestens einem Teil der Maschine (10) während deren Bewegung über das Gelände (12) repräsentieren;

dynamische Datenbankmittel (124) zum Empfang der Signale und zum Aktualisieren des zweiten Modells (206) in Übereinstimmung damit, wobei die dynamischen Datenbankmittel (124) ferner den Höhenunterschied der augenblicklichen Position zwischen den ersten und zweiten Modellen (104, 106) in Echtzeit bestimmen und aktualisieren zum Leiten des Betriebs der Maschine (10) in Übereinstimmung mit der Differenz, um das aktualisierte zweite Modell (106) in Konformität bzw. Übereinstimmung mit dem ersten Modell (104) zu bringen.

2. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die Positioniermittel (120) einen GPS-Empfänger (16, 18) umfassen.

3. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die Positioniermittel (120) auf der Maschine (10) getragen werden.

4. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 3, wobei die Maschine (10) ein Werkzeug (32) umfasst, das relativ zur Maschine (10) beweglich ist, zum Ändern der Geländegeographie, wobei die Positioniermittel (120) auf dem Werkzeug (32) angebracht sind.

5. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 3, wobei die Positioniermittel (120) auf der Maschine (10) angebracht sind an einer bekannten Position bezüglich eines Teils der Maschine (10), welcher mit der Geländeoberfläche in Kontakt steht.

6. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung ferner Näherungsdetektiermittel (19) auf der Maschine (10) umfassen, um die Höhe des Werkzeugs (32) bezüglich der Oberfläche des Geländes (12) zu bestimmen.

7. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner eine Benutzeranzeige (108) umfasst. ·

8. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 7, wobei die Benutzeranzeige (108) geeignet ist zur Kommunikation der Signal mit den dynamischen Datanbankmitteln (124) sowie zur Anzeige der Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) und der Position der Maschine (10) bezüglich des Geländes.

9. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 7, wobei die Benutzeranzeige (108) eine Draufsicht und eine Profilansicht der Geländemodelle (104, 106) sowie der Differenz dazwischen umfaßt.

10. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 7, wobei die Benutzeranzeige (108) eine Draufsicht der Geländemodelle (104, 106) sowie der Differenz dazwischen umfaßt.

11. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 7, wobei die Benutzeranzeige (108) eine Profilansicht der Geländemodelle (104, 106) sowie der Differenz dazwischen umfaßt.

12. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 9, wobei die Benutzeranzeige (108) eine Echtzeit-Anzeige der Position der mobilen Maschine (10) bezüglich der Geländemodelle (104, 106) umfaßt.

13. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 10, wobei die Benutzeranzeige (108) Echtzeit-Grob- und -Fein-Indikatoren der Differenz zwischen den Geländemodellen (104, 106) an der Position der mobilen Maschine (10) umfaßt.

14. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 7, wobei die Benutzeranzeige (108) auf der mobilen Maschine (10) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 7, wobei die Benutzeranzeige (108) von der mobilen Maschine (10) entfernt vorgesehen ist.

16. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die dynamischen Datenbankmittel (124) auf der Maschine (10) angeordnet sind.

17. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die dynamischen Datenbankmittel (124) von der Maschine (10) entfernt angeordnet sind.

18. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner automatische Steuermittel (470) umfasst, die verbunden sind zum Betätigen eines oder mehrerer Betriebssysteme auf der Maschine (10).

19. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 18, wobei die automatischen Steuermittel (470) in Kommunikation mit den dynamischen Datenbankmitteln (124) stehen, wobei die Signale, die die Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) repräsentieren, die automatischen Steuermittel (470) betätigen, um das zweite Geländemodell (106) in Übereinstimmung mit dem ersten Geländemodell (104) zu bringen.

20. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die Maschine (10) eine Geländekonturierungsmaschine ist, wobei das erste Geländemodell (104) ein statisches dreidimensionales Modell der gewünschten Geländegeographie ist, und wobei die Differenz zwischen den ersten und zweiten Modellen (104, 106) die Höhendifferenz zwischen der tatsächlichen Geländegeographie und der gewünschten Geländegeographie ist.

21. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die dynamischen Datenbankmittel (124) Differenziermittel umfassen zur Bestimmung des Pfades der Maschine (10) bezüglich des Geländes (12) in Echtzeit zwischen Positionsablesungen.

22. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 21, wobei wobei die Differenziermittel Mittel zum Bestimmen einer effektiven Breite eines Geographie-ändernden Teils (32) der Maschine (10) umfassen, welche eine Größe besitzt, die kleiner oder gleich der tatsächlichen Breite ist.

23. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 22, wobei die Differenziermittel folgendes umfassen: Mittel (62) zum Bestimmen der Fläche des Geländes (12), über die sich der Geographie-ändernde Teil (32) der Maschine (10) zwischen Positionsablesungen bewegt hat, und Mittel (62) zum Aktualisieren der Fläche des zweiten Geländemodells (106), das durch die effektive Breite des Geographie-ändernden Teils (32) verändert wurde.

24. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 23, wobei die Mittel (62) zum Bestimmen der Fläche des Geländes, über die sich der Geographieändernde Teil (32) der Maschine (10) zwischen Positionsablesungen bewegt hat, einen Polygon-Auffüll-Algorithmus umfassen.

25. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 22, wobei das zweite Geländemodell (106) unterteilt ist in eine kontinuierliche Matrix von Einheitsflächen (37);

wobei die Differenziermittel geeignet sind zum Verfolgen der augenblicklichen Position der Maschine (10), während sie sich über das Gelände (12) bewegt, und zwar als Reihe von Koordinatenpunkten auf dem Geländemodell (106);

wobei die Mittel zum Bestimmen der effektiven Breite des Geographieändernden Teils (32) der Maschine (10) geeignet sind zum Bestimmen der effektiven Breite als ein Vielfaches der Einheitsflächen (37) des Geländemodells (106); und

wobei der Pfad der Maschine (10) relativ zum Gelände (12) Einheitsflächen (37) des Geländemodells (106) umfasst, über die sich der Geographie-ändernde Teil (32) der Maschine (10) zwischen Koordinatenpunkten bewegt hat.

26. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 25, wobei die effektive Breite definiert ist als die effektiven Enden des Geographie-ändernden Teils (32) der Maschine (10), und zwar um einen Bruchteil der Breite einer Einheitsfläche auf dem Geländemodell (106) beabstandet von jedem tatsächlichen Ende.

27. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 26, wobei die dynamischen Datenbankmittel (124) geeignet sind zum Aktualisieren der Geographie jeder Einheitsfläche des Geländemodells (106), für die bestimmt wird, dass sich die effektiven Enden des Geographie-ändernden Teils (32) der Maschine (10) darüber hinweg bewegt haben.

28. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 22, wobei der Geographieändernde Teil (32) der Maschine (10) ein Bodenkonturierungsschild mit kontinuierlicher Breite aufweist.

29. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 22, wobei der Geographieändernde Teil (32) der Maschine (10) eine Vielzahl von Geographieändernden Teilen mit kontinuierlicher Breite aufweist.

30. Vorrichtung (40, 50, 60) nach Anspruch 1, wobei die Maschine (10) versehen ist mit Positionierungsmitteln (18), die an ersten und zweiten beabstandeten Stellen auf der Maschine (10) angeordnet sind, wobei die Positionierungsmittel (18) an der zweiten Stelle eine Richtungsreferenz für die Positionierungsmittel (18) an der ersten Stelle vorsehen.

31. Verfahren zum Leiten des Betriebs einer mobilen Geographieändernden Maschine (10), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

(a) Erzeugen und Speichern in Digitaldatenspdicher- und -abrufmitteln (126) sowohl eines ersten dreidimensionalen geographischen Geländemodells (104), welches die gewünschte dreidimensionale Geographie eines Geländes repräsentiert, als auch eines zweiten dreidimensionalen geographischen · Geländemodells (106), welches die tatsächliche Geographie des Geländes repräsentiert;

(b) Erzeugen von Signalen, die in Echtzeit die augenblickliche Position im dreidimensionalen Raum von mindestens einem Teil der Maschine (10) repräsentieren, während diese sich über das Gelände (12) bewegt;

(c) Aktualisieren des zweiten Modells (106) entsprechend den erwähnten dreidimensionalen Positionssignalen;

(d) Bestimmen und Aktualisieren der Höhendifferenz der augenblicklichen Position zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106); und

(e) Leiten des Betriebs der Maschine (10) in Übereinstimmung mit der Differenz, um das aktualisierte zweite Geländemodell (106) in Konformität bzw. Übereinstimmung mit dem ersten Geländemodell (104) zu bringen.

32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die dreidimensionalen Positionssignale durch einen GPS-Empfänger (16, 18) erzeugt werden.

33. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die dreidimensionalen Positionssignale durch auf der Maschine (10) getragene Mittel (18) erzeugt werden.

34. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Maschine (10) ein bezüglich der Maschine (10) bewegliches Werkzeug (32) umfasst und wobei die dreidimensionalen Positionssignale ansprechend auf die Position von auf der Maschine (10) getragenen Mitteln erzeugt werden.

35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei ferner der folgende Schritt vorgesehen ist: Vorsehen des Werkzeugs (32) mit Mitteln zum Bestimmen der Höhe des Werkzeugs (32) bezüglich der Oberfläche des Geländes (12).

36. Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Schritt des Leitens des Betriebs der Maschine (10) entsprechend der Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) das Vorsehen einer Benutzeranzeige (108) der Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) umfasst.

37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei ferner der Schritt des Anzeigens der Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) in einer Draufsicht und einer Profilansicht vorgesehen ist.

38. Verfahren nach Anspruch 36, wobei ferner der Schritt des Anzeigens der Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) in einer Draufsicht vorgesehen ist.

39. Verfahren nach Anspruch 36, wobei ferner der Schritt des Anzeigens der Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) in einer Profilansicht vorgesehen ist.

40. Verfahren nach Anspruch 36, wobei ferner der Schritt der Anzeige einer Echtzeitposition der Maschine (10) relativ zu den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) vorgesehen ist.

41. Verfahren nach Anspruch 36, wobei ferner der Schritt des Vorsehens der Benutzeranzeige (108) auf der Maschine (10) vorgesehen ist.

42. Verfahren nach Anspruch 36, wobei ferner der Schritt des Vorsehens der Benutzeranzeige (108) entfernt von der Maschine (10) vorgesehen ist.

43. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Schritte des Aktualisierens des zweiten Modells (106) und des Bestimmens der Differenz zwischen den ersten und zweiten Modellen (104, 106) durch Mittel auf der Maschine (10) ausgeführt werden.

44. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Schritte des Aktualisierens des zweiten Modells (106) und des Bestimmens der Differenz zwischen den ersten und zweiten Modellen (104, 106) durch Mittel ausgeführt werden, die von der Maschine entfernt gelegen sind.

45. Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Schritt des Leitens des Betriebs der Maschine (10) entsprechend der Differenz zwischen den ersten und zweiten Geländemodellen (104, 106) den Schritt des Lieferns eines Signals zum Steuern des Betriebs eines Maschinensystems oder eines Werkzeugs umfasst, um das zweite Geländemodell (106) in Konformität oder Übereinstimmung mit dem ersten Geländemodell (104) zu bringen.

46. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Maschine (10) eine Geländekonturierungsmaschine ist, wobei das erste Geländemodell (104) ein statisches dreidimensionales Modell der gewünschten Geländegeographie ist, und wobei die Differenz zwischen den ersten und zweiten Modellen (104, 106) die Höhendifferenz zwischen der tatsächlichen Geländegeographie und der gewünschten Geländegeographie ist.

47. Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Schritt des Aktualisierens des zweiten Modells (106) in Übereinstimmung mit der Position der Maschine (10) den folgenden Schritt umfasst: Bestimmen des Pfades der Maschine (10) bezüglich des Geländes (12) in Echtzeit zwischen Positionsablesungen.

48. Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: Bestimmen einer effektiven Breite eines Geographieändernden Teils (32) der Maschine (10), welche eine Größe besitzt, die kleiner oder gleich der tatsächlichen Breite ist.

49. Verfahren nach Anspruch 48, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: Bestimmen der Fläche des Geländes, über die sich der Geographie-ändernde Teil (32) der Maschine (10) zwischen Positionsablesungen bewegt hat, und Aktualisieren der Fläche des zweiten Geländemodells (106), über die sich die effektive Breite des Geographie-ändernden Teils (32) bewegt hat.

50. Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Vorsehen eines Modell der Geländegeographie, das unterteilt ist in eine kontinuierliche Matrix von Einheitsflächen;

Verfolgen der Position der Maschine (10), während sie sich über das Gelände (12) bewegt, und zwar als Reihe von Koordinatenpunkten auf dem Geländemodell (104, 106);

Bestimmen von physischen bzw. physikalischen Parametern eines Betriebsteils (32) der Maschine (10) als einer Funktion der Einheitsflächen des Geländemodells (104, 106); und

Bestimmen eines Pfads der Maschine (10) relativ zum Gelände (12) in Echtzeit, wobei der Pfad diejenigen Einheitsflächen des Geländemodells (104, 106) umfasst, über die sich der Betriebsteil (32) der Maschine (10) zwischen Koordinatenpunkten bewegt hat.

51. Verfahren nach Anspruch 50, wobei die Parameter des Betriebsteils (32) der Maschine (10) bestimmt sind als effektive Parameter, die kleiner oder gleich den tatsächlichen Parametern sind, und wobei der Pfad der Maschine (10) über das Gelände (12), wie er auf dem Geländemodell (104, 106) repräsentiert wird, bestimmt ist durch den Pfad der effektiven Parameter des Betriebsteils (32).

52. Verfahren nach Anspruch 51, wobei der Schritt des Bestimmens der effektiven Parameter des Betriebsteils (32) der Maschine (10) den Schritt des Bestimmens einer effektiven Breite des Betriebsteils (32) umfasst, welche geringer ist als seine tatsächliche Breite.

53. Verfahren nach Anspruch 52, wobei die effektive Breite bestimmt ist durch Anordnen der effektiven Enden des Betriebsteils (32) der Maschine (10) um einen Bruchteil der Breite einer Einheitsfläche auf dem Geländemodell (104, 106) beabstandet von jedem tatsächlichen Ende. ·

54. Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Betriebsteil der Maschine (10) ein Bodenkonturierungsschild (32) mit kontinuierlicher Breite aufweist.

55. Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Betriebsteil der Maschine (10) eine Vielzahl von Geographie-ändernden Teilen (32) aufweist.

56. Verfahren nach Anspruch 51, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: Aktualisieren der Geographie jeder Einheitsfläche auf dem Geländemodell (37), für die bestimmt wird, dass sich die effektiven Parameter darüber hinweg bewegt haben.