土方工程机械用的测定位置系统.pdf

本发明涉及一种土方工程机械(2a、2b)用的、用于测定地下物体(1)位置的测定位置系统，其中，所述土方工程机械具有工作部(3a)，所述测定位置系统具有固定部(4a)和探测部(5a)。固定部(4a)例如能够以磁性方式设置在工作部(3a)上。探测部(5a)被构造用于根据能够指定给该物体(1)的电磁场来探测物体(1)。探测部具有预定探测方向，并且借助固定部(4a)如此设置在工作部的下臂部上，即，探测方向以基本平行于所述下臂部(12a)的纵向的方式取向，并且指向土方处理部(13a)。于是始终可以对将要在土方处理部(13b)当前姿态下进行挖掘的土地进行扫描。需要时，该测定位置系统也包括计算部，其用于根据所述探测结果推导出该物体(1)的距离信息。该测定位置系统还具有指示部，以便示出或者转发所述探测和/或距离信息。

1.  一种土方工程机械(2a、2b)用的、用于测定地下物体(1)位置的测定位置系统，其中，所述地下物体例如是供应管线，所述土方工程机械具有工作部(3a)，所述工作部尤其是指挖掘机臂(3b，3c，3d)，所述挖掘机臂包括至少一个下臂部(12a、12c、12e、12f)和土方处理部(13a、13b、13c、13e)，所述测定位置系统具有：
·固定部(4a、4b、4c、4e、4f)；
·直接或间接地设置在所述固定部(4a、4b、4c、4e、4f)上的探测部(5a、5b、5c、5d、5e、5f)，该探测部根据能够指定给所述物体(1)的电磁场来探测所述物体(1)；
·任选的计算部(8f)，其用于分析探测器信号，尤其用于推导并存储关于所述物体(1)的距离信息；以及
·指示部(6f、6g)，其用于指示或者转发所述探测器信号和/或对所述探测器信号的评估、尤其是距离信息，
所述测定位置系统的特征在于，
所述探测部具有预定探测方向(30)并且借助于所述固定部如此设置在所述下臂部(12a、12c、12e、12f)上，即，所述探测方向(30)以基本平行于所述下臂部(12a、12c、12e、12f)的纵向的方式取向，并且指向所述土方处理部(13a、13b、13c、13e)。

2.  根据权利要求1所述的测定位置系统，其特征在于，所述探测部(5e、5f)具有用于检测电磁场的第一天线(20b′、20c′)和第二天线(20b″、20c″)，这些天线在定义了所述探测方向(30)的轴上以基本平行于所述下臂部(12a、12c、12e、12f)的纵向的方式取向、并且以彼此保持固定距离的方式如此设置，即，根据由所述第一天线(20b′、20c′)和所述第二天线(20b″、20c″)检测到的磁场的强度之比来推导出所述探测部(5e，5f)至所述物体(1)的距离。

3.  根据权利要求2所述的测定位置系统，其特征在于，所述第一和第二天线被构造为x-y天线(20a′、20a″、20e)。

4.  根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述固定部(4a、4f)和所述探测部被设置在一个共用的壳体内。

5.  根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述固定部(4a、4f)以能够磁性地固定的方式形成。

6.  根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述指示部(6f、6g)将所述探测结果和/或所述距离信息
·指示给用户，并且附加地或者替换地
·转发给所述土方工程机械(2a、2b)的控制装置，所述控制装置例如是所述工作部(3a)的致动装置。

7.  根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述指示部(6f、6g)具有图形显示器(6g′)。

8.  根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述指示部(6g)具有：
·可视指示装置，如多个LED(25)；和/或
·声音指示装置。

9.  根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，所述固定部(4a、4f)被构造为下列部件的壳体(4a、4f)：
·所述计算部(8f)；和/或
·所述指示部。

10.  根据前述权利要求之一所述的测定位置系统，其特征在于，设有测距仪，所述测距仪与所述测定位置系统相配合并且尤其被设置在所述探测部(5e)上。

土方工程机械用的测定位置系统
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的、土方工程机械用的、用于测定地下物体位置的测定位置系统。
背景技术
在进行土方工程期间、尤其是在进行挖掘时必须知道地下物体(如铺设在地下的输电线)的埋藏位置，以避免例如对输电线和/或所采用的土方工程机械造成损伤。通常关于这些物体的记录是不完整的、错误的或者甚至根本就不存在。因此，在土方工程开始之前必须在要开挖的土地上对地下物体进行调查。这种研究通常是根据对可以指定给该物体的电磁场进行探测而实现的，例如采用常见的手持式测位仪。
对土地进行扫描尤其在大面积范围工作时造成了大量的时间开销和费用开销。因此，通常将测定位置仪器或者测位仪(如电缆探测器)直接安装在土方工程机械(如挖掘机)上，并且在进行土方工程期间对埋藏的物体进行检测。为了尽可能避免在挖掘时触及到该物体而有利地采用了测位仪，通过该测位仪甚至可以确定出埋藏物体的深度。为此公开了一些具有两个天线的测位仪，这些天线在该物体的垂线上间隔地设置。根据天线检测到的磁场情况(Feld-)以及天线之间的已知距离可以推导出该物体至测位仪的距离。按照有利方式存储并记录该物体数据，从而可以建立或者补充土地文档(如地图)。
在现有技术中，如挖掘机的土方工程机械早已被公开。在此，本发明涉及具有工作部(尤其是挖掘机臂)的土方工程机械，该工作部具有土方处理部(如铲斗)。在此，土方处理部例如以能够在工作部的下臂部上摆动的方式安装。尤其是，工作部具有两个或三个构件作为臂部，它们均能够由液压调整机构驱动。
US 2006/0265914 A1描述了一种系统，该系统用于在通过土方工程机械执行土方工程期间遵循预定边界。为此，最好在土地中设置地下的信号发射装置，该信号发射装置通过其位置确定了边界或者边界区域。通过接收装置接收由信号发射装置发射的信号，并且转发至分析单元，在此分析单元根据所接收的信号推导出信号发射装置的位置，并且由此推导出与所述边界有关的信息。这里建议，将接收装置本身固定在工作机械上，或者相对于该工作机械可移动地、在地点上分离地定位的位置，例如定位在另外的独立车辆上。
但是对于例如测定产生磁场的地下供应管线的位置的这种应用来说，由US 2006/0265914 A1公开的系统是没有作用的，这是因为检测供应管线的要求必然不同于发送接收系统的要求。
在US 6,633,163中示出了一种土方工程机械，两个磁场探测器以不同高度设置在该土方工程机械上。通过对探测器测量结果进行比较得到与土方工程机械靠近磁场发生方有关的信息。通过所示系统可以确定磁场发生方到土方工程机械的相对位置。在所述美国专利文献中没有提及磁场发生方到土方工程机械的距离的确定或者说磁场发生方深度的确定。另外，由于该探测器直接设置在机器上，因此该系统仅适合于将工作部向回拉的土方工程机械。
US 5,592,092描述了两个传感器，它们间隔地设置在挖掘机的铲斗上，用于检测地下物体的磁场。根据传感器之间的已知距离、探测到的场强值之差以及铲斗的位置，推导出铲斗至物体的距离。由于传感器安装在铲斗上，因此视铲斗姿态而定，这些传感器未必垂直位于该物体上方。因此，在确定距离时必须要考虑铲斗姿态。由于直接固定在铲斗上，因此在挖掘时存在损伤这些传感器的危险。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种土方工程机械用的不易受到损伤的测定位置系统，在进行土方工程时可以利用该测定位置系统检测一定区域中的地下物体，所述区域是将在土方处理部的当前姿态下和位置中进行挖掘的地面区域。
本发明的另一任务在于提供一种土方工程机械用的不易受到损伤的测定位置系统，利用该测定位置系统还可以确定到该地下物体的距离。
通过权利要求1或者从属权利要求的主题来解决这些任务，或者进一步改进这些解决方案。
根据本发明，土方工程机械用的测定位置系统具有：指向土方处理部(如铲斗)的探测部，该探测部具有预定探测方向；计算部；指示部，其例如用于指示或者转发距离信息。在此，探测部通过固定部安装在工作部的下侧部件上，并且该机器的土方处理部也固定在该下侧部件上，于是探测部的探测方向是基本平行于该下侧部件的纵向取向的，所述下侧部件表现为工作部的下臂部。为了在土方工程机械的挖掘机臂的下臂部上实现安装、尤其是为了实现可拆除的固定，而采用该固定部。按照有利方式，该固定部可以如此设置在工作部上，即，使探测部定位成尽可能不受损伤。由于探测部设置在该臂的下侧部件上，探测轴以平行于该下侧部件纵轴的方式取向，因此探测轴、进而探测部的预定探测方向指向土方处理部和该土方处理部要处理的地表。同时，通过这种布置方式还可以避免与土方处理部或者与土地本身发生接触和碰撞，否则所述接触和碰撞或许会造成对探测器的损坏。于是，以复杂程度较低并且不易受到损坏的方式实现了具有探测部的测定位置系统，所述探测部对这样一些土地中的物体进行探测，所述土地是在土方处理部的当前姿态和位置中由该土方处理部进行处理的土地。在应用根据本发明的测定位置系统时，不必将扫描要进行处理的土地作为处理土地之前的独立工序。
探测部的一个有利实施方式在于，以沿着工作部下侧部件的纵向间隔开的方式将两个天线设置在一个轴上，在此探测部的探测方向是由该轴的方向规定的。由于这些天线是以保持间隔的方式安装在该轴上的，因此在该轴的不同位置处探测到的该物体发射的磁场的强度是不同的。根据间隔设置的两个天线所探测到的磁场强度的差别并且结合这两个天线之间的距离，可以确定出该物体至探测部的距离。
能够指定给该物体的电磁场例如是通过交流电产生的磁场或者感生的磁场。通常可以根据铺设于地下的供应管线(如：高压及低压线、电信线路或者水管)或者其他地下物体的时变磁场来测定这些管线的位置。这些磁场例如因电流流过这些管线而生成，正如被施加了交流电的高压线或低压线那样。或者，这些磁场是通过将电磁信号施加到线路中而生成的磁场或者是在这些线路中反射的磁场。所述施加是通过直接向导电的供应管线施加而实现的，或者所述施加是通过在管线中感生磁场而实现的。导电的供应管线的交变磁场也可以通过来自远距离的发射器信号(如无线电发射器的无线电信号)感生得到。另外，这些磁场也可以来自发射器或者来自这些线路。例如，在非导电的供应管线中(如在陶瓷管或者塑料管中)穿入导线，或者将该导线铺设在这些供应管线侧旁，并向该导线供应交流电。
磁场的强度是从源点(即，导线或者发射器)到测量点的距离的一个度量标准。当电流正好流过直线导线时，磁场强度与距离d成反比地降低(B～k/d)，在磁场为偶极子场(Dipolfeld)的情况下，磁场强度与距离d的三次方成反比地降低(B～k/d³)，其中，k表示比例常数；而B表示磁场的强度。
如前所述，借助于天线间隔设置的探测部在两个间隔开的测量点处对源点的磁场进行检测，也就是说对到该源点的两个距离进行检测。最后形成所测量的场强之比，从而抵消了比例常数。根据所测量的磁场以及这些天线之间的已知相对距离可以确定到该源点的距离。
比之具有两个天线的探测部，具有三个或多个天线的本发明测定位置系统探测部能够以更高精度确定物体距离。
如果探测部具有用于检测磁场的天线，那么这些天线可以是单轴、双轴或者三轴天线，在此双轴天线被称为x-y天线。借助于多轴天线可以在多个空间方向上测量磁场，于是不仅能够确定到物体的距离而且也能够确定到物体的方向向量，并且可以与方向无关地探测物体。
作为天线的另选方案，本发明测定位置系统的探测部也可以包括磁场探测器，例如磁强计或者霍尔传感器。
探测部也可以具有发射器和接收器，特别是用于测距。
例如，探测部表现为雷达，在此根据由探测部的发送单元发送并由该探测部的接收单元接收的辐射来探测物体。
需要时，探测部还包括激光测距仪、GPS系统或者其他光学测量设备，以便测量到原本的或者处理后的地表的距离。如果结合探测部可以确定到物体的距离，那么探测部或者工作部相对地表的位置可以被测量以用于确定物体的深度。可以依照所确定的深度来控制工作部。
也可以通过在机器控制中常见的其他方法来执行工作部的位置确定。例如，已经公开的有：测量工作部上的反射器。借助倾斜及压力传感器来确定作为工作部的挖掘机臂的位置，这同样是已知的。
根据本发明的测定位置系统被构造为土方工程机械用的测定位置系统。土方工程机械尤其表现为挖掘机，其具有作为工作部的挖掘机臂。通常，挖掘机臂包括多个臂部以及作为土方处理部的铲斗，它们的高度均可以调整。其上直接固定了土方处理部的臂部被称为下臂部。最好将本发明测定位置系统的固定部如此安装在下臂部上，即，该固定部最好尽可能靠近铲斗地设置，但是在挖掘机臂的任何一种姿态中均不会触及该铲斗。
固定部例如被构造为金属板，并且能够以磁性方式固定在工作部上。或者，固定部可以被构造为框架式保持部。一体结合在工作部内的固定部也是可行的；并且探测部也可以固定在该固定部上。在一种简化情况下，固定部由索或者夹子构成，以便将探测部固定在工作部上。将固定部形成为壳体是有利的，例如用于容纳计算部以及容纳电池或者在装配固定部和/或探测部时用的工具。固定部和探测部也可以设置在一个共用的壳体内。
根据本发明的测定位置系统还包括指示部，用于指示探测部的探测结果。如果探测仅是对电磁场进行探测，那么可以在探测到时由指示部生成警告信号。该警告信号例如以声音信号或者光信号的形式提供给使用者，如挖掘机驾驶员。附加地或者另选地，警告信号可以是土方工程机械的控制装置的信号，据此例如停止该机器的运动和/或工作部的运动。
需要时，根据本发明的测定位置系统包括计算部。借助计算部可以进一步处理探测部的探测结果。例如，根据该探测结果推导出至物体的距离，并且需要时存储它。计算部可以经由相应的接口与指示部通信，该指示部示出或者转发由计算部推导出的信息(例如距离信息)。
为了指示给使用者，指示部例如形成有图形显示器，并且指示部设置在驾驶室内。在该显示器上将探测结果作为警告信号示出，例如借助闪烁或者点亮的灯。在一个地表模型中，可以以图形方式借助指示灯或者数值示出距离信息。另选地或者附加地，也可以设置声音的报警。
计算部例如是微处理器。另外，可以给计算部或者指示部分配控制器。
探测部、指示部、以及需要时的计算部以及需要时的控制器均具有用于通信的装置。这种用于通信的装置可以是电缆连接，或者无线接口，如蓝牙或者现场总线(CANBUS)。这些部件例如也通过无线电信号进行通信。该通信是在各个部件之间进行的。另外，也可以与外部装置(如由用户操作的控制系统)或者与土方工程机械的控制装置进行通信。
附图说明
下面将结合在附图中示意性示出的实施例，纯粹示例性地详细说明或者阐述根据本发明的测定位置系统。图中：
图1示出挖掘机，其作为土方工程机械具有根据本发明设置的固定部及探测部；
图2示出处于一个工作位置的挖掘机臂，其具有本发明测定位置系统的部件；
图3示出处于另一个工作位置的挖掘机臂，其具有本发明测定位置系统的部件；
图4示出探测部，其具有两个沿一个轴设置的x-y天线，并且示出由这些天线形成的锥形探测区，在该锥形探测区内对物体进行探测；
图5示出本发明测定位置系统的挖掘机，该测定位置系统具有固定部、探测部和指示部；
图6示出本发明测定位置系统的另一个实施例；
图7以四个部分视图示出本发明测定位置系统的相关部件的实施例；以及
图8示出本发明测定位置系统的指示部的一个实施例。
具体实施方式
图1示出了挖掘机2a，其作为土方工程机械具有根据本发明的测定位置系统。挖掘机2a行驶在要对其进行挖掘工作的地表10上。例如，挖掘工作是建造道路或者铺设线路或管路的一部分。在将要开挖的地表之下已经铺设有作为地下物的供应管线1，在此供应管线1发射电磁场。挖掘机2a具有作为工作部的挖掘机臂3a，其具有上臂部11a和下臂部12a以及铲斗13a，它们均可以借助液压缸调节高度。在下臂部12a上设置有固定部4a和探测部5a，它们作为本发明测定位置系统的部分，在此固定部4a被构造为以磁性方式固定在下臂部上的壳体。探测部5a如此设置在固定部4a上，即，探测部5a的探测轴(进而其探测方向)基本平行于下臂部12a的纵向。因此，探测方向始终指向铲斗13a的方向以及铲斗13a将要开挖的地面的方向。探测部5a被构造用于探测电磁辐射。只要探测到辐射，就借助设置在构造为壳体的固定部4a内的计算部对源点的距离进行计算，并且将信息转发至挖掘机2a的指示部或者控制装置(未示出)。该转发是通过无线电(如蓝牙接口)实现的。指示部、探测部5a和固定部4a也可以设置在一个共用的壳体内。
图2示出了处于工作位置的挖掘机臂3b，其具有本发明测定位置系统的部件。从图可见，该测定位置系统的探测部5b是如此设置的，即，其尽可能设置在铲斗13b的近旁，但是尚且保留一定距离以使得其不会触及该铲斗。另外还示出了锥形探测区7b，在该锥形探测区内可以探测物体。在此，对当前位置下的铲斗13b将要进行挖掘的土地进行扫描。
图3示出处于另一个工作位置的挖掘机臂3c，其具有测定位置系统的部件。另外，安装了反射元件14。可以通过视距仪测量反射元件14，从而确定该元件的位置。挖掘机臂3c还配备有下列传感器：即，压力传感器15、15′、15″，它们被相应地分配给未示出的液压缸(其用于调整挖掘机臂3c的上臂部11c和下臂部12c以及铲斗13c)。另外上臂部11d、下臂部12d以及铲斗13c分别配备有倾斜传感器。图中未示出倾斜传感器。借助反射元件14和这些传感器，可以由反射元件14的位置以及倾斜信息，并根据简单的几何形状计算出铲斗下侧边缘的位置。如果现在通过测定位置系统确定了到地下物体的距离，那么结合对挖掘机臂3d位置的认知，进而结合对与挖掘机臂3c保持固定位置关系的探测部5c位置的认知，可以确定出该物体的深度。
图4示出了根据本发明的探测部5d的一个实施例，探测部5d具有两个在一个轴上间隔设置的x-y天线20a′和20a″，由此定义了探测部5d的沿着该轴的探测方向30以及锥形探测区7d，在锥形探测区7d内对物体进行探测。
图5中的挖掘机2e在地表10′处挖掘土方。在挖掘机臂上，探测部5e通过固定部4e设置在与铲斗13e可转动地连接的下臂部12e上。根据后续的图7C，探测部5e具有天线和激光测距仪。通过借助该激光测距仪测量至地表的距离(在此，例如是至被挖掘的地表10″的距离)，就可以根据由探测部5e的探测数据计算得到的物体距离确定出该物体的深度。该图示出了，探测部5e通过连接件7e和固定部4e如此设置在臂部12e上，即，探测部5e即使在铲斗13e的终点位置也不会触及到铲斗13e，进而防止受到铲斗13e的损害。在运输挖掘机时(即，当挖掘机未投入使用时)可以简单地去除探测部5e以及或许存在的其他部件(例如防止失窃的部件)。
图6示出本发明测定位置系统的一个实施例，其具有作为壳体4f的、被构造用于计算部的固定部。壳体4f上设有探测部5f。根据之前的附图，固定部被安装在挖掘机2f的下臂部12f上。作为固定部的壳体4f在壳体背板上设有磁体条，通过该磁体条，壳体4f以磁性方式固定在前臂部12f上。磁性固定允许快速简单地安装及拆除壳体4f。在挖掘机2f的驾驶室内设有指示部6f，其包括图形显示器。指示部6f例如是依照下面在图8中示出的实施例构成的。
图7A更为详细地示出固定部4f的一个实施方式，其被构造为电池仓16以及计算部8f的壳体。
图7B示出探测部5f，其具有第一天线20b′和第二天线20b″，这些天线以彼此之间保持已知轴向距离d的方式设置在壳体18内。图7C示出了探测部的一个实施例，其同样具有第一及第二天线20c′、20c″(它们彼此也保持固定的距离)，并且附加地还具有激光测距仪19。这些天线例如以单线圈或者多线圈的方式构造为单轴天线20d、x-y天线20e或者三轴天线20f，如图7D所示。地下导线的时变磁场在这些天线的一个或多个线圈的端部之间感生出电压，所感生出的电压取决于该磁场的大小。在计算部8f中，根据这些天线的输出，推导出该导线的距离值。所述推导例如可以表现为简单地将距离值指定给这些天线的输出。
在图8中示出了本发明测定位置系统的指示部6g的一个实施例。指示部6g具有图形显示器6g′，并且被构造为指示及控制单元。在图形显示器6g′上形成有多个LED作为可视指示装置，并且还形成有多个开关按钮用于选择设定。这些开关按钮包括“静音”开关按钮21用于使得声音报警被静默(在此，除了可视报警信号之外还设置了所述声音报警)。通过另一个开关按钮22可以将测定位置系统切换到“待机”或者“运行”。与开关按钮相关的LED 23指示出哪种设定是激活的。两个另外的LED 24示出了计算部8f和探测部5f以及显示器6g′的电池状态。位于显示器6g′上侧区域中的LED 25是与探测到的地下物体的距离信息有关的可视指示器。以三个色彩段(绿、黄、红)对它们进行划分。如果绿色的LED 25′点亮，这表明探测到了地下物体，但是该物体处于30cm之外的距离中。黄色LED 25″点亮表明该物体现在处于30cm之内的距离中。红色LED25′″点亮表明该物体处于10cm之内并且处于最高报警等级中。