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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem für Baumaschinen
zur Verwendung im Bauingenieurwesen, wie z. B. zur Bodennivellierung,
und im spezielleren auf ein Steuersystem für Baumaschinen, welches eine
durch ein rotierendes Laserstrahlsystem eines Laserstrahls gebildete
Laserstrahl- Referenzebene verwendet, um die Höhe während einer Bodennivellierungsarbeit
zu kontrollieren.
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Wenn
eine Bodennivellierungsarbeit für
Bauarbeiten, wie z. B. die Entwicklung von Wohngebieten oder Straßen oder
Gehwegen, unter Verwendung von Baumaschinen zur Bodennivellierung,
z. B. einer Planiermaschine, Bulldozer, etc., durchgeführt wird, ist
es notwendig, einen Bezug für
die Höhe
der Bodennivellierung zu haben. In den letzten Jahren wurde ein
System entwickelt, das einen Laserstrahl verwendet, um solch eine
Höhe zu
bestimmen, welche als ein Bezug in der Bodennivellierungsarbeit
dient. In solch einem System ist ein Steuersystem für Baumaschinen,
welches mit einem rotierenden Laserstrahlsystem ausgestattet ist,
wie es z. B. in EP-A-0 727 642 gezeigt ist.
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6 zeigt einen Fall, wo das
Steuersystem für
Baumaschinen für
einen Bulldozer angenommen wird.
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In 6 stellt das Bezugszeichen 1 ein
rotierendes Laserstrahlsystem, und 2 einen Bulldozer dar, und
das rotierende Laserstrahlsystem 1 ist auf einem Stativ 3 an
einer festgesetzten Position in einem zu entwickelnden Wohngebiet
installiert. Das rotierende Laserstrahlsystem 1 strahlt
den Laserstrahl 4 in einer horizontalen Richtung ab und
rotiert ihn, um eine Referenzebene zu bilden.
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Der
Bulldozer 2 hat eine Schaufel 5, welche in solch
einer Weise angeordnet ist, dass sie nach oben oder unten bewegt
werden kann, und eine Stange 6 ist auf der Schaufel 5 aufgerichtet.
Ein Niveausensor 7 ist auf der Stange 6 montiert.
Der Niveausensor 7 empfängt
den Laserstrahl 4 von dem rotierenden Laserstrahlsystem 1 und
erkennt eine Fotodetektionsposition. Der Bulldozer 2 ist
mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) ausgestattet, welche
die Höhe
der Schaufel 5 auf Basis eines Fotodetektionssignals von
dem Niveausensor 7 erkennt, und die Höhe der Schaufel 5 auf
Basis des Ergebnisses der Detektion steuert.
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Wie
oben beschrieben, wird eine horizontale Referenzebene durch den
Laserstrahl gebildet, und es ist möglich, eine Bodennivellierung
durchzuführen und
eine horizontale Oberfläche
durch das Erhalten eines Abstandes zwischen der horizontalen Referenzebene
und einer Schaufelkante 5a der Schaufel 5 zu bilden.
Durch das Variieren des Abstandes hinsichtlich der Schaufelkante 5a ist
es möglich,
die Höhe
der Bodenoberfläche,
die nivelliert werden soll, zu veränder.
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Bodennivellierung
wird nicht nur zur Nivellierung des Bodens zu einer horizontalen
Oberfläche durchgeführt. In
vielen Fällen
ist es notwendig, eine Bodennivellierung durchzuführen, um
eine geneigte Oberfläche
zu bilden. Zum Beispiel, wenn ein Wohngebiet angelegt wird, ist
es notwendig, einen für
die Wasserdrainage geeigneten Gradienten zu erhalten. Wenn eine
Straße
gepflastert wird, ist es notwendig, einen für die spezifische Topographie
und für
die Wasserdrainage geeigneten Gradienten zu erhalten. In einer herkömmlichen
Art des Steuersystems für Baumaschinen
ist es das übliche
Verfahren gewesen, eine Bodennivellierung durchzuführen, um
als erstes eine flache Ebene herzustellen und dann eine geneigte
Bodenoberfläche
mit einem festgesetzten Gradienten auf Basis des Ergebnisses der
Vermessungsarbeit zu bilden.
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Durch
die Verwendung des oben beschriebenen herkömmlichen Steuersystems für Baumaschinen
ist es möglich,
eine Bodennivellierung durchzuführen
und eine horizontale Bodenoberfläche
herzustellen, ohne die Sachkenntnis eines erfahrenen Arbeiters in
Anspruch zu nehmen. Jedoch ist das Bilden eines Gradienten auf der
zu nivellierenden Bodenoberfläche
eine schwierige Arbeit und erfordert ein hohes Niveau von Sachkenntnis.
Das Endergebnis von solch einer Nivellierung, um eine geneigte Bodenoberfläche zu bilden,
hängt sehr
von den Sachkenntnissen des Arbeiters ab, und so variiert der Fortschritt
der Arbeit entsprechend mit den Sachkenntnissen von jedem Arbeiter.
Zusätzlich
dazu treten Probleme in der fertigen Bodenoberfläche und der Prozesssteuerung
auf.
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Das
Dokument WO 97/01005 zeigt ein Steuersystem für Baumaschinen zur Steuerung
der Position des Bodennivellierwerkzeugs, welches bewegbar mit einer
Baumaschine verbunden ist, z. B. einem Bulldozer, und um das Werkzeug
an einem vorherbestimmten Niveau des Bodens in bezug auf eine geografische
Oberfläche
zu halten. Das Steuersystem beinhaltet ein GPS-Empfängersystem,
welches eine Basisreferenzstation beinhaltet, zwei Empfänger, welche
auf der Baumaschine montiert sind, und das Werkzeug, um ihre Position
zu bestimmen. Ein Prozessor errechnet den derzeitigen Oberflächengradient
auf Basis der empfangenen Positionssignale und das Steuersystem
liefert ein Kontrollsignal in Abhängigkeit von einem Unterschied
zwischen dem derzeitigen und einem vorherbestimmten erwünschten Oberflächengradienten.
Das Steuersystem beinhaltet optional ein Laserstrahlsystem, welches
in der Lage ist, einen Laserstrahl zu liefern, welcher eine horizontale
Ebene an einer vorherbestimmten Erhöhung definiert, um eine zusätzliche
und akkurate Erhöhungskoordinatenposition
zu liefern. Solch ein Steuersystem wurde für die Bodennivellierung von geeigneten
Oberflächen entworfen.
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Es
ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein alternatives
Steuersystem für
Baumaschinen zu bieten, welches in der Lage ist, für die Durchführung von
Bodennivellierung, welche die Nivellierung von geeigneten Bodenoberflächen beinhaltet,
einfach und effizient verwendet zu werden, ohne von den Sachkenntnissen
und Erfahrungen des Arbeiters beeinflusst zu werden.
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Um
das obengenannte Ziel zu erreichen, umfasst das Steuersystem für Baumaschinen
entsprechend der vorliegenden Erfindung ein rotierendes Laserstrahlsystem,
um eine Laserstrahl- Referenzebene unter Verwendung des Laserstrahls
zu bilden und um in der Lage zu sein, die Laserstrahl-Referenzebene
zu kippen, einen Niveausensor, der auf einem Bodennivellierwerkzeug
auf der Baumaschine installiert ist, und um eine Fotodetektion des
Laserstrahls durchzuführen,
um eine Anordnung einer Höhe
des Bodennivellierwerkzeugs zu geben, ein GPS-Empfangssystem zum
Detektieren einer Position der Baumaschine, und eine Steuereinrichtung
zum Steuern eines Gradienten der Laserstrahl- Referenzebene, der
durch das Rotieren des Laserstrahlsystems auf der Basis des Detektionsergebnisses
der Position der Baumaschine durch das GPS- Empfangssystem gebildet
ist. Auch umfasst in dem Kontrollsystem für Baumaschinen entsprechend
der vorliegenden Erfindung die Steuereinrichtung eine Speichereinrichtung zum
Speichern von wenigstens Arbeitsdaten und eine arithmetische Einheit
zur Berechnung der Position der Baumaschine auf der Basis des Empfangsresultats
des GPS-Empfangssystems, und worin das rotierende Laserstrahlsystem
entsprechend der berechneten Position der Baumaschine und den Arbeitsdaten
gesteuert wird. Weiterhin bildet in dem Steuersystem für Baumaschinen
entsprechend der vorliegenden Erfindung das rotierende Laserstrahlsystem
eine Laserstrahl- Referenzebene durch das Durchführen einer hin- und hergehenden
Abtastung in Richtung auf den Niveausensor. In dem Steuersystem
für Baumaschinen
entsprechend der vorliegenden Erfindung hat das GPS-Empfangssystem
einen ersten GPS-Empfänger
und einen zweiten GPS-Empfänger,
und worin der erste GPS- Empfänger
auf der Baumaschine und der zweite GPS-Empfänger an einem bekannten Punkt
montiert ist. Auch umfasst das Steuersystem für Baumaschinen entsprechend
der vorliegenden Erfindung ferner ein weiteres GPS- Empfangssystem
zum Erfassen einer Position des rotierenden Laserstrahlsystems.
Weiterhin bildet in dem Steuersystem für Baumaschinen entsprechend
der vorliegenden Erfindung das rotierende Laserstrahlsystem eine
Referenzebene durch Abstrahlung eines Laserstrahls nur in dem Fotodetektionsbereich
des Niveausensors. In dem Steuersystem für Baumaschinen entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist die Richtung des rotierenden Laserstrahlsystems
mit dem Niveausensor ausgerichtet, und die Steuereinrichtung ist
durch diese Ausrichtung initialisiert. Weiterhin umfasst in dem
Steuersystem für
Baumaschinen entsprechend der vorliegenden Erfindung das rotierende
Laserstrahlsystem eine Fotodetektoreinheit, wobei die Fotodetektoreinheit einen
reflektierenden Laserstrahl von dem Niveausensor detektiert, wobei
die Steuereinrichtung die Richtung des rotierenden Laserstrahlsystems
mit dem Niveausensor auf der Basis des Resultats der Detektion durch
die Fotodetektoreinheit ausrichtet und wobei die Steuereinheit durch
die Ausrichtung initialisiert wird.
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Ein
Steuersystem, in welchem die Erfindung enthalten ist, wird nun anstelle
von Beispielen nur und mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, von denen:
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1 eine Seitenansicht des
Steuersystems ist, in welchem die vorliegende Erfindung enthalten ist;
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2 eine Querschnittsansicht
des rotierenden Laserstrahlsystems des Systems der 1 ist;
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3 ein Blockdiagramm des
rotierenden Laserstrahlsystems der 2 ist;
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4 eine perspektivische Ansicht
des Niveausensors ist, welcher zusammen mit dem rotierenden Laserstrahlsystem
verwendet wird;
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5 ein Blockdiagramm des
Steuersystems ist, in welchem die vorliegende Erfindung enthalten
ist; und
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6 eine Zeichnung ist, die
ein herkömmliches
System zeigt.
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In
den 1 und 6 wird auf ähnliche
Komponenten unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen Bezug genommen.
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Die
vorliegende Erfindung bietet ein Steuersystem für Baumaschinen, wie z. B. einem
Bulldozer, durch das Kombinieren eines rotierenden Laserstrahlsystems,
welches in der Lage ist, eine gekippte Referenzebene zu bilden,
und eines globalen Positionierungssystems (GPS).
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Ein
rotierendes Laserstrahlsystem 1 umfasst einen Kippmechanismus
zum Kippen der Richtung der Projektion des Laserstrahls 4 und
eine Steuereinheit zur Steuerung des Kippmechanismus. Folglich ist
es möglich,
die Richtung der Projektion des Laserstrahls 4 zu kippen,
und eine gekippte Referenzebene kann durch den Laserstrahl 4 gebildet
werden. Weiterhin ist ein Radioempfänger 10 auf dem rotierenden
Laserstrahlsystem 1 vorgesehen, und die Empfangsdaten des
Radioempfängers 10 werden
zu einer Steuereinrichtung 11 gesendet, welche mit dem rotierenden
Laserstrahlsystem 1 verbunden ist.
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Nun
wird eine Beschreibung des rotierenden Laserstrahlsystems 1 unter
Bezugnahme auf 2 und 3 gegeben.
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Eine
Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems wird
auf einem Stativ 3 über eine
Nivellierungseinheit 21, welche an dem unteren Ende der Einheit 20 angeordnet
ist, installiert.
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Weiterhin
umfasst die Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems
primär
einen Lichtsender 23 für
das Senden des Laserstrahls 4, eine Dreheinrichtung 24 zur
Durchführung
der rotierenden Strahlung des Laserstrahls 4 innerhalb
einer Referenzebene, eine rotierende Einheit 22 zum Rotieren des
Lichtsenders 23 um eine vertikale Achse, eine Kippeinstellungseinheit 25 zum
Kippen des Lichtsenders 23 um eine horizontale Achse und
zum Einstellen des Kippens der Referenzebene, die durch den Laserstrahl 4 gebildet
ist, und eine Kipperkennungseinheit 26 zum Erkennen eines
Kippwinkels, eine Fotodetektoreinheit 27 zum Erkennen des
von dem Niveausensor 7 reflektierten Lichts, und die Nivellierungseinheit 21 zur
Durchführung
der Nivellierung der Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems.
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Auf
der Deckfläche
der Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems
ist ein Kollimator 28 angeordnet. Durch die Verwendung
dieses Kollimators 28 ist es möglich, die Richtung der Haupteinheit 20 des
rotierenden Laserstrahlsystems hinsichtlich des Niveausensors 7 grob
einzustellen. Auf dem oberen Teil der Haupteinheit 20 des
rotierenden Laserstrahlsystems ist ein Fotodetektionsfenster 34 vorgesehen,
durch welches der Laserstrahl 4 von der Dreheinrichtung 24 ausgestrahlt
wird. Ein durch den Niveausensor 7 reflektierter Reflexionslaserstrahl 4' tritt durch
das Fotodetektionsfenster 34 ein und wird durch die Fotodetektionseinheit 27 empfangen,
welche innerhalb der Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems
angeordnet ist.
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Auf
dem Boden des Gehäuses 38 der
Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems ist
ein Haupteinheitsrahmen 30 rotierbar um die vertikale Achse über eine
Vertikalachseneinheit 29 angeordnet, und ein Rotationseinheitengetriebe 31 ist
konzentrisch mit der vertikalen Achseneinheit 29 montiert,
und ein Rotationseinheitencodierer 32 ist auch vorgesehen.
Ein Rotationseinheitenmotor 33 ist an einer Position näher an dem
Gehäuse 38 vorgesehen,
und ein Ausgangsschaft des Rotationseinheitenmotors 33 ist
mit dem Rotationseinheitengetriebe 31 gekoppelt. Wenn der
Rotationseinheitenmotor 33 angetrieben wird, wird der Haupteinheitenrahmen 30 über das
Rotationseinheitengetriebe 31 rotiert. Ein Rotationswinkel
wird durch die Rotationseinheitencodierer 32 erkannt, und
das Ergebnis der Detektion wird zu einer Steuereinheit (CPU) 54 eingegeben.
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Auf
dem Boden des Gehäuses 38 ist
die Nivellierungseinheit 21 angeordnet. Die Nivellierungseinheit 21 umfasst
eine fixierte Bodenplatte 39, um auf dem Stativ 3 fixiert
zu werden, und Nivellierungsschrauben 40, welche zwischen
der fixierten Bodenplatte 39 und dem Boden des Gehäuses 38 vorgesehen
sind. Drei Nivellierungsschrauben 40 sind vorgesehen, wobei
jede an eine Spitze eines Dreiecks positioniert ist. Das obere Ende
von jeder der Nivellierungsschrauben ist mit dem Gehäuse 38 verbunden, und
das untere Ende ist rotierbar an die fixierte Bodenplatte 39 angebracht.
Die Nivellierungsschrauben 40 sind mit einem Nivellierungsmotor 42 über ein
Rädergetriebe 41 verbunden.
Wenn die Nivellierungsschrauben 40 durch den Nivellierungsmotor 42 über das
Rädergetriebe 41 rotiert
werden, wird eine Spalte zwischen dem Gehäuse 38 und der fixierten
Bodenplatte 39 variiert, und die Haupteinheit 20 des
rotierenden Laserstrahlsystems kann in irgendeiner Richtung, wie
erwünscht,
gekippt werden. Das Kippen der Haupteinheit 20 des rotierenden
Laserstrahlsystems wird durch die Kippsensoren 44 und 45 erkannt,
welche auf dem Haupteinheitenrahmen 30 vorgesehen sind,
und der Nivellierungsvorgang wird durch das Rückführen der Ergebnisse der Detektion
durch die Kippsensoren 44 und 45 zu dem Antreiben
des Nivellierungsmotors 42 durchgeführt. Eine der drei Nivellierungsschrauben 40 kann
nicht unterstützt
werden und diese kann lediglich als ein kippbarer Lagerpunkt verwendet
werden.
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Der
Lichtsender 23 ist rotierbar auf dem Haupteinheitenrahmen 30 über einen
horizontalen Kippschaft 35 angeordnet, und ein Kippmotor 36 ist auf
dem Haupteinheitenrahmen 30 angeordnet. Der Kippmotor 36 und
der Kippschaft 35 sind mit jedem anderen über ein
Rädergetriebe 37 verbunden.
Auf dem Kippschaft 35 ist eine Kippdetektionseinheit 26 zur
Detektion des Kippwinkels des Lichtsenders 23 montiert.
Die Kippdetektionseinheit 26 umfasst z. B. einen Codierer.
Wenn der Kippmotor 36 angetrieben wird, kann der Lichtsender 23 über das
Rädergetriebe 37 gekippt
werden, und der Kippwinkel wird durch die Kippdetektionseinheit 26 erkannt.
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Auf
dem oberen Ende des Lichtsenders 23 ist die Dreheinrichtung 24 rotierbar
montiert. Ein Abtastungsgetriebe 16 ist auf der Dreheinrichtung 24 angeordnet
und ist mit einem Antriebsgetriebe 17 des Abtastungsmotors 18 gekoppelt,
welches auf dem Lichtsender 23 fixiert ist. Wenn das Antriebsgetriebe 17 angetrieben
wird, wird die Dreheinrichtung 24 rotiert.
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Die
Dreheinrichtung 24 wird in solch einer Weise rotiert, dass
die optische Achse des Laserstrahls 4, der von dem Lichtsender 23 eintritt,
um einen Winkel von 90° unter
Verwendung eines fünfeckigen
Prismas 14 abgelenkt wird und eine Laserebene wird gebildet,
wenn der Laserstrahl durch ein Projektionsfenster 13 hindurchtritt.
Das fünfeckige Prisma 14 ist
auf einem rotierbaren Lagerteil 15 positioniert, welches
um die optische Achse des Lichtsenders 23 rotiert wird,
und das Rotationslagerteil 15 ist mit dem Abtastmotor 18 über das
Antriebs getriebe 17 verbunden. Die Rotationsstellung des
Rotationslagerteils 15 wird durch einen Codierer 19,
der auf dem Rotationslagerteil 15 montiert ist, erkannt,
und das Detektionssignal des Codierer 19 wird in die Steuereinheit 54 eingegeben.
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Der
Kippwinkel des Lichtsenders 23 wird durch die Kippdetektionseinheit 26 erkannt,
welche auf der Kippwelle 35 des Lichtsenders 23 montiert
ist. Die Kippdetektionseinheit 26 ist mit einem Codierer ausgestattet
und das Ausgangssignal von dem Codierer wird in die Steuereinheit 54 eingegeben.
Auf Basis des Signals von der Kippdetektionseinheit 26, berechnet
die Steuereinheit 54 das Kippen des Lichtsenders 23 bis
es einen vorherbestimmten Kippwinkel erreicht. Der Kippmotor 36 wird
durch eine Kippmotor-Antriebseinheit 59 angetrieben, und
das Kippen kann durch das Antreiben des Kippmotors 36 eingestellt
werden, bis der Ausgang der Kippdetektionseinheit 26 einen
vorherbestimmten Kippwinkel erreicht.
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Die
Fotodetektionseinheit 27 kann auf dem Gehäuse 38 fixiert
werden. Vorzugsweise ist es auf dem Lichtsender 23 montiert,
so dass es ganzheitlich mit dem Lichtsender 23 gekippt
werden kann. Nun wird eine Beschreibung der Fotodetektoreinheit 27 gegeben.
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Eine
Kondensorlinse 48 ist an einer Position gegenüber des
Fotodetektionsfensters 34 vorgesehen, und ein Reflexionsspiegel 49 ist
auf der optischen Achse der Kondensorlinse 48 angeordnet.
Die optische Achse der Kondensorlinse 48 verläuft parallel
zu einer Referenzebene, welche durch die Rotation des Laserstrahls 4 gebildet
wird. Unterhalb des Reflexionsspiegels 49 ist ein Fotodetektorelement 50 angeordnet
und der reflektierte Laserstrahl 4' wird auf dem Fotodetektorelement 50 konvergiert.
Vor dem Fotodetektorelement 50 ist eine Maske 51 angeordnet.
Die Maske 51 unterbricht die einfallenden Lichtstörungen,
welche in das Fotodetektorelement 50 eindringen, und ein
Spalt 52 ist gebildet, welcher entlang einer Abtastrichtung
des reflektierten Laserstrahls 4' ausgebildet ist (d. h., entlang
einer Richtung senkrecht zu der Papieroberfläche).
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Das
Fotodetektorsignal von dem Fotodetektorelement 50 wird
in eine Reflexionslichtdetektoreinheit 53 eingegeben, und
die Reflexionsgegebenheit des Laserstrahls 4 auf dem Niveausensor 7,
wie durch die Reflexionslichtdetektoreinheit 53 erkannt wurde,
wird in die Steuereinheit 54 eingegeben. Zu der Steuereinheit 54 wird
ein Signal von der Rotationscodiereinheit 32 eingegeben.
Die Steuereinheit 54 treibt eine Laserdiode 56 über eine
Antriebseinheit mit lichtemittierendem Element 55 an, treibt
den Abtastmotor 18 über
eine Abtastmotorantriebseinheit 57 an, treibt die Rotationsmotoreinheit 33 über eine
Rotationsmotoreinheit-Antriebseinheit 58 an,
treibt den Kippmotor 36 über eine Kippmotor-Antriebseinheit 59 an,
und treibt den Nivellierungsmotor 42 über eine Nivellierungsmotor-Antriebseinheit 64 auf Basis
der Signale von den Kippsensoren 44 und 45 an.
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Auf
Basis des Signals von der Detektionseinheit des Reflexionslichts 53 oder
des Signals von der Kippabtasteinheit 26, des Codierers 19 und
des Rotationseinheitencodierers 32, zeigt die Steuereinheit 54 Informationen
bezogen auf eine Referenzebene, die durch den Laserstrahl 4 gebildet
wird, wie z. B. die Richtung, das Kippen, etc. der Haupteinheit 20 des
rotierenden Laserstrahlsystems auf einer Anzeigeeinheit (nicht gezeigt)
der Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems
an. Zum Beispiel, zeigt es Informationen an, in welcher Richtung
und in welchem Winkel die Haupteinheit 20 des rotierenden
Laserstrahlsystems hinsichtlich des Niveausensors 7 rotiert
wird, oder den Kippwinkel, die Kipprichtung, etc. der Referenzebene.
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Als
Nächstes
wird eine Beschreibung des Niveausensors 7 bezugnehmend
auf 4 gegeben.
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Ein
bandähnlicher
Reflexionsbereich 61, der entlang einer vertikalen Richtung
ausgelegt ist, ist an jeder der linken und rechten Seite des Niveausensors 7 angeordnet.
Ein Teil zwischen den zwei Reflexionsbereichen 61 ist ein
nicht- reflektierender Bereich 60. An den äußeren Seiten
von jedem der Reflexionsbereiche 61 ist ein Fotodetektionselement 62 in
bandähnlicher
Form angelegt und ist in vertikaler Richtung ausgerichtet. Das Fotodetektionselement 62 ist in
einem bestimmten Winkel hinsichtlich des Reflexionsbereichs 61 vorgesehen.
Auf der Rückseite
ist eine Nut 63 ausgebildet, die mit der Stange 6 gekoppelt
wird, und der Niveausensor 7 wird mit der mit der Nut 63 gekoppelten
Stange 6 installiert.
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Nun
wird die Steuereinrichtung 11 bezugnehmend auf 5 beschrieben.
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Die
Steuereinrichtung 11 wird typischerweise durch einen Personalcomputer
dargestellt. Die Steuereinrichtung 11 umfasst eine arithmetische
Einheit 65 und eine Speichereinheit 66. Ein Programm
zur arithmetischen Verarbeitung ist in der Speichereinheit 66 eingestellt
und angegeben. Auch ist ein Programm zur Berechnung topografischer
Daten auf Basis der Werkzeichnungen, d. h. eine Höhe der Bodenoberfläche hinsichtlich
Ebenenkoordinaten und eine Position des Bulldozers 2, eingestellt
und eingegeben. Weiterhin sind die Daten, wie z. B. die Höhe des rotierenden
Laserstrahlsystems 1, der Abstand von einer Schaufelkante 5a zu
der Standardposition des Niveausensors 7, etc. eingestellt
und eingegeben.
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Zu
der Steuereinrichtung 11 wird ein von einem zweiten GPS-Empfänger 68,
wie später
beschrieben, empfangenes Signal eingegeben, und ist auch ein von
einem Radioempfänger 10,
wie später beschrieben,
empfangenes Signal eingegeben. Unter Verwendung des obigen arithmetischen
Programms kann die Position des Bulldozers 2 von den empfangenen Signalen
berechnet werden. Weiterhin wird von den Berechnungsergebnissen
und den topografischen Daten auf Basis der Werkszeichnungen, welche
voreingestellt und eingegeben wurden, ein Kippwinkel des Laserstrahls 4,
der von der Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems
ausgegeben wurde, berechnet, und ein Befehl wird zu der Steuereinheit 54 der
Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems auf
Basis der Ergebnisse der Berechnung erteilt.
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Der
Bulldozer 2 umfasst eine Schaufelantriebseinheit 71 zur
Steuerung einer Position der Schaufel 5 und einen Radiosender/-empfänger 72.
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Als
Erstes wird eine Beschreibung der Schaufelantriebseinheit 71 gegeben.
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Der
Niveausensor 7 ist auf der Stange 6 montiert.
Der Abstand zwischen der Schaufelkante 5a und der Standardposition
des Niveausensors 7 ist eine bekannte Größe. Ein
Detektionssignal des Laserstrahls 4 durch den Niveausensor 7 wird
in eine arithmetische Einheit 73 eingegeben. Die arithmetische
Einheit 73 berechnet die Höhe der Schaufelkante 5a und
treibt einen hydraulischen Zylinder 75 über eine elektrische/hydraulische
Schaltung 74 an, um die Schaufel 5 auf und ab
zu bewegen, um die Position zu bestimmen. Die elektrische/hydraulische Schaltung 74 umfasst
elektromagnetische Ventile. Die arithmetische Einheit 73 sendet
einen Offen/Geschlossen- Steuerbefehl zu der elektrischen/hydraulischen
Schaltung 74 entsprechend einer vorherbestimmten Sequenz
aus. Durch das Öffnen
oder Schließen
der elektromagnetischen Ventile über
die elektrische/hydraulische Schaltung 74 wird die Zufuhr
oder Abfluss der Druckflüssigkeit
zu oder von dem hydraulischen Zylinder 75 oder die Durchflussregulation
gesteuert und der hydraulische Zylinder 75 wird auf oder
ab in einer erwünschten
Richtung und in einer erwünschten
Geschwindigkeit bewegt. Eine Anzeigeneinheit 76 ist mit
der arithmetischen Einheit 73 verbunden, und die Position
oder die Schürfstellung
der Schaufel 5 wird angezeigt.
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Das
Bezugszeichen 77 stellt eine Arbeitseinheit dar, und diese
kann manuelle Arbeiten entsprechend der Anzeige auf der Anzeigeneinheit 76 direkt durchführen. Während dem
Beobachten der Anzeige auf der Anzeigeeinheit 76, wird
eine manuelle Positionierungsarbeit der Schaufel 5 durchgeführt. Ein
Signal von der Arbeitseinheit 77 wird in die arithmetische
Einheit 73 eingegeben, und die arithmetische Einheit 73 treibt
den hydraulischen Zylinder 75 über die elektrische/hydraulische
Schaltung 74 auf Basis der Eingangssignale an.
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Anschließend wird
eine Beschreibung des Radiosenders/-empfängers 72 gegeben.
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Ein
erster GPS-Empfänger 80 ist
in einer Position installiert, z. B. auf dem Dach des Bulldo zers 2, wo
kein Hindernis ist, um die Radiowellen, welche von dem Satelliten
kommen, zu unterbrechen. Unter Verwendung eines Signalprozessors 82 wird
die Signalverarbeitung, wie z. B. die Verstärkung mit der durch den ersten
GPS-Empfänger 80 empfangenen Information
durchgeführt,
und die Information wird zu dem Radioempfänger 10 durch einen
Sender 81 übertragen.
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Ein
zweiter GPS-Empfänger 68 ist
auf einem Stativ 84 in einer Position installiert, welche
näher an dem
rotierenden Laserstrahlsystem 1 ist und dient als Referenzpunkt.
Das Empfangsergebnis des zweiten GPS-Empfängers 68 und das Empfangsergebnis
des Radioempfängers 10 werden
in die Steuereinrichtung 11 eingegeben. Unter Verwendung
des ersten GPS- Empfängers 80 und
des zweiten GPS- Empfängers 68,
wird die Position des Bulldozers 2 durch kinematische Vermessung
erkannt. Der erste GPS- Empfänger 80,
der zweite GPS- Empfänger 68 und die
Steuereinrichtung 11 bilden ein Vermessungssystem, und
der Radiosender/-empfänger 72,
der zweite GPS- Empfänger 68,
und der Radioempfänger 10 bilden
ein Datenkommunikationssystem.
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Im
Folgenden wird eine Beschreibung des Betriebs des Systems gegeben.
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Der
zweite GPS- Empfänger 68 ist
an einem bekannten Punkt installiert, und das rotierende Laserstrahlsystem 1 ist
auch an einem bekannten Punkt installiert.
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Nach
der Installation wird als Erstes die Nivellierung des rotierenden
Laserstrahlsystems 1 durchgeführt. Die Nivellierung wird
durch die korporative Bedienung der Kippeinstellung durch die Kippeinstelleinheit 25 und
die horizontale Detektion der Kippsensoren 44 und 45 durchgeführt. Wenn
der Nivellierungsvorgang abgeschlossen wurde, ist die Richtung der
Haupteinheit 20 des rotierenden Laserstrahlsystems mit
dem Niveausensor 7 ausgerichtet und die Initialisierung
wurde durchgeführt.
Die Initialisierung ist notwendig, da eine Kipprichtung der Haupteinheit 20 des
rotierenden Laserstrahlsystems 1 als erstes nicht mit den
Einstellungen der Steuereinrichtung 11 übereinstimmt. Für die Initialisierung wird
die an einem bekannten Punkt installierte Haupteinheit 20 des
rotierenden Laserstrahlsystems in Richtung des Niveausensors 7 des
Bulldozers 2, den Daten, welche bereits durch die GPS-Empfänger 80 und 68 bekannt
sind, gerichtet. Um den Niveausensor 7 zu erkennen, wird
der Laserstrahl 4 zum Abtasten rotiert. Der reflektierte
Laserstrahl 4' von
dem Niveausensor 7 wird durch die Fotodetektoreinheit 27 erkannt.
Auf Basis des Ergebnisses der Detektion rotiert die Steuereinheit 54 die
Rotationseinheit 22 und bewegt ihn in Richtung des Niveausensors 7.
Wenn die Initialisierung manuell durchgeführt wird, wird der Kollimator 28 ausgeblendet,
und die Rotationseinheit 22 und die Kippeinstellungseinheit 25 werden
bedient. In diesem Fall ist es nicht nötig, die Fotodetektionseinheit 27 oder ähnliches
zu verwenden.
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Die
durch den Radioempfänger 10 empfangene
Information und das durch den zweiten GPS-Empfänger 68 empfangene
Signal werden in die Steuereinrichtung 11 eingegeben. In
der Steuereinrichtung 11 wird die Position des Bulldozers 2 vermessen.
Das Ergebnis der Vermessung ist eine Information der Ebenenposition
des Bulldozers 2. Die Steuereinrichtung 11 berechnet
einen Gradienten des Laserstrahls 4 unter Verwendung der
arithmetischen Einheit 65 auf Basis der Ebenenpositionsinformation
und der in die Speichereinheit 66 eingegebenen Arbeitsdaten.
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Das
Berechnungsergebnis wird in die Steuereinheit 54 des rotierenden
Laserstrahlsystems 1 eingegeben. Die Steuereinheit 54 treibt
die Kippeinstellungseinheit 25 an und steuert diese, so
dass die durch den Laserstrahl 4 gebildete Referenzebene den
berechneten Gradienten haben wird. Auf Basis des Signals von der
Steuereinheit 54 treibt die Kippeinstellungseinheit 25 den
Kippmotor 36 an und kippt den Lichtsender 23 durch
die Rotation der Kippwelle 35 über das Rädergetriebe 37. Durch
das Kippen des Lichtsenders 23 wird der durch die rotierende
Ausstrahlung von dem Rotor 24 ausgestrahlte Laserstrahl 4 gekippt,
und die durch den Laserstrahl 4 gebildete Referenzebene
hat nun den vorherbestimmten Gradienten.
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Wenn
die Einstellung der Kipprichtung und des Gradienten des Laserstrahls 4 abgeschlossen wurde,
ist die Positionierung der Schaufel 5 durchgeführt.
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Auf
Basis des von dem Niveausensor 7 empfangenen Signals erkennt
die arithmetische Einheit 73 die Fotodetektorposition des
Niveausensors 7. Nach der vergleichsweisen Berechnung der
Fotodetektionsposition und der Referenzposition, wenn dort irgendeine
Abweichung ist, wird ein Antriebssteuersignal zu der elektrischen/hydraulischen
Schaltung 74 ausgesendet, um die Abweichung zu korrigieren.
Die elektrische/hydraulische Schaltung 74 treibt den hydraulischen
Zylinder 75 an und bewegt die Schaufel 5 auf und
ab. Da der Niveausensor 7 ganzheitlich mit der Schaufel 5 auf
und ab bewegt wird, stimmt die Summe der Aufwärts- und Abwärtsbewegungen
der Schaufel 5 mit der Summe der Aufwärts- und Abwärtsbewegungen
des Niveausensors 7 überein. Wenn
die Fotodetektorposition auf dem Niveausensor 7 mit der
Referenzposition übereinstimmt,
ist die Position der Schaufel 5 bestimmt.
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Bodennivellierarbeiten
werden durch die Bewegung des Bulldozers 2 durchgeführt. Die
durch den ersten GPS- Empfänger 80 empfangenen
Daten werden zu dem Radioempfänger 10 über den
Transmitter 81 übertragen.
Weiterhin werden von dem zweiten GPS- Empfänger 68 empfangene
Daten in die Steuereinrichtung 11 eingegeben. Als ein Ergebnis
berechnet die Steuereinrichtung 11 die Position des Bulldozers 2.
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Die
Höhe und
Neigung der nivellierten Bodenoberfläche an der Position des Bulldozers 2 wird entsprechend
den Arbeitsdaten berechnet. Wo die nivellierte Bodenoberfläche eine
geneigte Oberfläche mit
einem konstanten Gradienten ist, kann die Bodennivellierung ohne
eine Veränderung
des Gradienten der durch die Haupteinheit 20 des rotierenden
Laserstrahlsystems gebildeten Referenzebene durchgeführt werden.
Wo es eine gewellte Oberfläche
ist, kann der Boden zu einer gewellten Oberfläche durch die Veränderung
des Gradienten der durch den Laserstrahl gebildeten Referenzebene
nivelliert werden, wie der Bulldozer 2 bewegt wird.
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Entsprechend
dem vorliegenden System ist es möglich,
eine Bodennivellierung entsprechend den Arbeitsdaten automatisch
durchzuführen.
Auch kann der Arbeiter eine Bodennivellierungsarbeit manuell auf
Basis der auf der Anzeigeneinheit 76 angezeigten Daten
durchführen.
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In
der obigen Ausführungsform
ist ein Niveausensor 7 auf der Schaufel 5 vorgesehen,
während
der Niveausensor 7 auf einem Gehäuse des Bulldozers 2 installiert
werden kann, wenn es in solch einer Weise ausgestaltet ist, dass
die Position der Schaufelkante 5a entsprechend der Verlängerung oder
Verkürzung
des hydraulischen Zylinders 75 oder durch die Position
eines Arms, welches die Schaufel 5 unterstützt, erkannt
werden kann. Die obige Darlegung wurde über das GPS-Messsystem der kinematischen
Art gegeben, während
es nicht erforderlich ist, zu sagen, dass ein GPS- Messsystem irgendeiner
anderen An verwendet werden kann, wenn ein Bewegungspunkt sofort
erkannt werden kann. Es kann in solch einer Weise ausgestaltet sein, dass
eine reziproke Abtastung über
den ganzen Bereich des Niveausensors 7 auf Basis des Ausgangs des
Codierers 19 zur Detektion der Rotationsposition der Dreheinrichtung 24 durchgeführt wird,
oder der Laserstrahl kann durch die Begrenzung der Ausstrahlung
des Laserstrahls innerhalb des Bereichs des Niveausensors 7 rotiert
werden.
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Wie
oben beschrieben, wenn die Bodennivellierungsarbeit entsprechend
der durch den Laserstrahl gebildete Referenzebene durchgeführt wird,
ist es entsprechend der vorliegenden Erfindung möglich, einfach und zuverlässig nicht
nur eine horizontale Oberfläche,
sondern auch eine geneigte Oberfläche oder eine gewellte Oberfläche ohne
die Inanspruchnahme der Hilfe eines erfahrenen Arbeiters herzustellen.
Dies wird durch die Messung der Position der Baumaschine in Echtzeit
und durch die Steuerung der Höhe
des Bodennivellierwerkzeuges auf Basis der Arbeitsdaten gewährleistet.
Es ist weiterhin möglich,
die Zeit zu reduzieren, die für
Bauarbeiten gebraucht wird.