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DE19715458A1 - Satellitennavigationsgestütztes Baustellen-Management-System (BMS) zur Vermeidung von Kollisionen von beweglichen Baugeräten und Fahrzeugen - Google Patents

Satellitennavigationsgestütztes Baustellen-Management-System (BMS) zur Vermeidung von Kollisionen von beweglichen Baugeräten und Fahrzeugen

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DE19715458A1
DE19715458A1 DE19715458A DE19715458A DE19715458A1 DE 19715458 A1 DE19715458 A1 DE 19715458A1 DE 19715458 A DE19715458 A DE 19715458A DE 19715458 A DE19715458 A DE 19715458A DE 19715458 A1 DE19715458 A1 DE 19715458A1
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Germany
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vehicles
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vehicle
gps
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Wolfgang Prof Dipl Ing Miegel
Stefan Dipl Ing Geisler
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GEISLER STEFAN DIPL ING FH
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GEISLER STEFAN DIPL ING FH
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Description

Es ist bekannt, daß bewegliche Baugeräte und Fahrzeuge sich auf Kollisionskurs befinden und gegebenenfalls kollidieren. Zur Vermeidung von Kollisionen sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die zur Erreichung des Zweckes problembedingt In­ dividuallösungen enthalten. Es ist jedoch kein Verfahren bekannt, welches das Kol­ lisionsproblem nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 und folgende löst.
Das Verfahrensprinzip wird wie folgt beschrieben. Mittels Satelliten- Navigationsgeräten wird die Position, Dreh- und/oder Fahrrichtung von beliebig vie­ len beweglichen Baugeräten und Fahrzeugen erfaßt. Dabei können sowohl NAV­ STAR GPS (Global Positioning System) Empfänger, GLONASS (Global Navigation Satellite System) Empfänger oder kombinierte NAVSTARIGLONASS Empfänger oder sonstige Empfänger verwendet werden, die für differentiellen Echtzeitbetrieb geeignet sind. Diese Informationen werden dann in den jeweiligen mobilen Einheiten weiter verarbeitet und stehen per UKW-Datenfunk-Modem anderen mobilen Einhei­ ten oder einer zentralen Station zur Verfügung. Jedem beweglichen Baugerät bzw. Fahrzeug wird ein spezifischer von der Bewegungscharakteristik abhängiger, drei­ dimensionaler Warn- und Sperrbereich zugeordnet (siehe Fig. 1 und 2 am Beispiel eine Kranes). Nähert sich ein vom BMS erfaßtes Baugerät oder Fahrzeug einem anderen, so daß sich deren Warn- bzw. Sperrbereiche überschneiden, so wird vom BMS eine optische und/oder akustische Warnung durch optische und/oder akusti­ sche Signalgeber angezeigt. Derartige Signalgeber können z. B. Leuchtdioden, Lampenfelder, Lautsprecher, Sirenen oder Piezo-Summer sein. Durch diese Warn­ signale wird das Bedienungspersonal darauf aufmerksam gemacht, daß sich sein Baugerät oder Fahrzeug auf Kollisionskurs zu einem anderen Baugerät oder Fahr­ zeug befindet. Dabei werden je nach dem Grad der Annäherung die Warnsignale variiert, derartige Variationen können z. B. von Grün über Gelb auf Rot wechselnde Leuchtdioden oder Lampen sein. Dabei können gleichzeitig immer intensivere, z. B. hochfrequentere und/oder lautere, akustische Signale abgegeben werden. Wenn sich die beiden Objekte soweit einander angenähert haben, daß eine Kollision droht, kann eines der beiden Fahrzeuge oder Baugeräte, automatisch von dem BMS ge­ stoppt werden, bis das andere Objekt den Abstand zum ersten Objekt wieder ver­ größert hat.
Diese Verfahrensprinzip wird anhand der folgenden Beispiele erläutert:
  • 1. Der Schwenkbereich zweier Kräne A und B unterschneiden sich wie in Fig. 1 dar­ gestellt. Für Kran A und B ist sowohl der Warn- als auch der Sperrbereich gekenn­ zeichnet. Befindet sich nun der Ausleger von Kran A im Überschneidungsbereich beider Kräne und der Ausleger von Kran B nähert sich diesem, so daß sich die je­ weiligen Warnbereiche überschneiden, werden die Kranführer von dem BMS durch optische und/oder akustische Warnsignale, wie oben erläutert, auf die unmittelbare Nähe des anderen Baugerätes aufmerksam gemacht. Nähert sich der Ausleger des Kranes A dem des Kranes B soweit, daß sich z. B. der Sperrbereich von Kran A mit dem Warnbereich von Kran B überschneidet, werden die Warnsignale, wie oben erläutert, intensiviert. Bei einer Überschneidung zweier Sperrbereiche bzw. bei un­ mittelbar drohender Kollision wird eines von beiden Baugeräten automatisch durch das BMS gestoppt. Dabei kommt eine bei der Einrichtung des BMS spezifizierte Hierarchie der einzelnen Baugeräte und Fahrzeuge zum tragen, d. h. das hierar­ chisch niedrigere Objekt wird gestoppt.
  • 2. Ein vom BMS kontrolliertes Fahrzeug fährt innerhalb eines ebenfalls vom BMS kontrollierten Schwenkbereichs eines Kranes. Sobald sich das Fahrzeug dem Lasthaken des Kranes soweit nähert, daß sich die Warnbereiche der beiden Objekte überschneiden, wird das Bedienungspersonal durch optische und/oder akustische Warnsignale, wie oben erläutert, auf die unmittelbare Nähe des anderen Baugerätes bzw. Fahrzeuges aufmerksam gemacht. Nähert sich der Lasthaken des Kranes dem Fahrzeug soweit, daß sich z. B. der Sperrbereich des Lasthakens mit dem Warnbe­ reich des Fahrzeuges überschneidet, werden die Warnsignale, wie oben erläutert, intensiviert. Bei einer Überschneidung zweier Sperrbereiche bzw. bei unmittelbar drohender Kollision wird z. B. der Kran automatisch, wie oben erläutert, durch das BMS gestoppt.
Die Monitoringstation beste aus einer Überwachungseinheit (Monitoring- Blackbox), die aus einem internen für differentiellen Echtzeit-GPS-Betrieb geeigne­ tem GPS-Empfänger (DGPS-Board), einem UKW-Datenfunk-Modem, einem Mikro­ prozessor, einem Speichermodul (z. B. EPROM) mit Firmware und einem Schnittstel­ lenmodul (Interface-Modul) mit Ausgängen zum Anschluß von GSM-Geräten, Moda­ com-Geräten, Bündelfunkgeräten oder einem Festnetztelefon zur Fernüberwachung besteht. Des weiteren besteht die Monotoringstation aus einer GPS- und UKW-Funk-Antenne. Optional kann die Monitoringstation statt von einem eigenen Mikro­ prozessor auch von einem Personal Computer oder Notebook gesteuert werden.
Die mobilen Einheiten für Turmkräne bestehen aus einer Steuereinheit (Blackbox) für Kräne, die aus zwei internen für differentiellen Echtzeit-GPS-Betrieb geeigneten GPS-Empfängern (DGPS-Boards), einem bidirektionalen UKW-Datenfunk-Modem, einer Schnittstelle (Interface) zur kraninternen, speicherprogrammierbaren Steue­ rung (SPS), Mikroprozessor und einem Speicher (z. B. EPROM) mit Firmware be­ steht. Des weiteren bestehen die mobilen Einheiten aus zwei GPS-Antennen und einer UKW-Antenne. Optional können noch Geräte, wie oben erläutert, zur Ausgabe der Warnsignale nötig sein.
Die mobilen Einheiten für Fahrzeuge bestehen aus der Steuereinheit (Blackbox) für Fahrzeuge, die aus einem internen für differentiellen Echtzeit-GPS-Betrieb geeigne­ ten GPS-Empfänger (DGPS-Board), einem UKW-Datenfunk-Modem, einem Inter­ face zur Ausgabe der Warnsignale, einem Mikroprozessor und einem Speicher (z. B. EPROM) mit Firmware besteht. Des weiteren bestehen die mobilen Einheiten für Fahrzeuge aus einer GPS-Antenne und einer Funkantenne. Optional können noch Geräte, wie oben erläutert, zur Ausgabe der Warnsignale nötig sein.
Die Positionen der einzelnen vom BMS erfaßten Objekte werden mittels einer diffe­ rentiellen Echtzeit-GPS-Messung bestimmt, dabei übernimmt die Monitoringstation die Aufgaben einer GPS-Referenzstation. Für Objekte ohne schwenkbare Ausleger genügt es, die GPS-Antenne in etwa über deren Schwerpunkt anzubringen. Meß­ punkt bei einer GPS-Messung ist immer das Phasenzentrum der GPS-Antenne. Über die eindeutige äußere Geometrie von Objekten ohne Ausleger und die feste geometrische Beziehung der GPS-Antenne kann nun die genaue räumliche Lage des Objektes über seine gesamte äußere Ausdehnung bestimmt werden. Bei Objek­ ten mit schwenkbarem Ausleger z. B. einem Turmkran, muß neben der Positionsbe­ stimmung des Drehpunktes oder Drehachse, auch die relative Position des Ausle­ gers zur Drehachse bekannt sein, um die Position und Lage des Gesamtobjektes im Raum vollständig zu erfassen. Um die relative Position des Auslegers zur Drehach­ se zu bestimmen, wird eine GPS-Antenne (7) über den Drehpunkt und eine zweite GPS-Antenne (7) auf dem Ausleger angebracht (s. Fig. 9). Mittels dieser beiden Meßpunkte und der bekannten äußeren Geometrie des Objektes wird nun von der Steuereinheit die genaue räumliche Lage des Objektes über seine gesamte äußere Ausdehnung bestimmt. Wenn, wie oben erläutert, die Position eines Objektes be­ rechnet ist, wird diese von der Steuereinheit über Funk oder andere Datenübertra­ gungsvorrichtungen entweder an die Monitoringstation und/oder an alle anderen erfaßten Objekte übermittelt. Werden die Positionen ausschließlich an die Monito­ ringstation übermittelt, übernimmt die Überwachungseinheit die weitere Steuerung notwendiger Maßnahmen und Entscheidungen nach oben erläuterten Kriterien, wie die Übertragung mittels einer Datenübertragungsvorrichtung von Signalen zur Einlei­ tung Warn- oder Stoppmaßnahmen an die betroffenen Steuereinheiten. Die Steuer­ einheiten führen die eingeleiteten Warn- und Stoppmaßnahmen wie oben erläutert aus. Werden die Positionsdaten direkt mittels einer Datenübertragungsvorrichtung von Steuereinheit an Steuereinheit verschickt, übernehmen die Steuereinheiten di­ rekt die weitere Steuerung notwendiger Maßnahmen und Entscheidungen nach oben erläuterten Kriterien, wie die Auslösung von, z. B. oben erläuterten, Warnsigna­ len.
Die Erfindung ist insbesondere als Kollisionsschutz zwischen Baugeräten und Bau­ geräten, Baugeräten und Fahrzeugen, Fahrzeugen und Fahrzeugen zu verwenden. Dabei ist die Erfindung nicht nur auf den Einsatz auf Baustellen beschränkt, sondern kann auch als Kollisionsschutz für den Betrieb jeglicher beweglicher Objekte unter freiem Himmel benutzt werden. Wichtig ist dabei nur, daß die Positionsbestimmung mittels GPS, sowohl NAVSTAR als auch GLONASS und allen sonstigen Satelliten­ navigationssystemen vorgenommen wird. Die Positionsdaten können dabei auch durch andere Systeme, z. B. baugeräte- oder fahrzeuginterne Zusatzdaten, Strap­ down Systeme oder Funkpeilung gestützt werden. Die Datenübertragung von Objekt zu Objekt oder von Objekt zur Monitoringstation kann sowohl per Funk als auch durch jede andere technisch mögliche Datenübertragungsmethode stattfinden.
Es zeigen
Fig. 1 Warn- und Sperrbereich zweier Kräne in der Draufsicht,
Fig. 2 Warn- und sperrbereich eines Kranes in der Seitenansicht,
Fig. 3 Monitoring- und Referenzstation mit externen Anschlüssen,
Fig. 4 DGPS Monitoring- und Referenzstation,
Fig. 5 Mobile Einheit für Turmkräne interner Aufbau,
Fig. 6 Mobile Einheit für Turmkräne externe Anschlüsse,
Fig. 7 Mobile Einheit für Fahrzeuge Blackbox interner Aufbau,
Fig. 8 Mobile Einheit für Fahrzeuge mit externen Anschlüssen,
Fig. 9 Anbringung zweier GPS-Antennen für Objekte mit schwenk- und/oder dreh­ barem Ausleger am Beispiel eines Turmkranes.
Technische Beschreibung der einzelnen BMS-Komponenten:
1. DGPS-Monitoring- und Referenzstation (s. Fig. 3 und 4)
Die Monitoringstation besteht aus einer Überwachungseinheit (Monitoring-Blackbox) (1), die aus einem internen für differentiellen Echtzeit-GPS-Betrieb geeignetem GPS-Empfänger (DGPS-Board) (2), einem UKW-Datenfunk-Modem (3), einem Mi­ kroprozessor (4), einem Speichermodul (z. B. EPROM) mit Firmware (5) und einem Schnittstellenmodul (Interface-Modul) (6) mit Ausgängen zum Anschluß von GSM-Geräten, Modacom-Geräten, Bündelfunkgeräten oder einem Festnetztelefon zur Fernüberwachung besteht. Des weiteren besteht die Monotoringstation aus einer GPS- (7) und UKW-Funk-Antenne (8). Optional kann die Monitoringstation statt von einem eigenen Mikroprozessor auch von einem Personal Computer oder Notebook gesteuert werden.
2. Mobile Einheit für Turmkräne (s. Fig. 5 und 6)
Die mobilen Einheiten für Turmkräne bestehen aus einer Steuereinheit (Blackbox) (9) für Kräne, die aus zwei internen für differentiellen Echtzeit-GPS-Betrieb geeigne­ ten GPS-Empfängern (DGPS-Boards) (2), einem bidirektionalen UKW-Datenfunk- Modem (3), einer Schnittstelle (Interface) (11) zur kraninternen, speicherprogram­ mierbaren Steuerung (SPS), Mikroprozessor (4) und einem Speicher (z. B. EPROM) mit Firmware (5) besteht. Des weiteren bestehen die mobilen Einheiten aus zwei GPS-Antennen (7) und einer UKW-Antenne (8). Optional können noch Geräte, wie oben erläutert, zur Ausgabe der Warnsignale nötig sein.
3. Mobile Einheit für Fahrzeuge (s. Fig. 7 und 8)
Die mobilen Einheiten für Fahrzeuge bestehen aus der Steuereinheit (Blachbox) (10) für Fahrzeuge, die aus einem internen für differentiellen Echtzeit-GPS-Betrieb geeigneten GPS-Empfänger (DGPS-Board) (2), einem UKW-Datenfunk-Modem (3), einem Interface (12) zur Ausgabe der Warnsignale, einem Mikroprozessor (4) und einem Speicher (z. B. EPROM) mit Firmware (5) besteht. Des weiteren bestehen die mobilen Einheiten für Fahrzeuge aus einer GPS-Antenne (7) und einer Funkantenne (8). Optional können noch Geräte, wie oben erläutert, zur Ausgabe der Warnsignale nötig sein.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf das oben erläuterte Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen zwischen beweglichen Objekten, auf die oben erläuterte Überwachungseinheit (Monitoring Blackbox) (1) und auf die oben erläuterten Steu­ ereinheiten (Blackbox) (9, 10) für Baugeräte und Fahrzeuge gerichtet.

Claims (14)

1. Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen von beweglichen Baugeräten und Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß über mindestens eine mit einem GPS-(Global Positioning System) Board gekoppelte GPS- Antenne zwei- und/oder drei­ dimensionale Positionsinformationen zur Bestimmung des Standortes liefert und die Informationen in Echtzeit mit Hilfe eines Mikroprozessors verarbeitet werden, so daß die verarbeiteten Daten über ein Interfacemodul für die externe Datenausgabe Steuerungssystemen von Baugeräten und!oder Fahrzeugen zur Verfügung gestellt werden und gleichzeitig im Mikroprozessor bzw. dem integrierten Speicher baugerä­ te- bzw. fahrzeugcharakteristische Abmessungen hinterlegt sind, die die geometri­ sche Ermittlung eines Warnbereiches und/oder Sperrbereiches zulassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das GPS durch ein GLONASS (Global Navigation Satellite System) oder sonstigen Satelliten- Navigations-Systemen ersetzt oder ergänzt werden kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die GPS-Positionsinformation durch baugeräte- oder fahrzeuginterne Dreh- und/oder Wegge­ berinformationen ergänzt und/oder gestützt wird, um die zwei- und/oder dreidimen­ sionale Lage des Baugerätes oder Fahrzeuges zu bestimmen.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Mikro­ prozessor zur Verfügung gestellten Daten über ein Funkmodem mit angeschlosse­ ner Funkantenne auch anderen Baugeräten bzw. Fahrzeugen zur Verfügung gestellt werden können.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die Funkantenne und das hinterlegte Funkmodem auch Daten von anderen Baugeräten bzw. Fahrzeugen empfangen und im Mikroprozessor verarbeitet werden können.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Funkantenne und das hinterlegte Funkmodem von anderen Baugeräten bzw. Fahrzeugen empfangenen und im Mikroprozessor verarbeiteten Daten auch bidirek­ tional wieder an die informationsgebenden Baugeräte bzw. Fahrzeuge in verarbeite­ ter Form zurückgegeben werden können, um so auch dort Steuerungsfunktionen auszulösen.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die DGPS Monitoring- und Referenzstation auch außerhalb der Baugeräte und/oder Fahrzeuge stationiert werden kann.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blackbox für Baugeräte oder Fahrzeuge von den Baugeräten und/oder Fahrzeugen mitgeführt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei durch den Mikroprozessor berechneten Überlagerungen zweier Warn- oder Sperrbe­ reiche, sowie einer Kombination aus beiden, Warnungen an die Geräte- bzw. Fahr­ zeugführer in optischer und/oder akustischer Form abgegeben werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der auf Kollisionskurs befindlichen Baugeräte und/oder Fahrzeuge automatisch ge­ stoppt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn min­ destens ein Baugerät und/oder Fahrzeug den Warn- und/oder Sperrbereich wieder verlassen hat, das andere Baugerät und/oder Fahrzeug automatisch wieder in Be­ wegung gesetzt wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mi­ kroprozessor durch ein Personal Computer oder Notebook ersetzt werden kann, welches im Baugerät und/oder Fahrzeug direkt installiert wird.
13. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Personal Computer oder das Notebook auch extern installiert sein kann und die Datenübertragung bidirektional mit Hilfe eines Funkmodems und einer Funkantenne erfolgen kann.
14. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9 und 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung bidirektional mit Hilfe eines Interfacemoduls und eines nachgeschalteten Funk- und/oder Festnetztelefons und/oder einer sonstigen Daten­ leitung erfolgen kann.
DE19715458A 1997-04-09 1997-04-09 Satellitennavigationsgestütztes Baustellen-Management-System (BMS) zur Vermeidung von Kollisionen von beweglichen Baugeräten und Fahrzeugen Ceased DE19715458A1 (de)

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