WO2008017486A1

WO2008017486A1 - Positionsbestimmungsvorrichtung

Info

Publication number: WO2008017486A1
Application number: PCT/EP2007/007058
Authority: WO
Inventors: Kurt Giger
Original assignee: Leica Geosystems AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2009-02-11
Also published as: CH700014B1

Abstract

Eine erfindungsgemässe Positionsbestimmungsvorrichtung (1b) für eine mobile, insbesondere selbstfahrende Arbeitsmaschine, weist eine Trägerkomponente (13b) zur Befestigung der Positionsbestimmungsvorrichtung (Ib) an der Arbeitsmaschine, eine sich unter Wirkung der Schwerkraft vertikal ausrichtenden, an der Trägerkomponente (13b) angeordneten Aufnahme (14b) und eine Rechen- und Steuerkomponente (30) zum Ableiten der Position der Arbeitsmaschine wenigstens aus den Empfangssignalen und zum Erzeugen von Steueranweisungen für die Arbeitsmaschine auf. Die Aufnahme ist ausgebildet mit einem Sender zur Emission von optischen Sendestrahlen (5b), einem Empfänger (6c) zum Empfangen von an Referenzobjekten reflektierten Sendestrahlen (5b) als Empfangsstrahlen (7b) und zum Erzeugen von Empfangssignalen sowie einem um eine vertikale Achse rotierbaren Umlenkmittel (9b) zum Lenken einerseits der Sendestrahlen (5b) in horizontale Richtungen, sodass eine im Wesentlichen horizontale Ebene aufgespannt wird, und andererseits der Empfangsstrahlen (7b) gegen den Empfänger. Der Sender und der Empfänger sind dabei Bestandteil eines Entfernungsmessers (12b), wobei aus den Empfangssignalen wenigstens die Entfernungen zu den Referenzobjekten nach dem Phasen- oder Pulslauf zeitmessprinzip bestimmt werden.

Description

Positionsbθstimmungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Positionsbestimmungsvorrichtung für eine mobile, insbesondere selbstfahrende Arbeitsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine mobile Arbeitsmaschine und ein Positionsbestimmungssystem mit einer solchen Positionsbestimmungsvorrichtung sowie ein Positionsbestimmungsverfahren für eine mobile Arbeitsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17.

Mobile Arbeitsmaschinen werden in vielen Bereichen angewendet. Beispielsweise transportieren selbstfahrende Transportfahrzeuge Waren automatisiert von einem ersten Ort an einen zweiten Ort oder sollen Bodenbearbeitungsfahrzeuge, wie Rasenmäher, Markiergeräte, Reinigungsgeräte oder Baumaschinen, eine Bodenbearbeitung über einen vorgegebenen Bereich eines Terrains bzw. entlang eines vorgegebenen Weges durchführen. Um eine Bewegung des Fahrzeugs über den Bereich oder entlang des Weges zu erreichen, ist eine entsprechende Führung bzw. Steuerung des Fahrzeugs, die üblicherweise mittels Positioniersystemen realisiert wird, erforderlich. Die Positioniersysteme verwenden beispielsweise mechanische oder induktive Positionselemente zur Bereitstellung von Positionsinformationen für das Fahrzeug. Vorteile hinsichtlich Genauigkeit, Zeitbedarf und Handhabungsfreund- lichkeit bietet die Verwendung von optischen Positioniersystemen zur Positionsbestimmung und daraus Steuerung des Bodenbearbeitungsfahrzeugs.

So sind diverse optische Positioniersysteme bekannt, die auf einer Positionsbestimmung relativ zu Referenzobjekten basieren. Ein solches Positioniersystem umfasst eine Sende- und eine Empfangskomponente für Messungen anhand optischer Strahlung zu den Referenzobjekten - die beispielsweise Reflektoren darstellen - welche Komponenten dem Bodenbearbeitungsfahrzeug zugeordnet, im Allgemeinen auf diesem montiert, sind. Aus den Messungen können Rückschlüsse über den Standort des Positioniersystems bzw. den Standort/die Position des Bodenbearbeitungsfahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten abgeleitet werden. Die so bestimmte Position wird als Grundlage einer Steuerung des Fahrzeugs verwendet.

Sind die Referenzobjekte hinsichtlich ihrer Position bekannt, so kann die absolute Position des Fahrzeugs abgeleitet werden. Dies setzt jedoch Referenzobjekte voraus, die entweder hinsichtlich ihrer Position bekannt sein oder vermessen werden müssen. In vielen Fällen beispielsweise für Privatpersonen - ist eine solche Vermessung zu aufwändig und auch nicht notwendig, da oftmals die Kenntnis der Relativposition ausreichend ist.

Ein wichtiges Kriterium bei den optischen Positioniersystemen zur Positionsbestimmung relativ zu - im Allgemeinen mehreren - Referenzobjekten, ist die Messgeschwindigkeit. Meist müssen für eine eindeutige Positionsbestimmung Messungen zu zwei oder mehr Referenzobjekten erfolgen. Um das Bodenbearbeitungsfahrzeug gattungsgemäss genau führen zu können, sind also üblicherweise mehrere Messungen innerhalb eines vorgegebenen, im Verhältnis zur Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs kleinen Zeitintervalls - z.B. drei Messungen pro Sekunde für eine Positionsbestimmung pro Sekunde - erforderlich.

Als optische Positioniersysteme für Bodenbearbeitungsfahrzeuge sind Positioniersysteme mit Triangulationssensoren bekannt. Mittels der Triangulationssensoren werden anhand von Winkelmessungen zu reflektiven Referenzobjekten die Richtungen zu den Referenzobjekten und daraus die Position des Positioniersystems respektive Bodenbearbeitungsfahrzeugs gegenüber diesen bestimmt.

So beschreibt die US 5,426,584 ein Steuersystem für einen Rasenmäher als Bodenbearbeitungsfahrzeug mit einem Triangulationssensor zur Bestimmung der Position des Rasenmähers gegenüber reflektiven Referenzpunkten. Der Triangulationssensor umfasst eine Laserquelle zur Emission von Laserstrahlen und einen Strahl-Scanner zur Erzeugung einer im Wesentlichen horizontalen, rotierenden Emissionsrichtung der Strahlen, sodass die Strahlen gegen die Referenzpunkte gelenkt werden. Die an den Referenzpunkten reflektierten Strahlen werden von einem Detektor des Triangulationssensors detektiert und in Bezug auf die Horizontalwinkel zwischen den Referenzpunkten ausgewertet. Damit die Strahlen auch dann in die horizontale Richtung gelenkt werden, wenn der Rasenmäher über Unebenheiten, wie Wellen oder Senken, des Terrains fährt, ist der Strahl-Scanner kardanisch aufgehängt.

Um die Winkel mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmen zu können, müssen die Messungen zu genau festgelegten - quasi punktförmigen - Referenzpunkten erfolgen. Fährt der Rasenmäher über unebenes Terrain, so werden die Strahlen zwar aufgrund der kardanischen Aufhängung horizontal emittiert, die Referenzpunkte aber - aufgrund des Niveuunterschieds - dennoch nicht getroffen. Deshalb ist der Strahl-Scanner mit einem zusätzlichen Präzessionsmechanismus für eine Scanbewegung der Strahlen in vertikaler Richtung ausgebildet. Die Scanbewegung ist jedoch nicht exakt kontrollierbar, was Ungenauigkeiten in der Messung und damit in der Positionsbestimmung und Steuerung des Rasenmähers bewirkt. - A -

Die US 6,556,598 zeigt ein ähnliches System zum Bestimmen der Position eines Rasenmähers gegenüber Referenzpunkten nach dem Prinzip der Triangulation. Das System umfasst eine pendelnd aufgehängte Laser-Projektionseinheit mit einem Laser zur Emission von Laserstrahlung und einem um eine vertikale Achse rotierenden Spiegel zum Erzeugen einer rotierenden Emissionsrichtung der Strahlung. Die Laserstrahlung wird gegen die Referenzpunkte gerichtet und die an den Referenzpunkten reflektierte Strahlung zu einem Detektor des Systems gelenkt. Damit die Referenzpunkte exakt getroffen werden und der Auftreffpunkt der Strahlung genau bestimmbar ist, wird die Strahlung durch zusätzliches Rotieren des Spiegels um eine horizontale Achse auch in vertikaler Richtung kontrolliert rotiert. Die exakten - horizontalen und vertikalen - Rotationswinkel des Spiegels werden mittels Winkelencodern gemessen und in die Winkelbestimmung der Referenzpunkte einbezogen. Die Ausbildung des Systems, sowie die Datenauswertung sind also äusserst komplex.

Die US 5,011,288 offenbart ein Positionskontrollsystem für ein bewegtes Fahrzeug. Das System weist einen Sender mit einer Laserquelle zum Emittieren von Laserstrahlung in alle azimutalen Richtungen und einen Empfänger zum Empfang von an Referenzobjekten reflektierten Strahlen auf. Der Sender und der Empfänger sind auf einem rotierenden Tisch befestigt, sodass in alle Richtungen gescannt wird. Aus Empfangssignalen des Empfängers werden nach dem Phasenmessprinzip die Distanzen zu den Referenzobjekten bestimmt. Zusätzlich werden mithilfe eines Winkelencoders und den Empfangssignalen die azimutalen Winkel jeweils zwischen den Referenzobjekten ermittelt. Aus den Positionen und den Winkeln wird die relative Position des Fahrzeugs abgeleitet und gegebenenfalls zum Steuern desselben verwendet. Der Aufbau mit einem rotierenden Tisch ist sehr aufwändig und sperrig. Ebenso ist dieser Aufbau für eine exakte Positionsbestimmung zum Steuerung des Fahrzeugs untauglich, da hierfür mindestens etwa eine Positionsbestimmung eines jeden Referenzobjekts pro Sekunde notwendig ist. Der rotierende Tisch mit dem klobigen Aufbau ist für die dafür geforderte Winkelgeschwindigkeit sehr unpraktisch und ungeeignet. Darüber hinaus können bei Unebenheiten im Gelände die Reflektoren aus dem Scannbereich des Laserstrahls fallen.

Die WO 2004/026538 beschreibt eine Methode für eine mobile Arbeitsmaschine zum automatischen Ausführen von Aufgaben. Die Arbeitsmaschine weist dazu eine Positionsbestimmungseinrichtung mit einem Sender, einem Empfänger und einem rotierenden Umlenkmittel auf, wobei die Komponenten so gelagert sind, dass sich eine vertikale Ausrichtung ergibt. Die emittierten Strahlen werden durch das Umlenkmittel nun in alle horizontalen Richtungen gelenkt, an Referenzobjekten reflektiert und durch den Empfänger detektiert. Daraus werden Winkelinformationen für die Referenzobjekte abgeleitet. Zusätzlich werden vom Sender beabstandet durch ein optisches System mit einem weiteren Detektor Reflexe empfangen und die Richtung, aus welcher der Reflex kommt, detektiert. Mittels geometrischen Berechnungen werden Distanzen zu den Referenzobjekten ermittelt und die Position der Maschine bestimmt, wobei die Position dann zum Steuern der Maschine verwendet wird. Der Aufbau mit den mehreren Empfängern sowie die nötigen Berechnungen sind sehr aufwändig und kompliziert. Ebenso ist die Erfindungsidee in der WO 2004/026538 auf eine verhältnismässig grobe Positionsbestimmung gerichtet, mittels welcher beispielsweise eine Eingrenzung eines Arbeitsgebietes für eine mobile Maschine erfolgt. Für eine präzise und mit hoher Wiederholungsrate erfolgende Positionsbestimmung ist die beschriebene Methode hingegen eher ungeeignet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Nachteile des Standes der Technik zu beheben und eine wenig komplexe und einfach zu handhabende Positionsbestimmungsvorrichtung für eine mobile Arbeitsmaschine, sowie eine mobile Arbeitsmaschine mit einer solchen Positionsbestimmungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines präzisen Positioniersystems für eine Sportplatzmarkierungsmaschine, sodass eine automatische und exakte Steuerung und dadurch eine genau vorgebbare Ausbringung einer Markierungssubstanz ermöglicht werden.

Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 12, 14 und 17 oder der davon abhängigen Ansprüche gelöst bzw. die Lösungen weitergebildet.

Die Erfindung basiert auf der konsequenten Integration einer optisch entfernungsmessenden Funktionalität in ein Positioniersystem für eine mobile Arbeitsmaschine wie zum Beispiel ein Bodenbearbeitungsfahrzeug. Indem die optische Entfernungsmessung nach dem Pulslaufzeit- oder Phasenmessprinzip und deren Vorteile für die Arbeitsmaschine anwendbar gestaltet werden, wird ein Positioniersystem geringer Komplexität zur gattungsgemäss genauen Positionsbestimmung bereitgestellt.

Die Positionsbestimmung beruht auf Entfernungsmessungen zu Referenzobjekten - das erfindungsgemässe Positioniersystem ist ein sogenanntes „self-positioning system". Anhand der Entfernungsmessungen können die Position die Arbeitsmaschine gegenüber den Referenzobjekten festgestellt und daraus Steueranweisungen für die Arbeitsmaschine abgeleitet werden.

Das erfindungsgemässe Positioniersystem verfügt über einen Sender zur Emission von optischen Sendestrahlen, insbesondere Laserstrahlen, die gegen die Referenzobjekte gerichtet werden. Die Sendestrahlen werden nach ihrer Aussendung und nachfolgenden Reflexion an den Referenzobjekten mittels eines Empfängers des Positioniersystems wieder erfasst, wobei aus den Empfangs- Signalen des Empfängers die Entfernungen zu den Referenzobjekten, insbesondere nach dem Phasenmessprinzip oder dem Prinzip der Pulslaufzeitmessung, bestimmt werden.

Das Richten der Sendestrahlen gegen die Referenzobjekte und der reflektierten Strahlen als Empfangsstrahlen gegen den Empfänger erfolgt mittels eines Umlenkmittels des Positioniersystems. Das Umlenkmittel ist dabei zum Erzeugen einer horizontalen und rotierenden Emissionsrichtung der Sendestrahlen ausgebildet und um eine vertikale Achse rotierbar angeordnet.

Aus den gemessenen Entfernungen, die Positionsinformationen der Referenzobjekte darstellen, werden weiters mittels einer Rechen- und Steuerkomponente des Positioniersystems die Position des Bodenbearbeitungsfahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten abgeleitet und aus der Kenntnis der Position Steueranweisungen für das Bodenbearbeitungsfahrzeug zumindest in Bezug auf dessen Fahrweg erzeugt. Sind die Referenzobjekte in einem Koordinatensystem eingemessen, so kann die Position des Bodenbearbeitungsfahrzeugs in diesem Koordinatensystem be- stimmt werden und das Fahrzeug beispielsweise entsprechend einem im Koordinatensystem vorgegebenen Weg gesteuert werden. Bei nicht eingemessenen Referenzobjekten erfolgt die Steuerung des Fahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten. Die Grenzen der zu bearbeitenden Fläche, die das Bodenbearbeitungsfahrzeug relativ zu den Referenzobjekten abfahren soll, kann von der Rechen- und Steuerkomponente z.B. im Rahmen einer Lernfahrt gespeichert werden. Die Rechen- und Steuerkomponente kann auch ein Steuerprogramm aufweisen, welches verschiedene Eingabeparameter berücksichtigt. Beispielsweise können verschiedene Fahrmuster für die zu bearbeitenden Fläche abgespeichert sein.

Der Sender und der Empfänger des Positioniersystems sind Bestandteil eines Entfernungsmessers. Als Entfernungsmesser wird beispielsweise eine Vorrichtung in der Art des unter dem Produktnamen „Disto" vertriebenen Laserentfernungs- messers der Firma Leica Geosystems, Schweiz, eingesetzt. Dem Entfernungsmesser ist zusätzlich eine Datenverarbeitungseinheit zugeordnet. Diese kann durch die vorgängig erwähnte Rechen- und Steuerkomponente realisiert bzw. in diese integriert sein. Alternativ können die Datenverarbeitungseinheit ein Bauteil des Entfernungsmessers und die Rechen- und Steuerkomponente ein weiteres, vom Entfernungsmesser separates Bauteil des Positioniersystems darstellen. Die

Datenverarbeitungseinheit ist zum Bestimmen der Entfernungen aus den Empfangssignalen vorgesehen. Beispielsweise wird ein Mikrokontroller als Datenverarbeitungseinheit verwendet, wobei der Mikrokontroller insbesondere auch zur Frequenzsteuerung von Sender und/oder Empfänger ausgebildet ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Positioniersystem zur Entfernungsmessung nach dem Phasenmessprinzip ausgeführt. Dazu werden die Sendestrahlen des Senders mit einer hochfrequenten Modulationsfrequenz intensitätsmoduliert . Die an einem Referenzobjekt reflektierten Sendestrahlen werden vom Empfänger empfangen und anschliessend zum Erzeugen eines niederfrequenten Messsignals für die Datenauswertung mit einer Mischerfrequenz gemischt. Um die Entfernung zu bestimmen, wird die Phasendifferenz des Messsignals mit einem Referenzsignal gebildet.

Um mit dem erfindungsgemässen Positioniersystem entsprechend durch Auswertung der Phasenlage der Signale die Entfernungen messen zu können, werden die Parameter der Entfernungsmessung in Bezug auf die Anwendung für das Bodenbearbeitungsfahrzeug angepassst. Da für eine präzise Steuerung eines Bodenbearbeitungsgerät Positionsbestimmungen in kurzen Zeitintervallen, wie etwa eine Positionsbestimmung pro Sekunde, durchgeführt werden müssen und für eine Positionsbestimmung im Allgemeinen zwei oder mehr Messungen zu Referenzobjekten erforderlich sind, ist die Rotationsgeschwindigkeit des Umlenkmittels re- spektive der Sendestrahlen entsprechend hoch. Beispielsweise führt das Umlenkmittel drei volle (360°) Umdrehungen pro Sekunde durch. Dies bedingt jedoch eine äusserst kurze Signalzeit - z.B. um den Faktor 1000 kürzer als für einen üblichen Entfernungsmesser - der Sende- und Empfangsstrahlen für die Entfernungsmessung. Um nun dennoch auswertbare Empfangssignale zu erhalten, wird die niederfrequente Phasenmessfrequenz im Vergleich zu einer in einem üblichen Entfernungsmesser, wie dem „Disto", verwendeten Phasenmessfrequenz - die im Bereich von einigen kHz liegt - erhöht - beispielsweise auf eine Phasenmessfrequenz im Bereich von 100 kHz. Damit können auch für kurze Signalzeiten - z.B. von etwa 100 μs - ausreichend viele Signalperioden für die Phasenmessung erfasst werden. In einer Weiterbildung der Erfindung werden zusätzlich zu den Entfernungen auch die Winkel der Referenzobjekte zueinander berücksichtigt. Mit bekannter Fahrtrichtung des Bodenbearbeitungsfahrzeugs können weiters auch die Winkel der Referenzobjekte zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs bestimmt werden. Die Winkel sind aus der konstanten Rotationsgeschwindigkeit des Umlenkmittels und den Empfangssignalen des Empfängers ableitbar. Zur Steigerung der Messgenauigkeit können zusätzlich Mittel zum Erfassen/Überwachen der Rotationsgeschwindigkeit eingesetzt werden, wie z.B. eine Lichtschranke zum Abgreifen von Referenzsignalen für die Winkelbestimmung. Damit sind die Rotationsgeschwindigkeit regelbar, sowie Unregelmässig- keiten in der Rotationsbewegung - ein „Eiern" berücksichtig- und korrigierbar. In einer Ausführungsform der Erfindung werden bei einer 360 "-Rotation des Umlenkmittels vier Referenzsignale abgegriffen.

Als Referenzobjekte, zu denen die Entfernungs- und ggf. Winkelmessungen erfolgen, eignen sich insbesondere kooperative Objekte, die im Vergleich zu nicht-kooperativen Objekten einen, z.B. 50fach, höheren Reflexionsgrad aufweisen. Derartige Referenzobjekte können anhand ihres Reflexionsvermögens vom Hintergrund unterschieden werden, sodass die Positionen der Referenzobjekte bereits aus der Schwankung in der Intensität der an den Objekten reflektierten Strahlung festgelegt werden können. Anhand der Bestimmung der Entfernung und ggf. des Winkels bei den Intensitätsmaxima ist mit bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise auch in der Photogrammetrie verwendet werden, die Position des Positioniersystems respektive Bodenbearbeitungsfahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten ableitbar. Ein Beispiel hierfür stellen Korrelationsverfahren bzw. Korrelationsrechnungen dar. Die kooperativen Referenzobjekte weisen eine reflektive Oberfläche auf, die z.B. aus Tripelprismen, Mikrolinsen, Glaskugeln, reflektierender Folie oder anderen üblichen Reflexionselementen ausgebildet ist. Da für das erfindungsgemässe Positioniersystem keine quasipunktförmigen Reflektoren benötigt werden, können vorteilhaft in der Höhe erstreckte Referenzobjekte, wie Reflektorstäbe, eingesetzt werden, sodass keine Zielsuche in vertikaler Richtung durchgeführt werden muss. Ge- gebenenfalls können als Referenzobjekte auch alternative, optische Strahlung reflektierende Ziele, wie z.B. weisse Hauswände, verwendet werden. Solche Ziele wie Hauswände oder andere - vorzugsweise nicht oder schwer verschiebbare - Objekte können insbesondere zur - langsameren - Überprüfung der Referenzobjekte herangezogen werden. Damit können Abweichungen - z.B. aufgrund von Verschiebungen - der Positionen der Referenzobjekte erkannt und das Positioniersystem in Bezug auf die Referenzobjekte rekalibriert werden.

Die Anzahl der benötigten Referenzobjekte ist abhängig von deren Lage, der Beschaffenheit des zu bearbeitenden Terrains, und der beabsichtigten Genauigkeit der Messung. Im Regelfall werden aber, abgesehen von besonders günstigen Konstellationen, mindestens 3 oder 4 Referenzobjekte benötigt. Wird zusätzlich ein Winkel berücksichtigt, kann die Zahl der Referenzobjekte auf zwei reduziert werden. Bei speziellen Rahmenbedingungen - z.B. wenn das Bodenbearbeitungsfahrzeug auf eine Docking Station zufährt, kann die Positionierung des Fahrzeugs auch mit einem einzigen Referenzobjekt erfolgen. Die Anzahl der benötigten Referenzobjekte kann auch reduziert werden, indem die Referenzobjekte voneinander unterscheidbar gestaltet werden, beispielsweise durch Aufbringen von Codierungen oder durch Filter. Beispielsweise sind in einer erfindungsgemässen Ausführungsform Referenzpfosten mit unterschiedlichen Durchmessern als codierte Referenzobjekte vorgesehen. Anhand der Entfernungsmessung, der Rotationsgeschwindigkeit des Umlenkmittels und den unterschiedlichen Signalbreiten können die Pfostendurchmesser ermittelt und die verschiedenen Referenzpfosten identifiziert werden. Alternativ können zum Erzeugen desselben Effekts auch zwei Pfosten nebeneinander platziert werden.

Die jeweils tatsächlich benötigte Zahl an Referenzobjekten ist zusätzlich abhängig von möglichen Einschränkungen zur Reduzierung einer Mehrdeutigkeit. Bei drei Entfernungsmessungen zu den verschiedenen Referenzobjekten wird durch die drei Entfernungen eine Ebene definiert, an der die zu bestimmende Relativposition gespiegelt werden kann. Als Lösung ergeben sich zwei mögliche Positionen, von denen aber meist eine Position aus Plausibilitätsgründen, z.B. weil sie unter der Erdoberfläche liegen würde, oder aufgrund einfacher weiterer Informationen ausgeschlossen werden kann, wie z.B. der Unterscheidung zwischen Nord und Süd, die auch durch einen einfachen Magnetkompass getroffen werden kann. Die Menge der Referenzobjekte wird insbesondere so gewählt, dass nach Möglichkeit von jedem Punkt des zu bearbeitenden Terrains aus wenigstens zwei der Referenzobjekte erfasst werden können.

Werden kooperative Reflektorpfosten mit bekanntem Durchmesser als Referenzobjekte verwendet, so kann zusätzlich aus der Rotationsgeschwindigkeit und den Empfangssignalen ein azimutaler Ausdehnungswinkel jeweils für die Reflektorpfosten bestimmt werden, da die ausgedehnten Reflektorpfosten keinen punktförmigen Reflex, sondern ein ausgedehntes Reflexionssignal erzeugen. Somit kann aus der Breite jeweils der Empfangssignale für jeden Reflektorpfosten der azimutale Winkel, innerhalb welchem Reflexe von jeweils einem Reflektorpfosten empfangen werden, ermittelt werden. Bei bekanntem Durchmesser eines Reflektorpfostens kann aus dem von der Arbeitsmaschine aus ermittelten azimutalen Ausdehnungswinkel des Pfostens nun eine grobe Entfernung dieses Pfostens zur Arbeitsmaschine berechnet werden. Beispielsweise erfolgt eine solche Berechnung anhand des Tangenssatzes.

Die derart ermittelten Grobentfernungen sind z.B. für die präzise Entfernungsmessung nach dem Phasenmessprinzip verwendbar. Da - wie vorgängig beschrieben - bei der erforderlichen hohen Scanngeschwindigkeit Reflexe für nur sehr kurze Zeiten empfangen werden, können zur Auflösung von Phasenmehrdeutigkeiten, für welche sonst ausreichend viele Signalperioden empfangen werden müssen, die ermittelten Grobentfernungen berücksichtigt werden. Dadurch können sehr schnelle Scanngeschwindigkeiten und somit auch eine hohe Positionsbestimmungsrate erreicht werden. Dies wiederum ermöglicht eine präzisere und schnellere Positionsbestimmung für die Arbeitsmaschine und somit eine genauere Steuerung derselben.

Eine weitere Möglichkeit zur Verwendung der Grobentfernungen ist eine Überprüfung der durch die

Pulslaufzeit- oder Phasenmessung erhaltenen Distanzen auf

Relevanz. So können beispielsweise fehlerbehaftete

Messungen erkannt und für die Positionsbestimmung unberücksichtigt bleiben. Dadurch kann z.B. eine Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Steuerung der

Arbeitsmaschine vermindert werden. Verliert beispielsweise die mobile Arbeitsmaschine einmal ihre Position durch eine Fehlfunktion - z.B. Störung durch Blitzschlag, unsachgemässe Behandlung oder Verschieben von Hand - kann es schwierig sein, die Position relativ zu den Referenzobjekten wieder zu finden. Um die Arbeitsmaschine nicht händisch neu initialisieren oder an eine Ausgangsposition zurückführen zu müssen, können die Grobentfernungen zur groben Positionsbestimmung verwendet werden, damit sich die Arbeitsmaschine basierend auf diese Grobpositionierung wieder mit einem internen Geländeplan synchronisieren kann.

Ebenso können zur Überbrückung kurzfristiger Sichtverluste zu den Referenzobjekten und/oder zur Identifikation der erfassten Referenzobjekte dem Positioniersystem respektive der Arbeitsmaschine weitere Komponenten zur Positionsbestimmung zugeordnet sein. Beispielsweise weist das Positioniersystem zusätzlich Komponenten zur Richtungsmessung, wie einen Kompass, und/oder Inertialsensoren, die eine Veränderung bezüglich einer bekannten Startposition registrieren, auf. Ebenfalls möglich ist die Anbringung eines GPS-Sensors. Mit einem GPS-Sensor kann die Position des Positioniersystems grob und anhand einer Entfernungs- und ggf. Winkelmessung auf ein Referenzobjekt genau bestimmt werden.

Der Sender des erfindungsgemässen Positioniersystems umfasst eine Strahlungsquelle, insbesondere einen Laser, und eine Sendeoptik - Kollimationsoptik - zum Aussenden eines kollimierten Sendestrahlenbündels für die Entfernungsmessung. Ein Laser als Sender ist zur Emission von Sendestrahlen in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich ausgebildet. In einer Ausführungsform der Erfindung wird als Sender ein Laser, der Sendestrahlen im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, z.B. im Bereich zwischen 790 nm und 950 nm, insbesondere Sendestrahlen der Wellenlänge von 850 nm, aussendet, eingesetzt. Neben einem nicht-sichtbare Strahlung emittierenden Sender kann eine zusätzliche sichtbare Strahlungsquelle vorgesehen werden, die z.B. bei einer Lernfahrt des Positioniersystems verwendet werden kann, damit ein Benutzer den unsichtbaren Strahl nicht unbewusst abdeckt. Damit kann auch die Sichtverbindung des Positioniersystems zu den zur Positionsbestimmung benötigten Referenzobjekten visuell überprüft werden.

Der Empfänger weist eine Empfangsoptik sowie ein für die Emissionswellenlänge des Senders sensitives Empfangselement auf. Insbesondere ist das Empfangselement eine Photodiode, z.B. eine Pin-Diode oder eine Avalanche-Diode .

Für Entfernungsmessungen nach dem Phasenmessprinzip weist der Entfernungsmesser mit dem Sender und dem Empfänger als Bestandteile weitere in Bezug auf die Phasenmessung übliche Komponenten auf. So sind beispielsweise ein Strahlteiler zum Abzweigen eines Teils der Sendestrahlen als Referenzstrahlen sowie ein Referenzempfänger zum Empfangen der Referenzstrahlen nach Durchlaufen eines Referenzweges vorgesehen. Im Referenzweg können weitere optische Elemente angeordnet sein. Weitere verwendete oder verwendbare Komponenten sind Frequenzmischer und Phasenmesser.

Um die Sendestrahlen des Senders in die rotierende Emissionsrichtung zu lenken, ist das Umlenkmittel des Positioniersystems wie vorgängig erwähnt um eine vertikale Achse rotierbar angeordnet. Weiters ist das Umlenkmittel derart ausgebildet und gegenüber dem Sender angeordnet, dass die Sendestrahlen im Wesentlichen in einer Horizontalebene rotiert werden. Insbesondere erfolgt die Rotation kontinuierlich um 360°. Bei kontinuierlicher 360°- Rotation des Umlenkmittels wird durch die Sendestrahlen die Umgebung ringsum das Positioniersystem gleichmässig nach Referenzobjekten abgetastet, sodass in der Horizontalebene gelegene Objekte, die nicht durch Hindernisse verdeckt sind, erfasst werden.

Das Umlenkmittel ist durch ein optisches Reflexionselement, wie einen Spiegel oder ein Prisma, realisierbar. Das Reflexionselement ist rotierbar ausgeführt, beispielsweise indem es in, an oder auf einem Rotationselement angeordnet ist, welches durch einen Antrieb in Rotationsbewegung versetzt wird. Der Antrieb erfolgt motorisch. Zum Antrieb können ausser dem Motor Komponenten wie Zahn- oder Reibriemen, oder Zahnräder als Antriebsmittel eingesetzt sein.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Positioniersystems ist ein Spiegel als Umlenkmittel in einem Winkel von 45° an einem Hohlkörper als Rotationselement, durch welchen die Sende- bzw. Empfangsstrahlen zum Umlenkmittel bzw. zum Empfänger geführt werden, angeordnet. Der Hohlkörper wird über einen Motor und einen Zahnriemen mit einer festen Rotationsgeschwindigkeit um die vertikale Achse durch seinen Schwerpunkt rotiert.

Um die Horizontalität der Sendestrahlen auch dann zu gewährleisten, wenn das Bodenbearbeitungsfahrzeug über

Unebenheiten, wie Wellen und Senken, eines Terrains oder ein Terrain mit unterschiedlichen Niveaus fährt, sind

Sender, Empfänger und Umlenkmittel des erfindungsgemässen

Positioniersystems in bzw. an einer Aufnahme angeordnet, die pendelartig an einer Trägerkomponente angeordnet ist.

Durch die pendelartige Anordnung der Aufnahme erfolgt eine

Ausrichtung derselben - und damit auch von Sender, Empfänger und Umlenkmittel - unter der Wirkung der Schwerkraft, also vertikal. Infolge der schwer- kraftbeeinflussten vertikalen Ausrichtung von Sender, Empfänger und Umlenkmittel werden die Entfernungsmessungen in den verschiedenen Stellungen des Bodenbearbeitungsfahrzeugs in einer Ebene, die im Wesentlichen horizontal ist, durchgeführt.

Die pendelartige Anordnung kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Beispielsweise ist die Trägerkomponente als Platte mit einer rahmenartigen

Konstruktion oder einer Halterung, in welcher die Aufnahme in zwei Richtungen - schwingbar aufgehängt ist, ausgeführt. Die Trägerkomponente kann einen Kardanring bzw.

-ringe für eine kardanische Aufhängung der Aufnahme aufweisen. Alternativ kann die Trägerkomponente eine entsprechende Lageraufnahme aufweisen, in welcher die Aufnahme gelagert ist, beispielsweise über ein oder zwei Lager, wie Kugellager oder ein Kugelgelenk mit z.B. zwei rotatorischen Freiheitsgraden. Die Trägerkomponente ist auch durch ein Bauteil des Bodenbearbeitungsfahrzeugs bildbar.

Die Aufnahme kann aus mehreren Bauteilen, z.B. Gehäusen oder Gehäuseteilen, zusammengesetzt, oder aber einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise stellt die Aufnahme ein Gehäuse dar, in welchem der Sender und der Empfänger fest und das Umlenkmittel rotierbar angeordnet sind. Eine solche Ausbildung umfasst weiters eine Öffnung, wie ein Fenster, für die Sende- und Empfangsstrahlen. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Aufnahme ein Gehäuse für den Sender und den Empfänger, einen Hohlkörper, durch welchen die Sende- und Empfangsstrahlen in Richtung des Umlenkmittels geleitet werden, sowie ein auf dem Hohlkörper drehbar angeordnetes Rotationselement, auf welchem das Umlenkmittel mittels eines Halters positioniert ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Anordnung von Sender, Empfänger und Umlenkmittel des erfindungsgemässen Positioniersystems derart, dass ein möglichst kompaktes und stabiles System bereitgestellt wird. Indem die Anordnung so gewählt wird, dass die

Strahlführung über vergleichsmässig wenige optische

Elemente erfolgt, werden die Komplexität des Systems sowie Strahlungsverluste gering gehalten.

So sind in einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Positioniersystems der Sender, der Empfänger und das Umlenkmittel derart angeordnet, dass der Strahlengang der Sendestrahlen und der Strahlengang der Empfangsstrahlen im Wesentlichen parallel sind. Dazu sind Sender und Empfänger möglichst nahe nebeneinander und gegenüber dem Umlenkmittel so angeordnet, dass die vom Sender emittierten Sendestrahlen auf eine Umlenkfläche des Umlenkmittels treffen, an der Umlenkfläche in Richtung der Re- ferenzobjekte reflektiert werden, und die von den Referenzobjekten reflektierten Strahlen über dieselbe Umlenkfläche zum Empfänger reflektiert werden.

In einer weiteren Ausführungsform sind der Sender, der Empfänger und das Umlenkmittel derart angeordnet, dass die Sendestrahlen und die Empfangsstrahlen koaxial sind.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Anordnung von Sender, Empfänger und Umlenkmittel derart, dass der Strahlengang der Sendestrahlen zwischen Sender und Umlenkmittel und der Strahlengang der Empfangsstrahlen zwischen Umlenkmittel und Empfänger und die vertikale Achse, um die das Umlenkmittel rotiert und die beispielsweise eine Rotationsachse durch den Schwerpunkt der Anordnung darstellt, im Wesentlichen parallel und gegebenenfalls koaxial sind. Solche Anordnungen sind für verschiedene Entfernungsmesser an sich bekannt.

Das erfindungsgemässe Positioniersystem kann zum Schutz der Systemkomponenten ein Schutzgehäuse, z.B. ein kuppelartiges Plastik-Gehäuse, aufweisen. Das Gehäuse ist vorzugsweise transparent ausgeführt oder weist entlang seines Umfangs ein Fenster für die Sende- und Empfangsstrahlen des Systems auf. Das Positioniersystem ist beispielsweise auf einer Plattform des Bodenbearbeitungsgeräts montiert. Ebenso kann ein Bodenbearbeitungsgerät zur integrierten Aufnahme des Positioniersystems ausgebildet sein. Z.B. ist die Ausbildung derart, dass ein Teil des Systems in das Bodenbearbeitungsfahrzeug eingesetzt - versenkt - wird.

Indem das erfindungsgemässe Positioniersystem als kompaktes, handliches und vergleichsweise kleines und leichtes System ausgebildet ist - was vorteilhaft mit einer Verwendung eines Entfernungsmessers gemäss dem vorgängig erwähnten „Disto" realisierbar ist - kann ein Bodenbearbeitungsfahrzeug, welches z.B. einen Rasenmäher darstellt, zur modulartigen Aufnahme des Positioniersystems ausgebildet werden. Ebenfalls kann ein Bodenbearbeitungsfahrzeug in einfacher Art und Weise mit dem erfindungsgemässen Positioniersystem auf- oder umgerüstet werden. Die Verwendung eines Entfernungsmessers gemäss dem „Disto" birgt weiters den Vorteil, dass dieser bereits als vollständiges System zur Entfernungsmessung verfügbar ist und lediglich eine Schnittstelle zur Kommunikation mit der Rechen- und Steuereinheit vorzusehen oder aber die Rechen- und Steuerkomponente - z.B. in Form einer entsprechenden Software - in den Entfernungsmesser respektive dessen Datenverarbeitungseinheit zu integrieren ist.

Das erfindungsgemässe Positioniersystem ist für die Anordnung am Bodenbearbeitungsgerät zusätzlich dadurch optimiert, dass die Rotation der Sendestrahlen mit der Rotation lediglich des Umlenkmittels verwirklicht wird. Damit werden unter anderem Probleme der Kabelführung vermieden. So kann bei einer - z.B. an einer für einen Bediener günstigen Position - im Bodenbearbeitungsgerät angeordneten Rechen- und Steuerkomponente eine Kommunikation zum Sender und Empfänger bzw. zur Datenverarbeitungseinheit einfach über Kabelverbindungen erfolgen.

Das Bodenbearbeitungsfahrzeug, für welches das erfindungsgemässe Positioniersystem vorgesehen ist, kann im Prinzip jedes bewegliche Gerät/Fahrzeug darstellen. Beispielsweise wird das Positioniersystem auf einem Rasenmäher, der selbständig ein Terrain abfährt, oder auf einem Markiergerät zum Erzeugen von Markierlinien und/oder -flächen eingesetzt. Ebenso kann das Positioniersystem zum Navigieren von Baumaschinen, wie Bagger, Fertiger oder Lastwagen, verwendet werden. Eine weitere günstige Einsatzmöglichkeit für das erfindungsgemässe Positioniersystem stellt die Verwendung desselben auf einem Reinigungsgerät dar. Wird das Reinigungsgerät z.B. in einer Tiefgarage eingesetzt, können bereits vorhandene Pfosten vorteilhaft als Referenzobjekte verwendet werden. Dazu kann ggf. eine reflektive Beschichtung, wie eine Reflexfolie, auf den Pfosten angebracht werden.

Vorteilhaft ist dieses System für Arbeitsmaschinen anzuwenden, die im Allgemeinen auf ebenem Terrain zum Einsatz kommen. Eine sichergestellte ständige und gute Sichtverbindung zu allen aufgestellten Reflektoren ermöglicht mit der erfindungsgemässen Positionsbestimmungsvorrichtung eine sehr präzise und zuverlässige Positionierung mit einer hohen Wiederholungsrate, sodass vorgegebene Linien, entlang welchen die mobile Maschine fahren soll, exakt einhaltbar sind. Sehr gut eignet sich deshalb ein erfindungsgemässes Positionierbestimmungssystem z.B. zum Einsatz für Sportplatzmarkierungsarbeiten. Beispielsweise können vier Reflektorpfosten mit bekanntem Durchmesser in den Ecken eines Sportplatzes positioniert werden, sodass eine gute Sichtverbindung von jedem Punkt auf dem Sportplatz zu jedem der Reflektoren gegeben ist. Mittels der erfindungsgemässen Positionsbestimmungsvorrichtung können nun mit einer hohen Wiederholungsrate fortlaufend Positionen einer Markierungsmaschine hochpräzise bestimmt und somit die Maschine exakt gesteuert werden, sodass dadurch Sportplatzmarkierungen automatisiert und sehr präzise aufbringbar sind.

Insbesondere können die erfindungsgemässe Positionsbestimmungsvorrichtung und das Positionsbestimmungsverfahren jedoch auch in anderen Bereichen Anwendung finden. So kann beispielsweise das Positionsbestimmungsverfahren für beliebige Objekte wie z.B. ein Möbel, verwendet werden, deren Positionen z.B. in einem Raum bestimmt oder welche auf einem Terrain exakt positioniert werden sollen. Dazu kann die Positionsbestimmungsvorrichtung an einem Objekt angebracht und anschliessend erfindungsgemäss dessen Position relativ zu aufgestellten Reflektoren bestimmt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben. Im Einzelnen zeigen

Fig. 1 ein erfindungsgemässes Bodenbearbeitungsfahr- zeug, Positioniersystem und Referenzobjekt;

Fig. 2 einen Ausschnitt des Positioniersystems aus Fig. 1 und ein Referenzobjekt auf Fig. 1;

Fig. 3 ein typisches Empfangssignal eines erfindungsgemässen Positioniersystems ;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Positioniersystems ;

Fig. 5A - 5D ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Positioniersystems in vier Ansichten; und

Fig. 6A - 6C drei verschiedene Bodenbearbeitungsfahrzeuge mit einem erfindungsgemässen PositionierSystem.

In Figur 1 dargestellt sind ein erfindungsgemässes Bodenbearbeitungsfahrzeug mit einem erfindungsgemässen Positioniersystem Ia, sowie eine Mehrzahl erfindungsgemässer Referenzobjekte. Ein selbstfahrender Rasenmäher 2a stellt hier das Bodenbearbeitungsfahrzeug dar, welcher Rasenmäher 2a anhand des Positioniersystems Ia und der Referenzobjekte über ein zu bearbeitendes - zu mähendes - Terrain T navigiert wird. Die Referenzobjekte sind als Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f mit einer reflektiven Beschichtung - Reflektorstäbe - ausgebildet. Über das Terrain T verteilt sind sechs Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f angeordnet, wobei einer der Pfosten 3c an einer Docking Station DS für den Rasenmäher 2a angeordnet ist. Die Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f sind hier lediglich skizziert, die spezielle Ausführung kann mit codierten Pfosten erfolgen. Beispielsweise weisen die Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f - wie für den Pfosten 3d rechts oben angezeigt - unterschiedliche Durchmesser auf und/oder es sind Kombinationen von zwei oder mehreren Pfosten vorgesehen. Je nach Art und/oder Anzahl der Pfosten empfängt das Positioniersystem Ia unterschiedliche Signale, anhand derer die jeweiligen - codierten - Pfosten identifizierbar sind.

Das optische Positioniersystem Ia emittiert horizontale Laser-Sendestrahlen 5a in eine rotierende Emissionsrichtung, wie durch den Pfeil angedeutet. Die Beschaffenheit des Terrains T und die Anzahl und Anordnung der Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f sind derart, dass das auf dem Rasenmäher 2a angeordnete Positioniersystem Ia von jeder Position des Terrains T aus wenigstens drei Pfosten detektiert. Das Positioniersystem Ia ist hier teilweise im Rasenmäher 2a versenkt, sodass Rasenmäher 2a und System eine kompakte Anordnung bilden. Weiters wird durch die teilweise Versenkung die Anordnung niedrig gehalten, wodurch auch die Höhe der Pfosten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f verringert werden kann.

Ein Ausschnitt des Positioniersystems Ia aus Figur 1 und ein Pfosten 3a aus Figur 1 sind in Figur 2 detaillierter dargestellt. Der Pfosten 3a ist mit einer reflektiven Beschichtung 3a' versehen. Wie aus dem herausgezeichneten Detail des Pfostens 3a ersichtlich ist die Beschichtung aus einer Vielzahl von Glaskügelchen 3a'' gebildet. Der Pfosten 3a ist 3 cm im Durchmesser D und die reflektive Beschichtung 3a' 1 m in der Höhe H erstreckt. Der gezeigte Ausschnitt des Positioniersystems Ia umfasst einen Umlenkspiegel 9a, der als Umlenkmittel die Sendestrahlen 5a einer - nicht dargestellten - Laserdiode als Sender des Positioniersystems Ia in Richtung des Pfostens 3a lenkt, an welchem Pfosten 3a sie zurück zum Umlenkspiegel 9a reflektiert werden. Dadurch, dass der reflektive Pfosten 3a in der Höhe erstreckt ist, ist eine sehr hohe Trefferwahrscheinlichkeit des Pfostens 3a gegeben. Für ein Terrain, das bedeutende Niveauunterschiede aufweist, können entsprechend höhere Pfosten verwendet werden.

Wie mit dem Pfeil angezeigt wird der Umlenkspiegel 9a rotiert. Dazu ist der Umlenkspiegel 9a in einer Spiegelhalterung 9a' gehaltert, die auf einem ein Rotationselement bildenden zylindrischen Hohlkörperaufsatz 15a angebracht ist, welcher über einen Motor in Rotationsbewegung versetzt wird. Die Sendestrahlen 5a gelangen durch den Hohlkörperaufsatz 15a zum Umlenkspiegel 9a. Am Umlenkspiegel 9a werden die Strahlen derart umgelenkt, dass sie im Wesentlichen horizontal sind. Weiters werden die Strahlen durch die Rotation des Umlenkspiegels 9a rotiert - hier um 360°. Über die Anordnung mit dem Umlenkspiegel 9a ist eine Schutzhülle in der Art einer transparenten Kunststoff-Glocke 21 gesetzt. Die Öffnung der Kunststoff-Glocke 21 ist nur zwecks der Darstellung der Schraubverbindung 21' zwischen der Kunststoff-Glocke 21 und einer ringförmigen Platte 22 eingezeichnet, die Glocke ist geschlossen. Alternativ zur transparenten Schutzhülle kann auch eine Hülle mit einem Fenster entlang des Umfangs verwendet werden.

Die ringförmige Platte 22 ist am Rasenmäher 2a von Figur 1 angebracht. Zur Aufnahme des Teils des Positioniersystems Ia, der sich unterhalb der Kunststoff- Glocke 21 erstreckt, weist der Rasenmäher 2a eine Ausnehmung auf. Der Rasenmäher 2a kann auch eine Ausnehmung aufweisen, in welche die Platte 22 einsetzbar ist. Alternativ kann der Rasenmäher 2a bereits mit einer integrierten Platte ausgebildet werden oder sein, in welche das Positioniersystem Ia einsetzbar ist. Der nicht dargestellte Teil des Positioniersystems Ia - an der Unterseite der Glocke - ist also im Rasenmäher 2a versenkt und gegen mechanische und umweltbedingte Beschädigungen gut geschützt.

Figur 3 zeigt ein typisches Empfangssignal 8 eines Empfängers eines erfindungsgemässen Positioniersystems für eine 360° -Umdrehung des Umlenkmittels. Das innere Signal stellt ein Referenzsignal 8' in Bezug auf die Rotationsbewegung des Umlenkmittels des Systems dar. Das Referenzsignal 8' ist mit einem Sensor, wie z.B. einer Lichtschranke, zur Kontrolle und ggf- Korrektur der Rotationsbewegung aufgenommen - im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Messungen 8a' -8d' auf 360° durchgeführt. Das Empfangssignal 8 zeigt drei

Peaks 8a, 8b, 8c. Die Peaks 8a, 8b, 8c stellen von reflektiven

Referenzobjekten reflektierte Signale dar, die anhand ihrer

Intensität vom Hintergrund unterschieden werden können. Die unterschiedlichen - Peaks 8a, 8b, 8c korrespondieren weiters zu Referenzobjekten mit verschiedenen Durchmessern und/oder Reflexionsvermögen, sodass eine Zuordnung zu spezifischen Referenzobjekten möglich ist. Aus dem Empfangssignal 8 werden drei Entfernungen zu den korrespondierenden Referenzobjekten berechnet. Zusätzlich werden aus dem Empfangssignal 8 und der bekannten Rotationsgeschwindigkeit - unter Berücksichtigung des Referenzsignals 8' - die Horizontalwinkel zwischen den Referenzobjekten ermittelt. Da hier ausserdem die Fahrtrichtung 16 des Bodenbearbeitungsfahrzeugs bekannt ist, sind auch die Horizontalwinkel zwischen der Fahrtrichtung 11 und den Referenzobjekten bestimmbar.

Sind die Durchmesser der reflektierenden Referenzobjekte bekannt, insbesondere jeweils gleich gross, so kann zusätzlich über die Breite bs_a der Peaks 8a, 8b, 8c und den bekannten Durchmessern d der Referenzobjekte eine grobe

Entfernung GE zu den Referenzobjekten abgeleitet werden.

Wird zum Beispiel ein Peakbreitenwinkel ßs_a^ der sich zwischen Peakanfang und Peakende ergibt, bestimmt, kann eine Grobentfernung zum Referenzobjekt anhand des

Tangenssatzes wie folgt bestimmt werden:

GE = d / 2*tan(ß_8a/2)

Diese Grobentfernung GE kann beispielsweise für das Auflösen von Phasenmehrdeutigkeiten bei der zusätzlich erfindungsgemäss durchgeführten hochpräzisen Entfernungsmessung nach dem Phasenmessprinzip oder zur Relevanzüberprüfung der durch die Phasenmessung ermittelten Entfernungen verwendet werden.

Die Figur 4 zeigt eine detailliertere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Positioniersystems Ib für ein Bodenbearbeitungsfahrzeug. Die Aufnahme 14b des Positioniersystems Ib ist aus mehreren Bauteilen, wie Gehäuseteilen, zusammengesetzt. In der Aufnahme 14b sind in einem weiteren Gehäuse 23 der Sender, der Empfänger und die Rechen- und Steuerkomponente 30 des Positioniersystems Ib angeordnet. Sender, Empfänger und Rechen- und Steuerkomponente bilden einen Entfernungsmesser 12b in etwa gemäss dem „Disto" der Firma Leica Geosystems. Im Unterschied zum „Disto" ist der Entfernungsmesser 12b für die Verwendung auf einem Bodenbearbeitungsfahrzeug angepasst. So emittiert der Sender etwa Sendestrahlen 5b mit einer Frequenz von wenigstens 100 kHz, um Entfernungsmessungen nach dem Phasenmessprinzip für sehr kurze Signalzeiten - von ca. 100 μs - zu ermöglichen. Die kurzen Signalzeiten entstehen aus der Rotation der Sendestrahlen 5b, welche anhand eines Umlenkmittels 9b, das mit wenigstens drei Umdrehungen pro Sekunde rotiert wird, verwirklicht wird. Das Umlenkmittel 9b ist auf einem Rotationselement 15b in Form eines Hohlkörpers befestigt. Das Rotationselement 15b wiederum ist um eine vertikale Achse 10b drehbar auf einem Hohlzylinder 14b' der Aufnahme 14b aufgesetzt und bildet ebenfalls einen Bestandteil der Aufnahme 14b. Die Rotation erfolgt anhand eines motorischen Antriebs über einen Zahnriemen 16.

Über das Umlenkmittel 9b werden die Sendestrahlen 5b des Senders in eine rotierende Emissionsrichtung gelenkt und die reflektierten Sendestrahlen als Empfangsstrahlen 7b zum Empfänger. Um zu erreichen, dass die Sendestrahlen 5b in einer Ebene, die im Wesentlichen horizontal ist, rotiert werden, ist die Aufnahme 14b des Positioniersystems Ib kardanisch in einer Trägerkomponente 13b aufgehängt. Damit richtete sich die Aufnahme 14b auch bei Neigungsstellungen des Bodenbearbeitungsfahrzeugs schwerkraftbeeinflusst vertikal aus, sodass die Horizontalität der Sendestrahlen 5b beibehalten wird. Die Trägerkomponente 13b umfasst eine erste Halterung 13b' , in welcher die Aufnahme 14b um eine erste Achse drehbar gelagert ist und eine zweite Halterung 13b' ' , in welcher die erste Halterung 13b' um eine zweite Achse drehbar gelagert ist. Die zweite Halterung 13b' ' wird über Schrauben 17 und Dämpfungselemente 18 an einer Plattform 20 des Bodenbearbeitungsfahrzeugs angebracht . In den Teilfiguren 5A bis 5D ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Positioniersystems Ic in verschiedenen Ansichten dargestellt, wobei Figur 5A eine Draufsicht auf das Positioniersystem Ic zeigt, Figur 5B einen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A aus Figur 5A, Figur 5C eine Seitenansicht des Positioniersystems Ic und Figur 5D einen Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 5C. Die Figuren werden im Folgenden zusammenhängend beschrieben.

Das dargestellte Positioniersystem Ic weist eine Aufnahme 14c auf, die aus einem Aufnahmekörper mit einem zylindrischen Hohlkörper 14c' und einem Rotationselement 15c zusammengesetzt ist. Das Rotationselement 15c ist als Spiegelhalter für einen Spiegel 9c als Umlenkmittel ausgebildet und über eine Kugellagerung 25 drehbar am zylindrischen Hohlkörper 14c' gelagert. Das Rotationselement 15c weist eine Aussenverzahnung 26 auf und wird über ein Ritzel 27, das von einem Elektromotor 28 angetrieben wird, rotiert. Am zylindrischen Hohlkörper 14c' ist weiters - an einem Flansch des Hohlkörpers 14c' - ein Sensor 24 angeordnet, der Referenzsignale in Bezug auf die Rotationsbewegung abgreift .

Im Aufnahmekörper sind ein Sender 4c und ein Empfänger 6c des Positioniersystems Ic angeordnet. Der Sender 4c umfasst eine Laserdiode sowie eine Kollimationsoptik, der Empfänger 6c eine Photodiode und eine Empfangsoptik. Vom Sender 4c emittierte Sendestrahlen gelangen durch den zylindrischen Hohlkörper 14c' zum Spiegel 9c, wo sie reflektiert werden. Die an Referenzobjekten reflektierten Sendestrahlen treffen wieder auf den Spiegel 9c und werden als Empfangsstrahlen zum Empfänger 6c reflektiert. Die Sende- und Empfangsstrahlen sind nicht eingezeichnet. Sender 4c, Empfänger 6c und Spiegel 9c sind hier derart angeordnet, dass der Strahlengang der Sendestrahlen und der Strahlengang der Empfangsstrahlen im Wesentlichen parallel sind. Dazu sind der Sender 4c und der Empfänger 6c möglichst nahe nebeneinander angeordnet, sodass die Sende- und Empfangsstrahlen über dieselbe Fläche des Spiegels 9c und ohne zusätzliche optische Elemente lenkbar sind, was die Ausbildung eines wenig komplexen und kompakten Systems zur Entfernungsmessung ermöglicht.

Die Laser- und Photodiode des Positioniersystems sind auf einer Leiterplatte 29 angebracht, die weiters auch einen Mikroprozessor als Datenverarbeitungseinheit umfasst. Sender 4c, Empfänger 6c und Mikroprozessor bilden einen Entfernungsmesser 12c. Der Mikroprozessor ist zusätzlich als Rechen- und Steuereinheit zum Berechnen der Position des Positioniersystems Ic bzw. des Bodenbearbeitungsfahrzeugs, für welches das Positioniersystem Ic verwendet wird, und zum Ableiten von Steueranweisungen für das Fahrzeug ausgeführt. Alternativ könnte am Entfernungsmesser 12c eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einer Rechen- und Steuereinheit ausgebildet und die Rechen- und Steuereinheit ausserhalb der Aufnahme 14c angeordnet sein.

Die Aufnahme 14c des Positioniersystems Ic ist pendelartig an einer Trägerkomponente 13c des Systems angeordnet. Die

Trägerkomponente 13c umfasst einen ersten Kardanring 13c' und einen zweiten Kardanring 13c' ' , über welche

Kardanringe 13c' und 13c' ' die Aufnahme 14c kardanisch aufgehängt ist, sodass sie sich unter der Wirkung der Schwerkraft vertikal ausrichtet. Mit der Ausrichtung der

Aufnahme 14c erfolgt natürlich auch eine entsprechende

Ausrichtung aller in, an oder auf der Aufnahme 14c angeordneten Komponenten, so z.B. des Entfernungsmessers 12c und des Spiegels 9c.

In den Figuren 6A bis 6C ist ein erfindungsgemässes Positioniersystems für verschiedene Bodenbearbeitungsfahrzeuge gezeigt. Die Darstellungen der Figuren sind nicht als massstäblich zu betrachten.

Figur 6A zeigt in Draufsicht einen Markierwagen 2d als Bodenbearbeitungsfahrzeug zum Erzeugen bodengebundener Markierungen 31 auf einem Untergrund - z.B. auf einem Sportplatz. Auf dem Untergrund sind als Referenzobjekte zylindrische Reflektorstäbe 3g platziert. Diese werden anhand der Sendestrahlen 5d des auf dem Markierwagen 2d angeordneten Positioniersystems Id abgetastet. Die Sendestrahlen werden in eine horizontale, rotierende Emissionsrichtung gesendet, sodass sie eine horizontale Strahlebene 30 aufspannen.

Das Bodenbearbeitungsfahrzeug aus Figur 6B stellt einen Gleitschalungsfertiger 2e beim Erstellen einer Belagschicht 32 entlang eines vorgegebenen Weges dar. Entlang des Weges sind Reflektorstäbe 3h als Referenzobjekte angeordnet. Die Reflektorstäbe 3h können beispielsweise jeweils 30 m voneinander entfernt angeordnet sein. Auf der Fahrerkabine des Gleitschalungsfertigers 2e ist ein erfindungsgemässes Positioniersystem Ie angebracht. Das Positioniersystem emittiert Strahlung und tastet anhand der Rotation der Strahlung um eine vertikale Achse 10e die Umgebung kontinuierlich nach den Referenzobjekten ab. Mittels der vom Positioniersystem emittierten und empfangenen Strahlung werden die Entfernungen zu den Refe- renzobjekten und daraus die Position des Gleitschalungsfertigers 2e relativ zu diesen bestimmt. Sind die Reflektorstäbe 3h in ein Koordinatensystem - z.B. des Geländes - eingemessen, so kann die absolute Position des Fertigers bestimmt und dieser entsprechend gesteuert werden. Alternativ kann der vorgegebene Weg relativ zu den Reflektorstäben 3h festgelegt, respektive die Reflektorstäbe 3h entsprechen positioniert werden, und der Fertiger relativ zu den Reflektorstäben 3h gesteuert werden.

In Figur 6C ist ein Bagger 2f als Bodenbearbeitungsfahrzeug mit einem erfindungsgemässen Positioniersystem If dargestellt. Das Positioniersystem If ist - ebenso wie in den vorangehenden Figuren 6A und 6B - lediglich durch ein Gehäuse skizziert, was jedoch nicht ausschliesst, dass z.B. die Rechen- und Steuerkomponente des Positioniersystems If in der Fahrerkabine angeordnet ist und in Kommunikationsverbindung - über Kabel oder Funk - mit dem Empfänger oder einer Datenverarbeitungseinheit des Positioniersystems If steht. Auf dem zu bearbeitenden Terrain T2 sind vier Reflektorstäbe 3i positioniert. Das Positioniersystem If tastet mittels Laserstrahlung kontinuierlich die Umgebung um eine vertikale Achse 10f ab. Aus den erfassten Reflektorstäben 3i werden in der Rechen- und Steuerkomponente die Relativposition des Baggers 2f und Steueranweisungen in Bezug auf dessen Positionierung abgeleitet.

Claims

Patentansprüche

1. Positionsbestimmungsvorrichtung (Ia, Ib, Ic, Id, Ie, If) für eine mobile, insbesondere selbstfahrende Arbeitsmaschine (2a, 2d, 2e, 2f) , mit

^■ einer Trägerkomponente (13b, 13c) zur Befestigung der Positionsbestimmungsvorrichtung (Ia, Ib, Ic, Id, Ie, If) an der Arbeitsmaschine (2a, 2d, 2e, 2f) , ■ einer sich unter Wirkung der Schwerkraft vertikal ausrichtenden, an der Trägerkomponente (13b, 13c) angeordneten Aufnahme (14b, 14c) mit o einem Sender (4c) zur Emission von optischen

Sendestrahlen (5a,5b,5d), o einem Empfänger (6c) zum Empfangen von an Referenzobjekten (3a-3i) reflektierten Sendestrahlen (5a,5b,5d) als Empfangsstrahlen (7b) und zum Erzeugen von Empfangssignalen (8) und o einem um eine vertikale Achse rotierbaren Umlenkmittel (9a, 9b, 9c) zum Lenken einerseits der

Sendestrahlen (5a,5b,5d) in horizontale Richtungen, sodass eine im Wesentlichen horizontale Ebene aufgespannt wird, und andererseits der Empfangsstrahlen (7b) gegen den Empfänger (6c), und ■ einer Rechen- und Steuerkomponente (30) zum Ableiten der Position der Arbeitsmaschine (2a, 2d, 2e, 2f) wenigstens aus den Empfangssignalen (8) und zum Erzeugen von Steueranweisungen für die

Arbeitsmaschine (2a, 2d, 2e, 2f) , dadurch gekennzeichnet, dass

der Sender (4c) und der Empfänger (6c) Bestandteil eines Entfernungsmessers (12b, 12c) sind und die Rechen- und Steuerkomponente (30) zum Ableiten der Position wenigstens aus anhand der Empfangssignale (8) nach dem Phasen- oder Pulslaufzeitmessprinzip bestimmten Entfernungen zu den Referenzobjekten (3a-3i) ausgebildet ist.

2. Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

^■ die Aufnahme (14b, 14c) zusätzlich ein, insbesondere motorisches, Antriebsmittel zur kontinuierlichen Rotation des Umlenkmittels (9a, 9b, 9c) mit einer bekannten Rotationsgeschwindigkeit aufweist, und

^■ die Rechen- und Steuerkomponente (30) zum Bestimmen von azimutaler Winkelinformationen der Referenzobjekte (3a-3i) aus den Empfangssignalen (8) und der Rotationsgeschwindigkeit ausgebildet ist, wobei die Winkelinformationen zum Ableiten der Position verwendet werden.

3. Positionsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Sender und der Empfänger zur Entfernungsmessung nach dem Phasenmessprinzip ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechen- und Steuerkomponente (30) ausgebildet ist zum Ableiten von Grobentfernungen zu den Referenzobjekten (3a-3i) jeweils aus einer bekannten Breite der Referenzobjekte (3a-3i) und einer aus den Empfangssignalen ableitbaren Peakbreite (bs_a) / insbesondere wobei die Grobentfernungen zum Auflösen von Phasenmehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Referenzobjekten (3a-3i) nach dem Phasenmessprinzip verwendet werden.

4. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sender und der Empfänger zur Entfernungsmessung nach dem Phasenmessprinzip ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet:, dass die Sendestrahlen (5b) mit einer Frequenz von wenigstens 100 kHz moduliert sind.

5. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (4c), der Empfänger (6c) und das Umlenkmittel (9a, 9b, 9c) derart angeordnet sind, dass der Strahlengang der Sendestrahlen (5a,5b,5d) und der Empfangsstrahlen (7b) im Wesentlichen parallel sind.

6. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender, der Empfänger und das Umlenkmittel derart angeordnet sind, dass die Sendestrahlen und die Empfangsstrahlen koaxial sind.

7. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender, der Empfänger und das Umlenkmittel (9b) derart angeordnet sind, dass

^■ der Strahlengang der Sendestrahlen (5b) zwischen Sender und Umlenkmittel (9b) und/oder

^■ der Strahlengang der Empfangsstrahlen (7b) zwischen Umlenkmittel (9b) und Empfänger und

^■ die vertikale Achse (10b) im Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial, sind.

8. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkmittel (9a, 9b, 9c) ein optisches Reflexionselement, wie einen Spiegel (9c) oder ein Prisma, das an, auf oder in einem um die vertikale Achse (10b, 10e, 10f) rotierbaren Rotationselement (15a,15bl5c) angeordnet ist, aufweist.

9. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme über ein Gelenk, insbesondere Kugelgelenk, an der Trägerkomponente angeordnet ist.

10. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkomponente (13c) zwei

Kardanringe (13c' , 13c' ' ) , in denen die Aufnahme (14c) kardanisch aufgehängt ist, aufweist.

11. Positionsbestimmungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender zur Emission von Sendestrahlen im nichtsichtbaren Wellenlängenbereich, beispielsweise zur Emission von Sendestrahlen mit einer Wellenlänge von 850 nm, ausgebildet ist.

12. Mobile Arbeitsmaschine (2a, 2d, 2e, 2f) , insbesondere Rasenmäher (2a) oder Sportplatzmarkierungswagen, mit einer Positionsbestimmungsvorrichtung (Ia, Ib, Ic, Id, Ie, If) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil des Bodenbearbeitungsfahrzeugs als die Trägerkomponente ausgebildet ist.

14. Positionsbestimmungssystem mit

^■ einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 12 oder 13 und

^■ mehreren als Reflektorstäbe ausgebildeten Referenzobjekten (3a-3i) .

15. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorstäbe zylinderförmig und mit bekanntem Durchmesser ausgebildet sind.

16. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzobjekte (3a-3i) als Grenzpfosten ein Gebiet definieren, innerhalb welchen von jedem Punkt aus ein freier Sichtkontakt zu jedem der Referenzobjekte (3a- 3i) besteht.

17. Positionsbestimmungsverfahren für eine mobile Arbeitsmaschine, mit im Gelände angeordneten, zylinderförmigen

Reflektoren mit jeweils bekannten Durchmessern,

und den Schritten

^■ um eine vertikale Achse mit bekannter Winkelgeschwindigkeit rotierendes Aussenden von optischen Sendestrahlen in alle azimutalen Richtungen von der Arbeitsmaschine aus, sodass die Sendestrahlen eine im Wesentlichen horizontale Ebene aufspannen, ^■ Empfangen von an den Reflektoren reflektierten Sendestrahlen als Empfangsstrahlen und daraus Erzeugen von Empfangssignalen,

^■ Ermitteln von Grobentfernungen von der Arbeitsmaschine zu den Reflektoren anhand den bekannten Durchmessern und von der vertikalen Achse aus jeweils für die Reflektoren anhand der Empfangssignale und der Winkelgeschwindigkeit bestimmten azimutalen Winkelausdehnungen,

^■ Bestimmen von Entfernungen von der Arbeitsmaschine zu den Reflektoren aus den Empfangssignalen anhand des Phasenmessprinzips unter Verwendung der Grobentfernungen, und ■ Ableiten einer Position der Arbeitsmaschine relativ zu den Reflektoren anhand der Entfernungen.

18. Positionsbestirπmungsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobentfernungen zum Auflösen von

Phasenmehrdeutigkeiten verwendet werden.

19. Positionsbestimmungsverfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ■ ein Ermitteln von azimutaler Winkelinformationen der Reflektoren relativ zur Arbeitsmaschine aus den Empfangssignalen und der Winkelgeschwindigkeit erfolgt, und

^■ zum Ableiten der Position der Arbeitsmaschine zusätzlich die Winkelinformationen verwendet werden.