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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung
zum Bilden einer Referenzebene bei Ingenieurbauarbeiten, wie etwa einer
Bodenplanierung, und ein Baumaschinen-Steuerungssystem, wobei die
Baumaschine für
Ingenieurbauarbeiten betrieben wird. Insbesondere betrifft die Erfindung
ein Baumaschinen-Steuerungssystem, welches
eine Laserreferenzebene verwendet, welche mittels rotierender Ausstrahlung
eines Laserstrahls bei einem Arbeitsvorgang wie etwa der Steuerung
einer Bodenoberflächenhöhe beim
Bodenplanierbetrieb gebildet wird.
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Wenn
ein Bodenplanierbetrieb, etwa eine Bodenplanierung für einen
Siedlungsbau oder zur Straßenpflasterung,
unter Verwendung von Baumaschinen wie etwa Planierwalzen, Bulldozern
etc. durchgeführt
wird, ist es notwendig, eine Referenz für die Höhe der Bodenplanierung zu haben.
In den letzten Jahren wurde ein System zur Bestimmung der Höhe propagiert,
welches einen Laserstrahl verwendet, der als eine Referenz bei dem
Bodenplanierbetrieb dient. Als ein System, welches den Laserstrahl verwendet,
wurde ein Baumaschinen-Steuerungssystem
vorgeschlagen, welches mit einer Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung
ausgestattet ist.
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8 zeigt einen Fall, wo dieses
Baumaschinen-Steuerungssystem
bei Bulldozern angewendet wird.
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In 8 bezeichnet Bezugsziffer 1 eine Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung,
und 2 bezeichnet einen Bulldozer. Die Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 wird über ein
Stativ 3 an einer vorbestimmten Position in einem Siedlungsbaubereich aufgestellt.
Die Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 strahlt einen
Laserstrahl 4 in einer horizontalen Richtung aus, und rotiert
auch den Laserstrahl, und eine Referenzebene wird mittels des Laserstrahls 4 ausgebildet.
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Der
Bulldozer 2 weist eine Schaufel 5 auf, welche
in solcher Weise gehalten ist, dass sie aufwärts oder abwärts bewegt
werden kann. Ein Mast 6 ist an der Schaufel 5 aufgerichtet,
und ein Niveausensor 7 ist an dem Mast 6 befestigt.
Der Niveausensor 7 empfängt
den von der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 kommenden
Laserstrahl 4 und erfasst eine Photodetektorposition. Der
Bulldozer 2 weist eine (nicht gezeigte) Steuerungseinheit
auf, welche die Höhe
der Schaufel 5 basierend auf einem Empfangssignal von dem
Niveausensor 7 erfasst und die Höhe der Schaufel 5 basierend
auf dem Ergebnis der Erfassung steuert.
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Wie
oben beschrieben, wird die horizontale Referenzebene mittels des
Laserstrahls gebildet, und die Bodenoberfläche kann in horizontaler Richtung
planiert werden, indem der Abstand von der horizontalen Referenzebene
zu einer Schaufelkante 5' der
Schaufel 5 bei einem konstanten Wert gehalten wird. Mittels Änderung
des Abstands zu der Schaufelkante 5' kann die Höhe der zu planierenden Bodenoberfläche geändert werden.
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An
einem Bauplatz von relativ kleiner Abmessung können die Bauarbeiten mittels
einer einzigen Baumaschine durchgeführt werden, während es im
allgemeinen praktiziert wird, mehrere Baumaschinen zur gleichen
Zeit an dem Bauplatz zu verwenden. Ferner ist gewöhnlich die
Höhe der
zu planierenden Bodenoberfläche
in jedem individuellen Fall verschieden, wenn viele Baumaschinen
für den
Bau verwendet werden. Dies bedeutet, dass eine Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung
benötigt
wird, welche die Niveaus für
viele Baumaschinen zur gleichen Zeit einstellen kann. Wenn eine
Mehrzahl von Rotationslaserbestrahlungsvorrichtungen verwendet wird, kann
beim Empfang des Laserstrahls ein fehlerhafter Betrieb der Baumaschinen
auftreten.
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Um
eine Mehrzahl von Baumaschinen zur gleichen Zeit ohne Verursachen
eines fehlerhaften Betriebs zu steuern, ist es wünschenswert, eine Niveaueinstellung
mittels einer einzigen Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung durchzuführen. Um
eine Niveaueinstellung für
jede der Baumaschinen mittels einer einzigen Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung
durchzuführen,
ist es notwendig, die Niveaueinstellung für jede der Baumaschinen innerhalb
einer Rotation des Laserstrahls durchzuführen. Herkömmlicherweise wird ein Laserstrahl
mittels Rotationsausstrahlung von einem optischen Kopf ausgestrahlt, welcher
bei einigen hundert Umdrehungen pro Minute in der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung
rotiert wird, und eine Referenzebene oder eine Referenzlinie wird
gebildet. Daher ist ein Neigungsmechanismus vorgesehen, um den optischen
Kopf zur Niveaueinstellung und Neigungseinstellung zu kippen.
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Allerdings
ist es mittels des Neigungsmechanismus nicht möglich, die vertikale Einstellung
bei einer hohen Geschwindigkeit durchzuführen, wie dies bei der Niveaueinstellung
in zwei oder mehr Richtungen innerhalb einer Rotation des Laserstrahls
erforderlich ist, und ein Baumaschinen-Steuerungssystem zur Steuerung
des Bodenplanierbetriebs mit einer Mehrzahl von Baumaschinen mittels
einer einzigen Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung wurde zur praktischen
Anwendung noch nicht entwickelt.
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Ferner
wird ein Bodenplanierbetrieb nicht nur zum Planieren des Bodens
zu einer horizontalen Oberfläche
durchgeführt,
sondern es kann in vielen Fällen
eine geneigte Bodenoberfläche
hergestellt werden. Beim Siedlungsbau ist es notwendig, eine Bodenoberfläche mit
einem zum Wasserabfluss geeigneten Gradienten herzustellen. Bei
dem Baumaschinen-Steuerungssystem
vom herkömmlichen
Typ wird zuerst die Bodenoberfläche
planiert, und eine geneigte Oberfläche mit einem vorbestimmten
Gradienten wird entsprechend dem Ergebnis eines Vermessungsvorgangs
hergestellt.
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Obwohl
Bedienungspersonen ohne spezielle Erfahrung in der Lage sein können, eine
horizontale Bodenoberfläche
mittels des Baumaschinen-Steuerungssystems herzustellen, wie es
oben beschrieben wurde, ist es sehr schwierig, eine Bodenoberfläche mit
einem Gradienten herzustellen, und dies erfordert eine erfahrene
Bedienungsperson. Ein guter Endzustand der Bodenplanierung im Falle
einer geneigten Bodenoberfläche
hängt sehr
von der Erfahrung der Bedienungsperson ab. Der Arbeitsfortschritt
variiert entsprechend den Kenntnissen und der Erfahrung der Bedienungsperson,
und es gibt daher Probleme bei der Fertigstellung und Prozesssteuerung.
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Zwei
Dokumente zum Stand der Technik sind EP-A-0797074 und US-A-5375663.
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In
EP-A-0797074 weist eine Laserbestrahlungsvorrichtung Komponenten
zum Empfangen von Reflexionslicht und eine Zielvorrichtung auf,
welche Reflexionselemente zum Reflektieren eines Laserstrahls zu
der Laserbestrahlungsvorrichtung aufweist. Die Reflexionselemente
weisen Muster auf. Mittels der Muster kann ein Befehl über das
Reflexionslicht an die Laserbestrahlungsvorrichtung übertragen
werden. Es ist nicht erforderlich, den Laserstrahl in einer vertikalen
Richtung abzulenken, und dieses Dokument offenbart keine Ablenkeinrichtung zum
Ablenken des Laserstrahls in einer vertikalen Richtung. In US-A-5375663
wird eine Referenzebene gebildet, indem ein Laserlicht rotiert wird.
Eine Position des Laserlichtes wird mittels einer Erfassungseinrichtung
erfasst, und eine Position einer Schneidkante einer Schaufel wird
gesteuert. Es gibt keine Offenbarung einer Änderung des Niveaus der Referenzebene
des Laserlichts. Diese beiden Dokumente zum Stand der Technik beschreiben
Vorrichtungen zum Rotieren eines Laserstrahls auf einer horizontalen
Ebene.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung vorgesehen, welche
eine Laserquelle, einen Rotator zum Bilden einer Laserreferenzebene
mittels rotierender Ausstrahlung eines Laserstrahls von der Laserquelle, eine
Ablenkeinrichtung zum vertikalen Ablenken des Laserstrahls von der
Laserquelle in Bezug auf die Referenzebene und eine Steuereinrichtung,
die aufgebaut und angeordnet ist, die Ablenkeinrichtung basierend
auf eingegebenen Daten so zu steuern, dass sie den Laserstrahl zum Ändern eines
Niveaus der Laserreferenzebene ablenkt, aufweist.
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In
einer Ausführungsform
weist die Laserbestrahlungsvorrichtung eine Kodiereinrichtung zum Erfassen
einer Bestrahlungsrichtung des Rotators auf, und die Steuereinrichtung
ist ferner aufgebaut und angeordnet, die Ablenkeinrichtung basierend
auf den eingegebenen Daten zu steuern, um die Laserreferenzebene
bei einem vorbestimmten Niveau in einer vorbestimmten Richtung zu
bilden.
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In
einer Ausführungsform
ist die Ablenkeinrichtung an dem Rotator vorgesehen, und elektrische Antriebsenergie
wird an die Ablenkeinrichtung über einen
Schleifring geliefert.
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In
einer Ausführungsform
weist das System eine Kodiereinrichtung zum Erfassen einer Bestrahlungsrichtung
des Rotators auf, wobei die Ablenkeinrichtung auf einem optischen
Weg zwischen der Laserquelle und dem Rotator vorgesehen ist, einen Bildrotator,
der auf einem optischen Weg zwischen der Ablenkeinrichtung und dem
Rotator vorgesehen ist und aufgebaut und angeordnet ist, den Laserstrahl zu
rotieren, und wobei die Steuereinrichtung aufgebaut und angeordnet
ist, die Ablenkeinrichtung in einer solchen Weise zu steuern, dass
die Laserreferenzebene an einer vorbestimmten Position in einer
vorbestimmten Richtung gebildet wird, und wobei der Bildrotator
integral bewegt wird, so dass er mittels einer ½-Drehung des Rotators rotiert wird.
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In
einer Ausführungsform
gibt es Mittel zur Ein-Aus-Steuerung der Laserquelle, geeignet zum Abschalten
der Laserquelle in einer vorbestimmten Richtung basierend auf der
Erfassung der Kodiereinrichtung.
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In
einer Ausführungsform
sind die eingegebenen Daten eine Positionsinformation einer GPS-Vorrichtung,
und die Ablenkeinrichtung wird basierend auf der Positionsinformation
in einer solchen Weise gesteuert, dass die Laserreferenzebene entsprechend
der Position der GPS-Vorrichtung gebildet wird.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Kombination der Vorrichtung mit einer
Baumaschine, wobei die GPS-Vorrichtung an der Baumaschine montiert
ist, wodurch die Laserreferenzebene entsprechend einer Position
der Baumaschine gebildet wird.
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In
einer Ausführungsform
sind die eingegebenen Daten Positionsinformation einer GPS-Vorrichtung
und Betriebsdaten eines in einer Speichereinheit gespeicherten Betriebspunktes,
wobei die Laserreferenzebene hin zu einem Niveausensor gebildet
wird, der an einer Baumaschine vorgesehen ist, und wobei eine Position
einer Bodenplanierausrüstung
der Baumaschine gesteuert wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Steuern der Position einer Bodenplaniervorrichtung einer Baumaschine,
welche einen Niveausensor aufweist, der an der Bodenplaniervorrichtung
montiert ist, und eine GPS-Vorrichtung, die an der Baumaschine montiert
ist, bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Verwenden einer Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung gemäß dem ersten
Aspekt umfasst, wobei die eingegebenen Daten eine Positionsinformation
der GPS-Vorrichtung und einen Betriebspunkt darstellende Daten sind,
wobei die Daten in einer Speichervorrichtung gespeichert werden,
wodurch die Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung die Laserreferenzebene
hin zu dem Niveausensor bildet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm
eines wesentlichen Bestandteils einer ersten Ausführungsform
einer Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine schematische
Darstellung einer auf einem akustooptischen Element basierenden Ablenkeinheit,
welche in der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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3 ist ein Blockdiagramm
eines wesentlichen Bestandteils einer zweiten Ausführungsform der
Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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4 ist ein Blockdiagramm
eines wesentlichen Bestandteils einer dritten Ausführungsform
des Rotationsbestrahlungssystems der vorliegenden Erfindung;
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5 stellt Ausführungsformen
eines Baumaschinen-Steuerungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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6 ist eine perspektivische
Ansicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten Niveausensors;
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7 ist ein Blockdiagramm
einer Ausführungsform
des Baumaschinen-Steuerungssystems; und
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8 ist eine schematische
Darstellung eines Baumaschinen-Steuerungssystem
vom herkömmlichen
Typ.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
folgenden wird eine Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen gegeben.
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Als
erstes wird eine Beschreibung einer Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung
gegeben, mittels welcher es möglich
ist, eine Mehrzahl von Baumaschinen zu steuern.
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1 zeigt einen wesentlichen
Bestandteil einer Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1.
Das Rotationsbestrahlungssystem 1 weist einen Laserstrahler 11 zum
Ausstrahlen eines Laserstrahls 4, einen Rotator 12 zum
Ausstrahlen des Laserstrahls 4 innerhalb einer Referenzebene
mittels Rotationsausstrahlung, eine Photodetektoreinheit 13 zum
Erfassen eines Reflexionslichtes, welches von einem Niveausensor 7 reflektiert
wird, und eine Steuereinheit 14 auf. An der Oberseite der
Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 ist ein Kollimator 15 vorgesehen. Mittels
dieses Kollimators 15 kann eine Richtung der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 in
Bezug auf den Niveausensor 7 grob eingestellt werden. Obwohl
in der Figur nicht gezeigt, ist ein Neigungsmechanismus 16 (7) zum Neigen einer Ausstrahlungsrichtung
des Laserstrahls 4 vorgesehen, und der Neigungsmechanismus 16 wird
mittels der oben beschriebenen Steuerungseinheit 14 gesteuert.
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Der
Laserstrahler 11 weist eine Laserdiode 20 und
eine Kollimatorlinse 21 auf und strahlt den von der Laserdiode 20 ausgestrahlten
Laserstrahl 4 hin zu dem Rotator 12, indem der
Strahl in parallele Strahlen umgewandelt wird.
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Über der
Kollimatorlinse 21 ist der Rotator 12 drehbar
angeordnet. An dem Rotator 12 ist ein Abtastzahnrad 22 montiert,
und das Abtastzahnrad 22 greift in ein Antriebsrad 24 eines
Abtastmotors 23 ein, welcher an einem (nicht gezeigten)
Rahmen der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 befestigt ist.
Wenn das Antriebsrad 24 angetrieben wird, wird der Rotator 12 rotiert.
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Das
Abtastzahnrad 22 ist an einem Rotationszylinder 25 befestigt,
welcher drehbar gelagert ist. An der Oberseite des Rotationszylinders 25 ist
ein Pentagon-Prisma 26 montiert, und ein Gleitring 27 ist an
dem unteren Ende des Rotationszylinders 25 angeordnet.
An einer vorbestimmten Position des Rotationszylinders 25 ist
eine Kodiereinrichtung 28 zum Erfassen einer Ausstrahlungsrichtung
des Laserstrahls 4 angeordnet. Innerhalb des Rotationszylinders 25 ist
eine Ablenkeinrichtung 29 auf einer optischen Achse des
Strahlers 11 vorgesehen.
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Wenn
er von dem Lichtstrahler 11 ausgestrahlt wird, tritt der
Laserstrahl 4 durch die Ablenkeinrichtung 29 und
tritt in das Pentagon-Prisma 26 ein. Eine optische Achse
des Laserstrahls 4 wird mittels des Pentagon-Prismas 26 um
einen Winkel von 90° abgelenkt,
und der Laserstrahl 4 wird auf solche Weise rotiert, dass
eine Laserebene ausgebildet wird. Eine Rotationsposition des Rotationszylinders 25 wird
mittels der an dem Rotationszylinder 25 montierten Kodiereinrichtung 28 erfasst,
und ein Erfassungssignal von der Kodiereinrichtung 28 wird
in die Steuereinheit 14 eingegeben.
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Als
Ablenkeinrichtung 29 können
beispielsweise die folgenden Einrichtungen verwendet werden: Ein
mechanisch geneigter Spiegel, ein akustooptisches Element, welches
den akustooptischen Effekt verwendet, ein elektrooptisches Element,
welches den elektrooptischen Effekt verwendet, ein magnetooptisches
Element, welches den magnetooptischen Effekt verwendet etc. Im allgemeinen
wird das akustooptische Element in den meisten Fällen verwendet.
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Nun
wird eine kurze Beschreibung des akustooptischen Elements unter
Bezugnahme auf 2 gegeben.
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In 2 bezeichnet Bezugsziffer 30 ein akustooptisches
Element. Das akustooptische Element 30 ist ein Element,
welches Licht beugt und ablenkt, wenn eine Ultraschallschwingung
induziert wird. Eine (nicht gezeigte) ultraschallerzeugende Quelle
ist integral an dem akustooptischen Element 30 befestigt,
und eine der Ablenkung entsprechende Frequenz wird in die ultraschallerzeugende
Quelle eingegeben, und ein einfallender Strahl wird abgelenkt. Da
das akustooptische Element 30 bei einer Frequenz von einigen
zig kHz betrieben werden kann, kann es vollständig auf die Rotation des Laserstrahls
ansprechen, welcher bei einigen hundert Umdrehungen pro Minute rotiert
wird. Eine Antriebsspannung wird an das akustooptische Element 30 über den
Gleitring 27 angelegt.
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Die
Steuereinheit 14 weist eine Arithmetik-Einheit 35,
eine Abtastmotor-Antriebseinheit 36, eine Lichtemissionselement-Ansteuerungseinheit 37,
und eine Ablenkeinrichtungs-Ansteuerungseinheit 38 auf.
Die Arithmetik-Einheit 35 steuert die Abtastmotor-Ansteuerungseinheit 36 und
steuert den Abtastmotor 23 an. Ferner steuert die Arithmetik-Einheit 35 die
Lichtemissionselement-Ansteuerungseinheit 37, so dass Licht
von der Laserdiode 20 ausgestrahlt wird. Ferner steuert
sie die Ablenkeinrichtungs-Ansteuerungseinheit 38 und steuert
die Ablenkeinrichtung 29 über den Gleitring 27 an.
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Nun
wird eine Beschreibung des Betriebs gegeben.
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Die
Laserdiode 20 wird mittels der Lichtemissionselement-Ansteuerungseinheit 37 angesteuert, und
der von der Laserdiode 20 ausgestrahlte Laserstrahl 4 wird über die
Ablenkeinrichtung 29 auf das Pentagon-Prisma 26 projiziert.
Der Laserstrahl 4 wird mittels des Pentagon-Prismas 26 um
einen Winkel von 90° abgelenkt
und wird in einer horizontalen Richtung projiziert. Der Abtastmotor 23 wird
mittels der Abtastmotor-Ansteuerungseinheit 36 angesteuert,
und das Pentagon-Prisma 26 wird über das Antriebsrad 24 und
das Abtastzahnrad 22 rotiert. Mittels der Rotation des
Pentagon-Prismas 26 wird
der Laserstrahl 4 mittels rotierender Abtastung in einer
horizontalen Richtung rotiert, und eine Referenzebene wird gebildet.
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Basierend
auf der mittels der Kodiereinrichtung 28 nachgewiesenen
Rotationsposition steuert die Ablenkeinrichtungs-Ansteuerungseinheit 38 die Ablenkeinrichtung 29 über den
Gleitring 27, und der Laserstrahl 4 wird innerhalb
einer Ebene abgelenkt, welche den Laserstrahl (in Richtung von links
nach rechts innerhalb der Papieroberfläche in 1) aufweist. Wenn die Ablenkeinrichtung 29 den
Laserstrahl 4 ablenkt, wird der mittels des Pentagon-Prismas 26 projizierte
Laserstrahl 4 so ausgestrahlt, dass er in einer vertikalen
Richtung abtastet. Bezüglich
der Abtastrate in der vertikalen Richtung kann das akustooptische
Element 30 bei einer Frequenz von einigen zig kHz in bezug
auf die Rotation des Laserstrahls 4 betrieben werden, welcher
wie oben beschrieben bei einigen hundert Umdrehungen pro Minute
rotiert wird. Folglich kann während
der Rotation des Laserstrahls 4 in der horizontalen Richtung
dieser in die vertikale Richtung auf eine beliebige gewünschte Position
abgelenkt werden.
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In
Bezugnahme auf 3 wird
eine Beschreibung der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung gegeben. In 3 wird
eine zu 1 übereinstimmende
Komponente mittels des gleichen Symbols bezeichnet, und eine detaillierte
Beschreibung wird hier nicht gegeben.
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In
dieser Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 ist die
Ablenkeinrichtung 29 auf der Seite eines (nicht gezeigten)
Rahmens der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 angeordnet,
und der Gleitring 27 wird nicht verwendet.
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Der
Lichtstrahler 11 ist entlang einer horizontalen optischen
Achse angeordnet, und die Ablenkeinrichtung 29 ist auf
der optischen Achse angeordnet. Ein Spiegel 40 ist an der
Austrittsseite der Ablenkeinrichtung 29 angeordnet, und
der von der Ablenkeinrichtung 29 projizierte Laserstrahl 4 wird
mittels des Spiegels 40 nach oben in einer vertikalen Richtung
reflektiert. Auf der optischen Achse des mittels des Spiegels 40 reflektierten
Laserstrahls 4 ist ein Bildrotationsprisma 41 angeordnet.
Das Bildrotationsprisma 41 ist in solcher Weise ausgebildet,
dass das Bild um zwei Drehungen rotiert wird, wenn dieses Prisma
um eine Drehung rotiert wird.
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Das
Bildrotationsprisma 41 wird mittels eines Prismenhalters 42,
welcher drehbar gelagert ist, gehalten. Ein Gleichlaufzahnrad 43 ist
an dem Prismenhalter 42 vorgesehen, und ein Zwischenrad 44 steht mit
dem Gleichlaufzahnrad 43 in Eingriff. Ein Zwischenrad 45 ist
mit dem Abtastzahnrad 22 in Eingriff, und das Zwischenrad 45 und
das Zwischenrad 44 sind koaxial fixiert. Mittels des Abtastzahnrads 22, des Zwischenrads 45,
des Zwischenrads 44 und des Gleichlaufzahnrads 43 wird
ein Getriebezug 46 so ausgebildet, dass ein Umlaufverhältnis zwischen dem
Abtastzahnrad 22 und dem Gleichlaufzahnrad 43 ein
Untersetzungsverhältnis
von 2 : 1 haben wird.
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Der
von der Laserdiode 20 ausgestrahlte Laserstrahl 4 wird
mittels der Ablenkeinrichtung 29 abgelenkt, z. B. wird
er in die vertikale Richtung innerhalb der Papieroberfläche in 3 abgelenkt. Wie oben beschrieben
werden das Abtastzahnrad 22 und das Gleichlaufzahnrad 43 mittels
des Getriebezuges 46 in einem Rotationsverhältnis von
2 : 1 rotiert. Ebenso rotiert, wie oben beschrieben, das Bildrotationsprisma 41 das
Bild um zwei Umdrehungen, wenn das Prisma um eine Umdrehung rotiert.
Daher wird die optische Achse des Strahls, welcher in das Pentagon-Prisma 26 eintritt,
in einem Verhältnis
von 1 : 1 in Gleichlauf mit der Rotation des Pentagon-Prismas 26 rotiert.
Unabhängig
von der Richtung des Pentagon-Prismas 26 wird der Laserstrahl 4,
welcher von dem Pentagon-Prisma 26 ausgestrahlt wird, in
eine vertikale Richtung abgelenkt.
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Nun
wird die Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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In
dieser dritten Ausführungsform
ist eine Relaislinse 47 vorgesehen.
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Ein
Lichtstrahler 11 ist an einer in einer horizontalen Richtung
verlaufenden optischen Achse angeordnet, und die Ablenkeinrichtung 29 ist
auf der optischen Achse des Lichtstrahlers 11 angeordnet.
Ein Prismenhalter 42 ist um die optische Achse drehbar montiert,
und ein Bildrotationsprisma 41 und eine Relaislinse 47a sind
an dem Prismenhalter 42 angeordnet. Ein Reflexionsspiegel 40 ist
an der zur Ablenkeinrichtung 29 gegenüberliegenden Seite des Prismenhalters 42 angeordnet,
und eine Relaislinse 47b ist an einer zur Relaislinse 47a gegenüberliegenden Position
angeordnet, wobei der Reflexionsspiegel 40 zwischen diesen
angeordnet ist.
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Sie
ist in solcher Weise angeordnet, dass der Brennpunkt der Relaislinse 47a an
der Abtastmitte der Ablenkeinrichtung 29 liegt und der
Brennpunkt der Relaislinse 47b an dem Rotationszentrum
nahe der Austrittsebene des Pentagon-Prismas 26 liegt. Mittels
der Relaislinsen 47a und 47b kann der gleiche Effekt
wie im Falle der Anordnung der Ablenkeinrichtung nahe bei dem Pentagon-Prisma 26 erreicht
werden. Für
den Fall, dass der Abstand zwischen der Ablenkeinrichtung und dem
Pentagon-Prisma groß ist, wird
die Abtastbreite in Abhängigkeit
von dem Abstand vergrößert, und
ein Pentagon-Prisma beträchtlicher
Größe ist erforderlich.
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Ein
Gleichlaufkegelzahnrad 48 ist auf der Seite des Prismenhalters 42 angeordnet,
welche näher
bei dem Pentagon-Prisma
liegt, und ein Abtastzahnrad 22 ist an dem Rotationszylinder 25 vorgesehen.
Ein Zwischenrad 45 ist in Eingriff mit dem Abtastzahnrad 22,
und ein Gleichlaufkegelzahnrad 49 ist in Eingriff mit dem
Gleichlaufkegelzahnrad 48. Das Zwischenrad 45 und
das Gleichlaufkegelzahnrad 49 sind koaxial fixiert. Mittels
des Abtastzahnrads 22, des Zwischenrads 45, des
Gleichlaufkegelzahnrads 49 und des Gleichlaufkegelzahnrads 48 wird
ein Getriebezug 50 so ausgebildet, dass ein Umlaufverhältnis zwischen
dem Abtastzahnrad 22 und dem Gleichlaufkegelzahnrad 48 ein
Untersetzungsverhältnis
von 2 : 1 haben wird.
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In
der dritten Ausführungsform
wird, ebenso wie in der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform,
die optische Achse des Laserstrahls 4, welcher in das Pentagon-Prisma 26 eintritt,
in Gleichlauf mit der Rotation des Pentagon-Prismas 26 rotiert,
und der von dem Pentagon-Prisma 26 projizierte Laserstrahl 4 wird
unabhängig
von der Richtung des Pentagon-Prismas 26 in
einer vertikalen Richtung abgelenkt.
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Als
nächstes
wird eine Beschreibung eines Baumaschinen-Steuerungssystems, welches die oben
beschriebene Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 verwendet,
unter Bezugnahme auf 5 und 6 gegeben. In 5 wird eine zu 8 übereinstimmende Komponente
mit dem gleichen Symbol bezeichnet.
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Das
Baumaschinen-Steuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
steuert eine Mehrzahl von Baumaschinen, z. B. Bulldozer, unter Verwendung
der oben beschriebenen Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1,
welche eine geneigte Referenzebene in Kombination mit einem GPS
(global positioning system = „Satelliten-Navigationssystem") ausbilden kann.
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Das
Baumaschinen-Steuerungssystem weist die Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1, einen
an der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 angeordneten
Funkempfänger 51,
eine Mehrzahl von Bulldozern 2a, 2b und 2c,
Niveausensoren 7a, 7b und 7c, welche
an den Bulldozern 2a, 2b und 2c montiert
sind, erste GPS-Empfänger 80a, 80b und 80c, Sender 81a, 81b und 81c und
ferner eine Steuereinheit 52, einen zweiten GPS-Empfänger 68 etc. auf.
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Nun
wird eine Beschreibung der Niveausensoren 7a, 7b und 7c unter
Bezugnahme auf 6 gegeben.
(In der Abbildung wird der Niveausensor mittels der Bezugsziffer 7 bezeichnet.)
An jeder von einer linken und einer rechten Seite eines Nicht-Reflexionssektors 60 ist
ein bandförmiger
Reflexionssektor 61 angeordnet. An der Außenseite
von jedem der Reflexionssektoren 61 ist ein Photodetektorelement 62 angeordnet,
welches bandförmig
ausgebildet ist und sich in einer vertikalen Richtung erstreckt, und
das Photodetektorelement 42 ist unter einem Winkel zu dem
Reflexionssektor 61 angeordnet. Auf der Rückseite
ist eine Nut 63 ausgebildet, welches mit dem Mast 6 in
Eingriff gebracht werden kann, und der Niveausensor 7 wird
montiert, wenn der Mast 6 mit der Nut 63 in Eingriff
gebracht wird.
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Die
Steuereinheit 52 wird nun unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. In 7 wird jeder der Bulldozer 2a, 2b und 2c als
ein Bulldozer 2 bezeichnet, und relevante Anordnungen und
Komponenten werden mit Bezugsziffern ohne Hochstellung oder Tiefstellung
bezeichnet.
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Die
Steuereinheit 52 wird durch einen Personalcomputer repräsentiert
und weist eine Arithmetikeinheit 65 und eine Speichereinheit 66 auf.
In der Speichereinheit 66 werden Programme, die zur arithmetischen
Verarbeitung notwendig sind, eingestellt und eingegeben. Außerdem werden
topografische Daten basierend auf einer Arbeitszeichnung, d. h. Daten
für die
Bodenhöhe
bezüglich
der Ebenen-Koordinaten und ferner Programme zur Berechnung von Positionen
der Bulldozer 2a, 2b und 2c eingestellt
und eingegeben. Zusätzlich
werden die Maschinenhöhe
der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1, der Abstand
von einer Schaufelkante 5' zu
der Referenzposition des Niveausensors 7 etc. eingestellt und
eingegeben.
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Ein
Empfangssignal von dem zweiten GPS-Empfänger 68, welcher später beschrieben wird,
wird in die Steuereinheit 52 eingegeben, und ein Empfangssignal
von dem Funkempfänger 51,
welcher später
beschrieben wird, wird ebenfalls eingegeben, und Positionen der
Bulldozer 2a, 2b und 2c können aus
den Empfangssignalen gemäß den Arithmetikprogrammen
berechnet werden. Ferner wird aus den Berechnungsergebnissen und
den auf der Arbeitszeichnung basierenden topografischen Daten, wie
sie in der Speichereinheit 66 voreingestellt sind, ein
Neigungswinkel des von der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 ausgestrahlten
Laserstrahls in Relation zu den Bulldozern 2a, 2b und 2c berechnet.
Dann wird, basierend auf den Berechnungsergebnissen, ein Befehl
an die Steuereinheit 14 der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 ausgegeben.
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Jeder
der Bulldozer 2 weist eine Schaufelansteuerungseinheit 71 zum
Steuern einer Position der Schaufel 5 und eines Funksenders/Empfängers 72 auf.
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Als
erstes wird die Schaufelsteuerungseinheit 71 beschrieben.
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Der
Niveausensor 7 ist an dem Mast 6 montiert, und
der Abstand zwischen der Schaufelkante 5' der Schaufel 5 und der
Referenzposition des Niveausensors 7 ist ein bereits bekannter
Wert. Ein Nachweissignal des Laserstrahls 4 von dem Niveausensor 7 wird
in eine Arithmetikeinheit 73 eingegeben, und die Arithmetikeinheit 73 berechnet
die Höhe
der Schaufelkante 5'.
Die Arithmetikkante 73 steuert einen Hydraulikzylinder 75 über einen
Elektrik-/Hydraulik-Schaltkreis 74,
bewegt die Schaufel 5 aufwärts oder abwärts und
bestimmt die Position der Schaufel 5. Der Elektrik-/Hydraulik-Schaltkreis 74 weist
ein elektromagnetisches Ventil auf. Die Arithmetikeinheit 73 gibt
einen Öffnungs-/Schließungs-Steuerungsbefehl
an den Elektrik-/Hydraulik-Schaltkreis 74 gemäß einer
vorbestimmten Sequenz. Mittels Öffnens
oder Schließens
des elektromagnetischen Ventils durch den Elektrik-/Hydraulik-Schaltkreis 74 wird
ein Druckfluid an den Hydraulikzylinder 75 geliefert oder
von dem Hydraulikzylinder 75 entladen, oder Flussraten
werden eingestellt, und der Hydraulikzylinder 75 wird aufwärts oder
abwärts
in einer vorbestimmten Richtung bei einer vorbestimmten Rate bewegt.
Eine Anzeigeeinheit 76 ist an die Arithmetikeinheit 73 angeschlossen,
und die Position der Schaufel 5 oder ein von der Schaufel 5 erreichter
Ausfahrzustand wird angezeigt.
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Bezugsziffer 77 bezeichnet
eine Betriebseinheit, und ein direkter manueller Betrieb kann gemäß der Anzeige
auf der Anzeigeeinheit 76 durchgeführt werden. Die Positionierung
der Schaufel kann manuell erreicht werden, während die Anzeige auf der Anzeigeeinheit 76 beobachtet
wird. Ein Signal von der Betriebseinheit 77 wird in die
Arithmetikeinheit 73 eingegeben, und die Arithmetikeinheit 73 steuert
den Hydraulikzylinder 75 über den Elektrik-/Hydraulik-Schaltkreis 74 gemäß dem Eingabesignal
an.
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Als
nächstes
wird der Funksender/Empfänger 72 beschrieben.
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An
einer Position, wo es nahezu kein Hindernis zur Unterbrechung elektrischer
Wellen von Satelliten gibt, z. B. auf dem Dach des Bulldozers 2,
ist der erste GPS-Empfänger 80 montiert.
Eine mittels des ersten GPS-Empfängers 80 empfangene
Information wird über
eine notwendige Signalverarbeitung wie etwa Verstärkung durch
einen Signalprozessor 82 verarbeitet, und sie wird von
dem Sender 81 an den Funkempfänger 51 übertragen.
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Wie
in 5 gezeigt ist, ist
der zweite GPS-Empfänger 68 über ein
Stativ 84 an einer Position installiert, welche als Referenzpunkt
dient und nahe der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 angeordnet
ist. Ein empfangener Wert des zweiten GPS-Empfängers 68 und ein empfangener
Wert des Funkempfängers 51 werden
in die Steuereinheit 52 eingegeben. Mittels des ersten
GPS-Empfängers 80 und
des zweiten GPS-Empfängers 68 wird
die Position des Bulldozers 2 mittels kinematischer Vermessung
erfasst. Der erste GPS-Empfänger 80,
der zweite GPS-Empfänger 68 und
die Steuereinheit 52 bilden ein Vermessungssystem, und
der Funksender/Empfänger 72,
der zweite GPS-Empfänger 68 und
der Funkempfänger 51 bilden
ein Datenkommunikationssystem.
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Im
Folgenden wird eine Beschreibung im Betrieb gegeben.
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Der
zweite GPS-Empfänger 68 ist
an einem bekannten Punkt installiert, und die Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 ist
an einem bekannten Punkt installiert.
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Nach
der Installation wird als erstes eine Nivellierung der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 durchgeführt. Der
Nivellierungsbetrieb wird mittels Neigungseinstellung unter Verwendung
des Neigungsmechanismus 16 durchgeführt. Wenn der Neigungsbetrieb
abgeschlossen ist, wird eine Richtung der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 mit
dem Niveausensor 7 ausgerichtet, und eine Initialisierung wird
durchgeführt.
Zunächst
stimmt eine Neigungsrichtung der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 nicht
mit der Einstellung der Steuereinheit 52 überein,
und eine Initialisierung ist erforderlich. Positionen der Bulldozer 2a, 2b und 2c werden
mittels der ersten GPS-Empfänger 80a, 80b und 80c und
des zweiten GPS-Empfängers 68 berechnet,
und die Initialisierung wird durchgeführt, indem die Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 an
einem bekannten Punkt hin zu dem Niveausensor 7 von einem
der Bulldozer 2a, 2b und 2c installiert
wird. Für
den Fall, dass die Initialisierung manuell durchgeführt wird,
wird der Kollimator 15 parallel gerichtet, und die Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 wird
rotiert. Ferner wird mittels Betätigung
des Neigungsmechanismus 16 eine Ausstrahlungsrichtung der
Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 bestimmt.
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Das
gleiche Ergebnis wird erhalten, wenn die Initialisierung mit einem
unterschiedlichen Referenzpunkt durchgeführt wird.
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Die
mittels des Empfängers 51 empfangene Information
und ein mittels des zweiten GPS-Empfängers 68 empfangenes
Signal werden zu jedem Zeitpunkt in die Steuereinheit 52 eingegeben.
An der Steuereinheit 52 werden Positionen der Bulldozer 2a, 2b und 2c vermessen.
Die Resultate der Vermessung beinhalten eine Ebenenpositions-Information der
Bulldozer 2a, 2b und 2c, und die Steuereinheit 52 berechnet
einen Gradienten des Laserstrahls 4 für jeden der Bulldozer 2a, 2b und 2c basierend
auf der Ebenenpositions-Information und auf den Betriebsdaten, welche
in der Speichereinheit 66 mittels der Arithmetikeinheit 65 voreingestellt
wurden.
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Das
Berechnungsergebnis wird in die Steuereinheit 14 der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 eingegeben.
Die Steuereinheit 14 steuert die Ablenkeinrichtung 29 an
und steuert diese basierend auf der Erfassung der Bestrahlungsrichtung
mittels der Kodiereinrichtung so, dass die Referenzebene (Referenzlinie),
welche mittels des Laserstrahls 4 gebildet wird, der berechnete
Gradient in den Arbeitsbereichen der Bulldozer 2a, 2b und 2c ist.
Wenn beispielsweise der Arbeitsbereich des Bulldozers 2a auf der
Referenzebene liegt, welche mittels Rotationsausstrahlung des Laserstrahls 4 gebildet
wird, wird die Ablenkeinrichtung 29 mittels eines Signals
von der Steuereinheit 14 für den Bulldozer 2c angesteuert,
und der Laserstrahl 4 wird nach unten abgelenkt. Dann wird
das Abtastniveau nach unten bewegt. Für den Bulldozer 2b wird
die Abstrahlungsrichtung des Laserstrahls 4 mittels der
Ablenkeinrichtung 29 für den
Bulldozer 2b nach oben abgelenkt, und das Abtastniveau
wird nach oben bewegt.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist eine Ansprechgeschwindigkeit der Ablenkeinrichtung 29 höher als
die Rotationsgeschwindigkeit des Laserstrahls 4, und das
Ablenkniveau kann geändert
werden, wobei es auf die Arbeitsbereiche der Bulldozer 2a, 2b und 2c begrenzt
wird, und eine Neigungsrichtung und ein Gradient des Laserstrahls 4 können für jeden
der Bulldozer 2a, 2b und 2c eingestellt
werden. Wenn die Einstellung der Neigungsrichtung und des Gradienten
abgeschlossen ist, wird die Positionierung der Schaufel 5 durchgeführt.
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Oben
wurde eine Beschreibung der Ablenkeinrichtung gegeben, welche ein
akustooptisches Element mit einer höheren Ansprechrate verwendet. Für den Fall,
dass eine Ablenkeinrichtung mit einer langsamen Ansprechrate verwendet
wird, wird die Anzahl von steuerbaren Baumaschinen verringert. In diesem
Falle können,
wenn eine Ein-Aus-Steuerung des
Laserstrahls gleichzeitig verwendet wird und die Abtastniveaus der
Baumaschinen identifiziert sind, so viele Baumaschinen wie erforderlich
mittels mehreren Rotationsumdrehungen gesteuert werden. Wenn 3 Maschinen
mittels einer Umdrehung gesteuert werden können, können 9 Maschinen mittels 3 Rotationsumdrehungen
gesteuert werden. Oder die Auslegung kann so sein, dass eine Baumaschine
für jede
Umdrehung gesteuert wird, und mittels so vielen Rotationsumdrehungen
wie die Anzahl der zu steuernden Maschinen kann eine Serie von Steuervorgängen durchgeführt werden.
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Für jeden
der Bulldozer 2a, 2b und 2c berechnet
die Arithmetikeinheit 73 eine Photodetektorposition an
dem Niveausensor 7 gemäß einem
Photodetektorsignal von dem Niveausensor 7. Die Photodetektorposition
und die Referenzposition werden komparativ berechnet, und wenn es
eine Abweichung gibt, wird ein Ansteuerungs-Signal an den Elektrik-/Hydraulik-Schaltkreis 74 ausgegeben,
so dass die Abweichung korrigiert wird. Der Elektrik-/Hydraulik-Schaltkreis 74 steuert
den Hydraulikzylinder 75 an und bewegt die Schaufel 5 nach
oben oder nach unten. Da der Niveausensor 7 integral mit
der Schaufel 5 nach oben oder nach unten bewegt wird, stimmt
das Ausmaß der
Aufwärts-
oder Abwärts-Bewegung der Schaufel 5 mit
demjenigen des Niveausensors 7 überein, und wenn die Photodetektorposition
an dem Niveausensor 7 mit der Referenzposition übereinstimmt,
wird die Position der Schaufel 5 bestimmt.
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Jeder
der Bulldozer 2a, 2b und 2c wird bewegt,
und der Bodenplanierungsbetrieb kann an vielen Punkten zur gleichen
Zeit durchgeführt
werden. Die Position von jedem der Bulldozer 2a, 2b und 2c wird
mittels der Steuereinheit 52 berechnet, wenn die mittels
des ersten GPS-Empfängers 80 empfangenen
Daten an den Funkempfänger 51 mittels
des Senders 81 übertragen
werden und die von dem zweiten GPS-Empfänger 68 empfangenen
Daten in die Steuereinheit 52 eingegeben und mittels der Steuereinheit 52 berechnet
werden. Ferner wird die Position des Bulldozers 2 in Echtzeit
berechnet.
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Die
Höhe und
die Neigung der planierten Bodenfläche an jeder der Positionen
der Bulldozer 2a, 2b und 2c werden gemäß den Betriebsdaten
berechnet. Wenn die planierte Bodenoberfläche eine geneigte Oberfläche mit
einem bestimmten Gradienten ist, wird der Gradient der mittels der
Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung 1 gebildeten Referenzebene
nicht verändert.
Wenn sie eine gekrümmte
Oberfläche
ist, kann die Bodenoberfläche
ohne Änderung des
Gradienten der Referenzebene des Laserstrahls planiert werden, wenn
der Bulldozer 2 bewegt wird.
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Mittels
Verwendung des vorliegenden Systems ist es möglich, die Bodenplanierung
gemäß den Betriebsdaten
automatisch durchzuführen.
Der Betrieb kann manuell im Bodenplanierbetrieb von Bedienungspersonen
basierend auf den an der Anzeigeeinheit 76 angezeigten
Daten durchgeführt
werden.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform ist
der Niveausensor an der Schaufel 5 angeordnet. Wenn jedoch
eine solche Auslegung vorliegt, dass die Position der Schaufelkante 5' aus dem Ausfuhr- oder
Einfuhr-Zustand des Hydraulikzylinders 75 oder von der
Position eines Arms zum Halten der Schaufel 5 ermittelt
wird, kann der Niveausensor 7 an der Karosserie des Bulldozers 2 angeordnet
sein. Außerdem
wurde die obige Beschreibung für
ein GPS-System vom kinematischen Typ gegeben, während ein beliebiger Typ von
GPS-System verwendet werden kann, sofern dieses einen sich bewegenden
Punkt sofort erfassen kann. Ferner kann der Bereich des Niveausensors 7 gemäß der Ausgabe
der Kodiereinrichtung 28 reziprok abgetastet werden, wodurch eine
Rotationsposition des Rotators 12 nachgewiesen wird, oder
der Laserstrahl kann rotiert werden, indem die Ausstrahlung des
Laserstrahls nur auf den Bereich des Niveausensors 7 begrenzt
wird.
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Wie
oben beschrieben wurde, kann gemäß der Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung eine vertikale Ausstrahlungsrichtung
bei hoher Rate geändert
werden, und das Niveau kann innerhalb einer Mehrzahl von Bereichen bei
Begrenzung innerhalb einer Rotationsumdrehung eingestellt werden,
und Ingenieurbauten oder Bauarbeiten können an vielen Punkten zur
gleichen Zeit unter Verwendung einer einzigen Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung
durchgeführt
werden. Gemäß dem Baumaschinen-Steuerungssystem
der vorliegenden Erfindung kann auch, wenn ein Bodenplanierbetrieb
gemäß einer
durch den Laserstrahl gebildeten Referenzebene durchgeführt wird,
ein Bodenplanierbetrieb zur Herstellung nicht nur einer horizontalen
Oberfläche,
sondern auch einer geneigten Oberfläche oder einer gekrümmten Oberfläche in einfacher
und zuverlässiger
Weise von Bedienungspersonen ohne spezielle Erfahrung und Kenntnisse durchgeführt werden,
und die Betriebszeit kann reduziert werden. Unterschiedliche Arten
von Bodenplaniervorgängen
können
mittels mehreren Baumaschinen zur gleichen Zeit durchgeführt werden.
Da die Niveaueinstellung für
jede der Baumaschinen mittels der gleichen Rotationslaserbestrahlungsvorrichtung durchgeführt wird,
kann ein fehlerhafter Betrieb der Baumaschinen vermieden werden.