DE2328863A1

DE2328863A1 - Anordnung zum spurfuehren von gleisfreien fahrzeugen

Info

Publication number: DE2328863A1
Application number: DE2328863A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Rubel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-06-06
Filing date: 1973-06-06
Publication date: 1975-01-02

Description

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Anordnung zum Spurführen von gleisfreien Fahrzeugen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Spurführen von gleisfreien Fahrzeugen mittels eines elektromagnetischen Feldes, das um einen entlang eines Fahrweges des Fahrzeuges verlegten, von Wechselstrom durchflossenen Leitdraht aufgebaut und durch zwei Spulen abtastbar ist, die senkrecht bzw. waagerecht am Fahrzeug angeordnet sind.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art wird die in der senkrechten Spule induzierte Spannung zum Spurführen verwendet, die in der waagerechten Spule induzierte Spannung dient zur Bestimmung der Phasenlage der in der senkrechten Spule induzierten Spannung. Der Regelbereich einer solchen Anordnung ist sehr begrenzt, da nur ein relativ schmaler Bereich beider Phasenlagen der in der senkrechten Spule induzierten Spannung genutzt werden kann. Dieser Regelbereich ist ausreichend für solche Anordnungen, bei denen

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die Spulen sehr dicht oberhalb des Leitdrahtes angeordnet werden können, wie dies beispielsweise bei Flurförderzeugen der Fall ist. Sie eignen sich nicht zum Spurführen von größeren Fahrzeugen, bei denen aus verschiedenen Gründen., wie Fahrbahnunebenheit und Mindestbodenfreiheit eine Anordnung der Spulen in unmittelbarer Nähe des Leitdrahtes unmöglich und ein größerer Rückführbereich bei Abweichungen vom Leitdraht erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gleisfreies Fahrzeug, insbesondere ein solches Fahrzeug, bei dem aus Betriebsgründen verhältnismäßig große Mindestabstände zwischen dem Leitdraht und den Spulen erforderlich sind, auch auf Fahrbahnen mit gestörten Feldern um den Leitdraht, sehr genau zu führen, d.h. nur kleine seitliche Abweichungen zwischen Leitkabel und Führungsanordnung zuzulassen; trotzdem soll die Anordnung bei evtl. Abweichungen von dem durch den Leitdraht bestimmten Fahrweg einen sehr weiten linearen Funktionsbereich der Nachführeinrichtung haben, also einen großen, linearen, sogenannten Fangbereich.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die normierten, in den in gleicher Höhe h über dem Leitdraht liegenden Spulen induzierten Spannungen den Funktionen

Us = cos/ · sin^ und Uw = cos

Us genügen und daß durch die Quotientenbildung üw aus den beiden Funktionen die lineare Funktion U=^ gebildet wird mit (* = arc tg jj und h = konstant, welche ein Maß für die Abweichung a des jeweiligen Fahrweges des Fahrzeuges von dem durch, den Leitdraht vorgegebenen Fahrweg darstellt. Durch die Quotientenbildung der beiden Spannungswerte erhält man als Regelkennlinie eine Gerade, deren praktisch nutzbarer Bereich nur begrenzt ist durch die Qualität und den Gleichlauf der Regelglieder und durch den schlechtesten noch zulässigen Geräuschabstand.

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Bei der Gewinnung der Regelkennlinie hat sich eine Anordnung besonders bewährt, bei der die in der waagerechten Spule induzierte Spannung Uw durch eine Verstärkungsregelschaltung mit variablem Verstärkungsfaktor ν auf einem konstanten Wert ν · Uw = 1 gehalten wird, und bei der ein Verstärker für die Spannung Us mit demselben Verstärkungsfaktor ν geregelt wird zur Erzielung der linearen Funktion U = r- = ν · Us. Eine solche Anordnung kann einfach aufgebaut werden und ist äußerst betriebssicher. Zur Erzielung eines besonders genauen Verstärkungsgleichlaufs der beiden Verstärker hat sich eine gemeinsame Taktung als Verstärkungsregelung als vorteilhaft erwiesen.

Weiter Einzelheiten der Erfindung sind anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Fahrzeug über einem nahe der Fahrbahnoberfläche verlegten Leitdraht,

Fig. 2 den Verlauf des elektromagnetischen Feldes um einen Leitdraht und die geometrischen Verhältnisse für eine Spulenanordnung im Abstand r vom Leitdraht,

Fig. 3 den Verlauf der in den beiden Spulen induzierten normierten Spannungen und

Fig. 4 ein Blockdiagramm der Regelanordnung.

In Fig. 1 ist mit 10 ein gleisfreies Fahrzeug bezeichnet, unter dem etwa mittig ein im Fahrweg 11 nahe der Oberfläche verlegter Leitdraht 12 verläuft. An der Unterseite des Fahrzeuges 10 sind in Fahrzeugmitte ca. 10 bis 30 cm über dem Fahrweg 11 eine waagerechte Spule 13 und eine senkrechte Spule 14 befestigt. Der Leit-

-H-

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draht 12 wird von einem Wechselstrom durchflossen, welcher ein im ungestörten Zustand kreisförmiges Feld um den Leitdraht ausbildet, durch das in den Spulen 13 und 14 zur Spurführung des Fahrzeuges 10 verwendete Spannungen induziert werden.

Anhand der Fig. 2 soll die Wirkungsweise der Anordnung zum Spurführen des gleisfreien Fahrzeugs 10 näher erläutert werden. Das sich um den Leitdraht 12 ausbildende elektromagnetische Feld 15 ist mit dünnen gestrichelten Linien angedeutet. Der Feldverlauf ist dargestellt für den Fall, daß keine ferromagnetischen Teile und keine stromführenden Teile in der Nähe des Leitdrahtes 12 vorhanden sind, da nur dann die dargestellte gleichmäßige Form des Feldes erhalten bleibt. Der Ort der Spulen 13 und I⁴J liegt im gezeichneten Fall im Punkt 16, wobei die Abmessungen der Spulen für die Betrachtung vernachlässigt werden; d.h. die Entfernung r zwischen dem Punkt 16 und dem Leitdraht 12 ist wesentlich größer als die Abmessungen der Spulen, so daß über dem gesamten Querschnitt der Spulen ein homogenes Feld angenommen werden kann. Die Höhe der beiden Spulen über dem Fahrweg 11 ist mit h bezeichnet, ihr Abstand vom Leitdraht 12 in der Ebene des Fahrweges 11 mit a. Der Winkel U. ist der Winkel zwischen einer Senkrechten im Punkt 16 und der Verbindungslinie zwischen diesem Punkt 16 und dem Leitdraht 12. U=I sei eine normierte Spannung zu der Spannung U, die im Abstand h in einer mittig über dem Leitdraht 12 angeordneten waagerechten Spule 13 induziert wird. Diese induzierte Spannung nimmt mit dem Abstand r vom Leitdraht 12 im Verhältnis — zu oder ab. Im Punkt 16 beträgt daher die in einer tangential zu den Feldlinien angeordneten Spule induzierte Spannung U · — . Bei einer Zerlegung dieser Spannung in eine waagerechte und eine senkrechte Komponente entsprechend der Anordnung der waagerechten Spule 13 und der senkrechten ,Spule 14 ergibt sich:

Us = ρ sin,/

Uw = - cosöC

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und mit

cos oC = - bzw. - =
r r

folgt: . . . --

Us = τ- sin /
η

Uw = τ- cos ^. ,

normiert und gleichgerichtet:

Üs = sin oC

- ρ
Uw = cos oC .

Uw ist die in der waagerechten Spule 13 induzierte Spannung; die in der senkrechten Spule 14 induzierte Spannung wird mit Us bezeichnet.

In Fig. 3 sind mit ausgezogenen Linien die normierten gleichgerichteten Spannungen Uw^ Us über r- dargestellt, wobei c( = arc tgr-

ist. Der Winkel g( kann sich bei der dargestellten Anordnung zum Spurführen eines gleisfreien Fahrzeugs nur in einem Bereich von 0° bis 90° verändern. Die hierüber hinausgehenden Kurvenbereiche brauchen daher nicht betrachtet zu werden. Durch die Normierung der in der waagerechten und senkrechten Spule induzierten gleichgerichteten Spannungen Uw und Us ergibt sich ein Schnittpunkt der beiden Kurven bei r- = 1 und U = 0,5. Da h konstant bleibt, ist das Verhältnis a : h ein Maß für die seitliche Abweichung des Fahrzeugs vom Leitdraht 12. Es soll ermittelt werden anhand einer Spannung U, im gezeichneten Fall einer normierten Spannung Ü. Aufgrund der Normierung schneidet die Kurve von Uw die Ordinate bei 1.

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Eine lineare Abhängigkeit zwischen dem waagerechten Abstand a der Spulen vom Leitdraht und der in den Spulen induzierten Spannungen erhält man durch die Quotientenbildung Üs : Uw. Setzt man die zuvor errechneten Punktionen für die normierten gleichgerichteten Spannungen Üs und Üw in diesen Quotienten ein, so erhält man:

Us _T-: sin ^ ♦ cos d. a _Ί r. a

Z~ = U = - = tg <*. = r » also U = -,

Uw cosV ^h

Dies ist eine lineare Punktion mit h = konstant, welche ein Maß für die Abweichung des jeweiligen Fahrweges des Fahrzeugs von dem durch den Leitdraht vorgegebenen Fahrweg darstellt. Auf der rechten Seite des Leitkabels 12 bzw. des Diagramms in Fig. ist die Spannung Us mit der Spannung Uw gleichphasig, auf der linken Seite gegenphasig. Bei phasenrichtiger Gleichrichtung von Us mit Uw als Bezugsphase bleibt die Gegenphasigkeit von Uw und Us auf einer Seite des Leitkabels bzw. der Ordinate in Fig. 3 erhalten; diese Phasenbeziehung stellt die Aussage dar, ob das Fahrzeug nach links oder nach rechts von seinem durch den Leitdraht vorgegebenen Weg abgewichen ist, d.h. ob Üs positiv oder negativ ist.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Erzeugung einer in Abhängigkeit von der Entfernung a linear ansteigenden Spannung U,

<■■ TTc O A

welche der Funktion U = — = r- entspricht und eine bis - "°

reichende Gerade darstellt. Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck die Spannung Üw durch eine Verstärkungsregelschaltung auf einem konstanten Wert gehalten. Mit ν als variablem Verstärkungsfaktor gilt: ν · Üw = 1. Diese Verstärkerregelschaltung besteht aus einem variablen Verstärker 17 und einem Diskriminator 18, in dem

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die mit variablem Verstärkungsfaktor v verstärkte Ausgangsspannung des variablen Verstärkers gleichgerichtet und mit einer Bezugsspannung verglichen wird. Die Ausgangsgröße des Diskriminators 18 bewirkt eine Veränderung des Verstärkungsfaktors ν je nach Zunahme oder Abnahme der in der waagerechten Spule 13 induzierten Spannung Uw. Diese Ausgangsgröße des Diskriminators 18 wird ferner einem zweiten variablen Verstärker 19 eingegeben, welcher die in der senkrechten Spule lh induzierte Spannung Us mit dem gleichen Verstärkungsfaktor ν verstärkt. Zwischen dem variablen Verstärker 17 und dem Diskriminator 18 wird die Bezugsphase abgegriffen, mit der die Gleichrichtung der Spannung Us im Gleichrichter 20 gesteuert wird. Man erhält am Ausgang des Gleichrichters 20 die Gleichspannung Üs, für die die lineare Beziehung gilt:WJs = ^. Regelt man also den Verstärker 19 für das Signal Us mit demselben variablen Verstärkungsfaktor aus der oben angegebenen Beziehung, mit dem

Uw · ν = 1 gehalten wird, so erhält man U = Us · ν = xü = r-·

Üw ⁿ

Der praktisch nutzbare Bereich dieser Funktion U = r- ist nur begrenzt durch Regelbereich und Gleichlauf der beiden geregelten Verstärker und durch den schlechtesten, noch zulässigen Geräuschabstand.

Der genaue Verstärkungs-Gleichlauf der beiden Verstärker 17 und 19 wird erreicht durch eine gemeinsame Taktung als Verstärkungsregelung. Eine solche gemeinsame Taktung ist an sich bekannt aus der älteren deutschen Patentanmeldung DT-OS 2 303 311· Ein näheres Eingehen auf diese gemeinsame Taktung erübrigt sich in der vorliegenden Anmeldung, da sämtliche Einzelmerkmale einer solchen Taktung für sich allein aus der genannten älteren deutschen Patentanmeldung vorbekannt sind. Das Prinzip dieser gemeinsamen Taktung besteht darin, daß der Eingang eines Verstärkers mit konstantem Verstärkungsfaktor und Tiefpaß-Charakteristik durch einen schnellen elektronischen Schalter kurzzeitig mit dem ankommenden

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Signal verbunden wird. Die Schaltfrequenz des Schalters ist dabei sehr viel höher als die Frequenz de zu verstärkenden Signals. Sie wird durch den Tiefpaßcharakter des Verstärkers unterdrückt. Die Gesamtverstärkung der Anordnung ist: . Vg = ν · t ₍

wobei t die Impulszeit und T die Periode des Schaltimpulses bedeutet. Wenn ν und T konstant sind, hängt Vg nur von der Impulszeit t ab, die genau steuerbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich auch zum Führen eines gleisfreien Fahrzeugs auf Fahrbahnen mit partiell gestörten Feldern sehr gut, da einerseits Störeinflüsse auf beide Spulen 13 und I¹J weitgehend gleichmäßig einwirken, wenn die Spulen in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind, und weil andererseits wegen der Linearität der Beziehung U = ^ die Höhe h nicht durch den gewünschten Fangbereich vorgegeben ist, so daß sie frei so gewählt werden kann, daß die Störungen, insbesondere Feldinhomogenitäten durch durch Fahrbahnamierungen, ein Minimum sind.

Treten Abweichungen von dem vorgegebenen Fahrweg ein, so erlaubt die Linearität der Regelfunktion eine Zurückführung des Fahrzeugs auch noch bei großen Abweichungen von der vorgegebenen Fahrstrecke.

Die Frequenz des in dem Leitkabel 12 fließenden Stromes liegt im Tonfrequenzbereich. Das magnetische Wechselfeld dieses Stromes wird von zwei Spulen 13 und 1*1 empfangen, welche am Bug des Fahrzeuges angebracht sind*

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Im Gegensatz zu den zum Stand der Technik gehörenden Spurführungsverfahren, bei denen man bereits die in der senkrechten Spule 14 induzierte Spannung Us verwendete, ist die erfindungsgemäße Regelkennlinie zwischen = °*> gerade. Bei der bekannten Regelung unter Verwendung der in der senkrechten Spule induzierten Spannung war je nach Strenge der Linearitätsforderung eine Regelung nur im Bereich zwischen - (0,4 ... 0,6) * γ- möglich. In diesem Bereich kann die Punktion Us = sino( · cos^ näherungsweise als linear betrachtet werden. Die bekannten Anordnungen zur Spurführung sind vorzugsweise für Flurförderfahrzeuge verwendet worden, welche einerseits sehr langsam fahren und andererseits aufgrund geringer Bodenunebenheiten mit sehr niedrig über der Fahrbahn angeordneten Spulen ausgerüstet werden können, die an der Lenkdeichsel angebracht sind und so mechanisch dem Leitdraht nachgeführt werden. Die Abstände zwischen Fahrbahn und Unterkante der senkrechten Spule betragen hierbei üblicherweise nur wenige Zentimeter. Die waagerechte Spule kann bei den bekannten Anordnungen wesentlich höher oder an anderer Stelle am Fahrzeug angeordnet werden, denn ihr Signal wird nur zum Gewinn der Bezugsphase gebraucht, die Größe der in der waagerechten Spule induzierten Spannung spielt bei den bekannten Anordnungen keine Rolle.

Im Gegensatz zu den zuvor geschilderten bekannten Nachführeinrichtungen ist bei Kraftfahrzeugen eine Bodenfreiheit von ca. 10 bis 20 cm, bei Lastkraftwagen häufig noch eine größere Bodenfreiheit notwendig. Bei sehr niedrigen Fahrgeschwindigkeiten bis ca. 25 km/h würden die bekannten Anordnungen in verschiedenen Anwendungsfällen evtl. noch ausreichen, da die Trägheit des Lenksystems bei diesen Geschwindigkeiten noch gut beherrschbar ist und keine großen seitlichen Abweichungen von der Fahrstrecke auftreten. Bei höheren Geschwindigkeiten reicht der sog. Fangbereich der bekannten Anordnungen nicht mehr aus. Eine Vergrößerung des Fangbereiches· durch höhere Anordnung der senkrechten Spule 14 bei den bekannten Systemen scheidet deshalb

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aus, weil aufgrund von Feldstörungen durch Kanaldeckel, Wasserrohre oder Stahlarmierungen von Betonfahrbahnen die Höhe h nicht beliebig vergrößert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden diese Nachteile behoben, der Fangbereich kann bis zu einer Grenze vergrößert werden, die nicht durch die Linearität der Regelgröße, sondern ausschließlich durch Regelbereich und Gleichlauf der beiden geregelten Verstärker sowie durch den schlechtesten noch zulässigen Geräuschabstand begrenzt ist.

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Claims

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Ansprüche

/ 1. !Anordnung zum Spurführen von gleisfreien Fahrzeugen mittels eines elektromagnetischen Feldes, das um einen entlang eines Fahrweges des Fahrzeuges verlegten, von Wechselstrom durchflossenen Leitdraht aufgebaut und durch zwei Spulen abtastbar ist, die senkrecht bzw. waagerecht am Fahrzeug angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die normierten, in den in gleicher Höhe h über dem Leitdraht liegenden Spulen (13» I¹O induzierten und gleichgerichteten Spannungen den Funktionen

Os = costft · sinoC und 2

Uw = cos s

ch die Quotientenbildung

Üw

Ös genügen, und daß durch die Quotientenbildung — aus den

beiden Funktionen die lineare Funktion U = r- gebildet wird mit o( = arc tg r- und h = konstant, welche ein Maß für die Abweichung a des jeweiligen Fahrweges des Fahrzeuges (10) von dem durch den Leitdraht (12) vorgegebenen Fahrweg darstellt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der waagerechten Spule (13) induzierte Spannung Uw durch eine Verstärkungsregelschaltung (17, 18) mit variablem Verstärkungsfaktor ν auf einem konstanten Wert ν · Üw = 1 ge-

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halten wird, und daß ein Verstärker (19) für die Spannung

gesteuert Us mit demselben Verstärkungsfaktor ν'wird zur Erzielung •der linearen Funktion U = r- = ν · Us
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärker (17, 19) eine gemeinsame Taktung als Verstärkungsregelung aufweisen.

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