DE102019207164A1 - Method for depositing a tool on a construction machine - Google Patents

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Kai Liu
Horst Wagner
Bilge Manga
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablegen eines Werkzeugs (2) einer Baumaschine (1) auf einen Boden (8). Es werden eine Position und eine Orientierung des Werkzeugs (2) relativ zur Baumaschine (1) oder zu einer Richtung der Erdgravitation mit Hilfe eines oder mehrerer der folgenden Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensor, Linearsensor durch einen Algorithmus zur Bestimmung einer kinematischen Kette der Baumaschine (1) bestimmt. Zudem wird eine Orientierung wenigstens eines den Boden (8) berührenden Teils (7) der Baumaschine (1) welches die Orientierung der Baumaschine (1) relativ zum Boden (8) charakterisiert, relativ zur Erdgravitation bestimmt. Auf Grundlage dessen erfolgt ein Regeln der Bewegung des Werkzeugs (2), um zum Ablegen des Werkzeugs (2) eine Unterseite des Werkzeugs (2) auf ein gleiches Niveau und in eine gleiche Orientierung wie das zumindest eine den Boden (8) berührende Teil (7) zu bringen.The invention relates to a method for placing a tool (2) of a construction machine (1) on a floor (8). A position and an orientation of the tool (2) relative to the construction machine (1) or to a direction of the earth's gravity with the help of one or more of the following sensors inertial measuring unit, angle sensor, linear sensor through an algorithm for determining a kinematic chain of the construction machine (1 ) certainly. In addition, an orientation of at least one part (7) of the construction machine (1) in contact with the ground (8), which characterizes the orientation of the construction machine (1) relative to the ground (8), is determined relative to earth gravity. On the basis of this, the movement of the tool (2) is regulated in order to place the tool (2) on an underside of the tool (2) at the same level and in the same orientation as the at least one part (8) touching the floor (8). 7) bring.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablegen eines Werkzeugs einer Baumaschine auf dem Boden unter Zuhilfenahme einer Tool Center Point Estimation. 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 depositing a tool of a construction machine on the ground with the aid of a tool center point estimation. The invention also relates to a computer program that executes each step of the method when it runs on a computing device, as well as 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

Eines der grundlegenden Manöver bei vielen Baumaschinen, wie z. B. Bagger, Radlader, Planierraupen und Ähnlichem ist das Ablegen des Werkzeugs der Baumaschine auf dem Boden. Dabei muss das Werkzeug sicher, d. h. ohne dass es kippt oder (ab-)rutscht, und mit möglichst geringer Stoßkraft auf den Boden abgesetzt werden. Gerade für ungeübte Bediener ist dieses Manöver oft schwierig, insbesondere, wenn die Sicht auf das Werkzeug und/oder den Boden behindert ist.One of the basic maneuvers in many construction machines, such as B. excavators, wheel loaders, bulldozers and the like is the placing of the tools of the construction machine on the ground. The tool must be safe, i.e. H. without it tipping or sliding, and with the least possible impact force on the ground. This maneuver is often difficult, especially for inexperienced operators, especially if the view of the tool and / or the ground is obstructed.

Es sind Algorithmen zur Bestimmung der kinematischen Kette bekannt. An jedem Glied des Werkzeugarms ist hierfür einer oder mehrere der folgenden Sensoren inertiale Messeinheit (IMU, inertial measuring unit), Winkelsensoren, Linearsensoren angeordnet, welche Sensordaten an ein Rechengerät senden. Die so ermittelten Sensordaten werden für jeden Sensor individuell gefiltert und zur Zustandsschätzung der Orientierung des jeweiligen Sensors relativ zu einem ortsfesten Inertialkoordinatensystem fusioniert. Ein solcher Algorithmus wird beispielsweise bei der Tool Center Point Estimation verwendet. Die Tool Center Point Estimation ist ein Algorithmus zur Zustandsschätzung von Orientierung und Position eines Endeffektors. Der Endeffektor ist insbesondere ein Werkzeug oder ein Teil eines Werkzeugs, das einen Werkzeugarm mit mehreren Gliedern, die über Gelenke verbunden sind, aufweist.Algorithms for determining the kinematic chain are known. For this purpose, one or more of the following sensors, inertial measuring unit (IMU), angle sensors, linear sensors, which send sensor data to a computing device, are arranged on each link of the tool arm. The sensor data determined in this way are filtered individually for each sensor and merged to estimate the state of the orientation of the respective sensor relative to a stationary inertial coordinate system. Such an algorithm is used, for example, in tool center point estimation. The Tool Center Point Estimation is an algorithm for the state estimation of the orientation and position of an end effector. The end effector is, in particular, a tool or a part of a tool that has a tool arm with several links that are connected by joints.

Typischerweise verwendete Verfahren sind in der Abhandlung von Nikolas Trawny und Stergios I. Roumeliotis. „Indirect Kalman filter for 3D attitude estimation“ University of Minnesota, Dept. of Comp. Sci. & Eng., Tech. Rep 2 (2005) , in der Abhandlung von Robert Mahony, Tarek Hamel, und Jean-Michel Pflimlin, „Nonlinear complementaryfilters on the special orthogonal group“, IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218 , sowie in der Abhandlung von Sebastian Madgwick, „An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays“ Report x-io and University of Bristol (UK) 25 (2010), beschrieben, auf die insoweit verwiesen wird .Typically used procedures are in the treatise of Nikolas Trawny and Stergios I. Roumeliotis. "Indirect Kalman filter for 3D attitude estimation" University of Minnesota, Dept. of Comp. Sci. & Eng., Tech. Rep 2 (2005) , in the treatise of Robert Mahony, Tarek Hamel, and Jean-Michel Pflimlin, "Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group", IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218 , as well as in the treatise of Sebastian Madgwick, "An efficient orientation filter for inertial and inertial / magnetic sensor arrays" Report x-io and University of Bristol (UK) 25 (2010), to which reference is made in this regard .

Aus der so geschätzten Orientierung des Sensors wird zunächst die Orientierung des Glieds, an dem der Sensor angeordnet ist, bestimmt. Dies wird für alle Glieder des Werkzeugarms durchgeführt. Aus der relativen Orientierung zweier aufeinanderfolgender Glieder lässt sich bei bekannter Kinematik (zum Beispiel bei bekannten Denavit-Hartenberg Parametern) der Gelenkwinkel des Gelenks, das die beiden Glieder verbindet, berechnen. Sind schließlich alle Gelenkwinkel und die Maße der Glieder bekannt, folgt die gesamte Konfiguration des Werkzeugarms direkt aus der Vorwärtskinematik und somit die Orientierung und Position des Endeffektors.From the orientation of the sensor estimated in this way, the orientation of the member on which the sensor is arranged is first determined. This is done for all links of the tool arm. With known kinematics (for example with known Denavit-Hartenberg parameters) the joint angle of the joint that connects the two links can be calculated from the relative orientation of two successive links. If all joint angles and the dimensions of the links are finally known, the entire configuration of the tool arm follows directly from the forward kinematics and thus the orientation and position of the end effector.

Für eine detaillierte Beschreibung wird auf die Abhandlung von Mark W. Spong, Seth Hutchinson und Mathukumalli Vidyasagar, „Robot modeling and control“, Vol. 3. New York: Wiley, 2006 , verwiesen.For a detailed description, see the treatise of Mark W. Spong, Seth Hutchinson and Mathukumalli Vidyasagar, “Robot modeling and control”, Vol. 3. New York: Wiley, 2006 , referenced.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Verfahren zum Ablegen eines Werkzeugs einer Baumaschine auf dem Boden vorgeschlagen. Als „Ablegen“ wird hierbei der Vorgang verstanden, das Werkzeug zum Boden zu führen, bis die Unterseite des Werkzeugs sicher auf dem Boden aufliegt.A method for placing a tool of a construction machine on the ground is proposed. In this context, “depositing” is understood to mean the process of guiding the tool to the floor until the underside of the tool rests securely on the floor.

Während des gesamten Verfahrens werden mit Hilfe eines oder mehrerer der folgenden Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensor, Linearsensor durch einen Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette die Position und die Orientierung der Glieder der kinematischen Kette einschließlich des Werkzeugs relativ zur Baumaschine oder zur Erdgravitation bestimmt. Der Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette basiert auf Sensorsignalen der Sensoren, die wenigstens an dem zumindest einen Teil des Werkzeugs angeordnet sind und bevorzugt an jedem Glied der kinematischen Kette zwischen der Baumaschine und dem Werkzeug angeordnet sind. Inertiale Messeinheiten lassen sich leicht und kostengünstig nachrüsten und können für andere Verfahren verwendet werden.During the entire process, one or more of the following sensors, inertial measuring unit, angle sensor, linear sensor, are used to determine the position and orientation of the links of the kinematic chain, including the tool, relative to the construction machine or to earth's gravity using an algorithm to determine the kinematic chain. The algorithm for determining the kinematic chain is based on sensor signals from the sensors which are arranged at least on the at least one part of the tool and are preferably arranged on each link of the kinematic chain between the construction machine and the tool. Inertial measuring units can be retrofitted easily and inexpensively and can be used for other processes.

Zudem wird die Orientierung wenigstens eines den Boden berührenden Teils der Baumaschine, welches die Orientierung der Baumaschine relativ zum Boden charakterisiert, relativ zur Erdgravitation bestimmt. Die Orientierung zwischen dem wenigstens einen den Boden berührenden Teil der Baumaschine und einem die Orientierung der Baumaschine angebenden Teil der Baumaschine ist bekannt oder kann zumindest ermittelt werden. Aufgrund des direkten Kontakts zwischen dem wenigstens einen den Boden berührenden Teil und der Oberfläche des Bodens entsprechen sich die beiden Orientierungen zumindest an der Stelle des Kontakts. Da sich die Orientierung der Oberfläche über eine Strecke, die dem Abstand zwischen dem wenigstens einen den Boden berührenden Teil und dem Werkzeug entspricht, typischerweise nur geringfügig ändert - für den Fall, dass die Baumaschine nicht direkt an einer Klippe steht -, kann die Orientierung der Oberfläche des Bodens am Ablageort des Werkzeugs aus der Orientierung der Oberfläche des Bodens an der Stelle des Kontakts abgeschätzt werden und entspricht folglich im Wesentlichen der Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine.In addition, the orientation of at least one part of the construction machine in contact with the ground, which characterizes the orientation of the construction machine relative to the ground, is determined relative to earth's gravity. The orientation between the at least one part of the construction machine which is in contact with the ground and a part of the construction machine indicating the orientation of the construction machine is known or can at least be determined. Because of the direct contact between the at least one part that touches the floor and the surface of the floor, the two orientations correspond at least at the point of contact. Since the orientation of the surface extends over a distance equal to the distance between the at least one the ground contacting part and the tool corresponds, typically only changes slightly - in the event that the construction machine is not directly on a cliff - the orientation of the surface of the soil at the place where the tool is placed can be derived from the orientation of the surface of the soil at the point of contact are estimated and consequently corresponds essentially to the orientation of the at least one part of the construction machine that touches the ground.

Bevorzugt wird die Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine über die inertiale Messeinheit und besonders bevorzugt durch den bereits genannten Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette bestimmt. Hierfür wird ein Sensorsignal eines inertialen Sensors der inertialen Messeinheit an der Baumaschine verwendet. Dabei ist der inertiale Sensor an der Baumaschine derart angeordnet, dass die Orientierung zwischen diesem inertialen Sensor und dem wenigstens einen den Boden berührenden Teil der Baumaschine aus der Konstruktion der Baumaschine bekannt ist oder zumindest ermittelt werden kann. Optional kann die Orientierung der Hochachse der Baumaschine relativ zur Erdgravitation bestimmt werden, um die Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine zu bestimmen.The orientation of the at least one part of the construction machine that touches the ground is preferably determined via the inertial measuring unit and particularly preferably by the aforementioned algorithm for determining the kinematic chain. A sensor signal from an inertial sensor of the inertial measuring unit on the construction machine is used for this. The inertial sensor is arranged on the construction machine in such a way that the orientation between this inertial sensor and the at least one part of the construction machine that is in contact with the ground is known or at least can be determined from the construction of the construction machine. Optionally, the orientation of the vertical axis of the construction machine relative to the earth's gravity can be determined in order to determine the orientation of the at least one part of the construction machine that is in contact with the ground.

Insbesondere wird das wenigstens eine den Boden berührende Teil der Baumaschine durch Räder oder eine Gleiskette realisiert, also Elemente, die zur Fortbewegung der Baumaschine mit dem Boden in Kontakt treten. Im Allgemeinen kann die Baumaschine auch mit dem wenigstens einen den Boden berührende Teil auf dem Boden stehen; Beispiele hierfür sind eine Stütze oder ein Fuß.In particular, the at least one part of the construction machine that touches the ground is implemented by wheels or a track, that is to say elements that come into contact with the ground in order to move the construction machine. In general, the construction machine can also stand on the ground with the at least one part that touches the ground; Examples of this are a support or a foot.

Soll das Werkzeug nun aufgrund eines Befehls eines Bedieners oder aufgrund einer automatischen Steuerung der Baumaschine abgelegt werden, so wird die Bewegung des Werkzeugs unter Einbeziehung der Position und der Orientierung des Werkzeugs und der Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine geregelt. Die Regelung der Bewegung des Werkzeugs beim Ablegen des Werkzeugs wird derart ausgeführt, dass die Unterseite des Werkzeugs, die nach dem Ablegen auf dem Boden aufliegen soll, auf das gleiche Niveau, daher insbesondere auf die gleiche Höhe, und in die gleiche Orientierung wie das wenigstens eine den Boden berührende Teil gebracht wird. Wie bereits beschrieben, entspricht die Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine im Wesentlichen der Orientierung der Oberfläche des Bodens am Ablageort.If the tool is now to be put down on the basis of a command from an operator or on the basis of an automatic control of the construction machine, the movement of the tool is regulated taking into account the position and orientation of the tool and the orientation of the at least one part of the construction machine that touches the ground. The regulation of the movement of the tool when laying down the tool is carried out in such a way that the underside of the tool, which is to rest on the floor after being laid down, is at the same level, therefore in particular at the same height, and in the same orientation as at least a part touching the ground is brought. As already described, the orientation of the at least one part of the construction machine that touches the ground essentially corresponds to the orientation of the surface of the ground at the storage location.

Vorteilhafterweise wird bei der Bestimmung der Orientierung des Werkzeugs die Neigung des Werkzeugs bestimmt und bei der Bestimmung der Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine die Neigung dieses Teils bestimmt. In diesem Fall kann bei der Regelung zumindest ein Gelenkwinkel eines Gelenks zwischen dem Werkzeug und der Baumaschine so geregelt werden, dass die Unterseite des Werkzeugs waagerecht und/oder - auch für den Fall, dass der Boden nicht waagerecht ist - parallel zum Boden abgelegt wird. Es wird der Gelenkwinkel mit anderen Worten so geregelt, dass die Neigung der Unterseite des Werkzeugs der Neigung des wenigstens einen den Boden berührende Teils der Baumaschine entspricht, die gleichermaßen im Wesentlichen der Neigung der Oberfläche des Bodens am Ablageort entspricht.Advantageously, when determining the orientation of the tool, the inclination of the tool is determined and when determining the orientation of the at least one part of the construction machine that is in contact with the ground, the inclination of this part is determined. In this case, at least one joint angle of a joint between the tool and the construction machine can be regulated in such a way that the underside of the tool is placed horizontally and / or - even in the event that the floor is not horizontal - parallel to the floor. In other words, the joint angle is regulated in such a way that the inclination of the underside of the tool corresponds to the inclination of the at least one part of the construction machine which is in contact with the ground, which likewise essentially corresponds to the inclination of the surface of the ground at the storage location.

Das Ablegen des Werkzeugs ist ein grundlegendes Manöver bei vielen Baumaschinen. Durch die Regelung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Ablegen des Werkzeugs zumindest teilweise automatisiert. Das Ablegen des Werkzeugs kann beispielsweise per Knopfdruck durch den Bediener ausgelöst werden. Die Automatisierung dieses speziellen Manövers kann unabhängig von einer autonomen Steuerung durchgeführt werden. Allerdings kann eine autonome Steuerung der Baumaschine auf dieses automatisierte Ablegen des Werkzeugs gemäß dem Verfahren zurückgreifen.Setting down the tool is a basic maneuver in many construction machines. The setting down of the tool is at least partially automated by the regulation according to the method according to the invention. The tool can be deposited, for example, by the operator at the push of a button. The automation of this special maneuver can be carried out independently of an autonomous controller. However, an autonomous control of the construction machine can fall back on this automated depositing of the tool according to the method.

Das automatisierte Ablegen des Werkzeugs bringt unter anderem die folgenden Vorteile für den Bediener: Wenn die Sicht eines Bedieners auf das Werkzeug behindert ist, beispielswiese durch die Baumaschine selbst, ist eine manuelle Steuerung für das Ablegen des Werkezeugs oft schwierig und kann nur von geübten Bedienern ausgeführt werden. Das automatisierte Ablegen des Werkzeugs gemäß dem Verfahren erleichtert demnach die Bedienung, vor allem für ungeübte Bediener. Wenn eine Arbeitssequenz, bei der das Werkzeug abgelegt wird, stetig wiederholt wird, was beispielsweise bei einem sogenannten Y-Zyklus für ein Aufladen und Abladen z. B. bei einem Radlader der Fall ist, vereinfacht die Automatisierung die Bedienung. Wenn der Bediener das Fahrzeug abstellt und verlässt, kann das Werkzeug automatisch abgelegt werden, um die Sicherheit zu erhöhen. In diesem Fall ist allerdings sicherzustellen, dass das Werkzeug an diesem Ort und zu dieser Zeit auch wirklich sicher abgelegt werden kann, ohne Schäden zu verursachen.The automated depositing of the tool has the following advantages for the operator: If an operator's view of the tool is obstructed, for example by the construction machine itself, manual control for depositing the tool is often difficult and can only be carried out by experienced operators will. The automated depositing of the tool according to the method therefore facilitates the operation, especially for inexperienced operators. If a work sequence in which the tool is put down is repeated continuously, which is, for example, in a so-called Y cycle for loading and unloading z. B. is the case with a wheel loader, the automation simplifies the operation. When the operator parks and leaves the vehicle, the tool can be automatically put down for increased safety. In this case, however, it must be ensured that the tool can really be put down safely in this place and at this time without causing damage.

Es kann eine Umfeldsensorik an der Baumaschine vorgesehen sein, mit der das Umfeld der Baumaschine erfasst wird. Diese ist oftmals in der Lage, die Orientierung und das Niveau des Bodens im Umfeld zu erfassen. Folglich ist es unter Zuhilfenahme der Umfeldsensorik möglich, Klippen zu erfassen. Die Daten der Umfeldsensorik können bei der Regelung der Bewegung des Werkzeugs berücksichtigt werden. Generell kann durch dieses Verfahren aber auch auf die Umfeldsensorik verzichtet werden.An environment sensor system can be provided on the construction machine with which the environment of the construction machine is recorded. This is often able to determine the orientation and level of the ground in the area. Consequently, it is possible to detect cliffs with the aid of the environment sensors. The data from the environment sensors can be taken into account when regulating the movement of the tool. In general, however, this method also makes it possible to dispense with the environment sensors.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Ablegen des Werkzeugs durch dieses Verfahren genauer geregelt werden kann als durch ein Verfahren nur auf Basis der Umfeldsensorik oder durch ein Verfahren, bei dem eine Änderung des Hydraulikdrucks ausgewertet wird.Another advantage is that this method can regulate the setting down of the tool more precisely than a method based solely on the environment sensors or a method in which a change in the hydraulic pressure is evaluated.

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 each step of the method, in particular if it is carried out on a computing device or control device. It enables the implementation of the method 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, das Ablegen des Werkzeugs zu regeln.By uploading the computer program to a conventional electronic control device, the electronic control device is obtained, which is set up to regulate the setting down of the tool.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Baumaschine, bei der ein Werkzeug mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem Anfangszustand (a) auf den Boden abgelegt wird (b).
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the description below.
  • 1 shows a schematic representation of a construction machine in which a tool is placed on the ground from an initial state (a) by means of the method according to the invention (b).
  • 2 shows a flow chart of the method according to the invention.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Baumaschine 1 in Form eines Radladers mit einem als Schaufel ausgebildeten Werkzeug 2. Das Werkzeug 2 ist über einen Arbeitsarm 3 mit der Baumaschine 1 verbunden, wobei zwischen der Baumaschine 1 und dem Arbeitsarm 3 und zwischen dem Werkzeug 2 und dem Arbeitsarm 3 jeweils ein Gelenk 4 angeordnet ist, das die jeweiligen Komponenten beweglich verbindet. In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann der Arbeitsarm auch mehrgliedrig ausgebildet sein, wobei in diesem Fall zwischen den einzelnen Gliedern ebenfalls jeweils ein Gelenk angeordnet ist. Die Baumaschine 1, der Arbeitsarm 3 und das Werkezeug 2 bilden eine kinematische Kette. An jedem Glied der kinematischen Kette, daher an der Baumaschine 1, dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 2, ist jeweils ein inertialer Sensor 5, 5' einer inertialen Messeinheit angeordnet. Dem inertialen Sensor 5', der an der Baumaschine 1 angeordnet ist, kommt hierbei eine spezielle Bedeutung zu (siehe unten) und ist daher mit einem Strich (') gekennzeichnet. Die inertialen Sensoren 5, 5' sind mit einem elektronischen Steuergerät 6 der Baumaschine 1 verbunden. Die Baumaschine 1 in Form des Radladers weist Räder 7 auf, die über Achsen (nicht gezeigt) mit der Baumaschine 1 verbunden sind und den Boden 8 berühren. In weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsformen ist die Baumaschine 1 z. B. in Form einer Planierraupe ausgebildet, bei der anstelle der Räder eine Gleiskette den Boden berührt. In noch weiteren Ausführungsformen kann die Baumaschine 1 mit einer Stütze oder eine Fuß den Boden berühren, beispielsweise wenn die Baumaschine 1 eine stationäre Baumaschine 1 ist oder in einem Arbeitsmodus aufgestützt wird. 1 shows a schematic representation of a construction machine 1 in the form of a wheel loader with a tool designed as a shovel 2 . The tool 2 is about a working arm 3 with the construction machine 1 connected, being between the construction machine 1 and the working arm 3 and between the tool 2 and the working arm 3 one joint each 4th is arranged that movably connects the respective components. In further exemplary embodiments, not shown, the working arm can also be designed with multiple links, in which case a joint is also arranged between the individual links. The construction machine 1 , the working arm 3 and the tools 2 form a kinematic chain. On every link of the kinematic chain, hence on the construction machine 1 , the working arm 3 and the tool 2 , is an inertial sensor 5 , 5 ' an inertial measuring unit arranged. The inertial sensor 5 ' working on the construction machine 1 is arranged, has a special meaning (see below) and is therefore marked with a dash ('). The inertial sensors 5 , 5 ' are with an electronic control unit 6th the construction machine 1 connected. The construction machine 1 in the form of the wheel loader has wheels 7th on the axles (not shown) with the construction machine 1 connected and the ground 8th touch. In further embodiments not shown here, the construction machine 1 z. B. in the form of a bulldozer, in which instead of the wheels, a caterpillar touches the ground. In still further embodiments, the construction machine 1 touch the ground with a support or a foot, for example when the construction machine 1 a stationary construction machine 1 is or is propped up in a working mode.

In 1 sind zwei Zustände a) und b) dargestellt, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden. Im Anfangszustand a) ist das Werkzeug 2 noch angehoben. Im Endzustand b) liegt das Werkzeug 2 auf demselben Niveau wie die Unterseite der Räder 7 und die Orientierung des Werkzeugs 2 entspricht der Orientierung des Bodens 8, sodass das Werkzeug 2 auf dem Boden 8 abgelegt ist. Die Gelenke 4 sind in den beiden Zuständen unterschiedlich ausgerichtet.In 1 two states a) and b) are shown, which were recorded at different times. The tool is in the initial state a) 2 still raised. The tool is in the final state b) 2 at the same level as the bottom of the wheels 7th and the orientation of the tool 2 corresponds to the orientation of the floor 8th so the tool 2 on the ground 8th is filed. The joints 4th are oriented differently in the two states.

In 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zu Beginn und während des ganzen Verfahrens wird die Orientierung, insbesondere die Neigung, und die Position des Werkzeugs 2 und des Arbeitsarms 3 relativ zur Baumaschine 1 oder zur Erdgravitation mit Hilfe der inertialen Sensoren 5, 5' an der Baumaschine 1, dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 5 durch einen Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kettebestimmt 10. Hierfür werden die Sensordaten der inertialen Sensoren 5, 5' entlang der kinematischen Kette verwendet. Aus der Orientierung bzw. der Neigung und der Position des Werkzeugs 2 und des Arbeitsarms 3 werden dann mittels sogenannter Denavit-Hartenberg Parametern (siehe beispielsweise Spong et al. „Robot modeling and control“, Vol. 3. New York: Wiley, 2006) aktuelle Ist-Gelenkwinkel ⌷ist für die Gelenke 4 ermittelt 11 . Ebenfalls zu Beginn werden die die Aufstandspunkte der Räder 7 relativ zur Erdgravitation bestimmt 20, welche im Wesentlichen der Orientierung der Oberfläche des Bodens 8 repräsentieren. Bevorzugt kann die Orientierung des inertialen Sensors 5', der an der Baumaschine 1 angeordnet ist, mittels eines Teils desselben Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette werden, bei der nur die Sensordaten dieses inertialen Sensors 5' verwendet werden. Bei dem hier gezeigten Radlader besteht ein fester Zusammenhang zwischen den Aufstandspunkten der Räder 7 und der Orientierung dieses inertialen Sensors 5', sodass aus der Orientierung des inertialen Sensors 5' auf die Aufstandspunkte der Räder 7 und somit auf die Orientierung des Bodens 8 geschlossen werden kann.In 2 a flow chart of an embodiment of the method according to the invention is shown. At the beginning and throughout the process, the orientation, especially the inclination, and the position of the tool are used 2 and the working arm 3 relative to the construction machine 1 or for earth gravity with the help of the inertial sensors 5 , 5 ' on the construction machine 1 , the working arm 3 and the tool 5 determined by an algorithm for determining the kinematic chain 10 . For this purpose, the sensor data of the inertial sensors 5 , 5 ' used along the kinematic chain. From the orientation or the inclination and the position of the tool 2 and the working arm 3 are then using so-called Denavit-Hartenberg parameters (see for example Spong et al. "Robot modeling and control", Vol. 3. New York: Wiley, 2006) current actual joint angle ⌷ist determined for joints 4 11 . Also at the beginning these are the points of contact of the wheels 7th relative to earth's gravity determines 20, which is essentially the orientation of the surface of the ground 8th represent. The orientation of the inertial sensor can be preferred 5 ' working on the construction machine 1 is arranged, by means of part of the same algorithm for determining the kinematic chain, in which only the sensor data of this inertial sensor 5 ' be used. In the wheel loader shown here, there is a fixed relationship between the contact points of the wheels 7th and the orientation of this inertial sensor 5 ' so that from the orientation of the inertial sensor 5 ' on the points of contact of the wheels 7th and thus on the orientation of the ground 8th can be closed.

Wird das Ablegen des Werkzeugs 2 durch einen Bediener aktiviert 30, beispielsweise indem er einen dafür vorgesehenen Knopf betätigt, so wird die Ausrichtung des Werkzeugs 2 im Inertialsystem, d. h. die Neigung gegenüber der Erdgravitation ermittelt 40. Dann werden aus der Ausrichtung des Werkzeugs 2 im Inertialsystem und den Aufstandspunkten der Räder 7 Soll-Gelenkwinkel ⌷soll ermittelt 41.Will dropping the tool 2 activated 30 by an operator, for example by pressing a button provided for this purpose, the orientation of the tool 2 in the inertial system, ie the inclination with respect to earth's gravity is determined 40. Then the orientation of the tool 2 in the inertial system and the points of contact of the wheels 7th Target joint angles determined ⌷ to 41st

In einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel werden, wenn das Ablegen des Werkzeugs 2 durch einen Bediener aktiviert wird 30, Bewegungstrajektorien für das Werkzeug 2 ermittelt. Bei den Bewegungstrajektorien werden Bahnkurven in den Koordinaten eines körperfesten Koordinatensystems beschrieben. Dazu wird die Position des Werkzeugs 2 in den Koordinaten der Baumaschine 1 angegeben. Aus diesen Bewegungstrajektorien werden dann Soll-Gelenkwinkel ⌷soll ermittelt.In another exemplary embodiment, not shown, when the tool is put down 2 activated by an operator 30, movement trajectories for the tool 2 determined. With the movement trajectories, path curves are described in the coordinates of a body-fixed coordinate system. This is done by the position of the tool 2 in the coordinates of the construction machine 1 specified. From these movement trajectories then target joint angle ⌷ to determined.

Schließlich ist eine Regelung 50 zum Ablegen des Werkzeugs 2 auf den Boden 8 vorgesehen, bei die Ist-Gelenkwinkel ⌷ist auf die Soll-Gelenkwinkel ⌷soll geregelt werden, sodass die Unterseite des Werkzeugs 2 parallel zur Ebene der Aufstandspunkte der Räder 7 und somit parallel zum Boden 8, daher in diesem Ausführungsbeispiel waagerecht, auf das gleiche Niveau, d. h. die gleiche Höhe, wie die Ebene der Aufstandspunkte der Räder 7 gebracht wird.Finally there is a scheme 50 to put down the tool 2 on the ground 8th provided, when the actual joint angle ⌷ is to be regulated to the target joint angle ⌷, so that the bottom of the tool 2 parallel to the plane of the contact points of the wheels 7th and thus parallel to the ground 8th , therefore horizontally in this embodiment, at the same level, ie the same height as the plane of the contact points of the wheels 7th is brought.

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Claims (8)

Verfahren zum Ablegen eines Werkzeugs (2) einer Baumaschine (1) auf einen Boden (8), gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bestimmen (10) einer Position und einer Orientierung des Werkzeugs (2) relativ zur Baumaschine (1) oder zu einer Richtung der Erdgravitation mit Hilfe eines oder mehrerer der folgenden Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensor, Linearsensor durch einen Algorithmus zur Bestimmung einer kinematischen Kette der Baumaschine (1); - Bestimmen (20) einer Orientierung wenigstens eines den Boden (8) berührenden Teils (7) der Baumaschine (1), welches eine Orientierung der Baumaschine (1) relativ zum Boden (8) charakterisiert, relativ zur Erdgravitation; - Regeln (50) einer Bewegung des Werkzeugs (2), um zum Ablegen des Werkzeugs (2) eine Unterseite des Werkzeugs (2) auf ein gleiches Niveau und in eine gleiche Orientierung wie das wenigstens eine den Boden (8) berührende Teil (7) der Baumaschine (1) zu bringen.Method for depositing a tool (2) of a construction machine (1) on a floor (8), characterized by the following steps: - Determining (10) a position and an orientation of the tool (2) relative to the construction machine (1) or to a direction the earth's gravity with the help of one or more of the following sensors inertial measuring unit, angle sensor, linear sensor through an algorithm for determining a kinematic chain of the construction machine (1); - Determination (20) of an orientation of at least one part (7) of the construction machine (1) touching the ground (8), which characterizes an orientation of the construction machine (1) relative to the ground (8), relative to earth's gravity; - Regulating (50) a movement of the tool (2) in order to place the tool (2) on an underside of the tool (2) on the same level and in the same orientation as the at least one part (7 ) to bring the construction machine (1). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils (7) der Baumaschine (1) über eine inertiale Messeinheit erfolgt, wobei ein Sensorsignal eines inertialen Sensors (5') der inertialen Messeinheit an der Baumaschine (1) verwendet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the determination of the orientation of the at least one ground-contacting part (7) of the construction machine (1) takes place via an inertial measuring unit, a sensor signal from an inertial sensor (5 ') of the inertial measuring unit on the construction machine (1) being used becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen (10) der Orientierung des Werkzeugs (2) eine Neigung des Werkzeugs (2) bestimmt wird und bei der Bestimmung (20) der Orientierung des den Boden (8) berührenden Teils (7) der Baumaschine (1) eine Neigung dieses Teils (7) bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when determining (10) the orientation of the tool (2) an inclination of the tool (2) is determined and when determining (20) the orientation of the part (8) in contact with the ground ( 7) of the construction machine (1) an inclination of this part (7) is determined. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Regeln (5) der Bewegung des Werkzeugs (2) zumindest ein Gelenkwinkel (Θist) zumindest eines Gelenks zwischen dem Werkzeug (2) und der Baumaschine (1) so geregelt wird, dass die Unterseite des Werkzeugs (2) waagerecht und/oder parallel zum Boden (8) abgelegt wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that when regulating (5) the movement of the tool (2) at least one joint angle (Θ ist ) of at least one joint between the tool (2) and the construction machine (1) is regulated in such a way that the underside of the tool (2 ) is placed horizontally and / or parallel to the floor (8). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine den Boden (8) berührende Teil (7) der Baumaschine (1) ein oder mehrere Räder oder eine Antriebskette ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one part (7) of the construction machine (1) which touches the ground (8) is one or more wheels or a drive chain. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.Computer program which is set up, each step of the method according to one of the Claims 1 to 5 perform. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which a computer program is based Claim 6 is stored. Elektronisches Steuergerät (6), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ein Werkzeug (2) abzulegen.Electronic control device (6) which is set up to use a method according to one of the Claims 1 to 5 to put down a tool (2).
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