SE508951C2 - Anordning och förfarande för att bestämma läget för en bearbetande del - Google Patents

Description

20 508 951 2 BESKRIVNING AV BESLÄKTAD TEKNIK US-A-4,807, 131 (Clegg Engineering) beskriver ett markberedningssystem med användning av ett instrument med en horisontalplan-identifierande roterande svepstråle, och en på en rnarkberedningsmaskin placerad höj dindikator för träff av svepstrrålen. Höjdindikatorn är placerad direkt på maskinens bearbetande verktyg, t. ex. på bladet till en grävskopa. Dessutom kan en separat positionsgenerator vara placerad på maskinen och samverka med ett elektroniskt distansmätande instrument för att ge maskinens position i det område, som skall bearbetas. Signalema från de olika ovan nämnda indikatorer matas till en dator, som får uppgift om önskad topografi hos markområdet via förbestämda, sammansatta data, sammanställer rnätvärdena och ger indikation för styrning av maskinens bearbetande verktyg.

Att bestämma orientering och lutning via maskinrörelserna är en långsam metod.

Likaså är positions- och höjdbestämning med GPS-teknik eller med elektroniska vinkel- och distansmätande ofta ej tillräckligt snabb för att kunna mäta in position och framför allt höjd med tillräcklig noggrannhet vid snabba fórflytmingar.

UPPFINNJINGENS SYFTEN Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en styrning resp. styrindjkering av en markberedningsmaskin, som ger möjlighet till fullgod styrning av maskinen med så få utanför maskinen placerade mätenheter som möjligt. Ännu ett syfte är att åstadkomma en momentan, kontinuerlig och korrekt läges- och iiktningsindikering av en markberedningsmaskin under arbete t.o.m. under snabba rörelseförlopp.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en styming av en markberedningsmaskin, där det är indikeringen av arbetsläge och arbetsrikming av den bearbetande delen av maskinens arbetsverktyg som är det väsentliga, men där 48891 1997-11-26 12.58 10 20 5 0 8 9 5 1 J inverkan av den bearbetande delens skakningar, ogynnsamma miljö, skymda lägen etc undanröjs.

Ytterligare ett syfte med uppfirmingen är att åstadkomma en direkt positionsbestämning och automatisk följning av den bearbetande delen av maskinens bearbetande del under arbetsoperationen. Ännu ett syfte med uppñnriingen är att åstadkomma ett flexibelt system, som är användbart for uppmätning av det momentana arbetslaget och arbetsrikmingen för olika typer av arbetsmaskiner, t. ex. markberedningsmaskiner, grävmaskiner, lyftkranar m.fl.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ovan angivna syften uppnås med en anordning, som erhållit de i den kärmetecknande delen av patentkravet l angivna särdragen. Ytterligare egenskaper och vidareutvecklingar samt ett förfarandet anges i de övriga patentkraven.

Uppfinningen kärmetecknas av att den positions- och orienteringsbestärrirnande apparaturen innefattar dels en relativt sett långsam, noggrarm bestämninganordning, som med tidsintervall noggrant mäter det aktuella läget och orienteringen hos maskinen, och dels en relativt snabb bestämninganordning, som reagerar på positions- och/eller orienteringsändringar for att beräkna och uppdatera bestämníngen mellan de nämnda tidsintervallen. Denna snabba bestämningsanordning behöver då endast vara korttidsstabil eftersom en långsam drift konigeras genom uppdatering från den långsammare anordningen.

Den relativt långsamma, noggranna positions- och orienteringsbestämningen kan ske med hjälp av en stationär mätstation, t.ex. ett geodetiskt instrimient med automatisk målinxiktning eller en radionavigeringsantenn, tex. för GPS (Global Positioning System), placerad i närheten av arbetsmaskinen för lägesbestämning i samverkan med detektoranordningen. Lutningama kan bestämmas med t ex inklinometrar och orienteringen kring vertikalaxeln t ex med kompass eller med ett nordsökaride gyro. 48891 l997-l1-26 12.58 10 20 25 508 951 Den korttidsstabila bestärnningsanordningen kan därvid innefatta minst en accelerometeranordning hos maskinen for mätning av accelerationen hos maskinen i minst en riktning, företrädesvis i flera inbördes olika riktningar, varvid beräkningsenheten dubbelintegrerar den eller de indikerade accelerationema och uppdaterar senaste beräkningsresultatet av positionen i det fasta koordinatsystemet.

Vid behov av en snabb bestämning av en orienteringsändring utnyttjas företrädesvis ytterligare en accelerometer eller ett gyro för vaije axel kring vilken vridning skall bestämmas. Signalema fiån dessa givare används efter lärnplig integrering samt omvandling från maskinens koordinatsystem till ett fast koordinatsystem, till att uppdatera lägesbestärnningar för maskinen i det fasta koordinatsystemet. Ett lämpligt sätt att sammanväga informationen fiån de långsammare och de snabba givarna på ett optimalt sätt är att använda sig av Kalmann-filtrering.

Företrädesvis görs mätning och beräkning i intervaller ständigt under det att maskinen är i verksamhet. Beräkningsenheten beräknar efter varje mätning position, samt eventuellt arbetsriktning och arbetshastighet hos den bearbetande delen av verktyget under användande av senaste och tidigare beräkningsresultaten för läge.

Berälcningsenheten kan även utnyttja tidigare beräkningsresultat for att förutsäga trolig placering, orientering, arbetsriktning och hastighet en viss tid i förväg för arbetsmaskinens bearbetande del.

FÖRDELAR MED UPPFINNINGEN Med uppfinningen har man skapat ett mätsystem, som är enkelt att använda och som dessutom är utomordentligt foljsamt. Redan befintliga stationer for inmätning av ett område kan utnyttjas for att styra arbetsmaskinema. Detta innebär att specialutrustning for stationerna inte behöver köpas in eller forslas till arbetsplatsen speciellt for att användas vid uppfinningen. Däremot behövs extra utrustning på arbetsmaskinen 48891 1997-11-26 12.58 20 25 508.951 KORT FIGURBESKRIVNING Uppfmningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till de bifogade ritningama, där FIG. 1 FIG. h.) FIG.

D.) FIG. 4 FIG. SA FIG. SB FIG. 5C FIG. 6 FIG. 7 FIG. 8 visar schematiskt en grävmaskin med en första utföñngsforrn av ett mätsystem enligt uppfinningen, visar ett blockschema på en accelerometeranordning, visar en andra utföringsform av ett system enligt uppfinningen visar en utföringsform av en reflektorplacering på grävmaskinen i fig. 3, visar en utföringsform av en detektorenhet använd vid mätsystemet enligt uppfinningen, visar ett första utförande av en detektor för anørdningen i fig. 5A, visar ett andra utförande av en detektor för anordningen i fif. 5A, visar schematiskt en gävmaskin med en tredje utföringsform av ett mätsystem enligt uppfinningen. visar ett blockschema för ett helt rnätsystem enligt uppfinningen. visar en bild på en bildskärm i grävmaskinens styrhytt DETAL-JERAD BESKRIVNING AV OLIKA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN 48891 1997-11-26 12.58 10 15 20 (JJ G 508 951 Utföringsform 1 Enligt den i figur 1 visade utföringsformen är ett geodetiskt instrument 1 uppställt på ett markornråde, som skall bearbetas. Instrurnentet 1 är t.ex. ett elektroniskt distansmätinstnnnent 2 med integrerad avstånds- och vinkelmätning av den typ, som kallas totalstation och som marknadsförs av SPECTRA PRECISION AB, dvs med kombinerad avancerad elektronik och datateknik. lnstrumentets 1 position och horisontalvinkelläge mäts först upp på gängse sätt välkänt för fackmannen. Detta kan exempelvis göras genom mätningar mot punkter i omrâdet med förbestämda positioner, t.ex. kyrktorn e.d.

Ett geodetiskt instrument ger både avstånd och vertikal- och horisontalriktning mot ett mål, varvid avståndet mäts mot en reflektor, t. ex. av kubhömstyp. Ett geodetiskt instrument är dessutom försett med en dator med inskrivbara data för mätningar som skall utföras och lagring av under mätningar erhållna data. Företrädesvis används för uppfinningen ett obemannat geodetiskt instrument, vilket innebär att instrumentet automatiskt söker efter och ställer in sig mot och följer ett avsett mål. Detta kan utgöras av samma reflektor som används för avståndsmätningen eller något annat aktivt mål som beskrivs senare. Det geodetiska instrumentet beräknar positionen för ett mål i ett fast markbaserat koordinatsystem.

En arbetsmaskin i form av en markberedningsmaskin 3, t.ex. en markslcrapmaskin, är för den långsamrnare, noggranna positíonsmätriingen i denna utfóringsforrri försedd med en reflektorenhet 4 t ex ett kubhörnsprisma i en placering på maskinen, som är väl synlig från det geodetíska instrumentet 1, hur än maskinen vrider och vänder sig, på maskinens tak i detta fall, samt med en orienteringsbestämrnande enhet 5a, 5b och en anordning 6 innefattande minst en accelerometer och/eller en gyroenhet för rotationsavkänning. Ett kubhörnsprisma reflekterar tillbaka en infallande stråle i motsatt riktning, även om infallsriktrringen mot det är relativt sned. Det är väsentligt att reflektorenhet 4 inte vänder en icke reflekterande sida mot instrumentet 1. Den bör därför företrädesvis bestå av en uppsättning kubhörnsprismor placerade i ring omkring en axel. 48891 1997-11-26 12.58 . 10 15 20 25 508 951 Maskinens orientering i ett fast koordinatsystem i denna utföringsfonn bestäms av enheten Sa, 5b som t ex innehåller två lumingsgivare Sa för att bestämma lutningen mot en lodaxel i två vinkelräta riktningar samt en elektronisk kompass eller ett nordsökande gyro Sb för att bestämma orienteringen i ett fast koordinatsystem t ex i förhållande till nord.

Det är väsentligt att systemet kan följa snabba förlopp, eftersom maskinen under sitt arbeta kan vicka till genom att den kör på en sten eller ner i en grop. En möjlighet fill en korttidsstabilt noggrann och snabb bestämning av positions- och orienteringsändringar i det maskinbundna koordinatsystemet, för efterföljande omvandling till det fasta koordinatsystemet, bör därför finnas. Med en sådan möjlighet kan positions- och tiktningsändtingar bestämmas i intervallet mellan de långsammare positions- och orienteringsbeståmningen av maskinen via totalstationen.

Därför är accelerometeranordningen 6 placerad på maskinen för indikering av snabba rörelser. Denna anordning 6 bör företrädesvis avkänna snabba rörelser och rotation hos maskinen i olika riktningar, för att ge en fullgod funktion. Ett minimikrav är dock att anordningen avkänner acceleration utmed en axel hos maskinen, och då företrädesvis dess normalt vertikala axel (z-axeln), eftersom noggrannhetslcaven normalt är hårdast i denna riktning, då avsikten med markberedningen normalt är att åstadkomma en viss bearbetningsnivå i vertikalled.

Företrädesvis bör dock anordningen 6 avkänna acceleration och/eller rotation i förhållande till tre olika axlar hos maskinen.

Accelerationsmätarna kan vara av vilken konventionell typ som helst och beskrivs och exemplifieras icke närmare, eftersom de icke utgör någon del av den egentliga uppfinningen. Deras utsignaler dubbelintegeras med avseende på tiden, för att ge en positionsändring. Detta kan ske i enheten 6 eller i en datorenhet 20 (se fig 8). De beräknde positionsföråndringarna ges i maskinens koordinatsystem men omrälmas sedan till det fasta koordinatsystemet, så att maskinens rörelser i det fasta asssi 1991-11-26 12,52' 10 25 508 951 s koordinatsystemet hela tiden blir det som löpande indikeras. Dessa indikeringar sker med så korta intervall som är lämpade för det använda styrsystemet.

Det geodetiska instrumentet 1 kan ge absolutbestärnningar av reflektorenhetens position i det fasta koordjnatsystemet med ett tidsintervall på ca 0.2 - 1 sek, varvid data från anordningen 6 ger stöttning av mätsystemet däremellan.

Den markbearbetande delen 7, dvs skrapdelen på maskinens 3 skrapblad 8, är det, som egentligen skall indikeras i det fasta koordinatsystemet till läge, vridning i horisontell och vertikal rikming samt helst även beträffande sin rörelseriktning och rörelsehastighet.

Maskinens egen lägesrelationsgivare (ej visad) ger underlag for beräkning av skrap- delens 7 momentana position i maskinens koordinatsystem. Avkänriing och beräkning av slcapbladets momentana inställning i förhållande till maskinen med geometriska beräkningar är välkänd telcnik och behöver därför icke beskrivas närmare.

Kombinationen av information de olika sensorerna till en slutlig position och orientering i det fasta ko ordinatsystemet sker lämpligen i huvuddatorn 20. En lämplig metod att erhålla en optimal kombination av informationen från de olika sensorerna for bestämning av aktuell position och orientering är användande av Kalmann-filtrering.

Figur 2 visar schematiskt en accelerometeranordning 6 för avkänning utmed en axel hos maskinen och med rotationsavkänning kring en vinkelrät axel. Därvid avkännes accelerationema a; och a; med accelerometer ACC loch ACC 2. Genom kombination av dessa två mätvärden och med kännedom om avståndet d mellan accelerometrarna kan vridning och acceleration hos någon vald punkt (A) beräknas.

Genom tre likadana uppsättningar kan givetvis accelerafion längs och vridning kring 48891 1997-11-26 l2.58 UI 10 20 508 951 9 tre axlar bestämmas. Som alternativ eller komplettering kan rotationsändringarna kring en eller flera axlar bestämmas m h a gyron.

Utföringsforrn 2 Markberedningsmaskinen 3 i figur 3, är för den långsammare, noggranna orienteríngsbestärnningen kring vertikalaxeln i denna utföringsform försedd med två reflektorenheter 4a och 4b i en placering på maskinen, som är synlig från det geodetiska instrumentet 1. I utföríngsforrnen enligt fig. 3 är de placerade med en i huvudsak fast placering i förhållande till varandra och maskinen. Möjligheten att ha reflektorerna flyttbara mellan olika ”fasta” positioner för att få en lämplig orientering i förhållande till mätinstrumentet är uppenbar. Var och en av dem bör _ företrädesvis bestå av en uppsättning kubhömsprismor placerade i ring omkring en axel.

Maskinens tredimensionella placering och orientering i ett fast, eller i förhållande till mätinstrumentet definierat, koordinatsystem uppmäts genom mätningen mot reflektorenhetema 4a och 4b, vilka har en bestämd eller bestämbar placering i maskinens koordinatsystem. Genom bestämning av reflektorenas positioner i det fasta koordinaatsystemet kan då maskinens orientering i detta koordinatsystem bestämmas, vilket innebär att transformationen mellan koordinatsystemen blir definierad.

Reflektorenhetema 4a och 4b i figur 3 har var sin inriktningsirrdikator 12 och 13, som ger riktningsanvisning för det geodetiska instrumentet beträffande det mål eller den reflektor, mot vilken dess momentana inriktning skall göras i och för mätning mot detta mål. Riktningsindjkatorn kan vara av olika typer bara den riktar in det geodetiskainstmrnentet automatiskt mot den mätreflektor, som för ögonblicket skall tjäna som mål för mätningen.

Rjktningsindikatorema är dock i den i figur 3 visade utföringsforrnen lyselement, företrädesvis med en speciell modulation och våglängdskaraktär särskiljbar från omgivningsljuset, och visas här placerade under sin respektive målreflektor och 48891 l997-ll-26 12.58 Ut 10 15 508 951 10 företrädesvis så att deras ljus syns från alla håll. Det geodetiska instrumentet 1 är härvid lärnpligen under själva avståndsmätaren 2 försett med en sökar- och inställningsenhet 14, som söker mot en ljussigrial, och därvid med samma modulation och våglängdskaraktär som lyselementen. Var och en av inriktningsindikatorna 12 och 13 kan lärnpligen bestå av flera lyselement arrangerade i en ring på samma sätt som reflektorerna för att täcka en stor horisontalvinkel.

Lyselementen i 12 och 13 tänds omväxlande med varandra i sådan takt att sökar- och inställningsenheten 14 hinner ställa in sin inriktning mot det lysande av lyselementen, och mätning av avstånd och inriktning mot dess tillhörande mål hinner göras. Mätning utförs i sekvens mot de båda reflektorenhetema 4a och 4b.

Altemativt kan tre (eller flera) reflektorenheter med lyselement vara placerade på förbestämda platser på maskinen, varvid mätning mot dessa mål med beräkningar ger position, inriktning och orientering av maskinen i ett tredimensionellt fast koordinatsystem.

Figur 4 visar en arman utföringsfonn av en målenhet 30, mot vilken det geodetiska instrumentet 1 kan mäta för att få lägesdata för maskinen 3. Målenheten innefattar i detta fall en skiva 31, som roterar omkring en mot skivan normal axel 32. Ett mål, här i form av en reflektor 33, t.ex. en ring av reflektorer av kubhörnstyp, är monterad nära skivans 31 periferi. Det väsentliga med denna utföringsforrn är att reflektorn 33 roterar omkring en axel 32, varför den istället kan vara monterad på en roterande arm (icke visat). Den som reflektor utformade detektorenheten 33 är således flyttbar mellan positioner med bestämbara lägen i förhållande till arbetsmaskinen och en indikeringsenhet t ex en encoder (icke visad) indikerar kontinuerligt läget.

Ett ytterligare alternativt sätt för bestämning avmaskinens orientering är att använda en servostyrd optikenhet som automatiskt inriktar sig mot det geodetiska instrumentet. Med t ex en encoder kan optikenhetens inriktning avläsas i maskinens koordinatsystem. En utföringsforrn av detta visas i figur 5A - 5 C. Minst en 48891 1997-11-261258 10 20 508 951 11 servostyrd optikenhet 26-29 inriktar sig mot det geodetiska instrumentet. I detta fall är optikenheten sarnmanbyggd med reflektom, vilket ger fördelen att denna kan bestå av ett enkelt prisma och ej en prismaring. Dock kan enheterna också vara separerade. För optikenheten är det lämpligt att utnyttja det geodetiska instrumentets mätsträle eller en med denna parallell stråle.

I den i figur 5A visade utföringsforrnen är optikenheten 26 placerad bredvid den i snitt visade reflektom 25. Optikenheten består av en lins eller linssystem 27 och en positionskänslig detektor 28. Linsen/linssystemet fokuserar mätsnålen på detektorn 28, som t.ex. är en kvadrantdetektor, såsom visas i figur 5B. Det geodetíska instnirnentets l mätstråle kan härvid användas även för iririlctriingsanordningen om strålen är tillräckligt bred. Alternativt och ur teknisk synpunkt företrädesvis är dock instrumentet försett med en extra ljuskälla, tex. laser, som mot enheten 26 - 28 sänder en smal ljusstïåle, som då kan ha helt annan karaktär, t. ex. annan våglängd, än den mot reflektorn 25 sända mätstrålen, och är parallell med och anordnad med sarnrna avstånd från mätstrålen som rörets 26 centerlinje från reflektorns 25 centerlinje.

Ett tredje alternativ är att placera ett kubhörnsprisma för inriktning på referensstationen (icke visat) och en ljuskälla 23 (streckat ritad) intill optikenheten (26-28). Då fås en från prismat reflekterad stråle som fokuseras på kvadrantdetektom då optikenheten är rätt inriktad mot stationen.

Vid användning av en kvadrantdetektor 28 kan servostyrningen ske så, att deldetektorema får så likartad belysning som möjligt. Dylika detektorer är i och för sig välkända, liksom deras användning vid olika typer av servostyrningsarrange- mang 29, och beskrivs därför icke närmare.

Optikenheten är rörligt och styrbart monterad på maskinen och eventuellt integrerad med reflektom. Genom servostyrningen av servomotorer (icke visade) inriktas optikenheten så, att signalerna från detektom 28 balanseras, vilket innebär att enheten är orienterad i mätstrålens riktning. Inriktning i förhållande till 48891 l997-ll-26 12.58 10 20 508 951 12 arbetsmaskinen kan avläsas t.ex. med någon typ av enkoder, eller med annan typ av avkärniing av de styrda servomotoremas momentana inställningslägen.

Ovanstående imikmirig kan ske i både horisontell och vertikal led, men komplexiteten reduceras avsevärt om man begränsar sig till styming i horisontalled.

Detta är ofta tillräckligt då maskinens lutning normalt är måttlig i förhållande till normalplanet. I ett sådant fall kan detekteringen göras med hjälp av en i sidled långsträckt detektor och en cylinderlins som samlar strålningen inom ett visst vertikalvinkelområde mot detektom. Eftersom figur 5A visar en tvärsektion stämmer den även vid denna utfiñringsfonn. Detektorn kan utgöras av t ex en endimensionell rad av element av t ex CCD-typ, såsom visas i figur SC.

Kännedom om riktningen fiån det geodetiska instrumentet till lägesdetektorn, vilket ges av det geodetiska instrumentet, tillsammans med enkoderavläsnjngen, som ger maskinens orientering i förhållande till det geodetiska instrumentet, ger således maskinens orientering i ett fast koordinatsystem.

Servostyrningen av målreflektom gör att man ständigt får information om fordonets inriktning i förhållande till det geodetiska instrumentet 1.

Utforingsform 3 I de ovan beskrivna utfóringsformema har positionsmäming skett genom mätning mot ett eller flera mål på mätföremålet fiån en geodetiskt instrument l.

Positionsmätning kan även ske med hjälp av radionavigation, t. ex. GPS (Global Position System), genom att placera en eller flera radionavigationsantenner på mätföremålet och en på en stationär station vid sidan av.

I den i figur 6 visade utforingsformen sitter en radionavigationsantenn 50, som här visas mottaga signaler från ett antal GPS-satelliter 49, vid periferien på en roterande skiva 51 på den övre delen av en grävmaskin 52. Antennpositionen indikeras i en radionavigations-mottagare 55 i minst två förbestämda rotationslägen hos skivan 51 i relation till grävmaskinen 52. Skivan roterar så långsamt att antennpositionen i 4889l 1997-11-26 12.58 10 5 Û 8 9 5 1 13 varje rotationsläge kan indikeras med noggrannhet men ändå så snabbt, att normala rörelser hos grävmaskinen inte inverkar menligt på mätresultatet.

En referensstation 1' med en annan radionavigationsantenn 53 med mottagare 54 är monterad på en station, som är placerad på ett förbestämt ställe i naturen med känd position något vid sidan av den mark, som skall bearbetas. En differentiell positionsbestämning erhålls genom radioöverföring mellan radionavigationsmottagaren 54 och beräkningsebheten 20 i maskinen 52. Man beräknar maskinens momentana position med s.k. RTK-mäming (Real Time Kinematic). En beräkning av detta slag är i och för sig välkänd och behöver inte beskrivas närmare.

Den enda skillnaden mot tidigare utföringsformer är att positionsbestämningen mot målet/målen görs med GPS-teknik i stället for genom mätning med totalstation. I övrigt kan orienteringsbestärnning och bestämning av snabba förflytmingar och vridníngar ske på samma sätt som beskrivits i tidigare utföringsformer.

Gemensamt blockschema Figur 7 visar ett blockschema enligt uppfinningen som är tillämpligt på. samtliga utföringsforrner. Det kan påpekas att, vid positionsbestämning med ett geodetískt instrument, positionsdata för målet samlas in i referensstationen 1 och överförs till maskinen via radiolänk, medan i GPS-fallet det är korrektionsdata från mottagaren 54 som överförs från referensstationen 1' till maskinen och att positionsdata frarnrälcnas i berälcnjngsenheten 20 med utgångspunkt från data från mottagarna 54 och 55.

Beräkningsenheten 20 beräknar således genom sammanställning av data från referensstationen 1 och i GPS-fallet mottagaren 55 tillsammans med data fiån orienteringssensorer 5, accelerometeranordning 6 och givare för relativ position 11, slcrapbladets momentana läge i det fasta koordinatsystemet, dvs omvandlat från maskinens koordinatsystem. Givarna för relativposition ll kan t ex utgöras av encodrar eller potentiometergivare kopplade till länkarna som förbinder den 43291 1997-11-26 12.58 ' 10 20 25 508 951 14 bcarbetande delen med maskinen. Beräkningsenheten 20 är företrädesvis placerad i maskinen.

Den önskade markberedningen i det fasta koordinatsystemet är inprograrrunerad antingen i det geodetiska instnimentets 1 eller företrädesvis maskinens 3 dator 20.

Denna är försedd med en presentationsenhet 9, företrädesvis en bildskärm, som för maskinskötaren (icke visad) presenterar dels hur maskinen 3 och dess skrapblad 8 skall manövreras utifrån det momentant befintliga läget och dels dess momentana avvikelse från önskad manövrering. Alternativt och företrädesvis sker en automatisk styrning av bearbetningsdelen till avsedd höjd och orientering med hjälp av styrutrusmingen 12 bestående av t ex hydrauliska manöverorgan som styrs från enheten 20.

Maskinskötaren måste ibland göra avvikelser från närmast till hands liggande arbetsmönster på grund av hinder av olika slag, såsom stenar e.d., som inte finns medtagna i den i det geodetiska instrumentet inprogramrnerade kartbilden på önskad struktur hos markberedningsområdet.

Det är även möjligt att för maskinskötaren på bildskärmen 9 visa en inprograrnmerad kartbild på önskad beredning och slcrapdelens 7 befintliga läge och rörelseriktning i kartbilden. Information mellan det geodetiska instrumentet 1 och maskinen 3 kan skickas trådlöst i båda riktningar, såsom antyds med den zickzackade förbindelsen 10. Datorn i den ena eller den andra av dessa enheter kan väljas att utgöra den huvuddator, som utför de väsentliga beräkningarna användbara för maskinens 3 arbete med skrapbladet, men företrädesvis görs detta i enheten 20.

Det väsentliga här är att beräkning av skrapbladets position och orientering görs i det fasta koordinatsystemet, oavsett var, att det geodetiska instrumentet och elektroniska enheter i maskinen har dataöverförande förbindelse med varandra, och att maskinskötaren får en lättfattlig presentation av vad som skall göras och vad som är färdigt. 48891 l997-l l-26 12.58 10 20 508 951 1: Figur 8 visar ett exempel på en bild, som kan presenteras för maskinskötaren på presentationsenheten 9. Här överlagras en bild av skrapbladet med en inriktningsmarkeñng på en kartbild med önskad profil över markberedningsområdet, varvid bilden av skrapbladet ju förflyttar sig över kartbilden under arbetets gång.

Presentationsenheten 9 kan vara delad och även visa en profilbild med skrapbladet placerat vertikalt över eller under önskad marknivå och med angivande av höjdskillnad gentemot denna.

Den verkliga marknivån behöver inte visas. Dock kan det vara lämpligt att visa markpartier med den önskade höjden tydligt i bilden för maskinskötaren, så att han vet var han skall sätta in sitt arbete. Det är då möjligt att ha en funktion, som ger markpartier med en liten skillnad inom en förbestämd toleransnivå mellan verklig och önskad nivå en förbestämd färg, t.ex. grön.

Det är även möjligt att, tex. såsom visas streckat i kartbilden, visa en skuggbild av skrapbladet för att indikera att det ännu inte befinner sig på rätt nivå. Det ser därvid ut som om skrapbladet svävar över marken, och maskinskötaren får en åskådlig indikering av hur djupt maskinen måste skrapa för att få skuggbilden att föras ihop med bilden av skrapbladet. Det är vid uppfinningen lärnpligt att det är de önskade nivåerna för markberedningen som visas på kartbilden, varför det är skuggbildens läge som indikerar var skrapbladet 7 befirmer sig normalt mot kartans plan.

Kartbilden över den verkliga markstrukturen är ointressant att visa i detta sammanhang.

Beräkning av position och vridning av maskinen både i vertikal och horisontell riktning görs i det fasta koordinatsystemet, samt efterföljande beräkning av skrap- bladets momentana position och vridningsvinklar efter omvandling från maskinens koordinatsystem till det fasta koordinatsystemet. Därefter följer en ny sekvens med samma mätningar och beräkningar med efterföljande beräkning av skrapbladets förflyttning från förra mätningen, varigenom bladets riktning och hastighet erhålls och presenteras på presentations-enheten 9. 4889! 1997-11-26 12.58 » 10 |\) Un 508 951 16 Dessa mâtsekvenser upprepas under maskinens skraparbete, varigenom maskinskötaren hela tiden under arbetets gång får momentana data beträffande skrapbladets läge, inriktning, förflyttningsrikming och hastighet i det fasta koordinatsystemet och således får en mycket god uppfattning om hur arbetet fortlöper gentemot den önskade markberedningen, och hur maskinen skall manövreras.

Det geodetiska instrumentet kan endast utföra sina inställningar och mätningar i en relativt långsam takt i det fasta koordinatsystemet. Accelerometeranordningen utnyttjas för att uppdatera måtresultaten i mellantidema. En speciell fördel med denna uppdateringsfunktion mellan uppgraderingarna med det geodetiska instrumentet är att, eftersom mätning mot de båda mâttnålen 4a och 4b i fig. 3 ju inte kan genomföras samtidigt, det är möjligt att med uppdateringen åstadkomma, att fördröjningen mellan de sekventiella mätningarna mot reflektorerna blir kompenserad.

Genom att maskinens förflyttningsriktriing och hastighet beräknas löpande är det även lämpligt att av tidigare beräkningsdata frarnrålma en förutsägbar placering och orientering för både maskin och bearbetande del en viss tid i förväg. Hur sådana beräkningar utförs med hjälp av de senaste och tidigare beräknade data år uppenbart för fackmannen och beskrivs därför icke närmare.

Många modifieringar av de visade utföringsforrnema är möjliga inom den ram, som ges av de bifogade patentkraven. Det är således möjligt att ha blandformer med både prismor och radionavigations-antenner som lägesdetektor-enheter. T.ex. kan en geodetískt instrument läges- och rotatíonsinriktningsbestärnmas med hjälp av en eller fler radionavigations-antenner, t.ex. en på det geodetiska instrumentet och en ett stycke på avstånd från den. Andra typer av arbetsmaskiner än de visade, där man vill ha löpande information om position, vinkellägen och arbetsriktning under arbetets gång, som t.ex. lyftkranar, mudderverk ed, lämpar sig utmärkt att förses 48891 1997-11-26 12.58 508 951 17 med uppfinningen. Vaije angiven beräkningsenhet lämpligen en dator eller ett delprogram i en dator, såsom är brukligt nuförtiden. 43891 1997-11-26 12.58

Claims (22)

on o. u 10 [n-l Un lx) U! 508 951 is PATENTKRAV

1. Anordning för att bestämma läget för en bearbetande del av ett verktyg på en arbetsrnaskin med en lägesbestärnrnande apparatur placerad på ett ägnat ställe hos arbetsmaskinen för att bestämma detta ställes position i ett i rummet fast koordinatsystem, samt en beräkníngsanordning (20), som beräknar den bearbetande delens läge i ett koordinatsystem, som är fast i rummet, kännetecknad av att den lägesbestärnrnande apparaturen innefattar dels en relativt långsam bestämninganordning (l,4;1, 4a, 4b; 5.>,50,5 1), som med tidsiritervall mäter det aktuella läget hos maskinen, och dels en relativt snabb bestärnninganordning (62, ACC l, ACC 2), som reagerar på lägesändring hos maskinen för att beräkna och uppdatera bestämningen mellan de nämnda tidsintervallen.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att den relativt snabba bestämningsanordniiigen innefattar minst en accelerometeranordrtirig (AC C 1, ACC2) hos maskinen för mätning av accelerationen hos maskinen i minst en riktning, föreuädesvis i flera inbördes olika rikmingar, varvid den lägesbestämrnande apparaturen integrerar den eller de indikerade accelerationema och uppdaterar senaste beräkningsresultatet av positionen i det fasta koordinatsystemet.

3. Anordning enligt krav 2, kännetecknad av att den relativt snabba bestämningsanordningen innefattar minst en rotationsindilteringsanordning (6) för rotation runt minst en axel hos maskinen.

4. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den långsamma bestämninganordningen innefattar en stationär mätstation (l;1') placerad i närheten av arbetsrnaskinen och minst en detektorenhet (4) på arbetsmaskinen med bestämbar placering på denna och vid varje långsam bestämning i samverkan med den stationära stationen ger position i det fasta koordinatsystemet för sin aktuella placering. 48891 1997-11-26 12.58 10 15 20 508 951 19

5. Anordning enligt krav l-4, kännetecknad av orienteringsorgan (5a, 5b) på maskinen som vid den långsamma bestâmningen ger orienteringen i det fasta koordinatsystemet för den del av arbetsmaskinen där de är placerade.

6. Anordning enligt något av kraven 1-3, kännetecknad av att den långsarnma, noggranna bestämningsanordningen innefattar en stationär mätstation (1') placerad i närheten av arbetsmaskinen och arlngg minst två fasta detektorenheter (4a, 4b; 50, 51) med bestämda positioner på arbetsmaskinen ellier en rörlig detektorenhet (33; 50) mellan minst två positioner med bestämbara lägen i förhållande till arbetsmaskinen.

7. Anordning enligt krav 1-4 kännetecknad av minst en på arbetsmaskinen placerad rörligt monterad och styrbar optikenhet (26-28; 23), som inriktar sig mot den stationära mätstationen med hjälp av den stationära stafionens mätstråle ir en med denna parallell stråle e_ll¿:g en stråle utsänd från optikenheten och reflekterad i ett prisma hos den stationära stationen, varvid optikenhetens orientering i förhållande till arbetsmaskinen indikeras och överförs till berälcningsenheten (20) för bestämning av arbetsmaskinens orientering i det fasta koordinatsystemet.

8. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den lägesbestänrmande apparaturen innefattar ett geodetiskt instrument (1 ; 1 ') med målfóljningsfimklíon placerat på avstånd 'från arbetsmaskinen (3) och mätande mot minst ett mål, t. ex. en reflektor, på arbetsmaskinen.

9. Anordning enligt krav 8, kännetecknad av att varje mål (4a,4b) är försett med en imiktningsindikator (12,13), som ger riktningsanvisning för det geodetiska instrumentet beträñande det mål, mot vilket dess momentana målföljning skall göras i och för mätning mot detta mål. oo 0000 oo o a ' t _ . . _ _ OI: .oo' uno:

10. 20 25 508 951 20

11. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att beräkningsenheten (20) av tidigare beräkningsrestiltat beräknar trolig position, orientering, arbetsrikming och hastighet en viss tid i förväg för arbetsmaskinens bearbetande del.

12. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att beräkningsanordningen (20) är försedd med en inlagrad kartbild med önskad topografi över ett ornråde, som skall bearbetas, och beräknade data för den bearbetande delen presenteras till läge och vinkellägen relativt kartbilden på en presentationsenhet (9)(ñg. 3).

13. Förfarande för att bestämma läget för en bearbetande del av ett verktyg på en arbetsmaskin med en lägesbestämrnande apparatur placerad på ett ägnat ställe hos arbetsrnaskinen för att bestämma detta ställes position i ett i rummet fast koordinatsystem, samt en beräkningsanordning (20), som beräknar den bearbetande delens läge i ett koordinatsystem, som är fast i rummet, kännetecknat av att lägesbestärnníngen utförs dels med en relativt långsam bestämning (1,4;l, 4a, 4b; 53,50,5l) för att med tidsintervall mäta det aktuella läget hos maskinen, och dels med en relativt snabb bestämning (6; ACCl, ACCZ), som reagerar på lågesändring mot föregående bestämning hos maskinen för att beräkna och uppdatera bestämningen mellan de nämnda tidsintervallen.

14. Förfarande enligt krav 13, kännetecknat av att vid den relativt snabba bestämningen: accelerationsmätning i minst en rilcming, företrädesvis i flera inbördes olika riktningar, integrering av den eller de indikerade accelerationerna, och uppdatering av senaste beräkningsresultatet av positionen i det fasta koordinatsystemet. 48891 1997-11-26 12.58 10 15 20 25 508 951 21

15. Förfarande enligt krav 13 eller 14, kännetecknat av att vid den relativt snabba bestämningsanordningen utförs minst en rotationsindikering för rotation nmt minst en axel hos maskinen.

16. liörfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att för den långsamma bestämningsanordningen en stationär mätstation (1; 1') placeras i närheten av arbetsmaskinen och minst en detektorenhet (4) placeras på arbetsmaskinen med bestämbar placering på denna, och vid varje långsam bestämning i samverkan mellan den stationära mätstationen detektorenheten mäts arbetsmaskinens aktuella läge i det fasta koordinatsystemet.

17. F örfarande enligt krav 16, kännetecknat av orienteringsbestärnning av arbetsmaskinen i det fasta koordinatsystemet vid den långsamma bestämningen.

18. Förfarande enligt något av kraven 13-16, kännetecknat av att vid den långsamma, noggranna bestärnningsanordningen: innefattar en stationär mätstation (1 °) placeras i närheten av arbetsmaslcinen och ganlnggi minst två fasta detektorenheter (4a, 4b; 50, 51) placeras med bestämda positioner på arbetsmaskinen i en rörlig detektorenhet (33; 50) flyttas mellan minst två positioner med bestämbara lägen i förhållande till arbetsmaskinen.

19. Förfarande enligt något av kraven 13 - 17, kännetecknat av att minst en styrbar opfikenhet (26-28; 23) placeras rörligt monterad på arbetsmaskinen och inriktar sig mot den stationära mätstationen med hjälp av den stationära stationens mätstråle egg en med denna parallell stråle i en stråle utsänd från optikenheten och reflekterad i ett prisma hos den stationära stationen, indikering av optikenhetens orientering i förhållande till arbetsmaskinen; och överföring av denna till berälmirigsenheten (20), för bestämning av arbetsmaskinens orientering i det fasta koordinatsystemet. (Ju 10 508 951 22

20. Förfarande enligt något av kraven 13 - 19, kännetecknat av att som den lägesbestänimande apparaturen placeras ett geodetiskt instrument (lg 1 ”) med målsölmingsfunktion på avstånd fiån arbetsmaskinen (3) och mäter mot minst ett mål, tex. en reflektor, på arbetsmaskinen, rikmingsanvisning ges för det geodetiska instrumentet beträfiande det mål, mot vilket instrumentets momentana inålsökning skall göras i och för mätning mot detta mål.

21. Förfarande enligt något kraven 13-19, kännetecknat av att som varje lägesdetektorenhet placeras en radionavigaticns-antenn (50) med mottagare.

22. Förfarande enligt något av kraven 13 - 21, kännetecknad av att beräkning av trolig position, orientering, arbetsrikming och hastighet en viss tid i förväg för arbetsmaskinens bearbetande del med ledning av tidigare beräk- riingsresultat. 48891 l997-ll-26 12.58