DE9313075U1

DE9313075U1 - Profilgesteuertes Maschinensteuersystem

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Publication number: DE9313075U1
Application number: DE9313075U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2003-09-01

Description

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Schorn 12, 82319 Starnberg-Schorn

Prof i!gesteuertes Maschinensteuersystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Maschinensteuersystem und insbesondere auf ein Maschinensteuersystem zur Steuerung von Baumaschinen.

Maschinensteuersysteme werden im allgemeinen eingesetzt, um eine Maschine über eine vorgegebene Strecke zu steuern. Dabei können auch weitere Funktion der Maschine, wie beispielsweise Bearbeitungsfunktionen, von dem Steuersystem gesteuert werden. Als besonders schwierig hat es sich erwiesen, Baumaschinen im freien Gelände zu steuern. Da im freien Gelände kaum definierte Bezugspunkte existieren. Zur Steuerung von Baumaschinen nach dem Stand der Technik müssen daher je nach geforderter Genauigkeit des Bauwerkes durch Vermessung des Geländes mehr oder weniger viele Bezugspunkte ausgemessen werden.

Besonders beim Bau von Trassen für Straßen und Geleisstrecken aber auch beim Bau von Start und Landebahnen werden dabei Genauigkeiten gefordert, die einen erheblichen Vermessungs und Installationsaufwand für die Leitsysteme der Baumaschinen mit sich bringen. Beispielsweise werden beim Bau von Trassen für Hochgeschwindigkeitszüge lediglich Höhenabweichungen der Trassen von 2mm auf 30m Trassenlänge toleriert. Um die besonders kritische Genauigkeit in der Höhe der Trasse oder Fahrbahn in den Griff zu bekommen, sind Höhenmeßeinrichtungen entwickelt worden, mit deren Hilfe sich die Baumaschine bzw. deren Bearbeitungsvorrichtung in der Höhe steuern läßt.

Diese Höhenmeßeinrichtungen tasten mittels Ultraschall oder Laser die erreichte Höhe gegenüber einem Bezugspunkt ab. Bei

einem weit verbreitetem System wird am Rand der Trasse ein Leitdraht exakt in einer vorgegebenen Höhe gespannt, der dann mittels Ultraschall von der Baumaschine aus abgetastet wird. Hierzu ist jedoch ein enormer Vermessungs- und Installationsaufwand erforderlich. Außerdem besteht bei breiten Trassen das Problem, daß nur die äußerste Spur der Baumaschine mittels des Drahtes gesteuert werden kann. Bei den inneren Spuren werden daher die Höhenmessungen gegenüber der äußeren Spur vorgenommen. Dabei addiert sich ein eventuell bei der Ausrichtung des Drahtes entstandener Fehler von Spur zu Spur.

Unabhängig von der Steuerung der Höhe muß die Baumaschine, beispielsweise eine Feinplaniermaschine, exakt auf einer vorgegebenen Bahn gesteuert werden; Bahnabweichungen führen dabei selbstverständlich sofort zu einer Abweichung des erstellten dreidimensionalen Profiles von dem gewünschten Profil.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschinensteuerung zu schaffen, die es gestattet, die Maschine exakt gemäß einem vorgegebenen Profil zu steuern.

Die Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 2 gelöst. Gemäß Anspruch 1 erfolgt die Maschinensteuerung mittels einer Sende/Empfangseinheit, die ein Signal aussendet, das mittels einer Reflektionseinrichtung wieder zur Sende/Empfangseinheit reflektiert wird. Dabei muß entweder die Sende/Empfangseinheit oder die Reflektionseinrichtung an der Maschine vorgesehen sein. Aus der Laufzeit und den Empfangswinkeln läßt sich dann die Position der Maschine gegenüber der nicht an der Maschine vorgesehenen Einrichtung ermitteln. Je nach Art des verwendeten Signales kann anstatt der Laufzeit oder zusätzlich zur Laufzeit auch eine Auswertung der Phasenlage des Signales erfolgen. Üblicherweise wird die Reflektionseinrichtung an der Maschine vorgesehen und die Sende/Empfangseinheit an einem festen Bezugspunkt aufgestellt. Es ist jedoch auch möglich, die Sende/Empfangseinheit auf einer vorgegebenen Bahn zu bewegen und die Position der Maschine relativ zu dieser Bahn zu

bestimmen, so daß über die bekannten Bahndaten wieder die absolute Position der Maschine bestimmbar ist.

Dieses Verfahren bei dem die Sende/Empfangseinheit auf einer vorgegebenen Bahn mit vorgegebenen Koordinaten verfahren wird, kann vorteilhaft sein, wenn bei Aufstellung der Einheit an einem festen Bezugspunkt keine unterbrechungsfreie Signalübertragung zur Maschine über den erwünschten Verfahrweg der Maschine möglich ist. Ebenso kann natürlich auch die Sende/Empfangseinheit an der Maschine vorgesehen sein und die Reflektionseinrichtung auf einer Bahn bewegt werden. Der Vorteil dieser Verfahrensweise liegt darin, daß die Bahn einen einfachen geometrischen Verlauf haben kann, der leicht vermessen werden kann, beispielsweise eine Gerade, wohingegen der erwünschte Verfahrweg der Maschine einen komplizierten Verlauf haben kann, der auf herkömmliche Weise nur sehr aufwendig vermessen werden kann.

Soll die Maschine auf einer völlig ebenen Fläche bewegt werden, so stellt der Verfahrweg ein zweidimensionales Profil da. Für die Positionsbestimmung genügt dann die Laufzeit des Signales und ein Empfangswinkel. Wird die Maschine hingegen dreidimensional bewegt, so müssen die Laufzeit und zwei Empfangswinkel bestimmt werden - Horizontalrichtung, Vertikalrichtung und Schrägentfernung -.

Gemäß Anspruch 2 wird ohne Reflektionseinrichtung gearbeitet. Hierbei sitzt entweder die Sende- oder die Empfangseinheit auf der Maschine. Aus der Laufzeit und dem bzw. den Empfangswinkeln des ausgesandten Signals läßt sich dann ebenso die Position der auf der Maschine angeordneten Einheit zu der anderen Einheit und so die Maschinenposition ermitteln. Dabei ist es zur Bestimmung der Laufzeit bzw. der Phasenlage des Signales vorteilhaft wenn beide Einheiten einen synchronisierten Taktgeber aufweisen und das Signal in einem vorgegebenen Takt gesendet wird.

Selbstverständlich kann auch bei dieser Variante eine der Einheiten an einem festen Bezugsort aufgebaut sein oder auf einer festgelegten Bahn bewegt werden.

Besonders bewährt haben sich für die Signalübertragung Laserstrahlen. Es ist jedoch auch möglich, elektromagnetische Strahlung, Infrarotlicht oder andere sichtbare oder unsichtbare Lichtarten zu verwenden.

Die Bestimmung der Empfangswinkel kann über eine Optik erfolgen, die dem empfangenen Strahl nachgeführt wird, dabei sind Sensoren vorgesehen, die die Nachführung der Optik messen, wobei aus diesen Daten der Empfangswinkel bestimmt wird. Das Verfahren ist jedoch auch mit beliebigen anderen bekannten Methoden zur Bestimmung des Empfangswinkels durchführbar. Beispielsweise aus dem Vermessungswesen sind hierfür geeignete Geräte, sogenannte Theodolite, bekannt.

Im Regelfall ist die zu steuernde Maschine mit einem Computer versehen, der die Maschinensteuerung übernimmt. Zum Datenaustausch zwischen dem Computer auf der Maschine und der von der Maschine entfernten Einheit ist ein Kommunikationssystem vorgesehen, das vorteilhaft ein Funktelemetriesystem umfaßt aber auch eine optische Übertragungseinrichtung aufweisen kann. Von dem Computer kann der Fahrweg der Maschine und auch Bearbeitungsfunktionen der Maschine gesteuert werden. Bei einer Feinplaniermaschine kann beispielsweise die Bearbeitungshöhe der Trasse und die Querneigung gesteuert werden, da Trassen fast immer mit einer bestimmten Querneigung angelegt werden. Hierzu kann das erwünschte Bearbeitungsprofil auch dreidimensional in den Computer eingegeben werden, der Computer steuert die Maschine dann exakt auf der Grundlage der ermittelten tatsächlichen Positionsdaten und des gewünschten Bearbeitungsprofiles, so daß exakt dieses Profil erstellt wird. Dabei können die Positionsdaten von einer Einrichtung außerhalb der Maschine bestimmt werden und zur Maschine bzw. dem Computer übertragen werden oder es können die gemessenen Werte zur Maschine übertragen werden und dort mittels einer entsprechenden Einrichtungen die Positionsdaten bestimmt werden.

Wird der Signalempfang durch einen Fehler in einer der Einheiten oder an der Reflektionseinrichtung oder durch äußere Umstände unterbrochen, kann dies zu

Bearbeitungsfehlern führen. Vorteilhafterweise ist daher eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen, die den Maschinenführer von der Unterbrechung des Signalempfanges in Kenntnis setzt. Es kann auch eine Unterbrechungsvorrichtung vorgesehen sein, die bei Unterbrechung des Signalempfanges die Bearbeitungsfunktionen oder sogar die gesamte Maschine stoppt um eine fehlerhafte Bearbeitung zu vermeiden. Sobald der Signalempfang wieder hergestellt ist, steht sofort wieder die tatsächliche Position der Maschine fest, so daß die Bearbeitung sofort weitergeführt werden kann, ohne daß zu einem Ausgangspunkt zurückgekehrt werden müßte.

Die Erfindung wird folgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Figur 1 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Maschinensteuerung zur Steuerung einer Feinplaniermaschine.

Wie aus Figur 1 zu sehen, soll bei diesem Ausführungsbeispiel mittels der anmeldungsgemäßen Maschinensteuerung eine Feinplaniermaschine 1 zum Planieren einer Fahrbahn 2 gesteuert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird mit einem festen Bezugspunkt gearbeitet, an dem ein Theodolit 3 als Sende/Empfangseinheit aufgestellt ist. Der Theodolit 3 sendet ein Bündel 7 paralleler Laserstrahlen, das in der Zeichnung durch einen Pfeil gekennzeichnet ist. Um das Zielobjekt zu erfassen, kann der Theodolit 3 mit verschiedenen einstellbaren Suchalgorithem arbeiten. Ein abzusuchender Bereich wird durch eine schrittweise Änderung der Ausstrahlrichtung - in der Zeichnung beispeilsweise von a bis d - abgetastet bis das gerichte parallel Bündel 7 Laserstrahlen das Zielobjekt erfaßt.

Wie aus der Zeichnung zu sehen, trifft das Bündel 7 in der Winkelstellung d eine auf der Planiermaschine 1 vorgesehene Reflektionseinrichtung 4, die im unteren Bildbereich separat dargestellt ist. Diese Reflektionseinrichtung 4 reflektiert Laserstrahl des Bündels 7 zum Thedoliten 3 zurück, der aus der Laufzeit des Strahles und den Empfangswinkeln genau die relative Position der Reflektionseinrichtung 4 zu sich selbst ermittelt. Da der Theodolit auf einem festen Bezugsort als

Referenzpunkt aufgestellt ist, dessen Koordinaten bekannt sind, kann aus dieser relativen Position leicht die absolute tatsächliche Position der Reflexionseinrichtung 4 und damit der Planiermaschine 1 ermittelt werden.

Über ein nicht dargestelltes Funktelemetriesystem gibt der Theodolit 3 die Positionsdaten der Planiermaschine 1 über die Reflexionseinrichtung 4 an einen Computer 5 weiter, in den auch die Profildaten des gewünschten dreidimensionalen Profiles eingegeben worden sind. Entsprechend der momentanen Position steuert der Computer 5 die Bearbeitungsfunktionen der Planiermaschine 1. Dabei wird nicht nur die Bearbeitungshöhe, sondern auch die Neigung der Scharre, mit der der Untergrund bearbeitet wird, eingestellt. Ist das zu bearbeitende Stück der Trasse fertig bearbeitet, wird die Planiermaschine 1 entsprechend der momentanen Position und dem gewünschten Profil weiterverfahren, um das nächste Stück der Trasse zu bearbeiten. In den meisten Fällen wird jedoch eine kontinuierliche Bearbeitung der Trasse vorgenommen, d.h. die Planiermaschine 1 bearbeitet den Untergrund während diese weiterfährt fertig.

Die dargestellte Planiermaschine 1 ist mit einem sogenannten Blade Pro Maschinensteuerungssystem 6 versehen, das die gesamte Maschine steuert. Dieses Maschinensteuerungssystem 6 wird von dem Computer 5 angesteuert, der so die Kontrolle über die gesamte Planiermaschine 1 hat.

Der gezeigte Theodolit 3 arbeitet mit Laserstrahlen; fährt beispielsweise ein Fahrzeug unbeabsichtigt zwischen Theodolit 3 und Planiermaschine 1, so wird der Laserstrahl und damit der Signalempfang unterbrochen. In diesem Fall wird über eine nicht dargestellte Anzeigeeinrichtung dem Maschinenführer die Signalunterbrechung angezeigt, der dann sofort zumindest die Bearbeitungsfunktionen der Planiermaschine stoppen kann.

Sobald der Laserstrahl wieder die Planiermaschine 1 erfassen kann, weil beispielsweise das Hindernis beseitigt ist, kann der Theodolit 3 wieder die aktuelle tatsächliche Position der Planiermaschine 1 ermitteln, so daß die Planiermaschine 1 entsprechend den eingegebenen Daten die Bearbeitung der

Trasse fortsetzen kann, eine Rückkehr zu einem Startpunkt ist nicht erforderlich.

Claims

Schorn 12, 82319 Starnberg-Schorn Ansprüche

1. Maschinensteuerung mit einer Reflektionseinrichtung (4), die ein von einer Sende/Empfangseinheit (3) ausgesendetes Signal (7) zur Sende/Empfangseinheit (3) reflektiert, wobei aus der Laufzeit und/oder Phasenlage des Signales (7) und den Empfangswinkeln die Position einer Maschine (1) bestimmbar ist, an der die Ref lektionseinrichtung (4) oder die Sende/Empfangseinheit (3) angeordnet ist, wobei die Positonsdaten mittels einer übertragungseinrichtung einem Computer (5) zuführbar sind, der mit der Steuerung der Maschine (1) verbunden ist.

2. Maschinensteuerung mit einer Empfangseinheit, die ein von einer Sendeeinheit ausgesendetes Signal (7) empfängt, wobei aus der Laufzeit und/oder Phasenlage des Signales (7) und den Empfangswinkeln die Position einer Maschine (1) bestimmbar ist, an der die Empfangseinheit oder die Sendeeinheit angeordnet ist, wobei die Positonsdaten mittels einer Übertragungseinrichtung einem Computer (5) zuführbar sind, der mit der Steuerung der Maschine (1) verbunden ist.

3. Maschinensteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit und Empfangseinheit jeweils synchronisierte Taktgeber aufweisen und das Signal (7) in einem vorbestimmten Takt gesendet wird.

3. Maschinensteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal (7) ein elektromagnetisches- oder ein Lichtsignal ist.

4. Maschinensteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgesendete Signal (7) ein Laserstrahl ist.

5. Maschinensteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- oder Empfangseinheit oder die Reflektionseinrichtung (4) an einem bekannten Bezugsort montierbar sind.

6. Maschinensteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangswinkel mittels einer Auswerteinrichtung an der Empfangseinheit bestimmbar sind.

7. Maschinensteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangswinkel über eine Optik und Sensoren an der Empfangseinheit bestimmbar sind.

8. Maschinensteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende/Empfangseinheit (3) mit der Reflektionseinrichtung (4) oder die Sendeeinheit mit der Empfangseinheit kommuniziert.

9. Maschinensteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommunikation über ein Funktelemetriesystem oder eine optische Übertragungseinrichtung erfolgt.

10. Maschinensteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (5) mit der Steuerung der Maschine (1) verbunden ist.

11. Maschinensteuerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (5) den Fahrweg der Maschine (1) steuert.

12. Maschinensteuerung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (5) zumindest eine Bearbeitungsfunktion der Maschine (1) steuert.

13. Maschinensteuerung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (5) die Positionierung des Bearbeitungswerkzeuges steuert.

14. Maschinensteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Fahrweg und/oder die gewünschten Bearbeitungsdaten in den Computer

und/oder die gewünschten Bearbeitungsdaten in den Computer (5) eingebbar sind.

15. Maschinensteuerung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (5) die Maschine (1) auf der Basis der eingegebenen Daten und der tatsächlichen ermittelten Position der Maschine (1) steuert.

16. Maschinensteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den auf der Maschine (1) angeordneten Computer (5) ein dreidimensionales Profil eingebbar ist und die Maschine (1) zur genauen Erstellung des eingegebenen Profils von dem Computer (5) auf der Basis der Positonsdaten steuerbar ist, die mittels der, auf der Maschine (1) vorgesehenen Reflektionseinrichtung (4) und einer an einem bekannten Bezugsort aufgebauten Sende/Empfangseinheit (3), die ein Theodolit ist, kontinuierlich bestimmbar sind.

17. Maschinensteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung, die einen Ausfall des Signalempfanges angezeigt.

18. Maschinensteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Unterbrechungseinrichtung, die bei Ausfall des Signalempfanges die Bearbeitungsfunktion der Maschine (1) stoppt.

19. Maschinensteuerung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungseinrichtung bei Ausfall des Signalempfanges die gesamte Maschine (1) stoppt.