DE19730233A1

DE19730233A1 - Automated excavator control for producing flat surfaces by removing excavated material

Info

Publication number: DE19730233A1
Application number: DE1997130233
Authority: DE
Inventors: Wilfried Faber; Joerg Demus; Hans-Georg Kirbach; Bernd Kasparek; Kornelius Iwig
Original assignee: M S C MES SENSOR und COMPUTERT
Current assignee: M S C MES SENSOR und COMPUTERT
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 1999-01-21

Abstract

Control is carried out using conventional diggers or excavators having a jib (2), a strut (3) and a shovel (4) and hydraulic controls, using reference planes for guiding the shovel parallel to these planes. Also included for automatic working is a two dimensionally working camera and an electronic control unit (14) and a monitor screen (13). A reference plane for the intended finished level is selected. The reference plane is stretched as an imaginary line in a two dimensional image, by the alignment of the camera (10). The signals from two emitters (8,9) are received by the camera (10). The emitters are fixed at the working organ of the excavator/digger shovel (4), and are aligned roughly on the camera. These signals are surveyed by a connected image processing unit, regarding their position relative to the reference plane. Deriving control signals for correcting movements are processed, so that any needed can be carried out automatically.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatisierten Baggersteuerung zur Erzeugung von ebenen Flächen durch Abtragung von Aushub unter Verwendung von üblichen Löffelbaggern mit den Hauptkomponenten Ausleger, Stiel und Löffel und deren hydraulische Ansteuerungen und unter Nutzung von Bezugsebenen zur Führung des Löffels parallel zu diesen Ebenen.The invention relates to a method and an apparatus for automated Excavator control for the generation of flat surfaces by removing Excavation using standard backhoes with the main components Boom, stick and bucket and their hydraulic controls and under Use of reference levels to guide the bucket parallel to these levels.

Die Herstellung von definierten Flächen einschließlich Grabensohlen und Böschungen ist eine der wichtigsten Aufgabenstellungen für den Einsatz von Baggern. Es ist üblich, daß diese Probleme von einem geübten Bediener mit Handsteuerung ausgeführt werden, wobei technische Hilfsmittel, z. B. Rotations laser mit geeigneten Empfängern in Verbindung mit Meßlatten die Erzielung der angestrebten Oberflächenqualität unterstützen. Die manuelle Erzeugung von planen Oberflächen ist sehr aufwendig, sie erfordert qualifiziertes Bedienpersonal (Baggerführer) und zusätzliche Hilfskräfte (Vermesser) zur Unterstützung der Baggerführung. Oftmals tritt sogar der Fall ein, daß auf Grund unzureichender Fertigungsqualitäten der Oberflächen sogar zusätzliches Material eingebracht werden muß, um zu tief ausgehobene Bereiche wieder aufzufüllen, was mit erheblichen Mehrkosten in der Bauausführung verbunden ist.The production of defined areas including trench soles and Embankments is one of the most important tasks for the use of Dredging. It is common for these problems to be experienced by an experienced operator Hand control are carried out, with technical aids, e.g. B. Rotation laser with suitable receivers in conjunction with measuring sticks to achieve the support the desired surface quality. The manual generation of planning surfaces is very complex, it requires qualified operating personnel (Excavator operator) and additional assistants (surveyors) to support the Excavator guidance. Often there is even the case that due to insufficient Manufacturing qualities of the surfaces even brought in additional material must be in order to replenish areas that are too deep, what with considerable additional costs in the construction work is connected.

Zur Reduzierung dieser Aufwendungen hat es nicht an Lösungsansätzen gefehlt, durch Nutzung von neuen technischen Hilfsmitteln dem Baggerführer entspre chende Unterstützungsmöglichkeiten zu gewähren. So wird z. B. in der Patent schrift US 4 393 606 eine Lösung vorgestellt, bei der ein Laserstrahl, der parallel zu der zu erstellenden Ebene ausgerichtet ist, auf eine durchsichtige Empfänger scheibe trifft, die am Grabenbagger befestigt ist. Damit kann der Laserpunkt vom Baggerfahrer auf der transparenten Scheibe parallaxenfrei beobachtet werden.There was no lack of solutions to reduce these expenses, correspond to the excavator operator by using new technical aids to provide adequate support. So z. B. in the patent Document US 4,393,606 presented a solution in which a laser beam is parallel to the level to be created, to a transparent recipient disc that is attached to the trench excavator. So that the laser point from Excavator drivers can be observed on the transparent pane without parallax.

Diese Lösung bietet den Vorteil, daß zu jedem Zeitpunkt ein Bezug der Bagger stellung zur Laserebene möglich ist und auf eine Hilfskraft verzichtet werden kann.This solution offers the advantage that the excavator is always available position to the laser level is possible and there is no need for an assistant.

Nachteilig ist jedoch, daß die Herstellung der Ebene weiterhin manuell erfolgen muß. Gleichfalls bleiben Veränderungen der Löffelstellung, die zu Abweichungen in dem Niveau führen, unberücksichtigt.However, it is disadvantageous that the production of the level continues to be carried out manually got to. Likewise, there remain changes in the bucket position that lead to deviations lead in the level, disregarded.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden weiterhin Lösungen angedacht, die einer seits von der Erfassung von Laserebenen über geeignete Empfänger ausgehen und mit ihren Signalgaben selbständig in den hydraulischen Arbeitskreis eingreifen. Bereits in der Patentschrift US 3 997 071 erfolgt eine Steuerung der Tiefe des Löffels bzw. seiner Zähne nach einer Laserreferenzebene. In der US 4 231 700 wird die Parallelführung einer Baggerschaufel nach einer Ebene, die durch einen Rotationslaser aufgespannt wird, vorgestellt. Empfänger für die Laserlichtsignale sind auf dem Mittelteil des Auslegers befestigt, die die Position des Eimers über Ausleger derart steuern, daß eine konstante Führung des Auslegers nach der aufgespannten Ebene ermöglicht wird. Nachteilig bei diesen Lösungsansätzen ist immer noch die fehlende Berücksichtigung der Achsstel lungen des Baggers, insbesondere die des Löffels, die wesentlich das erzielte Niveau der Ebene und deren Qualität beeinflußt.In order to avoid these disadvantages, solutions were also considered that one start from the detection of laser planes via suitable receivers and with their signaling independently in the hydraulic working group intervention. The US Pat. No. 3,997,071 already controls the Depth of the spoon or its teeth after a laser reference plane. In the US 4,231,700 is the parallel guidance of an excavator bucket according to a level that is spanned by a rotating laser. Receiver for the Laser light signals are attached to the middle part of the boom, which position control the bucket via the boom so that constant guidance of the Boom after the spanned level is made possible. A disadvantage of these Solution approaches are still the lack of consideration of the axle position lungs of the excavator, especially that of the bucket, which essentially achieved this Level level and quality affected.

In den nachfolgenden Lösungsvorschlägen wurde versucht, diese Nachteile durch die zusätzliche Bestimmung von Winkeln zwischen den einzelnen Achsen zu kompensieren. In den Patenten US 4 805 086, US 4 829 418, US 4 866 641 und US 4 945 221 sind deshalb zusätzlich zu den Empfangsmitteln für die Laser strahlung am Arm des Baggers interne Wegmeßsysteme an den Gelenken des Baggers vorgesehen, die die jeweilige Stellung von Arm und Ausleger erfassen, um dann über vorgegebene Tabellen auf die sich einstellenden Löffelwinkel zu schließen. Mit den derart korrigierten Meßwerten wird dann über eine Ventil steuerung, die u. a. Proportionalventile enthält, die Löffelsteuerung realisiert.The following solution proposals attempted to overcome these disadvantages the additional determination of angles between the individual axes compensate. In patents US 4,805,086, US 4,829,418, US 4,866,641 and US 4 945 221 are therefore in addition to the receiving means for the laser radiation on the arm of the excavator internal measuring systems on the joints of the Excavators are provided, which record the respective position of arm and boom, to then use predefined tables to approach the bucket angle conclude. With the measured values corrected in this way, a valve is then used control, the u. a. Contains proportional valves, the bucket control realizes.

Problematisch ist die bei diesen Lösungen fehlende Berücksichtigung der Beschreibung des Standortes des Baggers selbst. Wenn auch die relativen Veränderungen der Baggerkomponenten richtig erfaßt werden, so fehlt in jedem Fall der Erkennung des Bezugssystems, des Baggers selbst.The problem with these solutions is the lack of consideration of the Description of the location of the excavator itself. Even if the relative Changes in the excavator components are correctly recorded, so everyone is missing Case of detection of the reference system, the excavator itself.

In der Patentschrift US 4 805 086 wird deshalb vorgeschlagen, mit einem Gravi tationssensor die Ausrichtung des Baggers zu erfassen. Die Praxiswirksamkeit dieses Vorschlages wird stark angezweifelt, denn ein Sensor zur Erfassung der Richtung der Erdbeschleunigung kann prinzipiell diese nicht von anderen Beschleunigungen separieren, es wird also in jedem Fall lediglich nur eine resul tierende Beschleunigung erkannt. Aus der Patentschrift US 4 884 939 des gleichen Patentanmelders, die beschreibt, in welcher Form die komplexen Signalgaben dieser Meßsysteme für den Bediener gut sichtbar zur Anzeige gebracht werden, läßt sich ableiten, daß es den Erfindern nicht gelungen ist, mit diesen Lösungs ansätzen einen automatisierten Baggerbetrieb zu erreichen. Vielmehr werden sich die realisierten Ausführungen auf eine Unterstützung der manuellen Bedienung beschränken. Dem oben vorgegebenen Anspruch, eine automatisierte Bagger funktion zu erreichen, werden alle diese Lösungen nicht gerecht.US Pat. No. 4,805,086 therefore proposes using a Gravi tion sensor to detect the orientation of the excavator. The practical effectiveness this proposal is highly contested because a sensor for detecting the In principle, the direction of gravitational acceleration cannot be influenced by others Separate accelerations, so there is only one result in any case acceleration detected. From the patent US 4 884 939 of the same Patent applicant, which describes the form in which the complex signaling these measuring systems are clearly displayed for the operator, it can be deduced that the inventors have not succeeded with this solution approaches to achieve an automated excavator operation. Rather will the realized versions support manual operation restrict. The above claim, an automated excavator all of these solutions do not do justice.

Aus der Robotertechnik ist bekannt, mit rein programmierbaren Bewegungen beliebige Konturen und damit auch Ebenen abzufahren bzw. zu erzeugen. In Fortführung dieser Ansätze wurden auch Lösungsansätze veröffentlicht, die eine vergleichbare Baggersteuerung auf der Basis von Signalgaben interner Positions meßsysteme realisieren. Als Beispiele einer solchen Erfindung werden das Patent DE 41 24 738 angeführt, bei dem aus den erkannten Positionen "schürfende" Bewegungen für die gewünschte Endposition abgeleitet werden, und das Patent US 4 129 224, in dem die Steuerung der Bewegung durch Umsetzung der trigono metrischen Funktionen, insbesondere der drei Winkel zwischen Maschine, Aus leger, Stiel und Löffel, beschrieben wird, wobei nicht eigentlich die Bewegung gesteuert wird, sondern lediglich die aktuelle Löffeltiefe bestimmt wird. Auf den schwerwiegenden Nachteil, daß derartige Einrichtungen, wie in der Robotertechnik üblich, ein definiertes Bezugssystem besitzen müssen, wurde bereits oben eingegangen. Eine sinnvolle Anwendung einer solchen Steuervariante ist damit nicht möglich.It is known from robotics with purely programmable movements traverse or generate any contours and thus also planes. In Continuation of these approaches have also been published comparable excavator control on the basis of signals from internal positions implement measuring systems. As examples of such an invention, the patent DE 41 24 738, in which "prospecting" from the recognized positions Movements for the desired end position are derived, and the patent US 4 129 224, in which the control of the movement by implementing the trigono metric functions, especially the three angles between machine, off casual, stick and spoon, is described, but not actually the movement is controlled, but only the current bucket depth is determined. On the serious disadvantage that such devices, such as in robotics The need to have a defined reference system has already been mentioned above received. A sensible application of such a tax variant is therefore not possible.

Auch ähnliche Lösungsvorschläge (z. B. DE 41 10 959, DE 41 10 978, DE 41 10 991) die von einer Schwenkwinkelerkennung ausgehen, scheinen zur Lösung von Aufgaben zur automatischen Positionierung aus den oben genannten Gründen ungeeignet. Ihre Anwendungen orientieren auf eine Vermeidung von Kollisionen oder anderen kritischen Zuständen, wozu insbesondere auch die Nutzung der Möglichkeiten von reduzierten Geschwindigkeiten im Gefahrenbereich und von automatischen Positionsspeicherungen herangezogen werden. Selbst mit aufwendigen Ventilsteuerungen auf der Basis von Signalgaben interner Meßsysteme (in den Hydraulikkreisläufen integrierten Meßsystemen zur Durch flußbestimmung) nach Patent US 5 361 211, nach dem Last- und Bremsverhält nisse so berücksichtigt werden, daß sich optimale Bewegungen einstellen, Über lastungen vermieden werden und durch automatisches Anheben des Löffels ein Schutz vor dem Umkippen gewährleistet wird, oder entsprechend dem Patent US 5 572 809, das von einem System mit zwei unabhängigen Gliedern ausgeht, die sich bei Bewegungen entgegengesetzt verhalten, wobei von einer erwarteten zukünftigen Bewegung ausgegangen wird und diese ermittelt wird aus der aktuellen Position und der Bewegung der anderen Achsen, lassen sich keine Lösungsansätze ableiten, mit denen eine automatische Steuerung der Bewegung des Löffels zur Erzielung einer planen Ebene realisierbar wird.Similar solutions (e.g. DE 41 10 959, DE 41 10 978, DE 41 10 991), which assume a swivel angle detection, seem to Solution of tasks for automatic positioning from the above Unsuitable for reasons. Your applications focus on avoiding Collisions or other critical conditions, especially the Use of the possibilities of reduced speeds in the danger area and be used by automatic position storage. Even with elaborate valve controls based on internal signaling Measuring systems (measuring systems integrated in the hydraulic circuits for through flow determination) according to US Pat. No. 5,361,211, according to the load and braking ratio nisse are taken into account in such a way that optimal movements occur, about loads are avoided and by automatically lifting the spoon Protection against tipping over is guaranteed, or according to the patent US 5 572 809, which is based on a system with two independent links, which behave in opposite directions with movements, whereby from an expected future movement is assumed and this is determined from the current position and the movement of the other axes, none Derive solutions that allow automatic control of the movement of the spoon to achieve a flat level.

Den Ausführungen zum Stand der Technik ist zu entnehmen, daß unter Nutzung von Laserebenen der Problematik der definierten Löffelführung noch am ehesten gerecht wird. Selbst das zuletzt genannte Patent US 5 572 809 geht bei seiner Bewegungssteuerung von einer zusätzlichen Laserlichtebene aus. Auf dem Gebiet von Bodenbearbeitungsmaschinen einfacherer Struktur haben derartige Systeme auch bereits eine industrielle Reife erzielt. Verwiesen werden kann z. B. auf die im Patent DE 36 45 039 beschriebene Lösung zur Lageregelung für eine Planierschaufel mit Hilfe eines Laserstrahls. Für die Steuerung von Planierein richtungen existieren Lösungen, bei denen der Strahl eines rotierenden Lasers von einem entsprechend dimensionierten Empfänger für das Laserlicht aufgenommen und in Ansteuersignale für die Höhensteuerung der Höhe des Planierschildes umgesetzt wird.The comments on the prior art show that using of laser levels most likely to address the problem of defined bucket guidance justice. Even the last-mentioned patent US 5 572 809 applies to his Motion control from an additional laser light level. On the Field of simpler structure tillage machines have such Systems have already reached industrial maturity. Can be referred z. B. to the solution for position control described in patent DE 36 45 039 Bulldozer using a laser beam. For the control of leveling Solutions exist in which the beam of a rotating laser from a correspondingly dimensioned receiver for the laser light and in control signals for the height control of the height of the dozer blade is implemented.

Eine Übertragung dieser Verfahren und seiner technischen Einrichtungen auf die Problematik zur automatischen Steuerung der Bewegungen eines Löffelbaggers ist jedoch nicht möglich. Zum einen müssen von dem einen einzigen Signal, das von dem Meßsystem geliefert wird und die Auftreffstelle des Laserlichts im Bezugssystem des Empfängers beschreibt, mehrere Stellglieder angesteuert werden (Antriebszylinder für Ausleger-, Stiel- und Löffelstellung), und zum anderen ist eine Befestigung der Empfängerelemente am Arbeitsorgan (Löffel) wegen seiner Baugröße und fehlenden Robustheit nicht möglich. Die zuletzt genannte Einschränkung kann auch mit fortschreitendem Stand der Entwicklung nicht entkräftet werden, da die begrenzte Dynamik, die mit der Rotationsfrequenz des Lasers zusammenhängt, nur von einem Empfänger mit einer Mindestbaugröße sicher erfaßt werden kann. Insbesondere die Forderungen des Arbeitsschutzes (begrenzte Laserlichtleistung) und die sichere Erkennbarkeit eines Laserlicht punktes unter den üblichen Einsatzbedingungen (Tageslicht, Sonne) führen zu einer typischen Drehgeschwindigkeit des Laserlichtpunktes zur Erzeugung der vorgegebenen Lichtebene. Die sichere Erfassung der Lichtpunktes aus der Drehbewegung setzt bei den typischen Nachsetzgeschwindigkeiten des Arbeits organes des Baggers (Absenkgeschwindigkeit des Löffels) eine bestimmte Baugröße der Empfänger voraus, die hinsichtlich der damit erzielbaren Betriebs sicherheit unakzeptabel sind. Zusätzliche Anforderungen an das Meßsystem, die seine Betriebssicherheit verbessern, z. B. die Erweiterung des Fangbereiches, sind mit diesem Meßprinzip völlig ausgeschlossen.A transfer of these processes and its technical facilities to Problems with the automatic control of the movements of a backhoe is however not possible. For one thing, there must be a single signal from the is supplied by the measuring system and the point of impact of the laser light in the Reference system of the receiver describes, several actuators controlled be (drive cylinder for boom, stick and bucket position), and on the other is a fastening of the receiver elements to the work organ (spoon) because of its size and lack of robustness not possible. The latter Restriction cannot even with the progress of the development be invalidated because of the limited dynamics associated with the rotational frequency of the Lasers connected, only from a receiver with a minimum size can be detected safely. In particular the requirements of occupational safety (limited laser light output) and the reliable recognition of a laser light point under the usual operating conditions (daylight, sun) lead to a typical speed of rotation of the laser light spot for generating the given light level. The reliable detection of the light point from the Rotational movement sets at the typical repositioning speeds of the work organes of the excavator (lowering speed of the bucket) a certain Size of the receiver ahead, in terms of the achievable operation security are unacceptable. Additional requirements for the measuring system, the improve its operational security, e.g. B. are the extension of the catch area completely excluded with this measuring principle.

Zusammenfassend läßt sich damit schlußfolgern, daß sich sowohl mit den bekannten Möglichkeiten der Laserleitstrahlabtastung mit optischen Empfängern und deren Umsetzung in Steuersignale als auch mit der Anwendung von Positionsmeßeinrichtungen an den Gelenken der Bewegungselemente und deren Kombinationen untereinander keine Lösung zusammenstellen läßt, die der Aufgabenstellung, einen Bagger in seinen drei Achsen automatisch so zu steuern, daß eine definierte ebene Fläche erzeugt wird, ausreichend gerecht wird.In summary, it can be concluded that both the known possibilities of laser guide beam scanning with optical receivers and their implementation in control signals as well as with the application of Position measuring devices on the joints of the movement elements and their Combinations can not put together a solution that the Task to automatically control an excavator in its three axes, that a defined flat surface is created, is sufficient.

Die Erfindung verfolgt somit das Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatisierten Baggersteuerung zur Erzeugung von ebenen Flächen durch Abtragung von Aushub unter Verwendung von üblichen Löffelbaggern mit den Hauptkomponenten Ausleger, Stiel und Löffel und deren hydraulische Ansteuerungen und unter Nutzung von Bezugsebenen zur Führung des Löffels parallel zu diesen Ebenen anzugeben.The invention thus pursues the aim of a method and an apparatus for automated excavator control for the generation of flat surfaces Excavation is excavated using standard backhoe excavators Main components boom, stick and bucket and their hydraulic Controls and using reference levels to guide the spoon to be specified parallel to these levels.

Als Aufgabe liegt der Erfindung die Konzipierung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Umsetzung dieses Verfahrens zugrunde, die es gestattet, ausgehend von einer definierbaren Ebene eine automatisierte Ansteuerung von den drei Baggerhauptachsen zu realisieren, bei der den Forderungen nach hoher Betriebssicherheit durch die Berücksichtigung eines großen Fangbereiches (Positionserkennung auch in größeren Abständen von der Sollebene), einer weitestgehenden Unabhängigkeit der Führungsqualität von der Belastung (unterschiedliche Bodenbeschaffenheit, unterschiedliche Restaushubhöhe) und von hinsichtlich der Baugröße und dem Kompliziertheitsgrad minimierten Komponenten am Bagger selbst Rechnung getragen wird.The object of the invention is to devise a method and a method Apparatus for implementing this method, which allows Starting from a definable level, automated control of to realize the three main excavator axes, in which the demands for high Operational safety by considering a large catch area (Position detection also at larger distances from the target level), one the greatest possible independence of management quality from the burden (different soil conditions, different residual lift height) and minimized in terms of size and level of complexity Components on the excavator itself is taken into account.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur beabsichtigten Fertigungsebene eine Referenz-Ebene definiert wird, die durch eine fiktive Linie im Bild einer zweidimensional arbeitenden Kamera und einem angeschlossenen Bildverarbeitungssystem bei der Auswertung von Lichtsignalen gebildet wird, wobei die besagte Kamera stationär und unabhängig vom Bagger angeordnet und auf das Arbeitsgebiet des Baggers gerichtet ist, und die besagten Lichtsignale in ihrer Position vom Bagger beeinflußt werden, daß die besagten Lichtsignale im Bild der besagten Kamera hinsichtlich ihrer Lage relativ zur fiktiven Linie vermessen werden und aus diesen Positionsangaben im Bildkoordinatensystem Steuersignale abgeleitet werden, die einer modifizierten Baggersteuerung als Führungsgrößen für die Bewegung der drei Hauptachsen zugeführt werden, wobei die Ansteuerung der Achsen zyklisch nacheinander in einem solchen Maß erfolgt, daß die besagten Lichtsignale bezüglich des Abstandes zur fiktiven Linie im Bild der Kamera voreinstellbare Toleranzwerte nicht überschreiten, und daß die Umsetzung der Steuersignale abhängig ist von der beabsichtigten Hauptführungs bewegung des Bedieners, die über geeignete Meßsysteme aufgenommen werden.According to the invention, this object is achieved in that the intended Manufacturing level a reference level is defined by a fictitious line in the image of a two-dimensional camera and a connected one Image processing system is formed in the evaluation of light signals, said camera being stationary and independent of the excavator and is directed to the work area of the excavator, and said light signals in their position are influenced by the excavator that said light signals in Image of said camera in relation to its position relative to the fictitious line be measured and from this position information in the image coordinate system Control signals are derived that a modified excavator control as Command variables for the movement of the three main axes are supplied, whereby the axes are controlled cyclically one after the other to such a degree, that the said light signals with respect to the distance to the fictitious line in the picture tolerance values that can be preset by the camera, and that the Implementation of the control signals depends on the intended main guidance movement of the operator, which are recorded using suitable measuring systems.

Eine Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß die besagten Lichtsignale von zwei aktiven oder passiven Lichtsendern, die räumlich versetzt und in ihrer Höhe verstellbar am Arbeitsorgan des Baggers/Löffels mit einer Vorzugsausrichtung auf die Kamera befestigt sind, erzeugt werden, wobei vorzugsweise infrarotes Licht emittierende Lichtquellen verwendet werden, daß die besagte Kamera dreh-, kipp- und schwenkbar auf einem stationären Ständer/Stativ befestigt und mit einem Monitor ausgestattet ist, in dem die Referenz-Ebene zusätzlich zu der beobachteten Szene zur Anzeige gebracht wird, so daß eine Justage der Kamera zur Ausrichtung der Referenz-Ebene parallel zur beabsichtigten Fertigungsebene ermöglicht wird, daß die besagte Kamera mit einem Bildverarbeitungssystem verbunden ist, das die Positionsabweichungen der Lichtsignale relativ zur fiktiven Linie im Bild in propor tionale, stetig ansteigende Ansteuersignale für die drei Hauptachsen umsetzt, daß Mittel zur Übertragung der Signale vom Meßsystem in die Ansteuerung des Baggers vorhanden sind, daß in der Steuerung des Baggers Rezeptoren vorhan den sind, die die beabsichtigen Hauptführungsbewegungen des Bedieners wie Absenken oder Anheben des Auslegers und Heranziehen des Stieles aufnehmen in Steuersignale umsetzen und daß eine Signalverarbeitungseinheit vorhanden ist, in der diese Steuersignale der Hauptführungsbewegungen des Bedieners zusam men mit den übertragenen Signalen aus dem Bildverarbeitungssystem komplex zur Ansteuerung von Proportionalventilen des Baggers verarbeitet werden.A control device for performing the method is according to the invention formed such that the light signals from two active or passive Light transmitters that are spatially offset and adjustable in height on the work organ the excavator / bucket is attached to the camera with a preferred orientation, are generated, preferably infrared light-emitting light sources be used that the camera can be rotated, tilted and pivoted attached to a stationary stand / tripod and equipped with a monitor is where the reference plane is displayed in addition to the observed scene is brought so that an adjustment of the camera to align the Reference level parallel to the intended production level is made possible that the said camera is connected to an image processing system which the Position deviations of the light signals relative to the fictitious line in the image in proportions tional, steadily increasing control signals for the three main axes that Means for transmitting the signals from the measuring system in the control of the Excavators are present that receptors are present in the control of the excavator are those that like the intended main guiding movements of the operator Raise or lower the boom and pull the arm up convert into control signals and that a signal processing unit is available, in which these control signals of the main guiding movements of the operator together complex with the transmitted signals from the image processing system processed to control the excavator's proportional valves.

Mit der erfindungsgemäßen Realisierung einer automatischen Löffelführung ergeben sich folgende Vorteile:
Am Löffel des Baggers sind lediglich zwei aktive oder passive Lichtquellen befe stigt, die sich mit einer hohen Sicherheit selbst unter extremen Umgebungs bedingungen betreiben lassen. Von einem Kamerasystem, das stationär außerhalb des Arbeitsgebietes des Baggers positioniert wird, werden die Bewegungen dieser Lichtquellen erfaßt und mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems hinsichtlich der Lage im Bildfeld vermessen. Durch die externe Anordnung der Kamera wird gleich falls für diese Baugruppe eine hohe Betriebssicherheit erzielt. Die vorgesehene Möglichkeit der Ausrichtung der Kamera schafft die Voraussetzungen, beliebig geneigte Flächen zu definieren, was vergleichbar ist mit den bekannten Rotations lasersystemen. Vorteilhaft gegenüber den Lasersystemen ist jedoch die leichte Erkennbarkeit der Ebenenlage in der Darstellung zusammen mit dem umgebenden Gelände. Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung wirkt sich der große Fangbereich des Meßsystems aus. Damit gelingt es, gezielt die Bagger bewegungen bereits merklich vor dem Erreichen der Sollebene zu beeinflussen, womit sich gute dynamische Führungseigenschaften erzielen lassen. Die erfin dungsgemäße Vorgabe von Toleranzbändern für die Bewertung von Abweichungen der Lichtquellen im Vergleich zur Referenzebene gestattet die gezielte Einstellung einer Fertigungspräzision, womit sich optimierte Fertigungs prozesse realisieren lassen. Durch die zyklische Ansteuerung von allen drei Hauptachsen nacheinander mit einem proportional wachsenden Ausgangssignal wird eine selbständige Anpassung an unterschiedliche Lastzustände, die am Grabwerkzeug/Löffel wirksam werden, umgesetzt. Gleichfalls wird mit diesem Steuerverfahren eine Unabhängigkeit vom Typ des verwendeten Baggers mit seinen jeweiligen Maschineneigenschaften erzielt. Letztendlich wird durch die Berücksichtigung der beabsichtigten Hauptsteuerbewegungen, die der Bediener ausführt und die über integrierte Meßsysteme abgefragt werden, eine automati sierte Fertigung von ebenen Flächen unter Einhaltung eines hohen Sicherheitsstandards gewährleistet.With the implementation of an automatic bucket guide according to the invention, the following advantages result:
Only two active or passive light sources are attached to the bucket of the excavator, which can be operated with a high degree of safety even under extreme environmental conditions. The movements of these light sources are recorded by a camera system that is positioned stationary outside the work area of the excavator and measured with the help of an image processing system with regard to the position in the image field. The external arrangement of the camera also ensures high operational reliability for this module. The proposed possibility of aligning the camera creates the prerequisites for defining any inclined surfaces, which is comparable to the known rotary laser systems. An advantage over the laser systems, however, is the easy recognizability of the plane position in the display together with the surrounding terrain. The large capture range of the measuring system has a particular advantage of the solution according to the invention. This enables the excavator movements to be influenced in a targeted manner before reaching the target level, which enables good dynamic guidance properties to be achieved. The specification according to the invention of tolerance bands for the evaluation of deviations of the light sources in comparison to the reference plane permits the targeted setting of a manufacturing precision, with which optimized manufacturing processes can be realized. The cyclical control of all three main axes in succession with a proportionally growing output signal means that they can be adapted to different load conditions that are effective on the digging tool / bucket. At the same time, this control method ensures independence from the type of excavator used with its respective machine properties. Ultimately, by taking into account the intended main control movements, which the operator executes and which are queried via integrated measuring systems, automated production of flat surfaces is guaranteed while maintaining a high safety standard.

Die Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung realisiert damit eine automati sierte Fertigung von ebenen Flächen mit vorgebbarer Genauigkeit und optimierten Fertigungsabläufen mit Löffelbaggern beliebigen Typs auf der Basis von robusten Einzelkomponenten unter Einhaltung eines hohen Sicherheitsmaßstabes.The implementation of the solution according to the invention is thus carried out automatically Production of flat surfaces with predeterminable accuracy and optimized Manufacturing processes with backhoes of any type based on robust Individual components in compliance with a high security standard.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispieles mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobeiIn the following, the invention will be explained using an example with reference to the accompanying drawings explained in more detail, wherein

Fig. 1 eine räumliche Anordnung der wesentlich Komponenten des automatisierten Führungssystems und Fig. 1 shows a spatial arrangement of the essential components of the automated guidance system and

Fig. 2 eine mögliche Darstellung der Lage der zu vermessenden Lichtpunkte im Bild der Kamera zeigt. Fig. 2 shows a possible representation of the position of the light points to be measured in the image of the camera.

In Abb. 1 ist ein willkürlicher Bagger mit seinen wesentlichen Komponenten Rumpf 1, Ausleger 2, Stiel 3 und Löffel 4 dargestellt. Der Antrieb für die Verstel lung dieser Komponenten zueinander erfolgt bekanntermaßen über die hydrau lischen Arbeitszylinder 5, 6, 7. An dem Löffel 4 sind in räumlicher Nähe der Befe stigung des Löffels 4 am Stiel 3 zwei infrarotes Licht emittierende Strahler 8, 9 seitlich und bezüglich der Hauptrichtung von Ausleger 2, Stiel 3 und Löffel 4 hintereinander starr am Löffel 4 befestigt. Diese Strahler 8, 9 sind grob auf die geradlinige Verlängerung der Hauptrichtung von Ausleger 2, Stiel 3 und Löffel 4 ausgerichtet. Ihre Strahlengänge liegen damit im Blickfeld einer Kamera 10. Diese Kamera 10 ist außerhalb des Arbeitsbereiches des Baggers auf einem Stativ 11 positioniert. Das Stativ 11 ist mit bekannten Mitteln ausgestattet, die es ermög lichen, die Kamera 11 zu drehen, zu neigen und zu schwenken. Fig. 1 shows an arbitrary excavator with its essential components hull 1 , boom 2 , arm 3 and bucket 4 . The drive for the adjustment of these components to each other is known to take place via the hydraulic working cylinders 5 , 6 , 7 . On the spoon 4 in the spatial vicinity of the attachment of the spoon 4 on the handle 3 two infrared light emitting emitters 8 , 9 laterally and with respect to the main direction of the boom 2 , handle 3 and spoon 4 one behind the other rigidly on the spoon 4 . These emitters 8 , 9 are roughly aligned with the straight extension of the main direction of boom 2 , stick 3 and spoon 4 . Their beam paths are therefore in the field of view of a camera 10 . This camera 10 is positioned outside the working area of the excavator on a tripod 11 . The tripod 11 is equipped with known means that make it possible to rotate, tilt and pivot the camera 11 .

Durch die Ausrichtung der Kamera 10 wird eine Referenzebene aufgespannt, die parallel zu der beabsichtigten Fertigungsebene 12 verläuft. Zur Durchführung dieser Ausrichtung können sowohl die üblichen Meßeinrichtungen am Stativ 11 oder auch Möglichkeiten der Betrachtung von Vermessungshilfseinrichtungen mit Hilfe der Kamera 10 genutzt werden.The alignment of the camera 10 spans a reference plane that runs parallel to the intended production plane 12 . To carry out this alignment, both the customary measuring devices on the stand 11 or also ways of viewing measuring auxiliary devices with the aid of the camera 10 can be used.

Sowohl zur Unterstützung dieser Kameraausrichtung als auch zur Kontrolle der automatisierten Fertigung der Ebenen ist die Kamera 10 mit einem Monitor 13 versehen, der Bestandteil einer Steuereinheit 14 ist, in der die Auswertung der von der Kamera 10 aufgenommen Bilder zur Ableitung von Steuergrößen für die automatisierten Bewegungen von Löffel 4, Stiel 3 und Ausleger 2 über deren Arbeitszylinder 5, 6, 7 erfolgt.To support this camera alignment as well as to control the automated production of the levels, the camera 10 is provided with a monitor 13 , which is part of a control unit 14 , in which the evaluation of the images recorded by the camera 10 to derive control variables for the automated movements of spoon 4 , stick 3 and boom 2 via their working cylinders 5 , 6 , 7 .

Ausgangspunkt der Signalverarbeitung sind die Signalgaben der Kamera 10, die beispielsweise sich entsprechend der Abb. 2 auf dem Monitor 13 darstellen.The starting point of the signal processing is the signaling of the camera 10 , which is shown, for example, on the monitor 13 in accordance with FIG .

Die Referenzebene ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, die Mittellinie im Monitorbild 15 der Kamera 10. Beiderseitig dieser Mittellinie im Monitorbild 15 sind die Toleranzebenen 16 gezeichnet, die in Verbindung mit der Bildverarbei tungstechnik der Steuereinheit 14 die Schaltschwelle für die Auslösung von Steu ersignalen realisieren. Steuerungstechnisch sind Möglichkeiten vorgesehen, die die Abweichung dieser Toleranzebenen 16 von der Mittellinie als Referenzebene in Abhängigkeit der beabsichtigten Führungsgenauigkeit einstellen können.The reference plane is preferably, but not necessarily, the center line in the monitor image 15 of the camera 10 . On both sides of this center line in the monitor image 15 , the tolerance planes 16 are drawn, which, in conjunction with the image processing technology of the control unit 14, implement the switching threshold for triggering control signals. In terms of control technology, options are provided which can set the deviation of these tolerance planes 16 from the center line as a reference plane depending on the intended guidance accuracy.

In dieses Bild des Monitors 13 mit Mittellinie (Referenzebene) 15 und Toleranz ebenen 16 werden die von der Kamera 10 aufgenommenen Bilder mit den zwei Lichtpunkten 17 und 18 der Strahler 8 und 9 als wesentliche Informationen ein geblendet. In der Bildverarbeitungseinheit der Steuereinheit 14 werden die Schwerpunkte der Lichtpunkte 17 und 18 relativ zur Lage der Mittellinie (Referenzebene) 15 und der Toleranzebenen 16 bestimmt. Die Bestimmung desjenigen Lichtfleckes 17 bzw. 18, der in Erwartung einer beabsichtigten Bewegung oder als erster das durch die Toleranzebenen 16 vorgegebene Sollband verläßt, führt zur Auslösung eines Steuersignals. Diese Steuersignale werden von der Steuereinheit 14 per Funk zu dem Bagger übertragen und hier von einem entsprechenden Empfänger aufgenommen und zur Ansteuerung der hydraulischen Arbeitszylinder 5, 6, 7 umgesetzt.In this image of the monitor 13 with the center line (reference plane) 15 and tolerance levels 16 , the images taken by the camera 10 with the two light points 17 and 18 of the emitters 8 and 9 are faded in as essential information. In the image processing unit of the control unit 14 , the focal points of the light points 17 and 18 are determined relative to the position of the center line (reference plane) 15 and the tolerance planes 16 . The determination of the light spot 17 or 18 which , in anticipation of an intended movement or being the first to leave the target band predetermined by the tolerance planes 16 , triggers a control signal. These control signals are transmitted by the control unit 14 to the excavator by radio and are picked up here by a corresponding receiver and converted to control the hydraulic working cylinders 5 , 6 , 7 .

Diese Umsetzung der Steuersignale erfolgt dabei nach folgendem Verfahren:
Ein Hauptschalter gestattet das Aktivieren oder Deaktivieren der Automatik. Im Automatikbetrieb erkennen Sensoren, vorzugsweise Druckschalter in den Steuer kreisen der vorhandenen Hydraulik, die vom Bediener beabsichtigten Hauptsteuer bewegungen von Ausleger 2 und Stiel 3. Eine Umsetzung der von der Steuerein heit 14 gelieferten Steuersignale erfolgt dann, wenn der Bediener kontinuierlich den Ausleger 2 abzusenken versucht. Im Falle des Anhebens des Auslegers 2 wird die automatische Signalumsetzung unterbrochen. Wird der Ausleger 2 vom Bediener abgesenkt und der Stiel 3 nicht herangezogen, erfolgt im Automatikbe trieb eine automatische Positionierung von Ausleger 2 und Löffel 4 auf die beab sichtigte Ebene, erst bei Heranziehen des Stiels erfolgt ein Aushub zur Erzeugung der beabsichtigten Ebene 12.The control signals are implemented using the following procedure:
A main switch allows the automatic to be activated or deactivated. In automatic mode, sensors, preferably pressure switches in the control circuits of the existing hydraulics, recognize the main control movements of the boom 2 and arm 3 intended by the operator. The control signals supplied by the control unit 14 are implemented when the operator continuously tries to lower the boom 2 . If the boom 2 is raised, the automatic signal conversion is interrupted. If the boom 2 is lowered by the operator and the stick 3 is not used, automatic positioning of the boom 2 and bucket 4 takes place in the automatic mode on the intended level, and excavation to generate the intended level 12 takes place only when the stick is pulled up.

Solange sich der Löffel 4 mit seinen Strahlern 8, 9 außerhalb des Sichtfeldes der Kamera 10 befindet, erfolgt das Absenken des Auslegers 2 nach Betätigung des entsprechenden Steuerhebels durch den Bediener mit maximaler Geschwindigkeit.As long as the bucket 4 with its emitters 8 , 9 is outside the field of view of the camera 10 , the boom 2 is lowered after the operator has actuated the corresponding control lever at maximum speed.

Erscheinen die Lichtpunkte 17, 18 auf dem Monitor 13, übernimmt die Automatik die Steuerung von Ausleger 2 und Löffel 4. Die Absenkgeschwindigkeit des Auslegers 2 wird reduziert. Aus dem Höhenversatz der Lichtpunkte 17 und 18 wird über ein Differenzsignal ein Ansteuersignal für die Ausrichtung des Löffels 4 gebildet. Derart ausgerichtet gleitet das Gesamtsystem weiter nach unten, bis die Lichtpunkte 17 und 18 im Toleranzbereich zwischen den Toleranzebenen 16 positioniert sind. Wenn dieser Zustand erreicht ist, wird ein Steuersignal erzeugt, das das Heranziehen des Stiels 3 durch den Bediener ermöglicht. Während dieser "Ziehbewegung" des Löffels 4 über den mit dem hydraulischen Arbeitszylinder 6 angetriebenen Stiel werden die Positionsänderungen der Lichtpunkte 17, 18 im Bild des Monitors 13 von der Steuereinrichtung 14 kontinuierlich erfaßt. Sobald mindestens ein Lichtpunkt 17, 18 die Toleranzebenen 16 verläßt, wird die "Zieh bewegung" kurzzeitig unterbrochen, um über die hydraulischen Arbeitszylinder 5, 7 Korrekturbewegungen hinsichtlich der Absenktiefe des Auslegers 2 oder des Anstellwinkels des Löffels 4 vorzunehmen. Die Ansteuerung dieser hydraulischen Arbeitszylinder erfolgt dabei richtungsbezogen mit gleichmäßig wachsenden Analogsignalen, die mit bekannten Mitteln über Proportionalventile im Ansteuer kreis der hydraulischen Arbeitszylinder in Bewegungen umgesetzt werden. Diese Bewegungen werden immer dann abgebrochen, wenn beide Lichtpunkte 17, 18 im durch die Toleranzebenen 16 vorgegebenen Sollbereich positioniert sind.If the light points 17 , 18 appear on the monitor 13 , the automatic takes over the control of boom 2 and bucket 4 . The lowering speed of the boom 2 is reduced. A control signal for the alignment of the spoon 4 is formed from the height offset of the light points 17 and 18 via a difference signal. Aligned in this way, the overall system slides further down until the light points 17 and 18 are positioned in the tolerance range between the tolerance planes 16 . When this state is reached, a control signal is generated which enables the handle 3 to be pulled up by the operator. During this "pulling movement" of the spoon 4 via the stick driven by the hydraulic working cylinder 6 , the position changes of the light points 17 , 18 in the image of the monitor 13 are continuously recorded by the control device 14 . As soon as at least one light point 17 , 18 leaves the tolerance planes 16 , the "pulling movement" is briefly interrupted in order to make correcting movements with respect to the lowering depth of the boom 2 or the angle of attack of the bucket 4 via the hydraulic working cylinders 5 , 7 . The control of this hydraulic working cylinder takes place directionally with steadily growing analog signals, which are implemented with known means via proportional valves in the control circuit of the hydraulic working cylinder in movements. These movements are always interrupted when both light points 17 , 18 are positioned in the desired range predetermined by the tolerance levels 16 .

Wird vom Bediener erkannt, daß ein Entleeren des Löffels 4 notwendig ist, wird er in bekannter Art den Steuerhebel zum Anheben des Auslegers 2 betätigen. Dies bewirkt eine Deaktivierung des Automatikbetriebes. Erst bei dem erneuten Absen ken des Auslegers 2 wird die automatische Positionierung und Führung des Löffels 4 entlang der beabsichtigten Ebene 12, wie oben beschrieben, aktiviert. If the operator recognizes that it is necessary to empty the bucket 4 , he will operate the control lever in a known manner to raise the boom 2 . This causes automatic mode to be deactivated. Only when the boom 2 is lowered again is the automatic positioning and guidance of the bucket 4 along the intended plane 12 , as described above, activated.

Reference list

11

Rumpf
hull

22nd

Ausleger
boom

33rd

Stiel
stalk

44th

Löffel
spoon

55

hydraulischer Arbeitszylinder
hydraulic working cylinder

66

hydraulischer Arbeitszylinder
hydraulic working cylinder

77

hydraulischer Arbeitszylinder
hydraulic working cylinder

88th

Strahler
Spotlights

99

Strahler
Spotlights

1010th

Kamera
camera

1111

Stativ
tripod

1212th

Fertigungsebene
Manufacturing level

1313

Monitor
monitor

1414

Steuereinheit
Control unit

1515

Mittellinie im Monitorbild als Referenzebene
Center line in the monitor image as reference plane

1616

Toleranzebene
Tolerance level

1717th

Lichtpunkt
Point of light

1818th

Lichtpunkt.
Point of light.

Claims

1. Method for automated excavator control for the production of flat surfaces by excavating excavated material using conventional backhoe excavators with the main components boom ( 2 ), stick ( 3 ) and bucket ( 4 ) and their hydraulic controls and using reference levels to guide the bucket parallel to these levels, characterized in that a reference level ( 15 ) is defined for the intended production level, which is formed by a fictitious line in the image of a two-dimensional camera ( 10 ) and a connected image processing system when evaluating light signals, the said camera ( 10 ) is stationary and independent of the excavator and is directed to the working area of the excavator, and said light signals are influenced in their position by the excavator, that said light signals in the image of said camera are measured with respect to their position relative to the fictitious line become and from this Position information in the image coordinate system are derived from control signals which are fed to a modified excavator control system as reference variables for the movement of the three main axes, the axes being actuated cyclically one after the other to such an extent that the light signals in question are related to the distance to the fictitious line Image of the camera pre-adjustable tolerance values do not exceed, and that the implementation of the control signals is dependent on the intended main guiding movement of the operator, which are recorded using suitable measuring systems.

2. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that for the generation of said light signals two active or passive light transmitters spatially offset and in their height adjustable on the work organ of the excavator / bucket with a preferred release are attached to the camera.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that infrared light-emitting emitters ( 8 , 9 ) are used as the light transmitter.

4. A device for performing the method according to claim 1, characterized in that said camera ( 10 ) rotatably, tiltably and pivotally mounted on a stationary stand / tripod ( 11 ) and equipped with a monitor ( 13 ) in which the reference level ( 15 ) is displayed in addition to the observed scene, so that the camera can be adjusted to align the reference level ( 15 ) parallel to the intended production level ( 12 ).

5. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that said camera with a Image processing system is connected that the positional deviation of the Light signals relative to the fictitious line in the picture in proportional, steady converts increasing control signals for the three main axes.

6. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that means for transmitting the signals from Measuring system in the control of the excavator are available.

7. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that in the control of the excavator receptors are present, which record the intended main guiding movements of the operator such as lowering or raising the boom ( 2 ) and pulling the style ( 3 ) in control signals implement and that a signal processing unit is available in which these control signals of the main guiding movements of the operator are processed together with the transmitted signals from the image processing system complex for controlling proportional valves of the excavator.