DE9114281U1

DE9114281U1 - Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung für eine Baumaschine

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Publication number: DE9114281U1
Application number: DE9114281U
Authority: DE
Original assignee: MOBA-ELECTRONIC GESELLSCHAFT fur MOBIL-AUTOMATION MBH 6254 ELZ DE
Current assignee: MOBA-ELECTRONIC GESELLSCHAFT fur MOBIL-AUTOMATION MBH 6254 ELZ DE
Priority date: 1991-11-15
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1992-01-09
Anticipated expiration: 2001-11-16
Also published as: US5309407A; JP2511779B2; JPH07138912A; US5258961A; JPH07127017A; JP2511780B2

Description

Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung für eine Baumaschine Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung für eine Baumaschine mit mindestens zwei Ultraschallsensoren und mit einer Auswertevorrichtung, die mit den Ultraschallsensoren verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Der technische Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung liegt insbesondere im Steuern und Regeln von Baumaschinen in Bezug auf ihr Arbeitsniveau in einem Gelände, wobei dieses Arbeitsniveau durch eine Führungsvorrichtung, die als Bezugsgröße dient, vorgegeben ist.

Solche Baumaschinen die bezüglich ihres Arbeitsniveaus zu steuern sind, sind beispielsweise Fertiger, Grader, Bulldozer oder Bagger. Solche Baumaschinen werden häufig dazu eingesetzt, ein Gelände derart zu bearbeiten, daß es in seiner Lage und seinem Verlauf der Lage dem Verlauf der Führungsvorrichtung folgt. Die Führungsvorrichtung kann beispielsweise durch ein genau ausnivelliertes, gespanntes Seil oder auch durch ein bereits vorhandenes Gelände, eine Bordsteinkante, eine Brückeneinfassungskante oder eine ähnliche Bezugsgröße gebildet sein. Die Baumaschinen sollen so gesteuert werden, daß das durch die Baumaschine bearbeitete Gelände möglichst genau der Führungsvorrichtung folgt.

Aus dem DE GM 8806271.6 ist eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung für eine Baumaschine der eingangs genannten Art bekannt. Die Ultraschallsensoren sind in einer senkrecht zu dem Bewegungsvektor der Baumschine verlaufenden Reihe nebeneinander angeordnet. Die Achsen der Strahlungskeulen verlau-

fen parallel zueinander. Die Öffnungswinkel der Strahlenkeulen und der Abstand zwischen den Ultraschallsensoren und der Oberfläche des zu bearbeitenden Geländes sind so gewählt, daß mindestens die Strahlenkeulen zweier benachbarter Ultraschallsensoren auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Geländes einander überlappen. Sich über mehrere Meter erstreckende, wellenförmige Verformungen im Verlauf beispielsweise einer alten Straßendecke lassen sich mit dieser bekannten Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nicht mehr erfassen. Das gleiche gilt im wesentlichen auch für abschnittsweise Veränderungen durch Klumpen, Steine bzw. Verschüttungen verschiedener Arten, die bei den unterschiedlichen Arbeitsvorgängen mit Baumaschinen unweigerlich auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung derart weiterzubilden, daß sich lang erstreckende Verformungen der Oberfläche oder abschnittsweise auftretende Veränderungen der Oberfläche die Meßgenauigkeit bei der Abstandsbestimmung weniger beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird bei einer Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung der angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung ermöglicht lange, gewellte Abschnitte einer Straßenoberfläche, wie sie beispielsweise häufig vor Verkehrsampeln zu finden sind, derart zu erfassen, daß die Höhenlage der Baumaschine bzw. des an der Baumaschine vorhandenen Bearbeitungswerkzeuges, wie zum Beispiel eine Fräse, in der erwünschten Weise eingestellt werden kann. Es wird im Rahmen der Erfindung die relative Höhenlage der Ultraschallsensoren zu einer Führungsfläche erfaßt. Es lassen sich die Unebenheiten über längere Abschnitte so erfassen und auswerten, daß die Baumaschine zuverlässig der Führungsfläche derart folgt, daß das mittels der erfindungsgemäßen Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung bestimmte Arbeitsniveau der Baumaschine bzw. des

Bearbeitungswerkzeuges im Hinblick auf die Unregelmäßigkeiten und Welligkeiten der Führungsfläche korrigiert ist.

In vorteilhafter Weise besteht eine großer Freiraum für die räumliche Anordnung der Ultraschallsensoren. Werden mehr als zwei Ultraschallsensoren verwendet, so ist es nicht erforderlich, diese in Bewegungsrichtung der Baumaschine gesehen in einer Reihe anzuordnen. Der Abstand der Ultraschallsensoren von der Führungsfläche kann unterschiedlich gewählt werden. Die Verwendung von zwei bis vier Ultraschallsensoren hat sich als zweckmäßig erwiesen. Jedoch können auch mehr eingesetzt werde. Die Genauigkeit der Bestimmung des erwünschten Bearbeitungsniveaus nimmt mit der Anzahl der eingesetzten Ultraschallsensoren zu, hängt aber auch von deren gegenseitigem Abstand ab. Die Ultraschallsensoren können bei Baumaschinen mit einem fest geführten Bearbeitungswerkzeug, wie beispielsweise eine Fräse, unmittelbar am Rahmen der Baumaschine befestigt werden. In anderen Fällen müssen entsprechende Trägerelemente für die Ultraschallsensoren vorgesehen sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei einer der vorteilhaften Weiterbildungen sind vier Ultraschallsensoren vorgesehen sind. Diese Anzahl ermöglicht eine ausreichend genaue Höhensteuerung der Baumaschine bzw. des Bearbeitungswerkzeuges.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildungen sind mindestens zwei Ultraschallsensoren symmetrisch zu dem Bearbeitungswerkzeug der Baumaschine angeordnet sind. Dadurch wird dem Oberflächenniveau des zu bearbeitenden Geländes auf beiden Seiten, also vor und hinter dem Bearbeitungswerkzeug in Bewegungsrichtung der Baumaschine Rechnung getragen.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä-

her erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Baumaschine mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, die vier Ultraschallsensoren umfaßt,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Baumaschine mit der Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines zu bearbeitenden Geländes mit einer welligen Oberfläche und einer Baumaschine, in deren Bewegungsrichtung der Schnitt verläuft.

Fig. l zeigt eine schematische Seitenansicht einer Baumaschine 1, die mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung ausgerüstet ist. Diese Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung umfaßt vier Ultraschallsensoren 2, 3, 4 und 5, auf die noch näher eingegangen wird.

Die schematisch dargestellte Baumaschine 1 weist in ihren Endbereichen höhenverstellbare Bodenbearbeitungswerkzeuge 6 auf. Im mittleren Bereich der Baumaschine 1 befindet sich ein weiteres Bodenbearbeitungswerkzeug 7. Mit 8 ist eine Führungsfläche bezeichnet.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, sind die vier Ultraschallsensoren 2, 3, 4 und 5 mit Abstand voneinander in Längsrichtung der Baumaschine angeordnet. Ihre zugeordneten Ultraschallstrahlungskegel sind mit 2' bis 5' bezeichnet und weisen an der Oberfläche des zu bearbeitenden Geländes jeweils einen Abstand voneinander auf. Es findet also keine Überlap-

pung der Ultraschallstrahlungskegel statt. Diese Anordnung ist hier derart, daß die Positionen der Ultraschallsensoren 2, 3, 4 und 5 zu dem sich im mittleren Bereich befindenden Bodenbearbeitungswerkzeug 7 symmetrisch sind. Die Ultraschallsensoren 2 und 5 bzw. 3 und 4 befinden sich gleichbeabstandet von der Mitte der Baumaschine 1. Jedoch sind die Höhenabstände Hl, H2, H3 und H4 der vier Ultraschallsensoren 2, 3,4 und 5 voneinander verschieden.

Eine schematische Draufsicht auf die Baumaschine 1 gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, daß auch die seitlichen Abstände Sl, S2, S3 und S4 der vier Ultraschal lsensoren 2, 3, 4 und 5 von der Seitenwand der Baumaschine 1 unterschiedlich sind. Die die Ultraschallsensoren 2, 3, 4 und 5 jeweils umgebenden Kreise sollen die Ultraschallbeaufschlagungsflächen der Ultraschallstrahlungskeulen 2' bis 5'auf der Führungsfläche 8 (siehe Fig. 1) andeuten.

Ein Blockdiagramm für eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung 11, wie sie bei der Baumaschine gemäß den Fig. 1 und 2 verwendet wird, ist in Fig. 3 dargestellt. Ein weiterer Ultraschallsensor 10 ist mit unterbrochener Linienführung eingezeichnet, um anzudeuten, daß auch mehr als vier Ultraschallsensoren Verwendung finden können. Der Einsatz von vier Ultraschallsensoren hat sich jedoch als besonders zweckmäßig herausgestellt.

Die Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung 11 umfaßt ferner eine elektronische Auswertevorrichtung 12, mit der die Ultraschallsensoren 2, 3, 4, 5 und 10 verbunden sind. Der einfacheren Darstellung wegen sind in der Fig. 3 die Ultraschallsensoren 2, 3, 4, 5 und 10 mit gleichem Abstand voneinander dargestellt.

Die elektronische Auswertevorrichtung 12 umfaßt eine der Anzahl der Ultraschallsensoren entsprechende Anzahl von Sende-Empfangsschaltungen auf 13, 14, 15 und 16 auf bzw. 13 bis 17, wenn fünf Ultraschallsensoren vorgesehen sind. Gemäß

Fig. 3 sind die Ultraschallsensoren 2 bis 5 und 10 mit einer Sende-Empfangsschaltung 13, 14, 15, 16 bzw. 17 verbunden. Die Sende-Empfangschaltungen erregen zyklisch die Ultraschallsensoren 2 bis 5 und 10 zur Abgabe eines Ultraschallsignals. Ferner erfassen sie auch die von der Führungsfläche 8 (siehe Fig. 1) reflektierten Ultraschallwellen, so daß aus der jeweils bestimmten Laufzeit der Abstand zwischen dem betreffenden Ultraschallsensor und der Führungsfläche errechnet werden kann. Als geignet haben sich Ultraschallkeulen mit einem Öffnungswinkel von etwa 10° herausgestellt.

Die elektronische Auswertevorrichtung 12 umfaßt ferner einen Mikrorechner 18, wobei zwei jeweilige Eingänge der Sende-Empfangsschaltungen bzw. Sende-Empfangseinheiten 13 bis 17 direkt an den Mikrorechner 18 angeschlossen sind. Dieser kann beispielsweise ein Standard-Mikrorechner vom Typ 8031 sein. Der Mikrorechner 18 kann sowohl über einen Digital/Analog-Wandler 19 ein analoges Signal liefern, als auch die Daten über eine serielle Schnittstelle 20 abgeben.

Am Ausgang des Mikrorechners 18 steht entweder ein Entfernungs- bzw. Abstandsmeßsignal oder ein Steuersignal zur Veränderung des Arbeitsniveaus zur Verfügung.

Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zu bearbeitenden Geländes 21 mit einer welligen Oberfläche, die als Führungsfläche 8 für eine als Rechteck dargestellte Baumaschine 1 dient. Die Schnittebene der Darstellung verläuft parallel zum Bewegungsvektor der Baumaschine 1.

Eine Linie 22 verbindet die Spitzen oder Maxima der Führungsfläche 8. Eine weitere Linie 23 verbindet die Täler oder Minima der Führungsfläche 8. Schließlich ist eine dritte Linie 24 dargestellt, die als Mittellinie bezeichnet werden kann und die an derjenigen Oberfläche verläuft, die sich ergibt, wenn die Täler den "Überschuß" der Spitzen aufnehmen.

Die Ultraschallstrahlungskeulen 2', 3', 4' und 5' der Ultraschallsensoren 2, 3, 4 und 5 tasten die Führungfläche 8 ab. Aus den jeweiligen Gesamtlaufzeiten der Ultraschallwellen der einzelnen Ultraschallsensoren, d.h. jeweils von einem Ultraschallsensor zu der Oberfläche und von dort wieder zu diesem Ultraschallsensor zurück, läßt sich der Verlauf der Führungsfläche relativ genau bestimmen. Der Verlauf der Verbindungslinie der Täler und derjenige der Spitzen läßt sich dann ebenso wie derjenige der Mittelinie 24 berechnen. Als Arbeitsniveau für die Baumaschine bzw. für das an ihr angebrachte Bearbeitungswerkzeug kann dasjenige verwendet werden, das sich durch den Verlauf der Mittellinie ergibt. Wenn hier von Verbindungslinien allgemein gesprochen wird, so ist dies vor allem im Zusammenhang mit der Schnittdarstellung zu sehen. Wenn die Achsen der Strahlungskeulen der Ultraschallsensoren nicht in einer gemeinsamen vertikalen Ebene liegen, ergeben sich zweidimensionale Verhältnisse. Infolgedessen wäre in einem solchen Fall analog von Verbindungsebenen und Mittelungsebene zu sprechen.

Aus den vorstehenden Ausführungen folgt, daß die Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung für eine Baumaschine nach der Erfindung ermöglicht, beispielsweise Ungleichmäßigkeiten und Oberflächenverwerfungen nicht nur zu erfassen, sondern auch bei der Bestimmung des Bearbeitungsniveaus als Korrekturgrößen zu berücksichtigen.

Es sei angemerkt, daß die Darstellung gemäß Fig. 4 einen sehr gleichmäßigen Verlauf der Oberflächenwelligkeit zeigt. Auch wenn ein solcher gleichmäßiger Verlauf in der Praxis selten anzutreffen sein wird, so gelten die vorstehenden Ausführungen auch für eine weniger gleichmäßige Struktur.

Claims

Schutzansprüche

1. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung für eine Baumaschine (D

- mit mindestens zwei Ultraschallsensoren (2 bis 5, 10) und

mit einer Auswertevorrichtung (12) , die mit den Ultraschallsensoren (2 bis 5, 10) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die mindestens zwei Ultraschallsensoren (2 bis 5, 10) in Bewegungsrichtung der Baumaschine (1) derart mit Abstand voneinander angeordnet sind, daß zwischen den Strahlungskeulen (2', 3', 4', 5' ) der mindestens zwei Ultraschallsensoren (2 bis 5, 10) auf der zu bearbeitenden Oberfläche des Geländes jeweils ein Abstand vorhanden ist.

2. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß vier Ultraschallsensoren (2 bis 5) vorgesehen sind.

3. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens zwei Ultraschallsensoren (2 und 5 bzw. 3

und 4) symmetrisch zu dem Bearbeitungswerkzeug (7) der Baumaschine (1) angeordnet sind.

4. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine beliebige Anzahl größer als zwei von Ultraschallsensoren (2 bis 5) vorgesehen ist und daß die Ultraschallsensoren (2 bis 5) symmetrisch zu dem Bearbeitungswerkzeug (7) der Baumaschine (1) angeordnet sind.

5. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Ultraschallsensoren (2 bis 5, 10) über die Auswertevorrichtung (12) miteinander verbunden sind.

6. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Auswertevorrichtung (12) eine der Anzahl der Ultraschallsensoren (2 bis 5, 10) entsprechende Anzahl von Sende-Empfangsschaltungen (13, 14, 15, 16, 17) aufweist, an die jeweils ein Ultraschallsensor angeschlossen ist.

7. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Ultraschallsensoren (2 bis 5, 10) über die Sende-Empfangsschaltungen (13, 14, 15, 16, 17) an einen Mikrorechner (18) angeschlossen sind.

8. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Auswertevorrichtung (12) ferner einen Analog/-Digital-Wandler (19) aufweist, der mit dem Mikrorechner (18) verbunden ist.