DE102019201099A1 - Method for estimating the position and orientation of several moving modules in a common system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von mehreren zueinander beweglichen Modulen eines gemeinsamen Systems mittels Inertialsensoren (S1, S2), die an den Modulen angeordnet sind. Dabei wird eine Linearbeschleunigung (α,a,), die während einer dynamischen Bewegung auftritt, mittels Sensordaten der Inertialsensoren (S1, S2) vor der Zustandsschätzung kompensiert.The invention relates to a method for estimating the position and orientation of a plurality of mutually movable modules of a common system by means of inertial sensors (S1, S2) which are arranged on the modules. A linear acceleration (α, a,) that occurs during a dynamic movement is compensated for by means of sensor data from the inertial sensors (S1, S2) before the condition is estimated.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von mehreren zueinander über Gelenke beweglichen Modulen eines gemeinsamen Systems, bei dem eine Linearbeschleunigung von Sensoren des gemeinsamen Systems vor der Zustandsschätzung kompensiert wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The present invention relates to a method for estimating the state of the position and orientation of a plurality of modules of a common system that can be moved by means of joints, in which a linear acceleration of sensors of the common system is compensated for before the condition is estimated. The invention further relates to a computer program that executes every step of the method when it runs on a computing device, and to a machine-readable storage medium that stores the computer program. Finally, the invention relates to an electronic control device which is set up to carry out the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Heutzutage schreitet die Automatisierung im Bereich der Arbeitsmaschinen rasch voran. Um die Arbeitsmaschinen und deren Werkzeuge zu automatisieren, ist es notwendig durch eine Zustandsschätzung die Lage und die Orientierung der Arbeitsmaschine und der Werkzeuge zu kennen. Die Lage und die Orientierung von mehreren zueinander beweglichen Modulen, die insbesondere über Gelenke miteinander verbunden sind, werden mittels Inertialsensoren, die an den Modulen angeordnet sind, ermittelt.Nowadays, automation in the field of work machines is progressing rapidly. In order to automate the work machines and their tools, it is necessary to know the position and orientation of the work machine and the tools by means of an assessment of the condition. The position and the orientation of several mutually movable modules, which are connected to one another in particular via joints, are determined by means of inertial sensors which are arranged on the modules.
In
Ein an sich bekanntes Verfahren zur Zustandsschätzung ist für den Oberbau
- Für den Unterbau
U werden eine Transformationsmatrix Twu und ein daraus ableitbares Einheitsquaternion Qwu, welche die Lage und die Orientierung des UnterbausU im globalen KoordinatensystemW angeben, bereitgestellt 10. Gleichzeitig oder nacheinander nehmen die SensoreinheitenS1 ,S2 (in2 nicht gezeigt auch die weiteren SensorenS3 ,S4 ,S5 ), genauer die Inertialsensoren und die Magnetometer, Messsignale auf20, 30 . Als Messsignale wird die mit ω bezeichnete Winkelgeschwindigkeit, die mit a bezeichnete Beschleunigung sowie das mit m bezeichnete Magnetfeld aufgenommen. Der linksseitige Index gibt in2 an, in welchem Bezugskoordinatensystem der jeweilige Messwert aufgenommen wurde. Die gemessene Winkelgeschwindigkeit S1ωmess, die gemessene Beschleunigung S1amess und das gemessene Magnetfeld S1mmess für den Oberwagen durchlaufen einenFilter 21 , wodurch unter anderem ein Quaternion qW,L1, das die Rotation des OberwagensL1 gegenüber dem globalen KoordinatensystemW repräsentiert, und die geschätzte Winkelgeschwindigkeit L1ωest des OberwagensL1 ermittelt werden. Für das erste GelenkJ1 wird nun mittels des Quaternion qWL1 des OberbausL1 und des Einheitsquaternions des UnterbausU ein erster Gelenkwinkel Θ1 ermittelt40 und daraus wird dann im Anschluss die Transformationsmatrix TU,L1 für den Übergang zwischen dem UnterwagenU und dem OberwagenL1 ermittelt41 . Schließlich erfolgt eineMatrixmultiplikation 42 der Transformationsmatrix Twu für den UnterwagenU mit der Transformationsmatrix TU,L1 für den Übergang zwischen dem UnterwagenU und dem OberwagenL1 , um die Transformationsmatrix TW,L1 für den Übergang zwischen dem globalen KoordinatensystemW und dem OberwagenL1 zu erhalten.
- For the substructure
U become a transformation matrix Twu and a unit quaternion Qwu that can be derived from it, which shows the location and orientation of the substructureU in the global coordinate systemW specify, provided 10. Simultaneously or in succession take the sensor unitsS1 ,S2 (in2nd the other sensors are also not shownS3 ,S4 ,S5 ), more precisely the inertial sensors and the magnetometers,measurement signals 20, 30th . The angular velocity designated ω, the acceleration designated a and the magnetic field designated m are recorded as measurement signals. The left-hand index gives in2nd in which reference coordinate system the respective measured value was recorded. The measured angular velocity S1 ω mess , the measured acceleration S1 a mess and the measured magnetic field S1 m mess for the superstructure pass through afilter 21 , which causes, among other things, a quaternion q W, L1 that the rotation of the superstructureL1 versus the global coordinate systemW represents, and the estimated angular velocity L1 ω est of the superstructureL1 be determined. For the first jointJ1 is now using the quaternion q WL1 of the superstructureL1 and the uniform quaternion of the substructureU a first joint angle Θ 1 is determined40 and this then becomes the transformation matrix T U, L1 for the transition between the undercarriageU and the uppercarriageL1 determined41 . Finally, the matrix is multiplied42 the Twu transformation matrix for the undercarriageU with the transformation matrix T U, L1 for the transition between the undercarriageU and the uppercarriageL1 to the transformation matrix T W, L1 for the transition between the global coordinate systemW and the uppercarriageL1 to obtain.
In analoger Weise wird die gemessene Winkelgeschwindigkeit S2ωmess, die gemessene Beschleunigung S2amess und das gemessene Magnetfeld S2mmess für den Ausleger
Für die weiteren Glieder kann das Verfahren in analoger Weise weitergeführt werden.The procedure can be continued in an analogous manner for the other links.
Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens zur Berechnung der Vorwärtskinematik aus Gelenkwinkeln für stationäre Maschinen ist z. B. in der Abhandlung von Spong, Mark
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Eine Arbeitsmaschine führt typischerweise eine dynamische Bewegung aus. Bei dieser dynamischen Bewegung wird die Arbeitsmaschine beschleunigt. Demnach tritt für Sensoren der Arbeitsmaschine bei der Messung eine Linearbeschleunigung auf, welche vor allem die Messsignale von Inertialsensoren, allen voran von Beschleunigungssensoren, verändert. Folglich wird eine Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von mehreren beweglichen Modulen eines gemeinsamen Systems, d. h. der Arbeitsmaschine und deren Werkzeuge, bei der dynamischen Bewegung verfälscht.A work machine typically performs a dynamic movement. The machine is accelerated during this dynamic movement. Accordingly, linear acceleration occurs for sensors of the working machine during the measurement, which above all changes the measurement signals from inertial sensors, above all from acceleration sensors. As a result, a state estimate of the position and orientation of several movable modules of a common system, i.e. H. the working machine and its tools, distorted during dynamic movement.
Es wird nun vorgeschlagen, die Linearbeschleunigung, die während der dynamischen Bewegung auftritt, mittels Sensordaten der Inertialsensoren vor der Zustandsschätzung zu kompensieren. Die Inertialsensoren sind wie eingangs erwähnt den Modulen zugeordnet, wobei die Kompensation vorzugsweise für jeden Sensor einzeln durchgeführt wird.It is now proposed to compensate the linear acceleration that occurs during the dynamic movement by means of sensor data from the inertial sensors before the state estimation. As mentioned at the beginning, the inertial sensors are assigned to the modules, the compensation preferably being carried out individually for each sensor.
Um das globale Koordinatensystem festzulegen, wird üblicherweise die Richtung der Erdgravitation durch einen der Inertialsensoren ermittelt. Tritt allerdings die beschriebene Linearbeschleunigung während der dynamischen Bewegung der Arbeitsmaschine auf, so wird die Richtung aus einer Kombination der Erdgravitation und einem Anteil der Linearbeschleunigung ermittelt und somit das Ergebnis verfälscht. Es ist daher vorzugsweise vorgesehen, die Kompensation der Linearbeschleunigung bei der Ermittlung der Richtung der Erdgravitation durchzuführen.To determine the global coordinate system, the direction of earth's gravity is usually determined by one of the inertial sensors. However, if the described linear acceleration occurs during the dynamic movement of the working machine, the direction is determined from a combination of gravity and a portion of the linear acceleration and the result is falsified. It is therefore preferably provided to compensate for the linear acceleration when determining the direction of gravity.
Wie bereits beschrieben, sind die Inertialsensoren den jeweiligen Modulen zugeordnet. Die von den Inertialsensoren gemessenen Sensordaten, die zur Kompensation der Linearbeschleunigung verwendet werden, umfassen bevorzugt eine Beschleunigung des zugeordneten Moduls. Zusätzlich können die gemessenen Sensordaten eine Winkelgeschwindigkeit des zugeordneten Moduls umfassen. Bevorzugt werden die Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit eines jeden Moduls erfasst und zur Kompensation der Linearbeschleunigung für diesen Sensor verwendet.As already described, the inertial sensors are assigned to the respective modules. The sensor data measured by the inertial sensors and used to compensate for the linear acceleration preferably include an acceleration of the assigned module. In addition, the measured sensor data can include an angular velocity of the assigned module. The acceleration and the angular velocity of each module are preferably recorded and used to compensate for the linear acceleration for this sensor.
Vorteilhafterweise werden die Sensordaten, wie bereits beschrieben bevorzugt die Beschleunigung, eines Sensors zur rekursiven Berechnung eines weiteren Sensors verwendet. Bevorzugt ist der weitere Sensor einem Modul zugeordnet, das direkt mit dem Modul des erstgenannten Sensors verbunden ist. Mit anderen Worten wird die Linearbeschleunigung eines Sensors an einem Modul unter Bezugnahme auf die Sensordaten, insbesondere auf die Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit, für den Sensor des direkt davor angeordneten Moduls kompensiert.As already described, preferably the acceleration, the sensor data of a sensor are advantageously used for the recursive calculation of a further sensor. The further sensor is preferably assigned to a module which is connected directly to the module of the first-mentioned sensor. In other words, the linear acceleration of a sensor on a module is compensated for with reference to the sensor data, in particular the acceleration and the angular velocity, for the sensor of the module arranged directly in front of it.
Die Module sind typischerweise entlang einer kinematischen Kette angeordnet, das heißt die Bewegung eines Moduls hängt von der Bewegung des zuvor angeordneten Moduls ab. In diesem Fall findet die rekursive Berechnung der Linearbeschleunigung bevorzugt entlang einer kinematischen Kette der Module statt. Mit anderen Worten wird die Berechnung der Linearbeschleunigung der Module aufeinanderfolgend, eines nach dem anderen, beginnend bei einem ersten Modul, das mit einer festen Referenz, insbesondere im globalen Koordinatensystem, verbunden ist, durchgeführt.The modules are typically arranged along a kinematic chain, i.e. the movement of a module depends on the movement of the previously arranged module. In this case, the recursive calculation of the linear acceleration preferably takes place along a kinematic chain of the modules. In other words, the calculation of the linear acceleration of the modules is carried out successively, one after the other, starting with a first module that is connected to a fixed reference, in particular in the global coordinate system.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. The computer program is set up to carry out every step of the method, in particular if it is carried out on a computing device or control device. It enables the method to be implemented in a conventional electronic control unit without having to make structural changes to it. For this purpose, it is stored on the machine-readable storage medium.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, die Kompensation der Linearbeschleunigung durchzuführen.By loading the computer program onto a conventional electronic control device, the electronic control device is obtained which is set up to carry out the compensation of the linear acceleration.
Das Verfahren findet Anwendung bei einer Arbeitsmaschine, die einen mehrgliedrigen, artikulierten Arm aufweist. Ein Beispiel für solch eine Arbeitsmaschine ist ein Bagger mit einem Schaufelarm. Die Module entsprechen dabei den Gliedern des Arms, können zusätzlich auch weiteren Teilen des Baggers, wie z. B. einem Oberbau entsprechen.The method is used in a work machine that has a multi-part, articulated arm. An example of such a work machine is an excavator with a bucket arm. The modules correspond to the limbs of the arm, can also also other parts of the excavator, such as. B. correspond to a superstructure.
FigurenlisteFigure list
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
1 zeigt eine Arbeitsmaschine in Form eines Baggers gemäß dem Stand der Technik, an dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. -
2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Zustandsschätzung gemäß dem Stand der Technik. -
3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Zustandsschätzung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
1 shows a work machine in the form of an excavator according to the prior art, on which the inventive method can be carried out. -
2nd shows a flowchart of the method for state estimation according to the prior art. -
3rd shows a flow diagram of the method for state estimation according to an embodiment of the invention.
Ausführungsbeispiel der ErfindungEmbodiment of the invention
Im Folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von beweglichen Modulen eines Baggers
Bei der Notation gilt zu beachten, dass der rechtseitige Index angibt, zwischen welchen Modulen bzw. Koordinatensystemen die Bewegung erfolgt und der linksseitige Index angibt aus welchem Koordinatensystem die Bewegung betrachtet wird (der Ausdruck „aus Sicht des ...“ gibt an, welches Koordinatensystem zur Betrachtung herangezogen wird).With the notation it should be noted that the right-hand index indicates between which modules or coordinate systems the movement takes place and the left-hand index specifies from which coordinate system the movement is viewed (the expression "from the perspective of ..." indicates which coordinate system is used for consideration).
Für jeden Sensor
Im Folgenden wird die Kompensation der Linearbeschleunigung für den Inertialsensoren der zweiten Sensoreinheit
- Es wird eine rekursive Berechnung der Beschleunigung Auslegers
L2 relativ zum globalen KoordinatensystemW aus Sicht des Oberbaus H entlang der kinematischen Kette durchgeführt, die InFormel 1 dargestellt ist:L2 relativ zum globalen KoordinatensystemW aus Sicht des OberwagensL1 , L1αW,L1 bezeichnet die Beschleunigung des OberwagensL1 relativ zum globalen KoordinatensystemW aus Sicht des OberwagensL1 , L1αW,L1 bezeichnet die Winkelbeschleunigung des OberwagensL1 relativ zum globalen KoordinatensystemW aus Sicht des OberwagensL1 , L1ωW,L1 bezeichnet die Winkelgeschwindigkeit des OberwagensL1 relativ zum globalen KoordinatensystemW aus Sicht des OberwagensL1 , L1tL1,L2 bezeichnet die Translationskomponente der relativen homogenen Transformationsmatrix TL1,L2, L1vL1,L2 bezeichnet die Lineargeschwindigkeit des AuslegersL2 relativ zum OberwagenL1 aus Sicht des OberwagensL1 und L1αL1,L2 bezeichnet die Linearbeschleunigung des AuslegersL2 relativ zum OberwagenL1 aus Sicht des OberwagensL1 .
- It will do a recursive calculation of the boom boom
L2 relative to the global coordinate systemW From the point of view of the superstructure H carried out along the kinematic chain, which is shown in Formula 1L2 relative to the global coordinate systemW from the perspective of the uppercarriageL1 , L1 α W, L1 denotes the acceleration of the uppercarriageL1 relative to the global coordinate systemW from the perspective of the uppercarriageL1 , L1 α W, L1 denotes the angular acceleration of the superstructureL1 relative to the global coordinate systemW from the perspective of the uppercarriageL1 , L1 ω W, L1 denotes the angular velocity of the superstructureL1 relative to the global coordinate systemW from the perspective of the uppercarriageL1 , L1 t L1, L2 denotes the translation component of the relative homogeneous transformation matrix T L1, L2 , L1 v L1, L2 denotes the linear velocity of the boomL2 relative to the superstructureL1 from the perspective of the uppercarriageL1 and L1 α L1, L2 denotes the linear acceleration of the boomL2 relative to the superstructureL1 from the perspective of the uppercarriageL1 .
Durch numerische Differentiation wird zum einen aus der Winkelgeschwindigkeit S2ωW,S2 für den zweiten Sensor
Die Sensoren
Hierbei ist RL1,S1 der Rotationsanteil der Transformationsmatrix zwischen dem Oberwagen
Hierbei muss allerdings berücksichtigt werden, dass die Koordinatensysteme der Module und der Sensoren sich relativ zum globalen Koordinatensystem drehen. Die Linearbeschleunigung L1αW,L1 des Oberwagens
Die relative Winkelgeschwindigkeit L1ωL1,L2 und die relative Winkelbeschleunigung L1αL1,L2 zwischen dem Ausleger
Unter der Annahme, dass es sich bei den Gelenken
Eingesetzt in Formel 1, wird die die Linearbeschleunigung L1αW,L2 des Auslegers
Schließlich wird daraus die Linearbeschleunigung S2αW,S2 des zweiten Sensors
Der Wert der Linearbeschleunigung S2αW,S2 des zweiten Sensors
In
Im Falle eines fahrenden Basisfahrzeugs können hier auch aus der Eigenbewegungsschätzung des Fahrzeugs abgeleitete Größen verwendet werden. Anschließend wird die Linearbeschleunigung S1αW,S1 des ersten Sensors
Die Kompensation der Linearbeschleunigung für die weiteren Sensoren
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DE102019201099.7A DE102019201099A1 (en) | 2019-01-29 | 2019-01-29 | Method for estimating the position and orientation of several moving modules in a common system |
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- 2019-01-29 DE DE102019201099.7A patent/DE102019201099A1/en active Pending
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